DE3213300A1 - Pufferverstaerker - Google Patents

Description

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Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Pufferverstärker, der zur Verwendung als Eingangsverstärker für einen Oszillographen verwendbar ist.

Ein derartiger Verstärker muß u.a. eine hohe Eingangsimpedanz zur Minimierung der Belastung einer zu testenden Schaltung, eine hohe Linearität und eine kleine thermische Verzerrung zur Gewährleistung von Signalgenauigkeit und Signaltreue, eine kleine Ausgangsimpedanz sowie die Möglichkeit eines Betriebs mit großer Bandbreite besitzen. In konventionellen Pufferverstärkern werden Feldeffekttransistor-Eingangsstufen zur Realisierung einer hohen Eingangsimpedanz und eine Emitterfolger-Ausgangsstufe mit einem einzigen Bipolartransistor verwendet. Derartige Verstärker zeigen jedoch beträchtliche durch das Signal bedingte thermische Einschwingabweichungen in der Charakteristik sowie Nichtlinearitäten. Weiterhin besitzen derartige Verstärker aufgrund von Beschränkungen der Feldeffekttransistor-Steilheit Nachteile hinsichtlich der Hochfrequenz-Charakteristik.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Pufferverstärker mit der Möglichkeit eines breitbandigen Betriebs, einer geringen thermischen Verzerrung und einer hohen Linearität anzugeben. Diese Aufgabe wird bei einem Pufferverstärker der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der erfindungsgemäße Pufferverstärker enthält eine kombinierte MOS-Bipolar-Sourcefolger-Eingangsstufe und eine komplementäre Emitterfolger-Ausgangsstufe, in der die Ansprechzeit sehr kurz und der Eingangsruhestrom im wesentlichen gleich Null ist. Sowohl die Eingangsstufe als auch die Aus-

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gangsstufe enthalten zur Eliminierung von thermischen Einschwingabweichungen in der Charakteristik Bootstrap-Zweige, wodurch die Eingangsimpedanz erhöht und ein Dauerstrom (standing current) in der Ausgangsstufe aufrechterhalten wird. Dem Verstärker ist eine hohe Linearität eigen, weil die Verstärkung unabhängig vom Eingangssignal ist. Der erfindungsgemäße Pufferverstärker eignet sich insbesondere als Eingangsstufe eines Vertikalverstärkers eines Oszillographen oder als aktive Sonde, da zur Realisierung eines IQ gedämpften Eingangs und eines Sperrabschlusses einer übertragungsleitung passive Komponenten zuschaltbar sind, ohne daß hinsichtlich der obengenannten Eigenschaften des Pufferverstärkers selbst Kompromisse eingegangen werden müssen.

Der erfindungsgemäße Verstärker mit einer Feldeffekttransistor-Sourcefolger-Eingangsstufe und einer komplementären Emitterfolger-Ausgangsstufe besitzt den Vorteil, daß die effektive Ansprechzeit sehr kurz ist. Darüber hinaus besitzt der erfindungsgemäße Pufferverstärker den Vorteil, daß die Verstärkung im wesentlichen unabhängig vom Eingangssignal ist.

Wie bereits erwähnt, besitzt der erfindungsgemäße Pufferverstärker auch den Vorteil, daß sowohl am Eingang als auch am Ausgang passive Impedanzen anschaltbar sind, ohne daß sein Gesamtverhalten beeinträchtigt wird.

Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der einzigen Figur der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figur der Zeichnung zeigt ein Schaltbild einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Pufferverstärkers.

Der erfindungsgemäße Pufferverstärker enthält generell eine Eingangsstufe 10 und eine Ausgangsstufe 12. Die Eingangsstuf e 1O enthält einen als Sourcefolger-Verstärker geschalteten Feldeffekttransistor 14, dessen Source über

einen Widerstand 16 an den Kollektor eines in Basisschalb

tung betriebenen Bipolartransistors 18 angekoppelt ist. Der Emitter des Transistors 18 ist an eine durch einen zweiten Feldeffekttransistor 20 und einen Stromeinstell-Widerstand 22 gebildete Konstantstromquelle angekoppelt. Die Drain des Eingangs-Feldeffekttransistors ist über einen Transistor 24 an eine Speisequelle mit positiver Spannung +V angekoppelt. Das Gate des Feldeffekttransistors 14 ist über ein frei wählbares Dämpfungsglied in Form von Spannungsteilerwiderständen 28 und 30 sowie Kapazitäten 32 und 34

an einen Eingang 26 angekoppelt. Die Grundschaltungskon-15

figuration des Sourcefolger-Feldeffekttransistors 14, des Bipolartransistors 18 und des Stromquellen-Feldeffekttransistors 20 ist in der US-PS 3,562,656 beschrieben.

