DE3501886A1

DE3501886A1 - Transistorendstufe

Info

Publication number: DE3501886A1
Application number: DE19853501886
Authority: DE
Inventors: Uwe Dipl.-Ing. 7031 Nufringen Günther; Bernd Dipl.-Ing. 7410 Reutlingen Kalkhof
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1985-01-22
Filing date: 1985-01-22
Publication date: 1986-07-24

Description

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_R. 19819 * 3·

11.1. 1985 Ko/Pi

ROBERT BOSCH GMBH, TOOO Stuttgart 1

Transistorendstufe
Stand der Technik .

Die Erfindung geht aus von einer Transistorendstufe nach der Gattung des Hauptanspruches.

Transistorendstufen, "bei denen eine Last zwischen den Emitter eines Endstufentransistors und eine Yersorgungsspannung geschaltet wird - sogenannte Emitterfolger - sind bereits vielfach bekannt. Solche Transistorendstufen werden als Leistungsverstärker mit einer Spannungsverstärkung von ungefähr 1, jedoch hoher Stromverstärkung verwendet. Im Kurzschlußfall, aber auch bei sehr hohen Frequenzen, können an solchen Transistorendstufen hohe Ströme durch den Endstufentransistor fließen, was zu einer Zerstörung der Transistorendstufe führen wurde, wenn keine Vorkehr mit einer Strombegrenzung getroffen würde.

So wird in der Druckschrift "Analysis and Design of Analog Integrated Circuits"; Paul R. Gray; John Wiley and Sons J 98U, vorgeschlagen, einen Stromerfassungswiderstand in die Emitterleitung des Endstufentransistors zu schalten, um eine Strombegrenzung durchzuführen, wenn die am Stromerfassungswiderstand abfallende Spannung einen Maximalwert erreicht. Eine ähnliche Schaltungsanordnung ist auch aus der Druck-

schrift "Halbleiter-Schaltungstechnik"; Tietze/Schenk; k. Auflage 1978, bekannt. Bei diesen Verfahren ist jedoch von großem Nachteil, daß sich hierdurch der Ausgangswiderstand und die Verlustleistung der Transistorendstufe beträchtlich erhöht, sowie daß sich der maximal mögliche Aussteuerungsbereich verringert.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Transistorendstufe mit den kennzeichnen den Merkmalen des Hauptanspruches hat demgegenüber den Vorteil, daß die Strombegrenzungsfunktion von der Endstufe weg in einen vorgelagerten Schaltungsteil übernommen wird. Durch das erfindungsgemäße Zusammenschalten von Vor.transistor und Endstufentransistor ist das Verhältnis der Kollektorströme in beiden Transistoren konstant. In monolithischer Integration ist dieses Verhältnis gleich dem Verhältnis der Emitterflächen. Damit ist eine Begrenzung des Stromes durch den Endstufentransistor durch eine Begrenzung des Basisstromes des Vortransistors möglich, da der Vortransistor wegen der Konstantstromquelle in der Kollektorleitung nicht beliebig in die Sättigung gelangen kann. Unter einer Konstant stromquelle wird hierbei eine Stromquelle verstanden, die einen im wesentlichen konstanten maximalen Strom anbieten kann, aber auch weniger liefern kann. Im einfachsten Fall ist eine solche Konstantstromquelle bereits durch, einen einzigen ohmschen Widerstand darstellbar.

In den Unteransprüchen sind besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung angegeben. So ist es besonders vorteilhaft, daß die Basis des Vortransistors mit einer zweiten Konstant stromquelle in Verbindung steht, so daß der Basisstrom des Vortransistors den von der zweiten Konstantstromquelle gelieferten Strom nicht übersteigen kann. Die Ansteuerung der Endstufe erfolgt dabei durch eine ebenfalls an die Basis des Vortransistors angeschlossene ge-

