DE69023741T2 - Transistorverstärker mit veränderlichen Vorspannungsschaltungen. - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf Verstärker im allgemeinen und spezieller auf einen Verstärker mit veränderlichen Vorspannungsschaltungen.
• Transistorverstärker werden in verschiedenen Arten elektronischer Geräte weit verbreitet verwendet. Ein grundsätzlicher Kompromiß bei der Ausführung eines Verstärkers besteht zwischen dem Stromverbrauch und der Leistungsfähigkeit. Ein typischer Transistorverstärker weist wenigstens eine Eingangsstufe, die ein Eingangssignal annimmt, eine oder mehrere Zwischenstufen und eine Ausgangsstufe, die das Eingangssignal an eine Lastschaltung abgibt, auf. Der Strom für den Verstärker wird von einer mit dem Verstärker verbundenen Stromquelle geliefert.
• Die Ausgangsstufe des Verstärkers arbeitet häufig im sogenannten Großsignalarbeitsbereich. In diesem Arbeitsbereich liegt der Signal- oder Laststrom in derselben Größenordnung wie der Ruheoder Vorstrom. Wenn ein Verstärker in dieser Großsignalbetriebsart arbeitet, verändern sich viele seiner Kenndaten in Abhängigkeit des Signalpegels. Beispielsweise umfassen einige der kritischen Leistungskenndaten, die sich mit dem Betriebsstrom verändern, Ausgangsimpedanz, Bandbreite und Linearität.
• Obwohl das obige Problem in mehreren Arten von Verstärkerstrukturen auftritt, ist seine Wirkung in einer üblichen Emitterfolgerkonfiguration bemerkenswert, die verwendet wird, um das Problem darzustellen. Fig. 1 zeigt einen elektrischen Schaltplan eines Emitterfolgerverstärkers nach dem Stand der Technik, der in einer Typ-A-Betriebsart arbeitet. Wenn die Ausgangsspannung (Vo) bis zu einem Maximum ansteigt, beträgt der Emitterstrom (Ie) des Transistors I1max + IQ. Wenn sich die Ausgangsspannung bis zu 0 Volt verringert, verringert sich I&sub1; und der Emitterstrom von Q'1 erreicht IQ. Wenn die Ausgangsspannung negativ wird, wird der Laststrom (I&sub1;) negativ und der Emitterstrom von Q'1 verringert sich bis auf 0. Die Folge dieses Großsignalbetriebs besteht darin, daß sich der Q'1-Kollektorstrom von IQ + I1max bis zu überhaupt keinem Strom verändern könnte. Da viele Transistorparameter eine Funktion des Kollektorstroms sind, kann sich die Geschwindigkeit des Verstärkers mit den Signalpegeln wesentlich ändern und ist folglich nichtlinear.
• Der Stand der Technik hat mehrere Maßnahmen angegeben, um die Nichtlinearität in Verstärkern auszugleichen. Eine offensichtliche Maßnahme besteht darin, IQ zu vergrößern, damit er über Veränderungen von I&sub1; dominiert. Diese Technik würde die Linearität auf Kosten von Stromverbrauch verbessern.
• Eine andere Maßnahme nach dem Stand der Technik, die zur Verbesserung der nichtlinearen Eigenschaften von Verstärkern verwendet wird, ist negative Rückkopplung. Obwohl diese Maßnahme dem beabsichtigten Zweck gut dient, weist sie Nachteile auf, die den Betrieb des Verstärkers ungünstig beeinflußen. Die Wirkung von negativer Rückkopplung, um die Geschwindigkeit zu verbessern, wird durch die Menge von verfügbarer Mehrverstärkung sowie Stabilitätsgrenzen begrenzt. Die Rückkopplung wird auch in ihrer Wirkung, die Großsignalgeschwindigkeit zu verbessern, durch den Dynamikbereich von Fehlerkorrekturschaltungen innerhalb der Rückkopplungsschleife begrenzt.
• Die US-Patentschrift 5 254 381 an Wheatley beschreibt einen Gegentakt-zu-Eintakt-Signalumsetzer, der die Rückkopplungstechnik, die durch eine den Eingangsversatzfehler ausgleichende Schaltung verbessert ist, verwendet.
• Kaskodenstrukturen sind eine andere zur Verbesserung der nichtlinearen Eigenschaften von Verstärkern verwendete Maßnahme nach dem Stand der Technik. Kaskodenschaltungsstrukturen werden im allgemeinen verwendet, um die Verstärkergeschwindigkeit zu verbessern, indem Transistoren hinzugefügt werden, die einen Hauptverstärkertransistor bei einer konstanten Betriebsspannung halten. Diese Maßnahme kann verwendet werden, um die Bandbreite zu verbreitern und die Linearität in spannungsverstärkenden Verstärkern zu verbessern. Kaskodentechniken sind jedoch in ihrer Anwendung auf nur stromverstärkende Verstärker begrenzt. Außerdem werden Kaskodenschaltungen auch von einer Verringerung des Signalhubs aufgrund von Spannungsabfällen, die für zusätzliche Kaskodenelemente erforderlich sind, beeinträchtigt.
• Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, einen verbesserten Verstärker anzugeben, der während der Großsignalbetriebsart in seinem Linearbetriebsbereich arbeitet.
