DE971601C

DE971601C - Multi-stage transistor amplifier

Info

Publication number: DE971601C
Application number: DES31208A
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr-Ing Dosse; Helmut Weber
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1952-11-26
Filing date: 1952-11-26
Publication date: 1959-02-26

Description

Mehrstufiger Transistorverstärker Die Verwendung des Transistors in mehrstufigen Verstärkern erfordert wegen der sehr verschiedenen Werte des Ein- und Ausgangswiderstandes Übertrager, die den Eingangswiderstand einer Stufe an den Ausgang der vorhergehenden Stufe anpassen, so daß kein Leistungsverlust infolge Fehlanpassung auftritt. Um den Raumbedarf eines Transistorverstärkers wesentlich herabzusetzen und so den Vorteil der geringen Abmessungen der Transistoren besser auszunutzen, wäre es sehr erwünscht, derartige Anpassungsübertrager nicht verwenden zu müssen, da selbst die kleinsten bisher bekanntgewordenen magnetisch wirkenden Übertrager räumlich sehr viel größer als die Transistoren sind.Multi-stage transistor amplifier The use of the transistor in requires multi-stage amplifiers because of the very different values of the input and Output resistance Transformer, which the input resistance of a stage at the output match the previous stage so that no performance loss due to mismatch occurs. To significantly reduce the space required by a transistor amplifier and so to better utilize the advantage of the small dimensions of the transistors, it would be very desirable not to have to use such matching transformers, because even the smallest magnetically acting transformers known so far spatially much larger than the transistors are.

Es ist bekannt, in aufeinanderfolgenden Transistorverstärkerstufen die Transistoren in verschiedenen Schaltungen, die sich dadurch voneinander unterscheiden, daß Basis, Emitter oder Kollektor jeweils als gemeinsame Elektrode für Ein-und Ausgangskreis benutzt wird, zu verwenden. Die drei angeführten Schaltungsarten sollen im folgenden kurz als Basis-, Emitter-oder Kollektorschaltung bezeichnet werden. Bei der Zusammenschaltung von Transistoren wird von der Erkenntnis ausgegangen, daß beispielsweise der Ausgangswiderstand eines Transistors in der Basisschaltung genau denselben Wert wie der Eingangswiderstand desselben Transistors in der Kollektorschaltung besitzt und daß der Ausgangswiderstand in der Kollektorschaltung zwar nicht genauso groß, aber doch von derselben Größenordnung wie der Eingangswiderstand in der Basisschaltung ist, so daß man zwischen dem Transistor in Kollektorschaltung und dein nachfolgenden Transistor in Basisschaltung eine nicht allzu große Fehlanpassung erhält.It is known in successive transistor amplifier stages the transistors in different circuits, which differ from each other, that base, emitter or collector each act as a common electrode for input and output circuit is used to use. The three types of circuit listed are intended in the following can be referred to as base, emitter or collector circuit for short. When interconnecting transistors are based on the knowledge that, for example, the output resistance of a transistor in the base circuit has exactly the same value as the input resistance of the same transistor in the collector circuit and that the output resistance in the collector circuit not as large, but of the same order of magnitude how the input resistance is in the base circuit, so that one between the transistor in collector circuit and your following transistor in common base receives a not too large mismatch.

Dabei wird jedoch meist übersehen, daß die an-. geführten Widerstandsbeziehungen, streng genommen, nur bei Leerlauf am anderen Ende der Schaltung gelten und bei Anpassung oder Fehlanpassung völlig anders -iverden können.However, it is mostly overlooked that the an-. led resistance relationships, strictly speaking, only apply when idling at the other end of the circuit and when adjusting or maladjustment completely different.

Es ist sogar bei der Kollektorschaltung durchaus möglich, daß es infolge der gegenseitigen Abhängigkeit der Anpassungsverhältnisse an Ein-und Ausgang grundsätzlich gar nicht möglich ist, Anpassung an Ein- und Ausgang gleichzeitig zu erzielen.It is quite possible even in the case of the collector circuit that as a result the mutual dependence of the adjustment ratios at input and output in principle it is not at all possible to achieve adaptation to input and output at the same time.

