DE3730501A1 - Audio-frequency amplifier - Google Patents

Audio-frequency amplifier

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    • H03F1/30—Modifications of amplifiers to reduce influence of variations of temperature or supply voltage or other physical parameters
    • H03F1/305—Modifications of amplifiers to reduce influence of variations of temperature or supply voltage or other physical parameters in case of switching on or off of a power supply

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Abstract

It is proposed for an audio-frequency amplifier which has a high DC input resistance and is to be connected via an input coupling capacitor of high capacitance to feed in after the amplifier has been switched on an additional current which charges the coupling capacitor as long as a transistor of the amplifier is operated in saturation.

Description

Die Erfindung betrifft einen Niederfrequenz-Verstärker gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a low-frequency amplifier the preamble of claim 1.

Niederfrequenz-Verstärker, deren Eingangsgleichspannung sich von der Signalquelle unterscheidet, werden in der Regel durch einen sogenannten Koppelkondensator von der Signal­ quelle galvanisch getrennt. Um eine möglichst tiefe untere Grenzfrequenz und niedrige Rauschzahlen der Verstärkung zu erzielen, soll die Kapazität des Koppelkondensators bei der unteren Grenzfrequenz in der Größenordnung des Signalquel­ leninnenwiderstandes liegen. Hierbei ergibt sich der Nach­ teil, daß beim Einschalten des Verstärkers die Eingangsstufe solange einen ungünstigen Arbeitspunkt besitzt, bis der Koppelkondensator aufgeladen ist. In sehr vielen Fällen ist der Verstärker während des Aufladens des Koppelkondensators nicht funktionsfähig.Low frequency amplifier, the input DC voltage of which are usually different from the signal source through a so-called coupling capacitor from the signal source galvanically isolated. To be as deep as possible Cutoff frequency and low noise figure of the gain too achieve, the capacitance of the coupling capacitor at lower cutoff frequency in the order of the signal source internal resistance. Here comes the after part that the input stage when turning on the amplifier as long as it has an unfavorable working point until the  Coupling capacitor is charged. In very many cases the amplifier while charging the coupling capacitor not operational.

Niederfrequenz-Verstärker werden bei unsymmetrischen Ein­ gangssignalen vorteilhafterweise als Kettenverstärker, wie z. B. in dem Buch von U. Tietze - Ch. Schenk "Halbleiter-Schal­ tungstechnik" 2. Auflage, Springer-Verlag Berlin, Heidel­ berg, New York beschrieben, ausgebildet. Hat der Gleich­ strom-Eingangswiderstand des Verstärkers z. B. einen Wert von 50 kΩ und der Koppelkondensator z. B. 100 µF, so ist der Verstärker nach dem Einschalten erst nach eta 5 s betriebs­ bereit. Dies ist vor allem bei batteriebetriebenen Geräten, die nach jedem Betrieb abgeschaltet werden, von Nachteil.Low frequency amplifiers are used at unbalanced ones gear signals advantageously as a chain amplifier, such as e.g. B. in the book by U. Tietze - Ch. Schenk "semiconductor scarf tungstechnik "2nd edition, Springer-Verlag Berlin, Heidel berg, New York. Has the same current input resistance of the amplifier z. B. a value of 50 kΩ and the coupling capacitor z. B. 100 µF, is the Operate amplifier after switching on after approx. 5 s ready. This is especially true for battery powered devices, which are switched off after each operation is a disadvantage.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu vermeiden. Insbesondere soll bei Niederfrequenz-Verstärkern der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art die Zeit bis zur Betriebsbereitschaft nach dem Einschalten auf unter eine Sekunde reduziert werden.The object of the invention is to overcome this disadvantage avoid. In particular, with low-frequency amplifiers the type mentioned in the preamble of claim 1 Time until ready for operation after switching on be reduced to less than a second.

