DE3035285A1 - Verstaerkerschaltung - Google Patents

Description

Beschreibung

Die Erfindung "bezieht sich auf Verstärker und insbesondere auf einen bipolare Transistoren benutzenden Breitbandverstärker.

Bei einem zur Verstärkung von Breitbandsignalen, wie Videosignalen, benutzten Verstärker ist es wichtig, daß die Verzerrung des Verstärkers so gering wie möglich ist. Zu diesem Zweck wurde ein Verfahren zum Unterdrücken der Verzerrung mit Hilfe negativer Rückkopplung in breitem Maße benutzt. Die Verwendung einer negativen Rückkopplung vermindert jedoch unvermeidbar den Verstärkungsfaktor. Daher ist eine große Zahl von Verstärkerelementen oder Verstärkerstufen erforderlich, um einen gewünschten Verstärkungsfaktor zu erreichen. Dieses führt zu Problemen hinsichtlich der Stabilität der Verstärkerschaltung.

Gewöhnlich sind die benutzten Verstärkerelemente Transistoren, wobei die Basis-Emitter-Eingangs- und Ausgangs-Kennlinien der Transistoren in bestimmten Betriebsbereichen nicht linear sind. TJm diese durch die nicht linearen Kennlinien bedingten Probleme zu beseitigen, müssen große Ströme den Transistoren zugeführt werden, oder eine negative Rückkopplung angewendet werden. Jedoch ist keine dieser Techniken vollständig annehmbar, und besonders die eine negative Rückkopplung benutzende Technik führt zu Schwierigkeiten.

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Aufgabe der Erfindung ist es- daher·, einen Transistorverstärker zu schaffen, bei dem die zuvor erwähnte nicht lineare Verzerrung der verstärkenden !Transistoren ohne Verwendung einer negativen Rückkopplung verbessert wird.

Ein besonderes Merkmal eines erfindungsgemäß ausgebildeten Verstärkers besteht darin, daß ein erster Transistor und ein gegenüber dem ersten Transistor einen entgegengesetzten Leitungstyp aufweisender Zureiter Transistor vorgesehen sind, wobei das Ausgangssignal des ersten Transistors,, dessen Basis ein Eingangssignal zugeführt wird, an die Basis des zweiten Transistors gegeben wird, den ersten und zweiten Transistoren jeweils Ströme I^ und I2 derart zugeführt werden, daß das Verhältnis des Stroms I^ zum Strom I₂ gleich 1/«- ist, wobei cc eine Konstante ist, und eine Vorspannung derart zugeführt wird, daß das Verhältnis der Kollektor-Emitter-Spannung V^-g^ des ersten Transistors zu der Kollektor-Emitter-Spannung V_CE2 ^des zweiten Transistors gleich cc ist, wodurch ein Ausgangs signal ohne Verzerrung in Abhängigkeit von Änderungen des Stroms in dem ersten oder zweiten Transistor erzeugt wird.

Gemäß einem bevorzugten Gedanken der Erfindung wird also bei einer Verstärkerschaltung, bei der die nicht lineare Verzerrung der Verstärkertransistoren durch die nicht linearen Basis-Emitter-Eingangs- und Ausgängs-Kennlinien bedingt ist, ohne Benutzung einer negativen Rückkopplung beseitigt. Ein erster Transistor und ein zweiter Transistor entgegengesetzten Leitungstyps werden so miteinander verbunden, daß der Ausgang des ersten Transistors mit der Basis des zweiten Transistors verbunden ist, und ein Ein-

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gangssignal der Basis des ersten Transistors zugeführt wird. Ströme werden den ersten und zweiten Transistoren z.B. mit Hilfe einer Stromspiegelungsschaltung derart zugeführt, daß das Verhältnis der Ströme ein bestimmter konstanter Wert ist. Vorspannungen werden der Schaltung derart zugeführt, daß das Verhältnis der Kollektor-Emitter-Spannung des ersten Transistors zu der Kollektor-Emitter-Spannung des zweiten Transistors dem "bestimmten konstanten Wert reziprok ist.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprächen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Im einzelnen zeigt:

Pig. 1 einen schematischen Stromlaufplan zur Erläuterung der Grundlagen der Erfindung und

Jig. 2 einen schematischen Strom! auf plan, der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung zeigt.