-S-

steuerte Stromquelle, so daß der Basis.strom gleich der Strom differenz zwischen zweiter Konstantstromquelle und gesteuerter Stromquelle ist. In besonders einfacher Ausgestaltung wird die Basis des Vortransistors an den Kollektor eines Aus gangstransistors der gesteuerten Stromquelle geschaltet, des sen Emitter mit einer Versorgungsspannung in Verbindung steht. Damit wird eine hochohmige Entkopplung zwischen der erfindungsgemäßen Transistorendstufe und der sie ansteuernden Schaltung erreicht. Bei einer Ansteuerung mit einer Spannungsquelle wirkt die Transistorendstufe als Emitterfolger. Dabei erhält man ein besonders lineares Übertragungsverhalten, wenn Mittel zur Stromentkopplung vorgesehen sind. Besonders vorteilhaft ist es bei Realisierung der Transistorendstufe in monolithischer Bipolartechnik, die Konstantstromquellen über Stromspiegel von der Transistorendstufe zu entkoppeln. Damit lassen sich genaue Konstantströme erzeugen, die weitgehend unabhängig von Temperatureinflüssen sind. Besonders vorteilhaft ist es weiterhin, die erfxndungsgemäße Transistorendstufe und eine zu ihr komplementäre Transistorendstufe als komplementären Emitterfolger für einen Gegentaktbetrieb zusammenzuschalten. Damit ist eine Strombegrenzung des komplementären Emitterfolgers bei Kurzschluß gegen alle Versorgungsspannungen sichergestellt. Besonders vorteilhaft ist eine Verwendung der erfindungsgemäßen Transistorendstufe als Ausgang eines monolithisch integrierten Operationsverstärkers, wobei der Eingang der Transistorendstufe mit dem Ausgang eines Differenzverstärkers in Verbindung steht. Bei monolithischer Integration ergibt sich ein besonders günstiges Verhalten bei der Strombegrenzung, wenn der Vortransistor als Vertikaltransistor ausgeführt ist, dessen parasitärer Substrattransistor eine hohe Stromverstärkerung hat. Dessen Stromverstärkung läßt sich durch eine besonders einfache geometrische Ausgestaltung einer Kollektorleitschicht auf die gewünschte Größe einstellen.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Figur 1 zeigt das Schaltbild des ersten Ausführungsbeispieles und Figur 2 eine Skizze zur Erläuterung eines parasitären Transistors. Figur 3 zeigt eine Ansteuerung mit einer Spannungsquelle. Figur h zeigt das zweite Ausführungsbeispiel, einen komplementären Emitterfolger im Gegentaktbetrieb als Endstufe eines Operationsverstärkers.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur 1 ist ein Emitterfolger dargestellt, der von einer oberen Versorgungsspannung UB und einer unteren Versorgungsspannung GND betrieben wird.

Von einer den Emitterfolger ansteuernden Schaltung ist zur Vereinfachung der Darstellung lediglich ein Ausgangstransistor 1 dargestellt, der in Emitterschaltung betrieben wird, wozu sein Emitter an die untere Versorgungsspannung GrND geschaltet ist. Sein Kollektor ist mit der Basis eines Vortransistors 2 und eines Endstufentransistors 3 verbunden. Die Emitter des Vortransistors 2 und des Endstufentransistors 3 sind ebenfalls miteinander verbunden. Bei der Herstellung in monolithisch integrierter Bipolartechnik wurde die Emitterfläche des Endstufentransistors 3 auf η-mal der Emitterfläche des Vortransistors 2 eingestellt. Ein Stromspiegel, bestehend aus zwei Transistoren h, 5 ist derart an die obere Versorgungsspannung UB angeschlossen, daß der Kollektor des Ausgangstransistors k des Stromspiegels k, 5 an die Basis des Vortransistors 2 angeschlossen ist. Die Eingangsdiode des Stromspiegels h, 5, gebildet durch den Transistor 5, führt in Flußrichtung von der oberen Versorgungsspannung UB über einen Widerstand 6 zur unteren Versorgungsspannung GND. Ein zweiter Stromspiegel 7, 8 ist wie

der erste Stromspiegel U, 5 ebenfalls an die obere Versorgungsspannung UB angeschlossen. Dabei führt der Kollektor des Ausgangstransistors 7 des Stromspiegels 7, 8 an den Kollektor des Vortransistors 2. Die Eingangsdiode des zweiten Stromspiegels 7_S 8, gebildet durch den Transistor 8, führt in Flußrichtung von der oberen Versorgungsspannung UB über einen weiteren Widerstand 9 zur unteren Versorgungsspannung GND. Der Kollektor des Endstufentransistors 3 ist mit der oberen Versorgungsspannung UB verbunden, sein Emitter führt über eine Last 10 zur unteren Versorgungsspannung GND.

Die Betriebsspannung des Emitterfolgers, also die Differenz zwischen der oberen Versorgungsspannung UB und der unteren Versorgungsspannung GND, ist konstant. Damit fließen durch die Widerstände 6, 9 konstante Ströme, die durch die Eingangsdioden der Stromspiegel k, 5 bzw. 7, 8 fließen. Damit fließt ein mit dem jeweiligen Spiegelfaktor gewichteter Konstantstrom 11 vom Ausgangstransistor h zur Basis des Vortransistors 2 und vom Ausgangstransistors 7 zum Kollektor des Vortransistors 2, wenn dieser leitend ist, d.h. wenn der Transistor 7 nicht in Sättigung ist. Der effektive, zu den Basen des Vortransistors 2 und des Endstufentransistors 3 fließende Strom ist gleich der Differenz der durch den Ausgangstransistors h des Stromspiegels k, 5 und durch den Ausgangstransistors 1 der steuernden Schaltung fließenden Ströme. Dabei stellt der Ausgangstransistor 1 eine gesteuerte Stromquelle dar.