• Die Geschwindigkeit des Verstärkers wird gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung dadurch verbessert, daß der Vorstrom eines Transistors, der in einer stromverstärkenden Konfiguration verwendet wird, dynamisch verändert wird. Diese Technik verbessert viele Kenndaten wie Eingangsimpedanz, Bandbreite und Linearität. Wichtigerweise werden diese Verbesserungen ohne die Einschränkungen von negativer Rückkopplung oder Kaskodenkonfigurationen erreicht. Da diese Verbesserungen erreicht werden, ohne den Versorgungsstrom zu erhöhen, stellt diese Maßnahme eine wesentliche Verbesserung in den Kompromissen zwischen Geschwindigkeit und Stromverbrauch dar. Es ist auch zu bemerken, daß die unten im Detail beschriebene Maßnahme auf verschiedene Arten von Verstärkerstrukturen anwendbar ist und auch zusätzlicn zu Strukturen mit negativer Rückkopplung und/oder Kaskoden für noch größere Geschwindigkeitserhöhung verwendet werden kann.
• Der verbesserte Verstärker enthält eine Schaltungsanordnung, die einen Vorstrom (IQ) bereitstellt, der eine Funktion eines Eingangssignals (VIN) und einer Last ZL ist. Der mathematische Ausdruck für die Beziehung zwischen IQ, VIN und ZL ist IQ = f(VIN, ZL). Anders ausgedrückt: IQ = Ie - AVIN / ZL; wobei IQ den Vorspannungstrom darstellt, Ie den Emitterstrom in einer in Spannungsfolgerkonfiguration geschalteten Einrichtung darstellt, A die Verstärkerverstärkung darstellt, VIN das Eingangssignal darstellt und ZL eine Lastimpedanz ist.
• In einer speziellen Konfiguration enthält der verbesserte Verstärker eine aus einem Paar von Differenztransistoren gebildete Differenzstufe. Ein Emitterfolgertransistor ist mit der Differenzstufe verbunden. Eine Stromquelle verbindet die Emitteranschlüsse des Differenztransistorpaares mit einer negativen Leitung einer Stromversorgung. Ein anderer Emitterfolgertransistor ist mit der Differenzstufe verbunden. Eine Lastschaltung mit einer Impedanzcharakteristik ähnlich derjenigen der Last, die der Verstärker treibt, ist mit der Emitterelektrode des anderen Emitterfolgers verbunden. Als eine Folge davon wird ein Vorstrom IQ erzeugt und durch eine Stromspiegelschaltung in den Emitterfolgertransistor gekoppelt.
• Die vorgehenden Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in den beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben werden.
• Fig. 1 zeigt einen in Typ-A-Betriebsart betriebenen Emitterfolgerverstärker nach dem Stand der Technik. Die Figur ist nützlich, um das Problem, das die vorliegende Erfindung behebt, zu verstehen.
• Fig. 2 zeigt einen elektrischen Schaltplan einer Schaltung, die die Lehren der vorliegenden Erfindung enthält.
• Fig. 3 zeigt einen elektrischen Schaltplan eines Verstärkers gemäß der Lehren der vorliegenden Erfindung.
• Fig. 2 zeigt einen elektrischen Schaltplan einer Schaltung gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung. Die Schaltung umfaßt einen mit einer Stromquelle 12 und einem Lastmittel 14 verbunden Verstärker 10. Eine Stromversorgung ist mit dem Verstärker verbunden und liefert an diesen Strom. Der Verstärker weist einen Eingangsanschluß auf, der ein Eingangssignal VIN annimmt, und einen Ausgangsanschluß zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung Vo. Der Verstärker 10 kann eine Vielzahl von mit einer Ausgangsstufe gekoppelten Eingangsstufen aufweisen, die durch ein Bauelement 20 dargestellt sind, das in einer Emitterfolgerkonfiguration angeordnet ist. In der bevorzugten Ausführung ist die Einrichtung 20 ein Transistor. Es ist zu bemerken, daß die vorliegende Erfindung auf Verstärker anwendbar ist, deren Ausgangsstufe anders aufgebaut ist. Die Emitterfolgerkonfiguration ist folglich nur zur Erläuterung der Erfindung des Anmelders vorgesehen und sollte nicht als eine Eingrenzung des Umfangs der vorliegenden Erfindung aufgefaßt werden.
• Weiterhin auf Fig. 2 Bezug nehmend, besteht der Schlüssel zum veränderbaren Vorstrom darin, den Vorstrom IQ als eine Funktion des Signalpegels derart zu erzeugen, daß der Transistoremitterstrom (Ie) und der Kollektorstrom konstant oder nahezu konstant bleiben, wenn sich der Laststrom (IL) verändert. Der mathematische Ausdruck für diese Beziehung ist IQ = f(VIN, ZL), wobei IQ den Vorstrom darstellt, VIN das Eingangssignal darstellt und ZL die Last darstellt. Der mathematische Ausdruck kann präziser als IQ = Ie - AVIN / ZL angegeben werden, wobei IQ den Vorstrom darstellt. Ie stellt den Emitterstrom dar. A stellt die Verstärkung des Verstärkers dar. VIN, stellt das Eingangssignal dar und ZL stellt die Lastimpedanz dar.
