DE3705154A1 - Breitbandverstaerker mit einer schaltungsanordnung zur verbesserung des frequenzgangs - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Breitbandverstärker mit einer Schaltungsanordnung zur Verbesserung des Frequenzgangs. Sie bezieht sich insbesondere auf einen Verstärker dieser Art mit pnp-Vertikaltransistoren mit isoliertem Kollektor.

Ein solcher Verstärker besitzt vorteilhafterweise eine Span­ nungsverstärkungsschaltung mit einem pnp-Vertikaltransistor mit isoliertem Kollektor, dessen n-Epitaxialschicht einen heraus­ geführten Anschluß besitzt, sowie eine Ausgangsschaltung mit einer Endstufe, die von zwei komplementären Transistoren gebil­ det ist, deren Emitter miteinander verbunden sind.

Der Frequenzgang eines derartigen Verstärkers läßt sich durch eine Schaltungsanordnung verbessern, die die parasitären Über­ gangskapazitäten des in der Spannungsverstärkungsschaltung ent­ haltenen pnp-Vertikaltransistors minimiert.

Die Verwendung von pnp-Transistoren in Breitbandverstärkern wäre wegen der durch sie möglichen Schaltungsvereinfachungen weit verbreitet, wenn sie eine gute Frequenzcharakteristik besäßen.

Neue Technologien haben sogenannte pnp-Vertikaltransistoren mit isoliertem Kollektor zur Verfügung gestellt, die an sich gute Frequenzcharakteristiken aufweisen. Die hohe Gesamtkapa­ zität der Übergänge, die sich vom Kollektor zur Masse zeigen, bildet jedoch eine schwerwiegende Beeinträchtigung, die dem Einsatz von pnp-Vertikaltransistoren mit isoliertem Kollektor Grenzen setzt, da sie das Verhalten bei hohen Frequenzen ver­ schlechtert.

Die parasitären Kapazitäten begrenzen die Signalverstärkung unterhalb einer bestimmten Frequenz.

Die physikalische Struktur eines pnp-Vertikaltransistors mit isoliertem Kollektor bedingt zwei große parasitäre Kapazitäten zwischen Kollektor und Masse, nämlich

• - eine erste Übergangskapazität SC 1 zwischen der p-dotierten Kollektorschicht und der epitaktischen n-Schicht, die den Kollektor gegenüber dem mit Masse verbundenen p-Substrat des Transistors isoliert, sowie - eine zweite parasitäre Übergangskapazität SC 2 zwischen der epitaktischen n-Schicht und dem p-Substrat.

Aufgrund der Ausdehnung dieser Übergänge und wegen der starken Dotierungen der p-Bereiche haben diese Kapazitäten bei Null Volt Werte von etwa 7pF bzw. etwa 6 pF.

Eine bekannte technische Lösung zur Minimierung des Einflusses der parasitären Kapazitäten besteht z.B. darin, den Anschluß der epitaktischen n-Schicht mit dem Kollektor des Transistors zu verbinden und damit die Kapazität SC 1 kurzzuschließen. Es verbleibt dann jedoch der Beitrag der Kapazität SC 2.

Eine zweite bekannte Lösung besteht darin, den Anschluß der epitaktischen n-Schicht mit dem positiven Pol der Speisespan­ nung zu verbinden und dadurch den Einfluß der Kapazität SC 2 zu eliminieren. Es verbleibt dann jedoch der Beitrag der Kapazität SC 1.

Obwohl also beide Lösungen den Gesamtwert der parasitären Übergangskapazitäten verringern, haben sie den Nachteil, daß dies nicht in einer Weise geschieht, die den hier vorliegenden Anforderungen entspricht. Die zweite Lösung läßt sich außerdem häufig nicht anwenden, weil der Übergang zwischen der durch die Speisespannung polarisierten epitaktischen Schicht und dem Kollektor des pnp-Transistors bei niedrigen Spannungswerten zerstört wird.

Eine in der italienischen Patentanmeldung 22 913-A/85 beschrie­ bene dritte bekannte Lösung sieht eine sogenannte Bootstrap- Schaltung mit einem als Emitterfolger geschalteten pnp-Verti­ kaltransistor vor, dessen Emitter- und Basisanschlüsse mit dem Anschluß der Epitaxialschicht bzw. dem Kollektor des Transi­ stors mit isoliertem Kollektor verbunden sind.