Der Transistorverstärker gemäß der Erfindung mit mehreren Verstärkerstufen in Basis- oder Emitterschaltung ist dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke der Ankopplung einer Verstärkerstufe an ihre folgende ein Anpassungstransistor in Kollektorschaltung Verwendung findet, der derart gestaltet ist, daß er nach Formierung einen nahe hei Eins liegenden Strornverstärkungsfaktor und ein Verhältnis des Ausgangsleitwertes bei Leerlauf am Eingang zum Eingangsleitwert bei Leerlauf am Ausgang von einem sich wesentlich von Eins unterscheidenden Wert besitzt, wobei das Verhältnis des Ausgangsleitwertes bei Lerlauf am Eingang zum Eingangsleitwert bei Leerlauf am Ausgang des Anpassungstransistors so eingestellt ist, daß der Eingangsleitwert des Anpassungstransistors an den Ausgangsleitwert der vorangehenden Verstärkerstufe und/oder der Ausgangsleit-,,vert des Anpassungstransistors an den Eingangsleitwert der nachfolgenden Verstärkerstufe genau angepaßt ist.The transistor amplifier according to the invention with several amplifier stages in base or emitter circuit is characterized in that for the purpose of coupling an amplifier stage to its following a matching transistor in a collector circuit Finds use that is designed such that it has a near hot after formation A current gain factor and a ratio of the output conductance at idle at the input to the input conductance at idle at the output of a self has a value substantially different from one, the ratio of the output conductance with no-load at the input to the input conductance with no-load at the output of the matching transistor is set so that the input conductance of the matching transistor matches the output conductance the preceding amplifier stage and / or the output line - ,, vert of the matching transistor is precisely matched to the input conductance of the subsequent amplifier stage.

Der Erfindung liegt die Erhienntnis zugrunde, daß der komplexe Eingangsleitwert Y, = A i -I- jB1 eines Transistors, dessen Ausgangskreis mit einem äußeren komplexen Leitwert Y" = Aa -I- jBa abgeschlossen ist, zwar im allgemeinen in komplizierter Form von Aa und Ba abhängt, jedoch für den Sonderfall, daß die Kurzschluß-Stabilität ö, K= i - k1 K k2 K klein gegen Eins ist, die einfache Form Y1 = AlL -i- Y"/ü2 annimmt, wobei k1K und 112K die Stromverstärkungsfaktoren in den beiden Betriebsrichtungen bei Kurzschluß und ü2 das Verhältnis des Ausgangsleitwertes bei Leerlauf am Eingang zum Eingangsleitwert bei Leerlauf am Ausgang des Transistors sind.The invention is based on the knowledge that the complex input conductance Y, = A i -I- jB1 of a transistor whose output circuit is terminated with an external complex conductance Y "= Aa -I- jBa, although generally in a complicated form of Aa and Ba depends, but for the special case that the short-circuit stability ö, K = i - k1 K k2 K is small compared to one, takes the simple form Y1 = AlL -i- Y "/ ü2, where k1K and 112K are the current gain factors in the two operating directions in the event of a short circuit and ü2 are the ratio of the output conductance with no-load at the input to the input conductance with no-load at the output of the transistor.

Diese Beziehung sagt aus, daß ein beliebiger Leitwert Y", der an .den Ausgang des Transistors geschaltet wird, am Eingang desselben mit dem transformierten Wert Y"/i!2 parallel zu dem Eigenleitwert AlL des Transistors bei Leerlauf erscheint. Eine entsprechende Beziehung gilt auch für den umgekehrten Fall, daß ein Leitwert Yi an den Eingang geschaltet wird. Er erscheint am Ausgang als transformierter Leitwert Yi - ü2 parallel zum Eigenleitwert A2L.This relationship states that any conductance Y "which is switched to the output of the transistor appears at the input of the same with the transformed value Y" / i! 2 parallel to the intrinsic conductance AlL of the transistor when idling. A corresponding relationship also applies in the opposite case, in which a conductance value Yi is switched to the input. It appears at the output as a transformed conductance Yi - ü2 parallel to the intrinsic conductance A2L.