• Fig. 3 zeigt eine detaillierte Schaltungsanordnung für einen Verstärker gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung. Die Verstärkeranordnung enthält die letzten zwei Stufen eines Verstärkers, die durch die Zahl 22 gekennzeichnet sind, eine Schaltungsanordnung 24, die den Verstärker vorspannt, und eine Ausgangslastschaltung 18. Wie vorhergehend beschrieben, wird IQ als eine Funktion von VN und Ausgangslast 18 erzeugt, so daß der Strom durch den Verstärker konstant ist. Der Verstärker 22 enthält eine durch Schaltungskomponenten 28, 30, R und R' gebildete Differenzstufe. Eine Konstantstromquelle 29 verbindet die Differenzstufe mit der negativen Leitung der Stromversorgung. Die Differenzstufe ist mit der Ausgangsstufe gekoppelt, die durch einen NPN-Transistor Q1 gebildet ist. Der Transistor Q1 ist in einer Emitterfolgerkonfiguration angeordnet. Wie vorhergehend ausgeführt, dient die Emitterfolgeranordnung nur zur Erläuterung und andere Konfigurationsarten können verwendet werden, ohne vom Wesen und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
• Weiterhin auf Fig. 3 Bezug nehmend, werden die Werte für R' und R basierend auf dem Verstärkertyp, der auszuführen ist, ausgewählt. Die Auswahl von geeigneten Werten liegt wohl innerhalb des technischen Könnens und es werden deshalb keine spezifischen Werte angegeben werden. In der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung gilt R' = R / 2. Natürlich liegt es innerhalb des technischen Könnens, das Verhältnis zwischen R' und R zu verändern. Wie aus Fig. 3 zu sehen ist, empfängt der Differenzverstärker das Eingangssignal VIN, verstärkt es und liefert es als Eintaktsignal V an die Basis des Bauelements Q1. Gleichzeitig wird die Hälfte der negativen Phase von Vi bei V'i bereitgestellt. Ein mathematischer Ausdruck für diese Beziehung kann als V'i = Vi / 2 angegeben werden. Wie nachfolgend erläutert werden wird, wird Vi durch Q1 gepuffert und in einen Strom umgesetzt, der zum Treiben der Last 18 verwendet wird. Ebenfalls wird V'i durch eine Schaltungsanordnung 24 bearbeitet und erzeugt den Strom IQ der Q1 vorspannt.
• Weiterhin auf Fig. 3 Bezug nehmend, enthält die Schaltungsanordnung 24 einen durch die Bauelemente Q3 und Q4 gebildeten Stromspiegel, ein in einer Emitterfolgerkonfiguration gekoppeltes Bauelement Q2 und eine RC-Schaltungsanordnung 32. Die RC-Schaltungsanordnung 32 weist ungefähr das Zweifache der Impedanz der äquivalenten Lastschaltung 18 auf. Die RC-Schaltungsanordnung 32 erzeugt denjenigen Strom, der als IQ, in den Emitterschaltkreis von Q1 gespiegelt wird. Wie aus Fig. 3 zu sehen ist, wird an der Basis von Q2 die Spannung V'i bereitgestellt und durch die RC- Schaltungskonfiguration in einen Strom umgesetzt. Dieser Strom wird durch Q3 und Q4 in den Emitteranschluß von Q1 gespiegelt.
• Weiterhin auf Fig. 3 Bezug nehmend, enthält die Lastschaltung 18, die durch den verbesserten Verstärker getrieben wird, eine aus vier parallel miteinander verbundenen Transistoren 26' gebildete Hochstromschaltung. Der Emitteranschluß der Transistoren ist über einen Widerstand Rout mit einem Referenzspannungspegel (nicht gezeigt) verbunden. Er ist mit Masse verbunden und die Kollektorelektroden des Transistor 26' sind mit dem positiven Anschluß der Stromversorgung verbunden. Wie oben angegeben, können andere Arten von Lastschaltungen ausgeführt werden.
• Im Betrieb wird ein Eingangssignal VIN an die differenziellen Eingänge des Differenzverstärkers angelegt. Der Differenzverstärker erzeugt Spannungen Vi und V'i mit entgegengesetzter Polarität. Die Spannungen Vi und V'i sind Gegentaktsignale mit V'i = Vi / 2. Die Spannung Vi treibt Q1, der den Strom Ii zum Treiben der Last 18 erzeugt. In ähnlicher Weise treibt die Spannung V'i den Emitterfolger Q2, und die RC-Schaltungsanordnung 32 liefert Strom in die Stromspiegel Q3 und Q4. Der durch Q4 aufgenommene signalveränderliche Strom ist zu Ii gegenphasig. Dies erzeugt für IQ die gewünschte Abhängigkeit von VIN. In dieser Ausführung wird der Ruhestrom in Q1 durch die Differenz zwischen der Ruhespannung bei V'i und der Masseversorgungsspannung (minus zwei Mal Vbe) dividiert durch ZL gesetzt, wobei 2 Vbe die Basisemitterspannungen von Q1 und Q3 darstellt. Die Impedanz von 32 ist das Zweifache des Werts der Lastimpedanz der Schaltung 18.
• Wie aus Fig. 3 zu sehen ist, ist die Eingangsimpedanz ZL des zusammengesetzten Ausgangstransistors sowohl ohmsch als auch kapazitiv. Folglich weist die Schaltungsanordnung 32 sowohl einen ohmschen Anteil als auch einen kapazitiven Anteil auf. Es ist zu bemerken, daß die Last 32 Kenndaten aufweisen muß, die äquivalent zu denjenigen der Ausgangslast, die der Verstärker treibt, sind. Es ist auch zu bemerken, daß der Vorspannungstrom IQ einen statischen Anteil und einen dynamischen Anteil aufweist. Für Fig. 3 wurde der statische Anteil von IQ durch Verhältnisbildung erhalten oder dadurch, daß "ein Verhältnis ausgewählt wurde für die" Kollektorwiderstände (R und R') und die Last, die Q2 treibt.
• Während die Erfindung unter Bezugnahme auf deren bevorzugte Ausführung speziell gezeigt und beschrieben worden ist, wird von Fachleuten verstanden werden, daß verschiedene Änderungen in Form und Details darin ausgeführt werden können, ohne vom Umfang der angefügten Ansprüche abzuweichen.