Durch die Parallelschaltung des Vortransistors 2 und des Endstufentransistors 3 besitzen diese für alle Betriebsfälle gleiche Basis-Emitter-Spannungen. Der Vortransistor 2 und der Endstufentransistor 3 wurden gleichzeitig auf dem gleichen Substrat hergestellt, daher besitzen sie die

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. β-

gleiche Stromverstärkung. Im normalen Betriebszustand, d. h. wenn der Vortransistor 2 nicht in Sättigung ist, ist also das Verhältnis der Basisströme durch den Vortransistor 2 und Endstufentransistor 3 gleich 1 : n. Dann kann der Vortransistor 2 nicht den maximalen, vom Stromspiegel 7_S 8 lieferbaren Strom 12 aufnehmen. Der Transistor 7 ist also in Sättigung.

Steigt nun der Strombedarf der Last JO, etwa durch einen Kurzschluß, stark an, so gerät der Vortransistor 2 in' Sättigung. Dadurch steigt der Basisstrom des Vortransistors 2 stark an, der Stromspiegel 7, 8 liefert jedoch nur den Strom 12. Die Stromquelle h, 5, 6 ist jedoch so dimensioniert worden, daß sie im Normalbetrieb, d. h. wenn der Vortransistor 2 nicht in Sättigung ist, genügend Basisstrom für den Vortransistor 2 und den Endstufentransistor 3 liefert. Bei Sättigung des Vortransistors 2 liefert die Stromquelle h, 5, 6, jedoch nur den maximal möglichen Strom IJ als Basisstrom für den Vortransistor 2 und den Endstufentransistor 3. Damit ist eine Strombegrenzung für den Emitterstrom des Endstufentransistors 3 erreicht.

Der Einsatz der Begrenzung wird noch dadurch erhöht, daß in monolithisch integrierter Bipolartechnik der zum Vortransistor 2 zugehörige parasitäre Substrattransistor JJ leitend wird. Bei Sättigung des Vortransistors 2 wird ein Teil des von der Stromquelle h, 5, 6 gelieferten Stromes 11 von diesem parasitären Substrattransistor JJ abgeleitet .

Figur 2 zeigt zur Erläuterung einen Schnitt durch den monolithisch integrierten Transistor 2, dem der parasitäre Substrattransistor 11 zugeordnet ist. Auf einem p-Substrat ist auf an sich bekannte Weise eine n-Schicht 13 für den Kollektor aufgebracht. Eine η -Leitschicht 1k ist zwischen das p-Substrat 12 und die η-Schicht J3 eingelegt (buried

layer) und führt zum Kollektoranschluß C des Transistors Auf die n-Schicht 13 ist wiederum eine p-Schicht 15 für den Basisanschluß B des Transistors 2 aufgebracht, auf diese wiederum eine η -Schicht 16 für den Emitteranschluß E des Transistors 2. Der Aufbau eines solchen npn-Transistors ist vielfach aus dem Stand der Technik bekannt und zur Vereinfacung der Darstellung darum hier nicht weiter erläutert.

Gleichzeitig wird durch die Schichtenfolge p-Schicht 15» n-Schicht 13, p-Substrat 12 der parasitäre Transistor 11 gebildet. Der parasitäre Transistor 11 wird dann leitend, wenn das Basispotential des Transistors 2 über dessen Kollektorpotential gelangt, also wenn der Transistor 2 in Sättigung oder invers betrieben wird. Hierdurch entsteht eine leitfähige Verbindung zwischen Basisanschluß B des Transistors 2 und dem p-Substrat 12, das Massepotential hat. Die Stromverstärkung des parasitären Transistors 11 kann auf Kosten des Bahnwiderstandes des Transistors 2 dadurch eingestellt werden, daß die η -Leitschicht 1h entsprechend weit unter die, die Basisregion des Transistors 2 bildende, p-Schicht 15 durchgeführt wird.

