DE3029316A1

DE3029316A1 - Transistorverstaerker

Info

Publication number: DE3029316A1
Application number: DE19803029316
Authority: DE
Inventors: Einar Oddbjorn Portland Oreg. Traa
Original assignee: Tektronix Inc
Current assignee: Tektronix Inc
Priority date: 1979-08-03
Filing date: 1980-08-01
Publication date: 1981-03-26
Also published as: NL189585B; DE3029316C2; NL189585C; FR2462817B1; GB2059207A; JPS6141163B2; FR2462817A1; US4267516A; GB2059207B; JPS5656016A; CA1133594A; NL8004358A

Description

-a-

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. "We ι ο ε. μ α. ν ν, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber Dr. Ing. H. Liska _ä

D/20 SOOO MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860 820 MtJHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 3921/22

Tektronix, Inc.

49οο S.W. Griffith Drive

Beaverton, Oregon 97oo5, V.St.A.

Transistorverstärker

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Transistorverstärker nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Kaskoden-Transistorverstärker mit gemeinsamem Emitter sind zum Gebrauch in Oszilloskopen und anderen Präzisionsmeßinstrumenten, welche eine hohe Bandbreite erfordern, sehr verbreitet. Ein derartiger emittergekoppelter Transistorverstärker, der eine f^ aufweist, die im wesentlichen verdoppelt ist, wird in der US-PS 3 633 120 beschrieben. Der sogenannte f_T~Verdoppelungsverstärker umfaßt ein erstes und ein zweites Paar Transistoren, in denen die Ausgänge der Transistorpaare parallel geschaltet sind, während ein gemeinsamer Eingangsstrom in Reihe an die vier Transistoren geliefert wird, um die Stromverstärkung am oberen -3dB-Punkt im wesentlichen zu verdoppeln. Dieser Verstärker zeigt jedoch gewisse Nichtlinearitäten und thermische Verzerrungen, welche in den grundlegenden physikalischen

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Eigenschaften der pn-Übergänge der verwendeten Halbleiter inhärent sind.

Eine vorwärtsgekoppelte Nichtlinearität- und thermische Verzerrungstechnik für emittergekoppelte Transistorverstärker ist bereits entwickelt worden und wird in der US-PS 4 146 844 gelehrt. Während die Vorwärts- _m kopplungstechnik auf Differentialverstärker mit zwei Transistoren angewendet worden ist, wäre es wünschenswert, diese Technik ebenso gut auf die fm-Verdoppelungsverstärkerkonfiguration mit vier Transistoren anzuwenden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Verstärkerschaltkreis der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die Technik der Vorwärtskoppelung zur Reduzierung von Nichtlinearitäten und themischen Verzerrungen angewendet ist.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Eine bevorzugte Ausführungsform dieses Verstärkers ist im Anspruch 2 angegeben.

Danach ist ein verbesserter fm-Verdoppelungskaskodeverstärker geschaffen worden, der einen vorwärts ge-

koppelten Schaltkreis zum Kompensieren von Nichtlinearitäten und thermischen Verzerrungen aufweist. Der verbesserte fm-Schaltkreis weist eine Verbesserung gegenüber dem zugrundeliegenden vorwärts gekoppelten Kaskodeverstärker auf und es ist auch eine Verbesserung darin zu sehen, daß die basisgekoppelten Transistoren nicht auf die gleiche Lastleitung wie die emittergekoppelten Transistoren gezwungen sind, wodurch ein Verstärker mit mehr Flexibilität geschaffen ist und der Gleichspannung saufbau vermieden wird, der sich bei dem zugrunde-

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liegenden, vorwärts gekoppelten Kaskodenverstärker zeigt.