Fig. 1 zeigt einen schematischen Stromlaufplan einer Schaltung, die die Grundlagen der Erfindung benutzt. Ein Eingangssignal Vjjr wird der Basis eines PHP-Transistors Q>j zugeführt, der als eine Emitterfolgerschaltung geschaltet ist, deren Ausgangssignal der Basis eines verstärkenden BPN-Transistors Q₂ zugeführt ist. Der Emitter des¹ Transistors Qp ist über einen Emitterwiderstand R^ mit einer negativen Spannungsquelle -B₂ verbunden. Der Emitter des

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Transistors (L· ist unmittelbar mit einer negativen Spannungsquelle -By. verbunden. Die Transistoren Q^, und Qo si^d. z.B. mit einer Stromspiegelungsschaltung 1 verbunden, die Ströme I^ und I₂ zuführt, deren Vernältnis 1^/I₂ konstant ist, das heißt I^i/Ip ⁼ "V⁰- 5 wobei et eine Eonstante ist. Die in Fig. gezeigte Stromspiegelungsschaltung 1 weist PHP-Transistoren Q, und CjL, deren Basen zusammengeschaltet sind, sowie Emitterwiderstände Eo ί¹¹¹^- ^ auf. Der Transistor Q^. ist als Diode geschaltet. Das Verhältnis 1/ce der Ströme, die den Transistoren Q^j und Qo zugeführt werden, wird auf einen gewünschten konstanten Wert durch geeignete Auswahl der ¥erte der Widerstände R₂ und E_ eingestellt. Die Spannung über dem Widerstand R₂ ^wi3?i als ein Ausgangs signal V_QUT benutzt. Eine Vorspannungsquelle E ist zwischen den Kollektor des Transistors Q₂ und den Kollektor des Transistors Q^ in der Stromspiegelungsschaltung geschaltet, um die Kollektor-Emitter-Spannung Vq-t, des Transistors Q₂ zu bestimmen.

Für die so aufgebaute Schaltung kann die folgende Gleichung (1) aufgestellt werden:

¹Z ^{= {}C^VIN ^{+ V}BE1 - W - V

wobei 'Vg-g^j und Vg_E2 die Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren Q^, und Q₂ sind.

Allgemein ist die Beziehung zwischen dem Kollektorstrom I_n eines Transistors und seiner Basis-Emitter-Spannung gleich:

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wobei q. die Elektronenladung, k die Boltzmann¹ sehe Eonstante, T die absolute Temperatur und I« der Basis-Emitter-Bückwärtssättigungsstrom sind.

Aus der Gleichung (2) wird (J-Q^ ~ ^vbe2^ ^ia ^*~^{e GleicaurL}S (1) eingesetzt und es ergibt sich:

ν ¹T ^αΙτ

^VBE1 - ^VBE2 - hV^t ^{+ X) Τ}"^η(

T_x, die Basis-Emitter-Verbindungstemperatur des Transistors CL· und Tp die Basis-Emitter-Verbindungstemperatur des Transistors Qp sind.

Da Ig ein fester konstanter Wert spezifisch für jeden Transistor ist, gilt I«p = ßlg/p wobei β eine Konstante ist, Da der Wert I_ß verglichen mit dem Kollektorstrom klein ist (I_c/Ig » 1), wird die folgende Gleichung (4) erhalten:

^vbei

οχ

In der Gleichung (4-) sind die absoluten Temperaturen T_x, und Tp die Verbindungstemperaturen der Transistoren. Die absoluten Temperaturen Ty, und T^ werden unterschiedlich, wenn der Leistungsverbrauch der Transistoren unterschiedlich ist. Die Werte V_CE und 1„ eines jeden Transistors ändern sich mit der Zeit in Abhängigkeit von der Amplitude des zugeführten Signals, so daß sich damit auch die Wärmeableitung ¥„ = V_GE = I₀ im Kollektor ebenfalls mit der Zeit ändert. Daher sind die absoluten Werte T.* und T₂ gewöhnlich unterschiedlich.