Obwohl eine solche Schaltung im wesentlichen den angestrebten Zweck einer Verringerung des Einflusses der parasitären Kapazi­ täten erfüllt, hat sie den Nachteil, daß sie nur bei kleinen Signalen korrekt arbeitet, während sie bei Signalen mit großer Amplitude nur dem Verlauf der negativen Halbwellen des Signals korrekt folgen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die parasitären Kapa­ zitäten der in einem Breitbandverstärker eingesetzten pnp-Ver­ tikaltransistoren mit isoliertem Kollektor durch eine in dem Breitbandverstärker vorhandene Schaltungsanordnung insgesamt zu minimieren, die beiden Halbwellen eines Signals großer Amplitu­ de folgen kann, und dadurch die erwähnten Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Breit­ bandverstärker mit einer Schaltungsanordnung zur Verbesserung des Frequenzgangs mit einer Spannungsverstärkungsschaltung mit einem pnp- Vertikaltransistor mit isoliertem Kollektor, dessen epitakti­ sche n-Schicht einen herausgeführten Anschluß besitzt, sowie mit einer Ausgangsschaltung, deren Endstufe aus einem komplementären Transistorpaar besteht, das von einem npn­ und einem pnp-Transistor gebildet ist, deren Emitter miteinan­ der verbunden sind, die dadurch gekennzeichnet ist, daß ein weiteres aus zwei Transistoren bestehendes komple­ mentäres Transistorpaar vorgesehen ist, das in der Ausgangs­ schaltung beaufschlagt wird, und daß die Emitter dieser Transistoren miteinander und über einen Leiter mit dem genannten Anschluß der epitaktischen n-Schicht des pnp-Vertikaltransistors in der Spannungsverstär­ kungsschaltung verbunden ist.

Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 zeigt die Schaltung eines Breitbandverstärkers mit pnp-Vertikaltransistoren,

Fig. 2 zeigt die Anordnung gemäß der Erfindung im Detail und ihre Verbindungen mit dem Verstärker.

Mit 1 ist ein Breitbandverstärker in seiner Gesamtheit bezeich­ net, der aus drei Stufen besteht, nämlich einem Differential­ verstärker 2, einer Spannungsverstärkungsschaltung 3 und einer niederohmigen Ausgangsschaltung 4.

Die erfindungsgemäße Anordnung befindet sich in der Ausgangs­ schaltung 4.

Der Differentialverstärker 2 verstärkt Spannungsdifferenzen. Er besitzt zwei Eingangsklemmen ES 1 und ES 2, die mit der Basis B 1 bzw. der Basis B 2 eines Transistorpaares T 1/ T 2 verbunden sind. Die Transistoren T 1 und T 2 sind vom npn-Typ und haben gleiche Struktur. Ihre Emitter E 1 bzw. E 2 sind miteinander verbunden, während die Kollektoren C 1 und C 2 über gleich große Widerstände R 1 bzw. R 2 mit dem positiven Pol einer elektrischen Speisespan­ nung Vc verbunden sind. Die Emitter E 1 und E 2 sind ferner über einen Konstantstromgene­ rator I 1 mit Masse verbunden. Dieser Konstantstromgenerator I 1 ist in seiner Struktur an sich bekannt. Es handelt sich um einen sogenannten Polarisationsgenerator.

Der Differentialverstärker 2 ist mit der Spannungsverstärkungs­ schaltung verbunden. Hierzu dienen schematisch angedeutete Leiter 5 und 6, die den Kollektor C 1 mit dem Emitter E 3 eines Transistors T 3 und den Kollektor C 2 mit dem Emitter E 4 eines Transistors T 4 verbinden. Die Basiselektroden B 3 und B 4 der Transistoren T 3 und T 4 sind miteinander verbunden.

Bei den Transistoren T 3 und T 4 handelt es sich um pnp-Vertikal­ transistoren mit isoliertem Kollektor und hoher Grenzfrequenz. Der Emitter E 4 des Transistors T 4 ist mit einer (nicht darge­ stellten) p-dotierten Zone seines Substrats verbunden. Die Basis B 4 ist mit einer n+-Zone und der Kollektor C 4 mit einer p+-Zone verbunden. Außerdem besitzt der Transistor T 4 einen in Fig. 2 dargestellten Anschluß N, der mit der epitaktischen n-Schicht des Transistors verbunden ist. Die Basis B 4 des Tran­ sistors T 4 ist über einen Spannungsgenerator Vp mit dem positi­ ven Pol der Speisespannung Vc und über einen Stromgenerator I 2 mit Masse verbunden. Bei diesen Generatoren handelt es sich um Polarisationsgeneratoren.

