DE3106575C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verstärkerstufe mit regelbarem Verstärkungsfaktor, die einen ersten und einen zweiten Feldeffekttransistor von einem ersten Leitungs­ typ enthält, deren Steuerelektroden den Eingang der Ver­ stärkerstufe bilden und deren Source-Elektroden zwecks Steilheitsregelung zusammen mit einer regelbaren Stromquelle verbunden sind, und einen dritten und einen vierten Feld­ effekttransistor, die als Belastung in die Drain-Elektroden­ strecken des ersten und des zweiten Transistors aufgenommen sind, wobei ein Ausgangssignal zwischen den Drain-Elektroden des ersten und des zweiten Feldeffekttransistors entnommen werden kann.

Eine Verstärkerstufe mit einstellbarem Verstärkungsfaktor durch Steuerung der gesamten Emitterströme eines Differenz­ paares zur Regelung der Steilheit des ersten und des zweiten Transistors ist bekannt. Wenn eine derartige Ver­ stärkerstufe mit Feldeffekttransistoren ausgeführt wird und wenn der dritte und der vierte Transistor als Belastungs­ stromquelle in die Drain-Elektrodenkreise des ersten und des zweiten Transistors aufgenommen werden, wie es bei fest eingestellten Verstärkern mit Feldeffekttransistoren allge­ mein gebräuchlich ist (siehe u. a. US-PS 39 61 279 und US-PS 39 47 778), wird eine regelbare Verstärkerstufe er­ halten, bei der die Änderung des Verstärkungsfaktors durch die Änderung der Steilheit des ersten und des zweiten Transistors bestimmt wird, was eine Verstärkung als Funktion der gesamten Emitterströme mit einem durch die Kennlinien des ersten und des zweiten Transistors bestimmten Verlauf ergibt, wobei diese Funktion einen Verlauf aufweist, der in der Praxis nicht immer brauchbar ist. In einer Anzahl von Anwendungen ist ein Verstärkungsfaktor mit einer ex­ ponentiellen Funktion der gesamten Emitterströme, d. h., daß eine lineare Beziehung zwischen dem Logarithmus des Verstärkungsfaktors und den gesamten Emitterströmen be­ steht, erwünscht.

Die Erfindung bezweckt, eine derartige Schaltung anzugeben, und ist dazu dadurch gekennzeichnet, daß der dritte und der vierte Transistor im Triodengebiet eingestellt sind.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß, indem der dritte und der vierte Transistor im Triodengebiet eingestellt werden, der Differentialwiderstand, den dieser dritte und dieser vierte Transistor aufweisen, eine Funktion der gesamten Emitterströme ist und sich mit diesen ändert. Versuche haben dabei ergeben, daß der Verstärkungsfaktor - der durch die Änderung der Steilheit des ersten und des zweiten Transistors und die Änderung des Differential­ widerstandes des dritten und des vierten Transistors be­ stimmt wird - als Funktion der gesamten Emitterströme über einen verhältnismäßig großen Bereich der gesamten Emitter­ ströme im wesentlichen den gewünschten Verlauf aufweist.

Dabei sei bemerkt, daß es an sich bekannt ist, einen Feld­ effekttransistor in seinem Triodengebiet einzustellen, um einen Widerstand in fest eingestellten Verstärkerstufen zu ersetzen. Dabei liegt dann der Einstellpunkt fest. Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, daß bei An­ wendung eines solchen als Widerstand eingestellten Feld­ effekttransistors in einem von den gesamten Emitterströmen geregelten Verstärker der Einstellpunkt sich mit den ge­ samten Emitterströmen ändert, was zu dem gewünschten Er­ gebnis führt.

Eine erste bevorzugte Ausführungsform einer Verstärkerstufe nach der Erfindung kann weiter dadurch gekennzeichnet sein, daß der dritte und der vierte Transistor einen zweiten dem ersten Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyp aufweisen, wobei die Drain-Elektroden mit den Drain-Elektroden des ersten bzw. des zweiten Transistors verbunden sind, und daß die Steuerelektroden zusammen mit einem an einer Bezugs­ spannung liegenden Punkt zur Einstellung dieses dritten und dieses vierten Transistors in dem Triodengebiet ver­ bunden sind.