Die Aufgabe wird bei einem Niederfrequenz-Verstärker der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art durch die in seinem kennzeichnenden Teil genannten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Er­ findung sind in den Unteransprüchen angegeben. Anspruch 2 gibt eine sehr einfache Lösung für diskret aufgebaute Ein­ gangsstufen und Anspruch 3 eine besonders vorteilhafte Lösung für in integrierter Halbleiter-Technik aufgebaute, direktgekoppelte Transistor-Eingangsstufen.The task is in a low-frequency amplifier in the Preamble of claim 1 mentioned type by the in resolved its characteristic part mentioned features. Advantageous further developments and refinements of the Er invention are specified in the subclaims. Claim 2 gives a very simple solution for discretely built one gears and claim 3 a particularly advantageous Solution for integrated semiconductor technology, directly coupled transistor input stages.

Die Erfindung wird nun anhand von in Zeichnungen darge­ stellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt im einzelnenThe invention will now be based on Darge in drawings presented embodiments explained in more detail. It shows in individual

Fig. 1 Schaltbild eines zweistufigen NF-Verstärkers; Fig. 1 circuit diagram of a two-stage LF amplifier;

Fig. 2 PNP-Transistor als Gleichspannungsdetektorschal­ tung für die Schaltung nach Fig. 1; Fig. 2 PNP transistor as a DC detector circuit for the circuit of Fig. 1;

Fig. 3 perspektivische Darstellung eines Halbleiter- Chips; Fig. 3 perspective view of a semiconductor chip;

Fig. 4 Schaltbild eines integrierbaren, vierstufigen Niederfrequenz-Verstärkers. Fig. 4 circuit diagram of an integrable, four-stage low-frequency amplifier.

Fig. 1 zeigt die Schaltung eines zweistufigen Niederfre­ quenz-Verstärkers mit direkt gekoppelten Transistoren T 1 und T 2 und einer galvanischen Trennung der Eingangsstufe von der am Eingang E angeschlossenen Signalquelle R S mittels eines Koppelkondensators C. Der Transistor T 1 ist in Emit­ ter-Schaltung betrieben, wobei sein Emitter über einen Widerstand R 1 mit einem Pol M der Betriebsspannungs­ quelle U und sein Kollektor über einen Widerstand R 2 mit dem anderen Pol K 2 über einen Schalter S mit der Betriebsspan­ nungsquelle U verbunden ist. Die Basis des Transistors ist an den Koppelkondensator C und an einen in bezug auf den Gleichstrom-Eingangswiderstand des Transistors T 1 hoch­ ohmigen Widerstand R 3 angeschlossen. Der Widerstand R 3 sorgt für die Basisvorspannung des Transistors T 1. Fig. 1 shows the circuit of a two-stage Niederfre frequency amplifier with directly coupled transistors T 1 and T 2 and a galvanic isolation of the input stage from the signal source R S connected to the input E by means of a coupling capacitor C. The transistor T 1 is operated in an emitter circuit, its emitter via a resistor R 1 with a pole M of the operating voltage source U and its collector via a resistor R 2 with the other pole K 2 via a switch S with the operating voltage source U is connected. The base of the transistor is connected to the coupling capacitor C and to a resistor R 3 which is high-ohmic with respect to the DC input resistance of the transistor T 1 . The resistor R 3 provides the base bias of the transistor T 1 .

Der Transistor T 2 wird ebenfalls in Emitterschaltung be­ trieben. Er ist vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie der Transistor T 1, nämlich vom NPN-Typ. Sein Emitter ist über einen Widerstand R 4 mit einen Pol M der Betriebsspan­ nungsquelle und sein Kollektor über einen Widerstand R 3 mit dem anderen Pol K 2 der Betriebsspannungsquelle verbunden.The transistor T 2 is also operated in an emitter circuit. It is of the same conductivity type as the transistor T 1 , namely of the NPN type. Its emitter is connected via a resistor R 4 to a pole M of the operating voltage source and its collector is connected via a resistor R 3 to the other pole K 2 of the operating voltage source.

Am Verbindungspunkt des Widerstandes R 4 mit dem Emitter des Transistors T 2 wird die Basisvorspannung für den Transistor T 1 abgegriffen. Sie wird über den Widerstand R 3 der Basis des Transistors T 1 zugeführt. Als Ausgang des Verstärkers dient in diesem Beispiel die am Kollektor des Transistors T 2 angeschlossene Klemme A′.The base bias for the transistor T 1 is tapped at the connection point of the resistor R 4 with the emitter of the transistor T 2 . It is fed via the resistor R 3 to the base of the transistor T 1 . In this example, the output of the amplifier is the terminal A ' connected to the collector of transistor T 2 .