Die Kollektoren C 3 und C 4 der Transistoren T 3 und T 4 sind mit den Kollektoren C 5 bzw. C 6 eines aus npn-Transistoren bestehen­ den Transistorpaares T 5/ T 6 verbunden. Die auf diese Weise zusammengeschalteten Transistoren bilden eine sogenannte Strom­ spiegelungsschaltung.

Die Basiselektroden B 5 und B 6 der Transistoren T 5 und T 6 sind miteinander verbunden. Die Basis B 5 des Transistors T 5 ist außerdem mit seinem Kollektor C 5 kurzgeschlossen. Die Emitter E 5 und E 6 der Transistoren T 5 bzw. T 6 sind über Widerstände R 5 bzw. R 6 mit Masse verbunden.

In der Schaltung nach Fig. 2 besitzt der Transistor T 4 eine erste parasitäre Kapazität SC 1 an dem Übergang zwischen der p+-Zone des Kollektors und der epitaktischen n-Schicht sowie eine zweite parasitäre Kapazität SC 2 zwischen einer mit Masse verbundenen p+-Isolierzone und der epitaktischen n-Schicht. Zwischen den Kollektoren C 4 und C 6 befindet sich ein elektrisch mit ihnen verbundener Schaltungspunkt A, der den Eingangs­ anschluß für die niederohmige Ausgangsschaltung des Breitband­ verstärkers 1 bildet. Dieser Schaltungspunkt A ist über einen Leiter 7 mit der Basis B 7 eines npn-Transistors T 7 verbunden, dessen Kollektor C 7 mit einem Leiter 8 verbunden ist, der sei­ nerseits mit der Speisespannung Vc verbunden ist. Der Emitter E 7 des Transistors T 7 ist über einen Polarisationsgenerator I 4 mit einem Leiter 9 und damit mit Masse verbunden.

Die Basis B 7 des Transistors T 7 ist mit der Basis B 8 eines pnp-Transistors T 8 verbunden, dessen Kollektor C 8 über den Leiter 9 mit Masse und dessen Emitter E 8 über einen Polarisa­ tions-Stromgenerator I 3 mit dem Leiter 8 verbunden ist.

Mit T 9 und T 10 sind zwei Transistoren vom npn- bzw. pnp-Typ bezeichnet, deren Emitter E 9 und E 10 miteinander verbunden sind. Sie bilden ein erstes komplementäres Transistorpaar, das in der Endstufe der Ausgangsschaltung 4 beaufschlagt wird.

Die Basis B 9 des Transistors T 9 ist mit dem Emitter E 8 und der Basis B 11 eines npn-Transistors T 11 verbunden, der das erste Element eines aus den Transistoren T 11 und T 12 bestehenden zweiten komplementären Transistorpaares bildet. Dieses zweite komplementäre Transistorpaar stellt in an sich bekannter Weise die Endstufe der Ausgangsschaltung 4 dar.

Die Basis B 10 des Transistors T 10 ist mit dem Emitter E 7 und der Basis B 12 des pnp-Transistors T 12 verbunden. Der Kollektor C 9 des Transistors T 9 ist mit dem Leiter 8 verbunden, während der Kollektor C 10 des Transistors T 10 über den Leiter 9 mit Masse verbunden ist.

Die zusammengeschalteten Emitter E 9 und E 10 sind über einen Leiter 10 erfindungsgemäß mit der epitaktischen n-Schicht des Transistors T 4 in der Spannungsverstärkungsschaltung 3 verbunden.

Die Emitter E 11 und E 12 des zweiten komplementären Transistor­ paares T 11/ T 12 schließlich sind miteinander und mit einer Ausgangsklemme U verbunden, während die Kollektoren C 11 und C 12 mit dem Leiter 8 bzw. mit dem Leiter 9 verbunden sind.