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung zum Vorspannen eines Verstärkers, wobei der Verstärker eine Eingangsstufe zum Verstärken eines Eingangssignals, eine mit der Eingangsstufe gekoppelte Ausgangsstufe und eine mit der Ausgangsstufe verbundene Lastschaltung umfaßt und wobei die Schaltungsanordnung dadurch gekennzeichnet ist, daß sie umfaßt:

ein mit der Eingangsstufe gekoppeltes Schaltungsmittel (32, Q2), wobei das Schaltungsmittel auf ein Referenzsignal antwortet und daraus einen Vorstrom erzeugt, dessen Größe sich verändert, so daß IQ = Ie - A * VIN / ZL gilt, wobei IQ den Vorstrom darstellt, Ie einen in der Ausgangsstufe des Verstärkers fließenden Strom darstellt, A die Verstärkung des Verstärkers darstellt, ZL die Impedanz der Lastschaltung darstellt und VIN das Eingangssignal darstellt;

und ein die Schaltungsmittel mit der Ausgangsstufe verbindendes Stromspiegelschaltungsmittel (Q3, Q4), wobei das Stromspiegelschaltungsmittel den Vorstrom in die Ausgangsstufe spiegelt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, wobei das Referenzsignal eine Spannung mit einem Wert V'I = VI / 2 enthält, wobei V'I die negative Phase einer Eingangsspannung darstellt und VI die negative Phase der Eingangsspannung darstellt.

3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Schaltungsmittel einen Transistor (Q2) mit einer Emitterelektrode, einer mit dem Referenzsignal gekoppelten Basiselektrode und einer Kollektorelektrode zum Koppeln mit einer Stromversorgung enthält; und

eine mit der Emitterelektrode des Transistors verbundene Schaltung, die zur Lastschaltung äquivalente Kenndaten aufweist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die mit der Emitterelektrode verbundene Schaltung eine RC- Schaltung (32) umfaßt.

5. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Eingangsstufe einen Differenzverstärker (28, 30) umfaßt, der das Eingangssignal (VIN) empfängt und ein Paar von Differenzspannungen (VI, V'I) daraus erzeugt, und einen mit dem Differenzverstärker verbundenen Emitterfolgertransistor (Q1).

6. Differenzverstärker nach Anspruch 5, der eine mit dem Differenzverstärker (28, 30) gekoppelte Stromquelle (29) umfaßt.