Bei geöffnetem Schalter S liegen beide Anschlüsse des Konden­ sators C auf Massepotential M (Bezugspotential). Wird der Schalter S geschlossen, so steigt die Vorspannung für die Basis des Transistors T 1 über den hochohmigen Widerstand R 3, der den Kondensator C auflädt, nur langsam an. Der Span­ nungsabfall am Kollektorwiderstand R 2 infolge des zunächst zu niedrigen Kollektorstromes des Transistors T 1, ist ver­ nachlässigarbar klein. Der Transistor T 2 wird über den Wider­ stand R 2 in die Sättigung gesteuert und sperrt dadurch die Signalübertragung zum Ausgang A′. Erst wenn die Spannung am Widerstand R 4 über den Widerstand R 3 den Kondensator C soweit aufgeladen hat, daß der Spannungsabfall am Widerstand R 2 durch den Kollektorstrom des Transistors T 1 den Transi­ stor T 2 aus der Sättigung steuert, beginnt die ordnungs­ gemäße Signalübertragung.When switch S is open, both connections of the capacitor C are at ground potential M (reference potential). If the switch S is closed, the bias voltage for the base of the transistor T 1 increases only slowly via the high-resistance resistor R 3 , which charges the capacitor C. The voltage drop across the collector resistor R 2 due to the initially too low collector current of the transistor T 1 is ver negligible small. The transistor T 2 is controlled via the opposing R 2 into saturation and thereby blocks the signal transmission to the output A ' . Only when the voltage across the resistor R 4 through the resistor R 3 has charged the capacitor C to such an extent that the voltage drop across the resistor R 2 through the collector current of the transistor T 1 controls the transistor T 2 from saturation does the proper signal transmission begin.

Gemäß der Erfindung wird die "Totzeit" des Verstärkers dadurch wesentlich verkürzt, daß zwischen der Basis und dem Kollektor des Transistors T 2 eine Gleichspannungsdetektor­ schaltung DV vorgesehen ist, die einen zusätzlichen, den Kondensator C aufladenden Strom in den Verbindungs­ punkt a zwischen dem Koppelkondensator C und der Basis des Transistors T 1 leitet, wenn der Betrag der Kollektor-Emitter- Spannung des Transistors T 2 kleiner als seine Basis-Emitter- Spannung ist, d. h., wenn der Transistor T 2 in der Sättigung betrieben wird.According to the invention, the "dead time" of the amplifier is significantly shortened in that a DC voltage detector circuit DV is provided between the base and the collector of the transistor T 2 , which provides an additional, the capacitor C charging current in the connection point a between the coupling capacitor C. and the base of transistor T 1 conducts when the amount of collector-emitter voltage of transistor T 2 is less than its base-emitter voltage, ie when transistor T 2 is operated in saturation.

Diese Gleichspannungsdetektorschaltung DV kann als Differenz­ verstärker mit Stromquelle am Ausgang oder, in noch ein­ facherer Form für das in Fig. 1 gezeigte Beispiel mit NPN- Transistoren, als ein PNP-Transistor T 3 ausgebildet sein.This DC voltage detector circuit DV can be designed as a differential amplifier with a current source at the output or, in a more simple form for the example shown in FIG. 1 with NPN transistors, as a PNP transistor T 3 .

In Fig. 2 ist der PNP-Transistor T 3 mit Bezugszeichen darge­ stellt, die die gleichen wie in Fig. 1 sind. Sein Emitter ist also an der Basis und seine Basis an dem Kollektor des Transistors T 2 angeschlossen. Der Kollektor des Transistors T 3 ist an dem Verbindungspunkt a angeschlossen.In Fig. 2, the PNP transistor T 3 is Darge with reference numerals, which are the same as in Fig. 1. Its emitter is therefore connected to the base and its base to the collector of the transistor T 2 . The collector of transistor T 3 is connected to connection point a .