Die Figur 3 zeigt einen Abschnitt aus einer Transistorendstufe gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, jedoch mit Ansteuerung durch eine Spannungsquelle. Hierfür ist an die Stelle des Ausgangstransistors 1 ein als Emitterfolger wirkender Transistor 23 mit seinem Emitter an die Basis des Vortransistors 2 geschaltet. Der Transistor 23 wird also in Kollektorschaltung als Spannungsquelle betrieben. Eine Diode 2k in der Emitterleitung verhindert einen Stromfluß von der Spannungsquelle zur Transistorendstufe. Die Diode 2U kann auch weggelassen werden, wenn im Betrieb die Durchbruchspannung der Basis-Emitter-Diode des Transistors 23 nicht erreicht werden kann.

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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Figur h dargestellt. Dort ist ein Operationsverstärker 17 mit einem Eingangsdifferenzverstärker 18 und einer erfindungsgemäßen GegentaktEndstufe 19» 20 dargestellt. An den Ausgang der Gegentaktendstufe 19, 20 ist eine Last 10, entsprechend der Last 10 in Figur 1, gegen Masse angeschlossen. Der obere Teil 19 der Gegentaktendstufe ist völlig identisch mit dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1. Der untere Teil 20 der Gegentaktendstufe ist dazu komplementär aufgebaut, d. h. npn-Transistoren sind in pnp-Transistoren übergeführt. Die Ansteuerung der Gegentaktendstufe 19> 20 wird vom Eingangsdifferenzverstärker 18 in an sich bekannter Weise als Funktion der Spannungen an seinen Eingängen 21, 22 vorgenommen. Die Strombegrenzungsfunktion des oberen Teiles 19 und des unteren Teiles 20 der Gegentaktendstuf e ist identisch bzw. komplementär zu der bereits im ersten Ausführungsbeispiels beschriebenen Weise und braucht daher hier nicht noch einmal erläutert werden.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die hier gewählten Ausführungsbeispiele beschränkt. So ist sie ohne weiteres dazu geeignet, daß bei ihr zusätzlich Mittel zur Vorspannungserzeugung, zur Verringerung von Übernahmeverzerrungen oder Mittel zur Einstellung von Temperaturkoeffizienten eingefügt werden, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind.

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- Leerseite

Claims

h *

R. 19819

11.1 .1985 Ko/Pi

ROBERT BOSCH GMBH, 7OOO Stuttgart 1

Ansprüche

\) Transistorendstuf e, "bei der eine Last (10) zwischen den Emitter eines Endstufentransistors (3) und eine Versorgungsspannung geschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Strombegrenzung dem Endstufentransistor (3) ein Vortransistor (2) "beigeschaltet ist, wobei die Basen und die Emitter beider Transistoren (2, 3) jeweils miteinander verbunden sind, und daß der Kollektor des Vortransistors (2) mit ei- Jf ner ersten Konstantstromquelle (12) verbunden ist. *

2. Transistorendstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Vortransistors (2) mit einer gesteuerten Stromquelle (1) und einer zweiten Konstant stromquelle (11) in Verbindung steht.

3. Transistorendstufe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Vortransistors (2) mit dem Kollektor eines Ausgangstransistors (1) der gesteuerten Stromquelle in Verbindung steht.

k. Transistorendstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Vortransistors (2) mit einer zweiten Konstant stromquelle (11) und mit einer gesteuerten Spannungsquelle (23) in Verbindung steht.

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5. Transistorendstufe nach Anspruch U, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Basis des Vortransistors (2) und die Spannungsquelle (23) Mittel zur Stromentkopplung (2k) geschaltet sind.

6. Transistorendstufe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kollektor des Vortransistors (2) und die erste Konstantstromquelle (9) wenigstens ein erster Stromspiegel (7» 8) geschaltet ist.

7. Transistorendstufe nach Anspruch 2 oder 3» -iadrrch gekenn- '*" zeichnet, daß zwischen die Basis des Vortransistoz's (23 und die zweite Konstantstromquelle (6) wenigstens ein zweiter Stromspiegel (k, 5) geschaltet ist.

8. Transistorendstufe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Transistorendstufe (19)

*" und eine zweite, zur ersten komplementäre, Transistorendstufe ' (20) als komplementäre Emitterfolger für einen Gegentaktbe- " trieb zusammengeschaltet sind.

9. Transistorendstufe nach Anspruch 7j dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang des komplementären Emitterfolgers (J9> 20) mit dem Ausgang eines Differenzverstärkers (J8) in Verbindung steht.

10. Transistorendstufe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in monolithischer Integration der Vortransistor (2) als Vertikaltransistor mit einer vergrabenen Kollektorleitschicht (1U) ausgebildet ist, die zum Zweck der Einstellung des Stromverstärkerungsfaktors des parasitären Substrattransistors teilweise unter die Basisschicht des Vertikaltransistors reicht.