Die Erfindung basiert weiterhin auf der Erkenntnis, daß das Übersetzungsverhältnis in Kollektorschaltung in der folgenden, sehr einfachen Weise mit dem Stromverstärkungsfaktor des Transistors in Basisschaltung bei Kurzschluß am Ausgang kilA zusammenhängt: Gemäß der Erfindung wird der Anpassungstransistor bei der Formierung so behandelt, daß sein Stromverstärkungsfaktor nahe bei Eins liegt, so daß ii.2 ein kleiner Wert wird, also das Übersetzungsverhältnis wesentlich von Eins abweicht. Den Wert von ü2 kann man dann noch in gewissen Grenzen durch Wahl des Arbeitspunktes verändern. Es ist nach der Erfindung also möglich, die Größenordnung des Übersetzungsverhältnisses durch die Formierung des Transistors, den genauen Wert des Ühersetzungsverhältnisses durch Wahl des Arbeitspunktes festzulegen.The invention is further based on the knowledge that the transformation ratio in the collector circuit is related in the following very simple way to the current gain factor of the transistor in the base circuit in the event of a short circuit at the output kilA: According to the invention, the matching transistor is treated during the formation so that its current gain factor is close to one, so that ii.2 becomes a small value, i.e. the transmission ratio deviates significantly from one. The value of ü2 can then be changed within certain limits by choosing the working point. According to the invention, it is therefore possible to determine the magnitude of the transmission ratio through the formation of the transistor, and the exact value of the transmission ratio through the choice of the operating point.

Ein so behandelter Transistor hat erfindungsgemäß den weiteren Vorteil, daß die Lage seines Arbeitspunktes im Kennlinienfeld eine normale, annähernd vollständige Aussteuerung erlaubt, was bei Transistoren, die in üblicher Weise auf hohe Leistungsverstärkung in Basisschaltung formiert sind und z. B. im Falle des Spitzentransistors eine wesentlich höhere Stromverstärkung als Eins aufweisen, nicht möglich ist, weil man bei diesen den Arbeitspunkt mehr oder weniger in eine Ecke des Kennlinienfeldes verlegen muß, um die richtigen Ühertragungseigenschaften zu erhalten, dann aber auf eine größer,-- Aussteuerung verzichten muß, um Verzerrungen zu vermeiden.According to the invention, a transistor treated in this way has the further advantage that the position of its working point in the family of characteristics is a normal, approximately complete one Modulation allows what with transistors, which in the usual way to high power amplification are formed in basic circuit and z. B. in the case of the tip transistor an essential have higher current gain than unity is not possible, because one with these the operating point has to move more or less to a corner of the characteristic field, in order to get the correct transmission properties, but then on a larger one, You have to do without level control in order to avoid distortion.

Durch die Wahl des Stromverstärkungsfaktors klx .@i erreicht man weiterhin, daß der Anpassungstransistor ohne besondere Vorkehrungen stabil arbeitet, was bei größeren Werten des Stromverstärkungsfaktors nicht der Fall ist.By choosing the current amplification factor klx. @ I, one also achieves that the matching transistor works stably without special precautions, which is at larger values of the current amplification factor is not the case.