Im Sättigungszustand des Transistors T 2 ist der Transistor T 3 leitend und über den Widerstand R 2, dem Anschluß b, dem Emitter und Kollektor des Transistors T 3 wird der Konden­ sator C aufgeladen. Haben die Transistoren T 1 und T 2 den vorbestimmten Arbeitspunkt erreicht, so ist der Transistor T 3 gesperrt und der hochohmige Innenwiderstand des Tran­ sistors T 3 bleibt ohne Einfluß auf die Funktion des Ver­ stärkers.In the saturated state of transistor T 2 , transistor T 3 is conductive and capacitor C is charged via resistor R 2 , terminal b , the emitter and collector of transistor T 3 . If the transistors T 1 and T 2 have reached the predetermined operating point, the transistor T 3 is blocked and the high-resistance internal resistance of the transistor T 3 remains unaffected by the function of the amplifier.

Die genannte Lösung setzt voraus, daß die Spannung zwischen Kollektor und Basis des Transistors T 2 in der Sättigung ausreicht, um den Transistor T 3 auszusteuern. Wesentlich vorteilhafter ist es, die erfindungsgemäße Lösung in einer integrierten Halbleiterschaltung eines Niederfrequenz-Verstärkers anzuwenden. Die Lösung ist in Fig. 3 dargestellt. Sie zeigt auf einem p-Substrat inner­ halb mit einer p iso bezeichneten Separation einen PNP- Transistor mit Emitter-Bereich e (n⁺), Basisbereich b (p⁺) und vergrabenem Kollektor c (n⁺). Zusätzlich ist der Basisbereich b von einem p⁺-Ring 3 umgeben. Eine derartige Halbleiterstruktur ist z. B. aus Electronics, March 29 (1978) S. 117 bekannt. Sie wird jedoch dort zur Strombe­ grenzung verwendet.The solution mentioned presupposes that the voltage between the collector and the base of the transistor T 2 is sufficient to saturate the transistor T 3 . It is much more advantageous to use the solution according to the invention in an integrated semiconductor circuit of a low-frequency amplifier. The solution is shown in Fig. 3. It shows on a p-substrate with a p iso called separation a PNP transistor with emitter region e (n⁺), base region b (p⁺) and buried collector c (n⁺). In addition, the base region b is surrounded by a p⁺ ring 3 . Such a semiconductor structure is e.g. B. from Electronics, March 29 (1978) p. 117 known. However, it is used there to limit electricity.

Wie aus Fig. 3 erkennbar, bildet das Basisgebiet b (p⁺) und der Ring 3 (p⁺) mit dazwischenliegendem n--Gebiet einen PNP-Transistor nach Fig. 2. Der Ring ist, wie mit den Fig. 1 bis 3 erkennbar, an der Basis (Schaltungspunkt a) des Transistors T 1 anzuschließen.As can be seen from FIG. 3, the base region b (p⁺) and the ring 3 (p⁺) with the n - region in between form a PNP transistor according to FIG. 2. The ring is, as with FIGS. 1 to 3 recognizable to connect to the base (node a) of the transistor T 1 .

Fig. 4 zeigt die Schaltung eines Niederfrequenz-Verstär­ kers mit dreistufiger Spannungsverstärkung wie sie, bis auf den Transistor T 3, aus dem obengenannten Buch von Tietze und Schenk, S. 139 bekannt ist. Gleiche in den Figuren vorher bezeichnete Schaltungsteile sind wiederum mit gleichen Bezugszeichen versehen, so daß sich eine weitere Erklärung der Funktionsweise erübrigt. Diese Schaltung ist bis auf die extern anzuschließenden Kondensatoren in vorteilhafter Weise zur Integration auf einem Halbleiter­ chip geeignet. Hierbei ist die Verwendung eines Transi­ stors T 2 gemäß Fig. 3 besonders zweckmäßig. Der Schutzring wird gemäß der Erfindung an den Schaltungspunkt a ange­ schlossen. Dadurch wird nach dem Einschalten des Verstär­ kers die Zeit bis zur Betriebsbereitschaft des Verstärkers auf etwa 1/25 verkürzt. Bei einer Kapazität des Konden­ sators C von 100 µF und einem Wert des Widerstandes R 3 von 50 kΩ wird damit die Zeit bis zur Betriebsbereitschaft von 5 s auf etwa 0,2 s verkürzt. Fig. 4 shows the circuit of a low-frequency amplifier with three-stage voltage amplification as it is known, except for the transistor T 3 , from the above-mentioned book by Tietze and Schenk, p. 139. The same circuit parts previously identified in the figures are again provided with the same reference symbols, so that a further explanation of the mode of operation is unnecessary. Except for the capacitors to be connected externally, this circuit is advantageously suitable for integration on a semiconductor chip. Here, the use of a Transi stors T 2 shown in FIG. 3 is particularly useful. The protective ring is connected according to the invention to the node a . As a result, after turning on the Verstär kers the period until the operational readiness of the amplifier reduced to about 1 / 25th With a capacitance of the capacitor C of 100 µF and a value of the resistance R 3 of 50 kΩ, the time to operational readiness is reduced from 5 s to about 0.2 s.