Bevorzugterweise verbindet ein erster Widerstand die Emitterausgänge des ersten Transistorpaares, während ein zweiter Widerstand die Emitterausgänge des zweiten Transistorpaares miteinander verbindet. Ein Eingangsstrom wird zwischen einem Basisanschluß des ersten Transistorpaares und einem Basisanschluß des zweiten Transistorpaares angelegt, während die anderen beiden Basisanschlüsse miteinander verbunden sind, um einen Eingangsserienstrompfad zu vollenden. Bei den ersten und zweiten Transistorpaaren, bei denen die gemeinsamen Emitter zusammengeschaltet sind, sind die Kollektorausgänge parallel geschaltet, und zwar gleichphasig und in stromunterstützender Weise, so daß ein Paar Stromknoten geschaffen werden, welche ihrerseits mit den Emittern eines Paares von Ausgangstransistoren mit gemeinsamer Basis verbunden sind. Ein vorwärts gekoppelter Verstärker, welcher eine Verstärkungscharakteristik aufweist, die im wesentlichen gleich jender der fm-Verdoppelungsverstärkerkonfiguration mit vier Transistoren ist, weist zwei Eingänge auf, welche auf zugeordnete Emitter der basisgekoppelten Transistoren geschaltet sind und zwei Ausgänge, welche jeweils auf die Stromknoten gekoppelt sind. Der vorwärts gekoppelte Verstärker fühlt die Verzerrung des Hauptverstärkerkanals quer über seine Eingänge ab und erzeugt einen Fehlerkorrekturstrom, welcher in die Ausgangsstromknoten eingegeben wird, um insgesamt eine Verstärkerausgabe zu erzeugen, welche frei von logarithmischen Nichtlinearitäten und thermischen Verzerrungen ist.

Es ist somit ein verbesserter fm-Verdoppelungskaskodenverstärker geschaffen worden, welcher mit einem vorwärts gekoppelten Verstärkerschaltkreis versehen ist, der Nichtlinearitäten und thermische Verzerrungen kompensiert

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Er verbessert auch den zugrundeliegenden vorwärts gekoppelten Kaskodenverstärker in der Weise, daß er die Verzerrung am Verstärkereingang abfühlt und in den Ausgang ein Korrektursignal eingibt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt und wird in der nun folgenden Beschreibung, aus der sich weitere Vorteile ergeben werden, näher erläutert.

Es zeigen

Figur 1 ein Schaltbild eines frp-Verdoppelungskaskodenverstärkers mit gemeinsamem Emitter, der einen vorwärts gekoppelten Verstärker umfaßt,

und
Figur 2 ein Schaltbild eines für die Schaltung nach Figur 1 verwendbaren vorwärts gekoppelten Verstärkers.

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Der in Figur 1 dargestellte Verstärker umfaßt ein erstes Paar Transistoren Q1 und Q2, deren Emitter über einen Widerstand 10 miteinander verbunden sind, und ein zweites Paar Transistoren Q3 und 0.4, deren Emitter über einen Widerstand 12 miteinander verbunden sind. Über Eingangsanschlüsse 14 und 16 werden Eingangssignale +V. und -V. an die Basen der Transistoren Q1 bzw. 04 angelegt. Die Basen der Transistoren Q2 und Q3 sind miteinander verbunden und"es ist eine Bezugsspannung V^ an sie angelegt, um den Eingangsreihenstrompfad zu vervollständigen. An die Emitter der Transistoren Q2 und Q3 ist über Kontantstromsenken 18 bzw. 19 eine geeignete negative Versorgungsspannung -V_EE angelegt. Die Kollektoren der Transistoren Q2 und Q3 sind über Widerstände 22 und über Kreuz mit den Kollektoren der Transistoren Q4 bzw. Q1 verbunden und bilden Stromsammeiknoten 26 bzw. Dies ist der grundlegende fm-Verdoppelungsverstärker, wie er durch die vorstehend erwähnte US-PS 3 633 120 gelehrt wird. Der Emitter eines Transistors Q5 ist mit einem Stromknoten 28 verbunden, während seine Basis mit einer geeigneten Quelle für eine Vorspannung +V_BB verbunden und an seinen Kollektor über einen Lastwiderstand 30 eine geeignete positive Versorgungsspannung +Vpp angelegt ist. Ähnlich ist der Emitter eines Transistors 0.6 mit dem Stromknoten 26 verbunden, während an seine Basis die Vorspannung +V-g-g und an. seinen Kollektor über einen Lastwiderstand 32 die positive Versorgungsspannung +V angelegt ist. Ein differentielles Ausgangssignal V . ist über Ausgangsanschlüsse 34 und 36, von denen einer mit dem Kollektor des Transistors 05 und der andere mit dem Kollektor des Transistors Q6 verbunden ist, verfügbar gemacht. Ein vorwärts gekoppelter Verstärker A1 ist mit seinen differentiellen Eingängen mit den Emittern der Transistoren Q2 und Q3 verbunden, während die differentiellen Aus-