Die Ausgangsstufe 12 enthält einen komplementären Emitterfolger-Verstärker mit emittergekoppelten Transistoren 40 und 42 gegensinniger Polarität, die in Serie zwischen Ausgangs-Speisespannungsquellen +Vq und -Vq liegen. Die Basen dieser beiden Transistoren sind in eine Teilerkette von

._ Vorspannelementen in Form von Widerständen 46 bis 56 und 25

Dioden 60 bis 64 eingeschaltet, welche in Serie zwischen den Speisespannungsquellen +V und -V-. liegen. Die Dioden

s s

kompensieren in an sich bekannter Weise die Temperaturkoeffizenten der entsprechenden zugehörigen Transistoren.

„_o Von der Teilerkette zu den Emittern der Ausgangstransistoren 4 0 und 42 ist jeweils eine Bootstrap-Zener-Diode 70 bzw. 72 geschaltet. Ein Paar von Widerständen 80 und liegt in Serie zwischen den Emittern der Transistoren 40 und 42, wobei der Verbindungspunkt dieser beiden Transistoren über einen weiteren Widerstand 84 an einen Ausgang angekoppelt ist.

Die Vorspannung für den Transistor 18 in der Eingangsstufe 10 wird durch einen Spannungsteiler geliefert, der zwischen Masse und der negativen Speisespannung -V liegt und Widerstände 92 und 94, eine Diode 96 und eine Zener-Diode 98 enthält. Die Werte dieser Komponenten sind so gewählt, daß der Spannungsabfall am Widerstand 94 gleich dem Spannungsabfall am Widerstand 80 ist, während die Diode 96 und die Zener-Diode 98 an die Diode 64 und die Zener-Diode 70 angepaßt sind. Daraus ergibt sich effektiv, daß an der Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors 20 eine Spannung aufgebaut wird, welche gleich der Spannung an der Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors 14 ist.

Der Eingang 26 ist an eine Signalquelle ankoppelbar, welche beispielsweise durch einen Testpunkt in einer äußeren Schaltung gebildet werden kann. Das Gate des Feldeffekttransistors 14 bildet eine hohe Impedanz, um die Belastung der Signalquelle minimal zu halten. Wird das frei wählbare Dämpfungsglied 2 8 bis 34 verwendet, so bestimmen natürlich die Werte dieser Komponenten die Eingangsimpedanz. Typischerweise werden dabei Komponenten verwendet, welche einen Widerstand von 1 ΜΩ oder mehr bilden. Der Vorteil bei der Verwendung eines Dämpfungsgliedes besteht darin, daß im Falle eines zu erwartenden Signals mit großer Amplitude von Spitze zu Spitze dieses Signal in an sich bekannter Weise auf einen zweckmäßigen Wert geteilt werden kann. Der Feldeffekttransistor 14 arbeitet als Sourcefolger, wobei das Signal über den Widerstand 16 zur Ansteuerung der Basen der Transistoren 40 und 42 auf den Verbindungspunkt der Widerstände 50 und 52 gekoppelt wird. Der an die Drain des Eingangs-Feldeffekt-Transistors 14 angekoppelte und durch das am Emitter des Transistors 40 erzeugte Signal angesteuerte Transistor 24 hat eine Bootstrap - Wirkung für den Feldeffekttransistor 14, um thermische Einschwingabweichungen und Verzerrungen zu eliminieren. Der Transistor 24 dient weiterhin zur Re-

1 -sf-

duzierung der Eingangsimpedanz, da sich die Drain-Spannung des Feldeffekttransistors 14 gemeinsam mit der Signalspannung an dessen Gate ändert, wodurch die zur Aufladung der Gate-Drain-Kapazität des Feldeffekttransistors 14 not-

p. wendige Spannung eliminiert wird.

In der Ausgangsstufe liegen die Dioden 60 und 62, welche zweckmäßigerweise durch als Diode geschaltete Transistoren gebildet werden, parallel zu den Basis-Emitter-Strecken der Ausgangstransistoren 40 und 42. Der Effekt dieser Anordnung liegt darin, daß eine im wesentlichen" konstante Emitterspannung der Ausgangstransistoren aufrechterhalten wird und die Effekte der temperaturabhängigen Mechanismen in den pn-übergängen der Transistoren eliminiert werden.

. p. Die Bootstrap-Zener-Dioden 70 und 72 halten eine im wesentlichen konstante Spannung an den Widerständen 48 und 54 aufrecht, wodurch ein im wesentlichen konstanter Ruhestrom selbst unter dynamischen Signalbedingungen für die Ausgangsstufe aufrechterhalten wird. Zusätzlich zur Realisierung

₂_. einer erhöhten Eingangsimpedanz für die Ausgangsstufe ermöglichen die Zener-Dioden 70 und 72 einen Dauerstrom in den Ausgangstransistoren 40 und 42, der durch die Werte der Widerstände 80 und 82 festgelegt wird. Die vorstehend beschriebene Ausgangsstufe gewährleistet eine sehr kurze An-

_2f- Sprechzeit und einen sehr kleinen Ruhestrom, wenn nicht' einen Ruhestrom Null, und erleichtert damit die Realisierung einer Hochfrequenzcharakteristik sowie die Realisierung eines Betriebs bei hoher Bandbreite. Eine kommerzielle Realisierung der bevorzugten Ausführungsform ist zur Ver-

g₀ wendung in einer aktiven Sonde für 2 GHz gedacht.