Im folgenden sei die Funktion der Anordnung gemäß der Erfindung näher erläutert:

Der Differentialverstärker 2 und die Spannungsverstärkungs­ schaltung 3, die in Kaskadenschaltung angeordnet sind, erzeu­ gen an dem Schaltungspunkt A eine Spannung, die gegenüber der Signalspannung an den Eingangsklemmen ES 1 und ES 2 um etwa 80 dB verstärkt ist. Die Spannungsverstärkungsschaltung 3 enthält die pnp-Vertikal­ transistoren T 3 und T 4 mit isoliertem Kollektor, die eine hohe Grenzfrequenz besitzen, so daß Spannungsverstärkung in einem sehr großen Frequenzbereich wirksam wäre, wenn nicht die durch die parasitären Übergangskapazitäten SC 1 und SC 2 verursachte Dämpfung bei hohen Frequenzen gegeben wäre. Die Ausgangsschaltung 4 stellt an der Ausgangsklemme U die an dem Schaltungspunkt A auftretende Spannung mit einer hinrei­ chend niedrigen Impedanz zur Verfügung.

An den Emittern E 9 und E 10 der aus dem komplementären Transi­ storpaar T 9/ T 10 bestehenden erfindungsgemäßen Anordnung, die in der Ausgangsschaltung 4 beaufschlagt wird, liegt eine Spannung an, die gleich der Spannung an dem Schaltungspunkts A ist und die über den Leiter 10 der epitaktischen n-Schicht des Transi­ stors T 4 der Spannungsverstärkungsschaltung 3 zugeführt wird. Damit liegt dieselbe Spannung auch an den beiden Belegungen der Übergangskapazität SC 1, wodurch die die Wirkung dieser parasitären Kapazität SC 1 eliminiert wird. Der bei dem Einsatz der erfindungsgemäßen Schaltung für das Aufladen der parasitären Kapazität SC 2 erforderliche Strom ist ebenso groß wie der Strom zum Aufladen einer an dem Schaltungs­ punkt A liegenden Kapazität Cx, deren Wert dem Wert von SC 2 geteilt durch das Produkt ßp.ßn ist, worin ßn die Stromverstär­ kung des npn-Transistors T 9 und ßp die Stromverstärkung des pnp-Transistors T 10 bedeuten.

Somit wird der Einfluß der parasitären Kapazität SC 2 auf den Schaltungspunkt A im Vergleich zu einer Schaltung ohne die erfindungsgemäße Anordnung um den Faktor ßp.ßn verringert.

Die Anordnung gemäß der Erfindung verbessert die Leistungs­ merkmale des Breitbandverstärkers insgesamt ganz erheblich. Insbesondere läßt sich das hervorragende Verhalten der pnp- Vertikaltransistoren mit isoliertem Kollektor bei hohen Freque­ nzen wegen der Verringerung des Einflusses ihrer parasitären Kapazitäten bestmöglichst ausnutzen.

Außerdem vergrößert die erfindungsgemäße Anordnung die Ände­ rungsgeschwindigkeit der Spannung an dem Schaltungspunkt A bei Signalen großer Amplitude um 100%.

Die größere Schaltungskomplexität sowie der zusätzliche Raum­ bedarf sind praktisch vernachlässigbar. Sowohl der Transistor T 9 als auch der Transistor T 10 benötigen nämlich nur minimale Flächen, weil sie nur von der parasitären Kapazität SC 2 gebil­ dete Last steuern müssen. Der Transistor T 10 kann ein pnp-Tran­ sistor sein, dessen Kollektor gegenüber dem Substrat nicht isoliert sein braucht, da er mit Masse verbunden ist.

Claims (1)

1. Breitbandverstärker mit einer Schaltungsanordnung zur Verbesse­ rung des Frequenzgangs
   mit einer Spannungsverstärkungsschaltung mit einem pnp- Vertikaltransistor mit isoliertem Kollektor, dessen epitakti­ sche n-Schicht einen herausgeführten Anschluß besitzt,
   sowie mit einer Ausgangsschaltung, deren Endstufe aus einem komplementären Transistorpaar besteht, das von einem npn­ und einem pnp-Transistor gebildet ist, deren Emitter miteinan­ der verbunden sind,
   dadurch gekennzeichnet,
   daß ein weiteres aus zwei Transistoren (T 9 und T 10) beste­ hendes komplementäres Transistorpaar vorgesehen ist, das in der Ausgangsschaltung (4) beaufschlagt wird,
   und daß die Emitter (E 9 und E 10) dieser Transistoren (T 9 und T 10) miteinander und über einen Leiter (10) mit dem genann­ ten Anschluß (N) der epitaktischen n-Schicht des pnp-Vertikal­ transistors (T 4) in der Spannungsverstärkungsschaltung (3) ver­ bunden ist.