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gänge des Verstärkers A1 mit den Stromsammeiknoten 28 und 26 in einer stromunterstützenden Weise verbunden sind. Der Verstärker A1 kann viele Formen aufweisen; ein Beispiel einer einfachen Ausführungsform jedoch, welche als Verstärker A1 geeignet ist, geht aus der Figur 2 hervor. Hier umfaßt ein Differentialverstärker ein Paar Transistoren 40 und 42, deren Emitter über einen Widerstand 44 miteinander verbunden sind. An den Emitter des "Transistors 40 ist über einen groSen Widerstand 46 die negative Versorgungsspannung -V₁-,-, angelegt, während sein Kollektor mit dem Stromsammeiknoten 26 verbunden ist. Ein differentielles Fehlersignal V_E wird über die Basen der Transistoren 40 und 42 angelegt.

Wie der in Figur 1 dargestellte Schaltkreis zur Korrektur der Nichtlinearität und der thermischen Verzerrung arbeitet, kann am besten unter Verwendung mathematischer Beziehungen verstanden werden. Es ist angenommen, daß die Transistoren Q1 bis Q4 angepaßte Parameter aufweisen. Weiter ist angenommen, daß die Transistoren Q1 und Q3 betriebsmäßig einander angepaßt sind, derart, daß beide Transistoren gleiche Spannungen, Ströme und Arbeitspunkte aufweisen. Ähnlich sind die Transistoren Q2 und 0.4 betriebsmäßig einander angepaßt, derart, daß beide Transistoren die gleichen Spannungen, Ströme und Arbeitspunkte aufweisen. Die Widerstände 10, 12, 22 und 24 sind einander angepaßt, und jeder weist einen Widerstandswert R auf. Deshalb fließen durch die Transistoren Q1 und 03 die gleichen Ströme I^ und ähnlich fließen durch die Transistoren Q2 und Q3 gleiche Ströme Ip-Die Summe der Ströme I₁ und Ip auf jeder Seite des Verstärkers ist gleich 2IT, nämlich der Strombetrag, der bei jeder der Konstantstromsenken 18 und 20 gesunken ist. Unter dynamischen Bedingungen wird eine Signalstromkomponente I erzeugt, welche gleich

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(I₁ - I^)/2 ist. Der Wert der Bezugsspannung V_R sollte gleich -RIm sein, um die Basen der Transistoren QZ und Q3 mit den Transistoren Q1 und Q4 auszubalanzieren.

Die differentielle Eingangs spannung zwischen den Anschlüssen 14 und 16 kann geschrieben werden als

2V_in = 2RI_S + 2CkTZq)In(I₁Zl₂) + 2 A%j (D

in der k die Boltzmann-Konstante, T die absolute Temperatur, q die Ladung eines Elektrons bedeuten und Δ VmTT alle systematischen Abweichungen von der reinen logarithmischen Übergangsgleichung, die thermischer und anderweitiger Natur sind.

Bei kurzgeschlossenen Ausgangsanschlüssen 34 und 3o kann der Ausgangsschleifenstrom ausgedrückt werden als

I₀ = 2I_S + 2V_EZR = 2I_S- + 2 [^kTZq)In(I₁Zl₂) + Λ V^^/R

in der V„ die differentielle Fehlerspannung bedeutet, die durch Nichtlinearitäten und thermische Verzerrungen verursacht wird.