Die Transistoren 40 und 42 sind thermisch abgeglichen (oder können thermisch abgeglichen sein), d.h., die Transistoren 40 und 42 können so vorgespannt sein, daß ein Eingangssiggg nal gleichzeitig identische Leistungsänderungen in beiden Transistoren bewirkt. Daher sind die Temperaturänderungen

in den Transistoren 40 und 42 identisch, was zu identischen Stromänderungen in diesen Elementen führt. Als Ergebnis ergibt sich keine effektive Änderung im Ausgangsstrom oder in der Ausgangsspannung. Dieser Mechanismus führt zu lediglich geringen thermisch bedingten Einschwingabweichungen in der Charakteristik.

Eine hohe Linearität ergibt sich in der Schaltung aufgrund folgenden Mechanismus:

Bei Vernachlässigung der Widerstände 80, 82 und 84 ist die Ausgangsimpedanz R_n der Schaltung gleich KT/ql parallel mit KT/I, , worin K die Boltzmann-Konstante, T die absolute Temperatur in Grad Kelvin, q die Elektronenladung und I und I, die Emitterströme des Transistors 4 0 bzw. 42 a .ο

sind. Die Summe (I + I, ) ist ein konstanter Wert, wobei

a ο _χ

jede Differenz zwischen den beiden Strömen natürlich gleich dem über den Widerstand 84 fließenden Laststrom ist. Der Ausgangsleitwert ist gleich:
20

1 ^qIa ^qI^

R KT KT'

woraus sich für die Ausgangsimpedanz ergibt:

^R0 -T ^(Ia ⁺ V "¹-

Da (I + I) konstant ist, ist R_n unabhängig vom Eingangs· an υ

signal und daher die Verstärkung des Pufferverstärkers in großem Maße unabhängig vom Signal.

Die Widerstände 80, 82 und 84 bilden zusammen mit den in die Emitter der Transistoren 40 und 42 hineingesehenen

1 kombinierten Impedanzen einen Rückabschluß zur Ansteuerung einer übertragungsleitung, beispielsweise eines zwischen den Ausgang 90 und einer Vorverstärkerstufe eines zugehörigen Oszillographen geschalteten Koaxialkabels.

Leerseite

Claims (5)

Patentanwälte Di.pl/-Ing.H.'WkicKMAH«, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber Dr.-Ing. H. Liska 8000 MÜNCHEN 86 $■ «ΡΠΙ 1982 POSTFACH 860 820 MCJHLSTRASSE 22 TELEFON (0 89) 98 03 52 DXI11A TELEX 5 22 621 TELEGRAMM PATF.NTWEICKMANN MÖNCHEN Tektronix Inc. 900 S.W. Griffith Drive, Beaverton, Oregon 97005 Pufferverstärker

1. Pufferverstärker, gekennzeichnet durch

eine Sourcefolger-Eingangsstufe (10) mit einem Feldeffekttransistor (14), dessen Gate an eine Signalquelle ankoppelbar ist,

eine komplementäre Emitter folger-Ausgangs stufe (12) mit einem emittergekoppelten Paar von Transistoren (40, 42), deren Basen an die Source des Feldeffekttransistors (14) angekoppelt sind,
einen Vorspannkreis (46 bis 84) zur Erzeugung eines konstanten Ruhestroms für das emittergekoppelte Paar von Transistoren (40, 42) mit Bootstrap-Zweigen (70, 72) für die Emitter des emittergekoppelten Paars von Transistoren (40, 42),
einen Bootstrap-Zweig (24) für die Drain des Feldeffekttransistors (14),

und eine Ansteuerung der Bootstrap-Zweige (70, 72; 24) vom Ausgang der Sourcefolger-Eingangsstufe (10).

2. Pufferverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsstufe (10) einen Bipolartransistor (18)

* enthält, dessen Kollektor an die Source des Feldeffekttransistors (14), dessen Basis an eine Vorspannung und dessen Emitter an eine Stromquelle (20, 22) angekoppelt ist.

3. Pufferverstärker nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorspannkreis (46 bis 84) mehrere in Serie zwischen einer Quelle (+V ) positiver Span-

nung und einer Quelle (-V) negativer Spannung liegende Spannungsteilerelemente (46 bis 56, 60, 62) mit wenigstens einem zwischen den Basen der emittergekoppelten Transistoren (40, 42) liegenden Paar von Dioden (60, 62) enthält.

4. Pufferverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bootstrap-Zweige für die Emitter der emittergekoppelten Transistoren (40, 42) ein Paar von Konstantspannungselementen (70, 72) enthält.

5. Pufferverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Bootstrap-Zweig für die Drain des Feldeffekttransistors (14) einen Transistor (24) enthält, dessen Basis an den Vorspannkreis (46 bis 84) und dessen Emitter an die Drain des Feldeffekttransistors (14) angekoppelt ist.