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Da das Verhältnis Ι,ι/Ι^ der Ströme der Transistoren Q,-Tand Qp bei 1/cc konstant ist, ist die iiärmeableitung an den Kollektoren der Transistoren Q^ und Q₂ die gleiche, wenn die folgende Beziehung aufgestellt wird:

^VCE1^/VCE2 ^{= α}· (5)

Wenn daher die Torspannungsquelle E sowie die Spannungsquellen +By,, -B^, und -Bp solche Spannungswerte haben, daß die Beziehung (5)» cLas heißt V^^/o-= ^m??¹ erfüllt ist, dann gilt T,, = To - T> so daß dann die Gleichung (4) als folgende Gleichung (6) umgeschrieben werden kann:

^VBE1 - ^VBE2 =·Τ^£η(3/α)· ^C6)

Die Gleichung (6) hat einen konstanten Wert. Mit dem durch γ angegebenen konstanten Wert kann die Gleichung (1) als folgende Gleichung (7) umgeschrieben werden:

¹Z ^{= CV}IN ^{+ Ύ +} V^/Rl· ■ (^y)

Die Ausgangsspannung Vryrm kann daher in der folgenden Heise ausgedruckt werden:

^VOUT ⁼ h^R2 = R^CV_1n + Y +" B₂) . (8)

¥ie sich aus der Gleichung (8) ergibt, ist die Ausgangsspannung YQjjrp vollständig unabhängig von V-g-g und sie stellt ein verzerrungsfrei verstärktes Ausgangssignal dar.

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Ein besonderes Beispiel einer erf indungs gemäß en Schaltung, die eine Vorspannungsquelle E aufweist, ist in Eig. 2 gezeigt, wo die Bauelemente, die mit denen der Fig. 1 identisch sind, mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.

Die Vorspannungsquelle E ist durch eine Kaskadenschaltung eines HPN-Transistors Q,- zwischen dem Transistor Q^ der Stromspiegelungsschaltung 1 und dem Ausgangstransistor Q₂ gebildet. Die Basisvorspannung des in Kaskade geschalteten Transistors Qi- ist eine Konstant spannung, die mit Hilfe einer Spannungsteilerschaltung eingestellt wird, die aus Widerständen R₂, und R_n- gebildet ist, die zwischen die Spannungsquelle +B^, und Erde geschaltet sind.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung klar wird, kann erfindungsgemäß die Verzerrung infolge der nicht linearen Kennlinien der Transistoren vollständig beseitigt werden, so daß dadurch der erfindungsgemäße Verstärker eine ausgezeichnete Wirkungsweise zeigt.

Das Ausgangs signal kann durch Benutzung der Änderungen des Stroms in dem Transistor Q^ oder Q₂ gebildet werden. Die Erfindung ist daher nicht auf die zuvor beschriebenen besonderen Schaltungen beschränkt. Wenn z.B. ein Widerstand in den Kollektorstrompfad des Transistors Q₂ geschaltet wird, kann die über dem Widerstand abfallende Spannung als das Aus gangs signal benutzt werden. Wenn ein hoher Verstärkungsfaktor nicht erforderlich ist, kann die Spannung über dem Emitterwiderstand R^ des Transistors Q₂ ^als Ausgangssignal benutzt werden. Andererseits kann die Spannung

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über einem. Widerstand, der zwischen den Kollektor des Transistors Q^ und Erde geschaltet ist, oder der Emitter und die Stromzufuhr können als das Aus gangs signal benutzt werden. Außerdem kann die Spannung über dem Widerstand E^ als das Ausgangssignal benutzt werden.

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Claims (2)

PATENTANWÄLTE A. GRÜNECKER DlPL-ING H. KINKELDEY DR-ING. 3035285 w- STOCKMAlR W DR-INQ-AaE(CALTECH K. SCHUMANN DR RER NAT.· QPL-PHYS. P. H. JAKOB G. BEZOLD DR RER NAT· OPL-CHEM. 8 MÜNCHEN MAXIMILIANSTRASSE 18. September 1980 P 15 468 - 52/hb PIONEER ELECTRONIC CORPORATION No. 4-1, Heguro 1-chome, Meguro-ku, Tokyo, Japan Verstärkerschaltung Patentansprüche