Bei dieser Ausführungsform werden Transistoren verschiede­ ner Leitungstypen verwendet. Eine bevorzugte Ausführungs­ form einer Verstärkerstufe nach der Erfindung mit Transi­ storen vom gleichen Leitungstyp kann dadurch gekennzeichnet sein, daß der dritte und der vierte Transistor vom ersten Leitungstyp sind, wobei die Source-Elektroden mit den Drain-Elektroden des ersten bzw. des zweiten Transistors verbunden sind, und daß die Verstärkerstufe weiter eine erste und eine zweite Stromquelle und einen fünften und einen sechsten Feldeffekttransistor enthält, deren Source- Elektroden mit den Source-Elektroden des dritten bzw. des vierten Transistors und deren Steuerelektroden mit den zugehörigen Drain-Elektroden und mit den Steuerelektroden des dritten bzw. des vierten Transistors verbunden sind, wobei die erste bzw. die zweite Stromquelle in die Drain- Elektrodenkreise des fünften bzw. des sechsten Transistors aufgenommen und auf eine derartige Stärke eingestellt sind, daß der dritte und der vierte Transistor im Trioden­ gebiet eingestellt sind.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 die Kennlinien eines Feldeffekttransistors, u. a. zur Erläuterung der Wirkung der Schaltung nach Fig. 2,

Fig. 2 eine erste Ausführungsform einer Verstärkerstufe nach der Erfindung,

Fig. 3 ein Diagramm, das den Verstärkungsfaktor eines Ver­ stärkers nach der Erfindung als Funktion des Regel­ stroms darstellt,

Fig. 4 eine zweite Ausführunsgform einer Verstärkerstufe nach der Erfindung, und

Fig. 5 eine Kennlinie nach Fig. 1 zur Erläuterung der Wir­ kung der Schaltung nach Fig. 4.

Fig. 1 zeigt die Kennlinien eines n-Kanal-Feldeffekttransis­ tors, wobei I _d den Drain-Elektrodenstrom, V _ds die Spannung zwischen der Drain-Elektrode und der Source-Elektrode, V _gs die Spannung zwischen der Steuerelektrode und der Source- Elektrode und V _T die Schwellwertspannung der Transistoren darstellen. Die gestrichelte Linie verbindet alle Punkte, für die gilt: V _gs - V _T = V _ds ; dies ist die Kennlinie eines Feldeffekttransistors mit miteinander verbundenen Steuer- und Drain-Elektroden. Das Gebiet mit V _gs - V _T <V _ds , also in Fig. 1 rechts von der gestrichelten Linie, ist das Sättigungsgebiet, in dem der Drain-Elekrtrodenstrom I _d im wesentlichen von der Spannung zwischen der Drain-Elektrode und der Source-Elektrode abhängig ist und der Feldeffekt­ transistor als Stromquelle wirkt, während das Gebiet links von der gestrichelten Linie (V _gs - V _T <V _ds ) das Trioden­ gebiet ist, in die Spannung V _ds zwischen der Source- Elektrode und der Drain-Elektrode in erheblichem Maße von dem Drain-Elektrodenstrom I _d abhängig ist. Für p-Kanal­ transistoren gelten ähnliche Kennlinien mit umgekehrten Polaritäten.

Fig. 2 zeigt einen regelbaren Verstärker nach der Erfindung. Dieser enthält einen ersten (1) und einen zweiten (2) n-Kanal Feldeffekttransistor, deren Steuerelektroden mit einem differentiellen Eingang 3-4 verbunden sind. Die Source- Elektroden sind miteinander und mit der Drain-Elektrode eines n-Kanaltransistors 5 verbunden, der mit einem n- Knaaltransistor 6 als Stromspiegel geschaltet ist. Die Drain-Elektrode des Transistors 6 ist mit einem Steuer­ stromeingang verbunden, dem ein Steuerstrom I _c zugeführt werden kann.

Wenn der Gleichspannungspegel am Eingang 3-4 genügend hoch ist, damit der Transistor 5 im Sättigungsgebiet eingestellt ist, sind die gesamten Emitterströme des Transistorpaares 1, 2 gleich I _c oder diesem Strom proportional, wenn der Verstärkungsfaktor des Stromspiegels (5, 6) ungleich 1 ist. Eine Signalspannung V _s am Eingang teilt den Strom I _c auf die Drain-Elektrodenkreise der bei­ den Transistoren 1 und 2 in einem durch die Steilheit und somit durch die Stärke des Stromes I _s bestimmten Verhält­ nis auf.

