DE3213300C2 - Pufferverstärker - Google Patents
PufferverstärkerInfo
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Abstract
In einem Pufferverstärker zur Verwendung als Eingangsverstärker eines Oszillographen mit einer kombinierten MOS-Bipolar-Sourcefolger-Eingangsstufe (10) und einer komplementären Emitterfolger-Ausgangsstufe (12) sind zur Eliminierung von thermischen Einschwingabweichungen in der Charakteristik, zur Erhöhung der Eingangsimpedanz, zur Auf rechterhaltung eines Dauerstroms in der Ausgangsstufe (12) und zur Realisierung einer sehr kurzen Ansprechzeit bei Betrieb mit großer Bandbreite sowie einer großen Linearität Bootstrap-Zweige (24; 70, 72) sowohl für die Eingangsstufe (10) als auch für die Ausgangsstufe (12) vorgesehen.
Description
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 Nichtlineariläten. Weiterhin besitzen
derartige Verstärker aufgrund von Beschränkungen der Feldeffekttransistor-Steilheit Nachteile hinsichtlich
der Hochfrequenz-Charakteristik.
Die vorliegende Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Puiferverstärker 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
ίο 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 Ausgangsstufe 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 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 Eingangsstufe 10 enthält einen als Sourcefolger-Verstärker geschalteten Feldeffekttransistor 14, dessen
Source über einen Widerstand 16 an den Kollektor eines in Basisschaltung 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 + V5 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 Grundschaltungskonfiguration des Sourcefolger-Feldeffekttransistors
14, des Bipolartransistors 18 und des Stromquellen-Feldeffekttransistors 20 ist in der US-PS 35 62 656
beschrieben.
Die Ausgangsstufe 12 enthält einen komplementären Emitterfolger-Verstärker mit emittergekoppelten Transistoren
40 und 42 gegensinniger Polarität, die in Serie zwischen Ausgangs-Speisespannungsquellen + V0 und
- V0 liegen. Die Basen dieser beiden Transistoren sind in eine Teilerkette von Vorspann elementen in Form von
Widerständen 46 bis 56 und Dioden 60 bis 64 eingeschaltet, welche in Serie zwischen den Speisesnannungsquellen
+V5 und - V3 liegen. Die Dioden
kompensieren in an sich bekannter Weise die Temperaturkoeffizenten der entsprechenden zugehörigen
Transistoren. Von der Teilerkette zu den Emittern der Ausgangstransistoren 40 und 42 ist jeweils eine
Bootstrap-Zener-Diode 70 bzw. 72 geschaltet. Ein Paar
von Widerständen 80 und 82 liegt in Serie zwischen den Emittern der Transistoren 4(H und 42, wobei der
Verbindungspunkt dieser beiden Transistoren über einen weiteren Widerstand 84 an einen Ausgang 90
angekoppelt isL
Die Vorspannung für den Transistor 18 in der Eingangsstufe 10 wird durch einen Spannungsteiler
geliefert, der zwischen Masse und der negativen Speisespannung - V5 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 Feliieffekttransistors
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 28 bis 34 verwendet,
so bestimmen natürlich die Werte dieser Komponenten die Eingangsimpedanz. Typischerweise werden dabei
Komponenten verwendet, welche einen Widerstand von 1 ηιΩ 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 angekoppelt 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 Reduzierung 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
notwendige 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-Obergängen der Transistoren eliminiert werden. 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
ίο Ausgangsstufe aufrechterhalten wird. Zusätzlich zur
Realisierung 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 Ansprechzeit und
einen sehr kleinen Ruhestrom, wenn nicht einen Ruhestrom Null, und erleichtert damit die Realisierung
einer Hochfrequenzcharakieristik sowie die Realisierung eines Betriebs bei hoher Bandbreite. Eine
kommerzielle Realisierung der bevorzugten Ausführungsform ist zur Verwendung 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 Eingangssignal gleichzeitig identische Leistungsänderungen in beiden Transitoren bewirkt. Daher sind die remperaturänderungen 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.
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 Eingangssignal gleichzeitig identische Leistungsänderungen in beiden Transitoren bewirkt. Daher sind die remperaturänderungen 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 Ro der Schaltung gleich
■»ο KT/qla parallel mit KT/It» worin K die Boltzmann-Konstante,
Tdie absolute Temperatur in Grad Kelvin, q die Elektronenladung und Ia und Ib die Emitterströme des
Transistors 40 bzw. 42 sind. Die Summe (h+h) ist ein
konstanter Wert, wobei jede Differenz zwischen den beiden Strömen natürlich gleich dem über den
Widerstand 84 fließenden Laststrom ist. Der Ausgangsleitwert ist gleich:
Kr
woraus sich für die Ausgangsimpedanz ergibt:
Da (h+h) konstant ist, ist R0 unabhängig vom
Eingangssignal 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
hiricingesehenen kombinierten Impedanzen einen Rückabschluß zur Ansteuerung einer Übertragungsleitung,
beispielsweise eines zwischen den Ausgang 90 und einer Vorverstärkerstufe eines zugehörigen Oszillographen
geschalteten Koaxialkabels.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Pufferverstärker mit einer Eingangsstufe, die einen als Sourcefolger geschalteten, mit seinem
Gate an eine Signalquelle ankoppelbaren Feldeffekttransistor enthält, gekennzeichnet
durch eine komplementäre Emitterfolger-Ausgangsstufe
(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 emitiergekoppelte Paar von Transistoren (40, 42) mit zwischen die Emitter und die Basen der Transistoren (40, 42) gekoppelten, einen konstanten Ruhestrom in der Ausgangsstufe (12) einstellenden Zweigen (70,72),
einen an die Drain des Feldeffekttransistors (14) angekoppelten Entzerrerzweig (24)
einen Vorspannkreis (46 bis 84) zur Erzeugung eines konstanten Ruhestroms für das emitiergekoppelte Paar von Transistoren (40, 42) mit zwischen die Emitter und die Basen der Transistoren (40, 42) gekoppelten, einen konstanten Ruhestrom in der Ausgangsstufe (12) einstellenden Zweigen (70,72),
einen an die Drain des Feldeffekttransistors (14) angekoppelten Entzerrerzweig (24)
und eine Ansteuerung der Ruhestrom-Einstellzweige (70, 72) und des Entzerrerzweiges (24) vom
Ausgang der 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 (+ Vs)
positiver Spannung und einer Quelle (— V5) negativer
Spannung liegende Spannungsteilerelemente (46 bis 56, 60, 62) mit wenigstens einem zwischen den
Basen der emittergekoppelien Transistoren (40, 42)
liegenden Paar von Dioden (60,62) enthält.
4. Pufferverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ruhestrom-Einstellzweige
jeweils ein Konstantspannungselement (70,72) enthalten.
5. Pufferverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Entzerrerzweig
einen Transistor (24) enthält, dessen Basis an den Vorspannkreis (46 bis 84) und dessen Emitter an
die Drain des Feldeffekttransistors (14) angekoppelt ist.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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US06/253,471 US4390852A (en) | 1981-04-13 | 1981-04-13 | Buffer amplifier |
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DE3213300A1 DE3213300A1 (de) | 1982-11-04 |
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Family
ID=22960408
Family Applications (1)
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CA (1) | CA1167119A (de) |
DE (1) | DE3213300C2 (de) |
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NL (1) | NL186988C (de) |
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