Da bekanntlich die Leistungsübertragung verhältnismäßig unempfindlich gegen Abweichungen von der genauen Anpassung der Widerstände ist, können Schwankungen des Übersetzungsverhältnisses infolge kleiner Schwankungen des Arbeitspunktes im Betriebe in der Regel in Kauf genommen werden. Bei sehr starker Herauf- oder Herabtransformierung, also sehr kleinem ü2 können allerdings durch sehr kleine Änderungen von k ;,7 schon sehr große Schwankungen von ii.2 verursacht werden. Für diesen Fall sieht die Erfindung vor, den Arbeitspunkt des Anpassungstransistors zu stabilisieren. Dies geschieht in der Weise, daß der Emitterstrom, von dem die Stromverstärkung am stärksten abhängt, durch ein Regelglied, z. B. durch einen spannungsabhängigen Widerstand, in an sich bekannter Weise konstant gehalten wird. Bei manchen Transistoren hängt das Übersetzungsverhältnis auch vom Kollektorgleichstrom ab, und zwar im umgekehrten Sinne wie vom Emittergleichstrom. In diesem Falle ist es zweckmäßig, die Differenz beider Ströme, d. h. den über den Basiskontakt fließenden Strom, konstant zu halten.As is well known, the power transmission is relatively insensitive against deviations from the exact adjustment of the resistances, fluctuations can occur of the transmission ratio due to small fluctuations in the operating point in Establishments are usually accepted. In the case of a very strong step-up or step-down, so very small ü2 can, however, by very small changes in k;, 7 very large fluctuations are caused by ii.2. For this case, the invention provides before stabilizing the operating point of the matching transistor. this happens in such a way that the emitter current on which the current gain depends most strongly, by a control element, e.g. B. by a voltage-dependent resistor in itself is kept constant in a known manner. With some transistors, the transformation ratio depends also from the collector direct current, in the opposite sense as from the emitter direct current. In this case it is useful to calculate the difference between the two currents, i. H. the over the Basic contact to keep current flowing, constant.

An Hand der Figuren wird die Arbeitsweise des Anpassungstransistors nach der Erfindung durch Schaltungsbeispiele genauer erläutert. Es zeigt Fig. i einen Transistor in Kollektorschaltung, Fig.2 das Ersatzschaltbild desselben Transistors, wenn alle Größen auf die Eingangsseite bezogen sind, Fig.3 eine Verstärkerschaltung, in der Anpassungstransistoren verwendet sind, Fig.4 eine besonders vorteilhafte Verstärkerschaltung unter Verwendung von Anpassungstransistoren.The mode of operation of the matching transistor is illustrated in the figures according to the invention explained in more detail by circuit examples. It shows Fig. I a transistor in collector circuit, Fig. 2 the equivalent circuit diagram of the same transistor, if all sizes are related to the input side, Fig. 3 an amplifier circuit in which matching transistors are used, Fig.4 a particularly advantageous amplifier circuit using matching transistors.

Fig. i stellt schematisch einen Transistor in Kollektorschaltung dar, dessen Eingangsklemmen mit i und dessen Ausgangsklemmen mit 2 bezeichnet sind. 3 ist die Basis, 4. der Emitter, 5 der Kollektor und 6 der Halbleiterblock.Fig. I shows schematically a transistor in a collector circuit, whose input terminals are denoted by i and whose output terminals are denoted by 2. 3 is the base, 4. the emitter, 5 the collector and 6 the semiconductor block.

Fig. 2 ist das Ersatzschaltbild des Anpassungstransistors, wobei bereits die besonderen, oben erläuterten Arbeitsbedingungen berücksichtigt sind. Der Querleitwert 7 ist gleich dem Eingangsleitwert AiL bei Leerlauf, d. h. bei offenen Klemmen 2, bei i hereingemessen. 3-l ißt man bei offenen Klemmen i den Leitwert an den Klemmen 2, so erhält man beim wirklichen Anpassungstransistor (Fig, i) den Leitwert AL, beim Ersatzschaltbild nach Fig. 2, wenn man alle Leitwerte auf den Eingangskreis bezieht, den Leitwert A2 L/242 = A1 L. 2 is the equivalent circuit diagram of the matching transistor, the special working conditions explained above already being taken into account. The transverse conductance 7 is equal to the input conductance AiL when idling, ie when terminals 2 are open, measured in at i. If you leave the conductance at terminals 2 with the terminals i open, you will get the conductance AL for the real matching transistor (Fig, i), and the conductance A2 in the equivalent circuit diagram according to Fig. 2, if you relate all conductance to the input circuit L / 242 = A1 L.