Aus den Gleichungen (1) und (2) ergibt sich die Steilheit oder Verstärkung des Verstärkers nach Figur 1 zu

I 1 (3)

ο —

Da der vorwärts gekoppelte Korrekturverstärker A1 effektiv nur die Halbe Fehlerspannung abfühlt, sollte seine Verstärkung doppelt so groß, wie die des ganzen Verstärkers eingestellt werden, d.h. A = 2ZR. Das kann dadurch erreicht werden, daß der ¥ert des Wider-

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Standes 44 in Figur 2 gleich R/2 gewählt wird. Es sei darauf hingewiesen, daß dabei ideale Transistoren angenommen worden sind und daß die verschiedenen Übergangsimpedanzen nicht in Rechnung gestellt worden sind. In der Praxis wird der Wert des Widerstandes 44 so eingestellt, daß er Emitterwiderstände umfaßt und darüber hinaus ist es möglich, die Widerstände und 24, die von Kollektorxmpedanzen der Geräte, der verwendeten Architektur und dem benötigten Perfektionsgrad abhängen, vollständig zu eliminieren.

Während die vorangegangenen Erörterungen auf der Verwendung von bipolaren Transistoren beruhte, können die dargelegten Prinzipien auch auf andere aktive Schaltungen, beispielsweise Feldeffekttransistoren oder sogar Vakuumröhren angewendet werden, wo V(I) die Eingangsspannung einer Schaltung bei dem Strom I ist. Für den allgemeinen Fall kann die differentielle Fehlerspannung Vg als V(I₁) - V(Ip) ausgedrückt werden, so daß die differentielle Eingangsspannung ausgedrückt werden kann als

2V_in = 2RI_S + 2 [V(I₁) .- V(I₂)] (4) der Ausgangsschleifenstrom kann ausgedrückt werden als I₀ = 2I_S + 2 [V(I₁) - V(I₂)] /R (5)

und die totale Verstärkersteilheit reduziert sich wie in Gleichung (3) auf 1/R.

Der verbesserte fm-Kaskodenverstärker nach Figur 1 mit gemeinsamem Emitter zeigt in praktischen Anwendungen, beispielsweise in monolithisch integrierten Schaltkreisen, nicht nur eine erheblich reduzierte Nichtlinearität

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und thermische Verzerrung,sondern verbessert ebenso gut den zugrundeliegenden vorwärts gekoppelten Kaskodenverstärker in der Weise, daß die Transistoren Q5 und Q6 mit gemeinsamem Emitter nicht auf die gleiche Lastleitung' wie die Transistoren Q1 bis Q4 gezwungen sind.

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Claims

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Patentansprüche

1 J Verstärkerschaltkreis zum Erzeugen einer vergrößerten Stromverstärkung bei hohen Frequenzen, mit einem ersten Paar emittergekoppelter Transistoren, deren Kollektoren an einen ersten und zweiten Stromknoten gekoppelt sind, mit einem zweiten Paar emittergekoppelter Transistoren-, deren Kollektoren ebenfalls an je einen der Stromknoten gekoppelt sind, um eine gleichphasige Stromausgabe zu erzeugen, die parallel zur Stromausgabe des ersten' Transistorpaares ist, gekennzeichnet durch einen vorwärts gekoppelten Verstärker (A1), der ein Paar Eingangsanschlüsse und ein Paar Ausgänge aufweist, wobei zum Abfühlen der erzeugten Verzerrung ein Eingangsanschluß an die Emitter des ersten (Q1, Q2 oder Q3,Q4) und der andere an die Emitter des zweiten Transistorpaares (Q3, Q4 bzw. Q1, Q2) angeschlossen ist, und wobei zum Aufprägen eines Korrekturstromes auf den Ausgangsstrom des ersten und zweiten Transistorpaares ein Ausgang an den ersten (28 bzw. 26) und der andere an den zweiten Stromknoten (26 bzw. 28) angeschlossen ist, und durch ein Paar basisgekoppelter Transitoren (Q5, Q6), von deren Emittern einer an den ersten (28 bzw. 26) und der andere an den zweiten Stromknoten (26 bzw. 28) gekoppelt ist, um an deren Kollektoren einen im wesentlichen fehlerfreien Ausgangsstrom zu erzeugen.
2. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der vorwärts gekoppelte Verstärker (A1) einen Differentialverstärker aufweist, der eine Steilheit aufweist, die doppelt- so groß ist, wie jene des aus dem ersten und zweiten Transistorpaar gebildeten Verstärkers.

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