In den Drain-Elektrodenkreis des Transistors 1 bzw. 2 ist ein p-Kanaltransistor 3 bzw. 4 als Belastung aufgenommen. Die Drain-Elektroden der letzteren Transistoren sind mit den Drain-Elektroden der Transistoren 1 bzw. 2 und mit einem differentiellen Ausgang 9-10 verbunden. Die Source- Elektroden sind mit einem positiven Speisungsanschluß­ punkt 12 und die Steuerelektroden mit einer Einstell­ spannungsquelle 11 verbunden, die eine Spannung V _o zwischen der Steuerelektrode und der Source-Elektrode jedes der Transistoren 7 und 8 anlegt. Diese Spannung V _gs = V _o ist in den Kennlinien nach Fig. 1 angegeben.

Beim Fehlen eines Eingangssignals (V _s = 0) fließt durch die Transistoren 7 und 8 ein Strom gleich ¹/₂ I _c . Bei einem bestimmten Wert I _c = I _{c 1} dieses Steuerstroms sind die Transistoren 7 und 8 also auf den Punkt A in der Kenn­ linie nach Fig. 1 eingestellt, was bei einem genügend hohen Wert der Spannung V _o eine Einstellung im Trioden­ gebiet bedeutet. Die Transistoren 7 und 8 weisen dann für Signalströme einen bestimmten Widerstandswert auf, der gleich der Neigung der Kurve V _gs = V _o an der Stelle A ist. Für einen höheren Steuerstrom I _c = I _{c 2} stellen die Tran­ sistoren 7 und 8 sich auf den Punkt B ein und weisen einen höheren Widerstandswert für Signalströme auf. Auf diese Weise beeinflussen die Transistoren 7 und 8 den Verstärkungs­ faktor der Verstärkerstufe nach Fig. 2 als Funktion des Steuerstroms. In der in Fig. 1 dargestellten Kennlinie kann diese Regelung bis zu einem Wert des Steuerstroms I _c = I _max (Einstellpunkt C) verwendet werden, wobei die Transistoren 7 und 8 auf die Grenze zwischen dem Triodengebiet und dem gesättigten Gebiet eingestellt sind. Es ist dabei erforder­ lich, daß die Spannung zwischen dem Speisungsanschlußpunkt 12 und dem Eingang 3-4 genügend hoch ist, damit die Transistoren 1 und 2 im gesättigten Gebiet eingestellt sind.

Unter der vorgegebenen Bedingung (Transistoren 1, 2 und 5) in Sättigung und Transistoren 7 und 8 nicht in Sättigung) ändert sich der Verstärkungsfaktor A in dB als Funktion des Regelstroms I _c , wie in Fig. 3 dargestellt ist. Im Gebiet I _o <I _c <I ₃ ist diese Kennlinie im wesentlichen linear, und dies ist ein gewünschter Effekt.

Die Schaltung nach Fig. 2 ist aus p-Kanal- und n-Kanal- Feldeffekttransistoren aufgebaut. Es ist auch möglich, für die Belastungstransistoren 7 und 8 Feldeffekttransisto­ ren vom gleichen Leitungstyp wie die Transistoren 1 und 2 zu verwenden. Ein Ausführungsbeispiel einer derartigen Ab­ wandlung zeigt Fig. 4, in der n-Kanaltransistoren 1 und 2 verwendet werden. Die Source-Elektroden der Transistoren 7′ und 8′ sind mit den Drain-Elektroden der Transistoren 1 bzw. 2 und ihre Drain-Elektroden sind mit dem positiven Speisungsanschlußpunkt 12 verbunden. Die Source- und die Steuerelektrode des Transistors 7′ ist mit der Source- und der Steuerelektrode eines n-Kanaltransistors 13 und die Source- und der Steuerelektrode des Transistors 8′ ist mit der Source- und der Steuerelektrode eines n-Kanaltransistors 14 verbunden. In den Drain-Elektrodenkreis des Transistors 13 bzw. 14 ist eine Stromquelle 15 bzw. 16 aufgenommen.

Der Transistor 13 und der Transistor 14 weisen eine Verbindung zwischen der Steuer- und der Drain-Elektrode auf und folgen daher der Kennlinie V _ds = V _gs - V _T , die in Fig. 5 dargestellt ist. Fig. 5 entspricht der Fig. 1.