1. Verstärkerschaltung, gekennzeichnet durch:

einen ersten Transistor (Q^), dessen Basis ein Eingangssignal zugeführt ist,

einen zweiten Transistor (Qo) entgegengesetzten Leitungstyps als der erste Transistor und dessen Basis ein Ausgangssignal des ersten Transistors zugeführt ist,

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TELEFON (089) 23 38 62 TELEX O5-SSSS0 TELESRAMME MONAPAT TELEKOP1ERER

eine Einrichtung (Q^, Q^, Rp> ^Ez) ^zum Zuführen von Strömen an die ersten und zweiten- Transistoren derart, daß das Verhältnis des dem ersten Transistor zugeführten Stroms zu dem dem zweiten Transistor zugeführten Strom ein "bestimmter konstanter ¥ert ist, und

eine Vorspannimgs erz eugungs einrichtung (E) zum Erzeugen einer Vorspannung für den ersten und zweiten Transistor, so daß das Verhältnis einer Kollektor-Emitter-Spannung des ersten Transistors zu einer Kollektor-Emitter-Spannung des zweiten Transistors reziprok zum konstanten Wert ist, um ein Ausgangssignal nach Maßgabe von Stromänderungen in dem ersten oder zweiten Transistor zu erzeugen.

2. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistor (Q^) als Emitterfolger geschaltet ist.

3- Verstärkerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Stromzuführungseinrichtung (Q^, Q^,, Rp? ^x) ^ei-^ne Stromspiegelungsschaltung aufweist.

4-. Verstärkerschaltung, gekennzeichnet durch:

einen ersten PHP-Transistor (Q^), dessen Basis ein Eingangssignal zugeführt ist, und dessen Kollektor mit einem ersten Spannungsquellenanschluß (-B^.) verbunden ist,

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" * " 303S285

einen HPH-Transistor (Qp) > dessen Basis mit dem. Emitter des ersten PHP-Transistors und dessen Emitter über einen ersten Widerstand (R.*) mit einem zweiten Spannungsquellenanschluß (-B₂) verbunden sind,

einen zweiten PHP-Transistor (Q^), dessen Kollektor mit dem Emitter des ersten PHP-Transistors und dessen Emitter über einen zweiten Widerstand (IU) mit einem dritten Spannungsquellenanschluß (+B,,) verbunden sind,

einen dritten PHP-Transistor (Q^), dessen Basis mit der Basis des zweiten PHP-Transistors und dem Kollektor des dritten PHP-Transistors verbunden ist und dessen Emitter über einen dritten Widerstand (Ro) ^m^ äem dritten Spannungsquellenanschluß verbunden sind, und

eine Spannungsquelle (E), dessen positiver Anschluß mit dem Kollektor des dritten PHP-Transistors und dessen negativer Anschluß mit dem Kollektor des HPH-Tr ans ist ors verbunden sind, wobei der Wert der zweiten und dritten Widerstände so gewählt ist, daß das Verhältnis der dem ersten PHP-Transistor und dem HPH-Transistor zugeführten Ströme einen bestimmten konstanten Wert hat, und die den ersten, zweiten und dritten Spannungsquellenanschlüssen zugeführte Spannung sowie die Spannung der Spannungsquelle so gewählt sind, daß das Verhältnis· der Kollektor-Emitter-Spannung des ersten PHP-Transistors zu der Kollektor-Emitter-Spannung des HPH-Transistors reziprok zu dem konstanten Wert ist.

5· Verstärkerschaltung nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet , daß die Spannungsquelle einen zweiten HPH-Transistor (Q₁-), dessen Emitter mit dem Kollektor

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des ersten HPH-Transistors (Qp) und dessen Kollektor mit dem Kollektor des dritten PEP-Transistors (Q^.) verbunden sind, einen zwischen die Basis des zweiten MPIT-Transistors •und den dritten Sparmungsquellenanschluß (+B^) geschalteten vierten Widerstand (R^.) und einen zwischen die Basis des zweiten HPN-Transistors und einen Anschluß, der sich in Bezug auf den ersten, zweiten und dritten Spannungsquellenanschluß auf Erdpotential befindet, geschalteten fünften Widerstand (Rc) aufweist.

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