Claims (3)

1. Niederfrequenz-Verstärker mit mindestens zwei direkt gekoppelten Transistor-Eingangsstufen und einer galvani­ schen Trennung der Eingangsstufe von der Signalquelle mittels eines Koppelkondensators, mit einem in Emitter­ schaltung betriebenen ersten Transistor, dessen Basis an den Koppelkondensator angeschlossen und über einen in bezug auf den Gleichstrom-Eingangswiderstand des ersten Transistors hochohmigen Widerstand ihre Basisvorspannung erhält und mit einem ebenfalls in Emitterschaltung betrie­ benen zweiten Transistor vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie der erste Transistor, dessen Basis direkt am Kollektor des ersten Transistors angeschlossen ist, dadurch geken­ zeichnet, daß zwischen Basis und Kollektor des zweiten Transistors (T 2) eine Gleichspannungsdetektorschaltung (DV) vorgesehen ist, die einen zusätzlichen Strom in den Verbindungspunkt (a) zwischen dem Koppelkondensator (C) und der Basis des ersten Transistors (T 1) leitet, wenn der Betrag der Kol­ lektor-Emitter-Spannung des zweiten Transistors (T 2) kleiner als seine Basis-Emitter-Spannung ist.1. Low-frequency amplifier with at least two directly coupled transistor input stages and a galvanic isolation of the input stage from the signal source by means of a coupling capacitor, with a first transistor operated in an emitter circuit, the base of which is connected to the coupling capacitor and via one with respect to the direct current -Input resistance of the first transistor high-resistance resistor receives its base bias and with a second transistor also operated in emitter circuit of the same conductivity type as the first transistor, the base of which is connected directly to the collector of the first transistor, characterized in that between the base and collector of the second Transistors (T 2 ) a DC voltage detector circuit (DV) is provided, which conducts an additional current into the connection point (a) between the coupling capacitor (C) and the base of the first transistor (T 1 ) when the amount of the collector-emitter Tension d second transistor (T 2 ) is smaller than its base-emitter voltage. 2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Gleichspannungsdetektorschaltung (DV) ein dritter Transistor (T 3) vorgesehen ist, dessen Emitter mit der Basis (b) und dessen Basis mit dem Kollektor (c) des zweiten Transistors (T 2) und dessen Kollektor mit dem Verbindungspunkt (a) des Koppelkondensators (C) mit der Basis des Transistors (T 1) verbunden ist.2. Amplifier according to claim 1, characterized in that a third transistor (T 3 ) is provided as a DC voltage detector circuit (DV) , whose emitter with the base (b) and the base with the collector (c) of the second transistor (T 2 ) and whose collector is connected to the base of the transistor (T 1 ) at the connection point (a) of the coupling capacitor (C) . 3. Verstärker nach Anspruch 2 für den Fall eines mono­ litisch integrierten Verstärkers auf einem Halbleiter- Chip, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Transistor (T 3) mittels eines Schutzringes (3) vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie die Basiszone des zweiten Transistors (T 2), der die Basiszone des zweiten Transistors (T 2) umschließt, realisiert ist.3. Amplifier according to claim 2 in the case of a mono-lit integrated amplifier on a semiconductor chip, characterized in that the third transistor (T 3 ) by means of a protective ring ( 3 ) of the same conductivity type as the base zone of the second transistor (T 2 ) , which encloses the base zone of the second transistor (T 2 ), is realized.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5357214A (en) * 1993-06-03 1994-10-18 Apple Computer, Inc. Methods and apparatus for microphone preamplification

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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