Wenn die Stromquellen 15 und 16 einen Strom I _b führen, sind die Transistoren 13 und 14 dadurch auf den in Fig. 5 angegebenen Punkt D eingestellt. Die Transistoren 7′ und 8′ folgen somit einer I _d -V _ds -Kennlinie, die durch den Punkt D geht und mit V _{gs 1} angegeben ist, wobei V _{gs 1} die Spanung ist, die von den Stromquellen 15 und 16 über den Transisto­ ren 13 und 14 erzeugt wird. Beim Fehlen eines Eingangssi­ gnals fließt in den Drainkreisen der Transistoren 1 und 2 ein Strom gleich ¹/₂ I _c , so daß durch die Transistoren 7′ und 8′ ein Strom gleich ¹/₂ I _c - I _b fließt. Dadurch stellen sich die Transistoren 7′ und 8′ nun auf den Punkt E (der innerhalb des Triodengebietes liegt) für 0<¹/₂ I _c - I _b < I _b und also für 2I _b < I _c < 4I _b ein. Innerhalb dieser Grenzen ist die Wirkung der Schaltung nach Fig. 4 mit der der Schaltung nach Fig. 2 identisch, wobei jedoch Transistoren von nur einem Leitungstyp verwendet werden. Durch die ge­ nannten Maßnahmen werden die Transistoren 7′ und 8′ im Triodengebiet eingestellt. Dies kann zur Folge haben, daß die Stromquellen 15 und 16 mit einer zu negativen Spannung wirken müssen. Wenn dies in der Praxis bedenklich ist, kann z. B. für die Stromquellen 15 und 16 eine höhere Speise­ spannung gewählt oder kann in Reihe mit den Transistoren 7′ und 8′ ein zusätzliches Spannungsverschiebungselement zwischen ihren Drain-Elektroden und dem positiven Spei­ sungsanschlußpunkt 12 eingeschaltet werden.

Oben wurde stets davon ausgegangen, daß die Geometrien paarweise angeordneter Transistoren (1-2, 5-6, 7-8, 7′-8′, 7′-13 und 8′-14) gleich sind, so daß dieselben Kennlinien für jeden von ihnen zutreffen. Ungleiche Geoemtrien können auch brauchbar sein und zu ähnlichen Ergebnissen führen.

So ist es z. B. möglich, die Transistoren 13 und 7′, gleich wie 14 und 8′, in bezug auf das Verhältnis zwischen Länge und Breite der Kanäle ungleich zu wählen.

Claims (3)

1. Verstärkerstufe mit regelbarem Verstärkungsfaktor, die einen ersten und einen zweiten Feldeffekttransistor von einem ersten Leitungstyp enthält, deren Steuerelek­ troden den Eingang der Verstärkerstufe bilden und deren Source-Elektroden zwecks Steilheitsregelung zusammen mit einer regelbaren Stromquelle verbunden sind, und einen dritten und einen vierten Feldeffekttransistor, die als Belastung in die Drain-Elektrodenstrecken des ersten und des zweiten Transistors aufgenommen sind, wobei ein Ausgangs­ signal zwischen den Drain-Elektroden des ersten und des zweiten Feldeffekttransistors entnommen werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte und der vierte Transistor (7, 8 bzw. 7′, 8′) in dem Triodengebiet einge­ stellt sind.

2. Verstärkerstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte und der vierte Transistor (7, 8) einen zweiten, dem ersten Leitungstyp entgegengesetzten Leitungs­ typ aufweisen, wobei die Drain-Elektroden mit den Drain- Elektroden des ersten bzw. des zweiten Transistors (1, 2) verbunden sind, und daß die Steuerelektroden zusammen mit einem an einer Bezugsspannung (V _o ) liegenden Punkt zur Ein­ stellung des dritten und des vierten Transistors in dem Triodengebiet verbunden sind (Fig. 2).

3. Verstärkerstufe nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der dritte und der vierte Transistor (7′, 8′) den ersten Leitungstyp aufweisen, wobei die Source-Elek­ troden mit den Drain-Elektroden des ersten bzw. des zweiten Transistors (1, 2) verbunden sind, und daß die Verstärker­ stufe weiter eine erste und eine zweite Stromquelle (15, 16) und einen fünften und einen sechsten Feldeffekttransistor (13, 14) enthält, deren Source-Elektroden mit den Source- Elektroden des dritten bzw. des vierten Transistors und deren Steuerelektroden mit den zugehörigen Drain-Elektroden und mit den Steuerelektroden des dritten bzw. des vierten Transistors (7′, 8′) verbunden sind, und daß die erste bzw. die zweite Stromquelle (15, 16) in die Drain-Elek­ trodenkreise des fünften bzw. des sechsten Transistors (13, 14) aufgenommen und auf eine derartige Stärke einge­ stellt sind, daß der dritte und der vierte Transistor in dem Triodengebiet arbeiten.