Fig.3 zeigt einen Transistorverstärker gemäß der Erfindung mit mehreren Verstärkerstufen in Basisschaltung, bei dem zum Zwecke der Ankopplung einer Verstärkerstufe an die nächstfolgende ein Anpassungstransistor in Kollektorschaltung Verwendung findet. Die Eingangsklemmen sind mit 31 bezeichnet. Der Kollektorstrom aller Transistoren, der Verstärkertransistoren T i und T-2 sowie der Anpassungstransistoren AT i und AT 2, wird aus einer einzigen Spannungsquelle geliefert. Diese braucht nicht über hohe Widerstände oder über eine Speisedrossel mit den Transistoren verbunden sein. Vielmehr erlaubt die Schaltung gemäß der Erfindung eine solche Betriebsweise der Anpassungstransistoren, daß die Anschlüsse 33 und 33' der Stromversorgung wechselstrommäßig an Erde liegen.3 shows a transistor amplifier according to the invention with a plurality of amplifier stages in a base circuit, in which a matching transistor in a collector circuit is used for the purpose of coupling one amplifier stage to the next one. The input terminals are labeled 31. The collector current of all transistors, the amplifier transistors T i and T-2 and the matching transistors AT i and AT 2, is supplied from a single voltage source. This does not need to be connected to the transistors via high resistances or via a feed choke. Rather, the circuit according to the invention allows the matching transistors to operate in such a way that the connections 33 and 33 'of the power supply are connected to earth in terms of alternating current.

Die Emittergleichströme werden gemäß der Erfindung von einem hochohmigen Spannungsteiler 3.4 über ebenfalls hohe Widerstände 35 bzw. 35' den Emitteranschlüssen 36 bzw. 36' der Anpassungstransistoren zugeführt. Die Emitterströme für die Verstärkertransistoren T i bzw. T 2 werden in an sich bekannter Weise mittels durch Kondensatoren abgeblockter Widerstände 37 bzw. 37' über die Widerstände 38 bzw. 38' zugeführt, wobei die Widerstände 38 bzw. 38' groß gegen die kleinen Eingangswiderstände der Verstärkertransistoren sind. Die Kapazitäten der Koppelkondensatoren 39, 31o, 311, 312 und 313 sind für die zu verstärkenden Frequenzen genügend groß, so daß sie vernachlässigbareWechselstromwiderstände darstellen. Die Widerstände 35 und 35' können erfindungsgemäß spannungsabhängig sein oder spannungsabhängige Teile enthalten, die die Emitterströme der Anpassungstransistoren und damit deren Übersetzungsverhältnisse konstant halten. Die Übersetzungsverhältnisse der Anpassungstransistoren AT i und AT 2 können je nach den verschiedenen Erfordernissen der Anpassung von einer Verstärkerstufe T i zur nächsten, T 2, oder von der letzten, T2, an den Außenwiderstand, der an die Ausgangsklemmen 3 2 angeschlossen werden soll, verschieden sein.According to the invention, the direct emitter currents are fed from a high-resistance voltage divider 3.4 via likewise high resistors 35 and 35 'to the emitter connections 36 and 36' of the matching transistors. The emitter currents for the amplifier transistors T i and T 2 are supplied in a known manner by means of resistors 37 and 37 'blocked by capacitors via the resistors 38 and 38', the resistors 38 and 38 'being large compared to the small input resistances of the amplifier transistors are. The capacitances of the coupling capacitors 39, 31o, 311, 312 and 313 are sufficiently large for the frequencies to be amplified that they represent negligible alternating current resistances. According to the invention, the resistors 35 and 35 'can be voltage-dependent or contain voltage-dependent parts which keep the emitter currents of the matching transistors and thus their transformation ratios constant. The transformation ratios of the matching transistors AT i and AT 2 can vary depending on the different requirements of the matching from one amplifier stage T i to the next, T 2, or from the last, T2, to the external resistance that is to be connected to the output terminals 3 2 be.

Fig.,. zeigt eine Verstärkerschaltung, die gegenüber der in Fig.3 dargestellten Schaltungsanordnung weitere Vereinfachungen und Verbesserungen aufweist. Wenn man die Widerstände q.5, ,115 und 45', die die Emitteranschlüsse mit der Erdklemme .43 verbinden, so wählen kann, daß die gewünschten Emitterströme, die in der Regel zwischen 0,5 und 2 1nA liegen, fließen, kann der in Fig. 3 dargestellte Spannungsteiler 34 entbehrt werden. Wenn dasselbe auch für den Emitter des Transistors T 2 gilt, kann das RC-Glied, in Fig. 3 mit 37' bezeichnet, entfallen. Die Widerstände 47 und .48 dienen zur Einstellung der Gleichstromdaten des Transistors T i. Die Stromversorgung erfolgt dann lediglich von der Klemme 43' über den Regelwiderstand .414. Analog zu der in Fig. 3 dargestellten Schaltungsanordnung bezeichnen in der Schaltungsanordnung nach Fig. q. .41 die Eingangsklemmen, 42 die Ausgangsklemmen, 4.9, 410, 4.11, 412 und 413 die Koppelkondensatoren.Fig.,. shows an amplifier circuit which, compared to the circuit arrangement shown in FIG. 3, has further simplifications and improvements. If you can choose the resistors q.5, 115 and 45 ', which connect the emitter connections to the ground terminal .43, that the desired emitter currents, which are usually between 0.5 and 2 1nA, flow, the Voltage divider 34 shown in FIG. 3 can be dispensed with. If the same applies to the emitter of the transistor T 2, the RC element, denoted by 37 'in FIG. 3, can be omitted. The resistors 47 and .48 are used to set the direct current data of the transistor T i. The power is then only supplied from terminal 43 'via the rheostat .414. In analogy to the circuit arrangement shown in FIG. 3, q denote in the circuit arrangement according to FIG. .41 the input terminals, 42 the output terminals, 4.9, 410, 4.11, 412 and 413 the coupling capacitors.

Claims

PATEN TA NS PÜCHE: i. Transistor amplifier with several amplifier stages in base or emitter circuit, characterized in that for the purpose of coupling one amplifier stage to the following one, a matching transistor in a collector circuit is used, which is designed in such a way that after formation it has a current gain factor close to one and a ratio of the output conductance with no load at the input to the input conductance at no load at the output has a value which differs significantly from one.

2. transistor amplifier after Claim i, characterized in that the ratio of the output conductance at Idle at the input to the input conductance with no load at the output of the matching transistor is set by choosing the operating point so that the input conductance of the matching transistor to the output conductance of the preceding amplifier stage and / or the output conductance of the matching transistor to the input conductance of the subsequent amplifier stage is precisely adapted.

3. Transistor amplifier according to claims i and 3, characterized in that the operating point of the matching transistor is stabilized by a control element. q .. transistor amplifier according to claim i to 3, characterized in that the emitter current is kept constant by a switching means provided for this purpose in order to stabilize the operating point of the matching transistor. 5. Transistor amplifier according to claim i to 3, characterized in that to stabilize the operating point of the matching transistor, the current flowing through the base electrode is kept constant by a switching means provided for this purpose. Documents considered: German Patent No. 826 148; HG M ende, »Radio reception without tubes«. 1951, Table V at p. 49; "Journal for Applied Physics", 1951, No. 6, pp. 231 to 236; »Archive of the electr. Transmission ”, 1952, August, pp. 34 0 and 341; Magazine »Bell. Syst. Techn. Journ. «, 1949. July issue, p.389.