DK142800B - Polaritetsuafhængig transistorforstærker. - Google Patents

Description

(11) FREMLÆGGELSESSKRIFT 1^-2800 VR!/ DANMARK •"’““‘S o* F· ι/so «(21) Ansøgning nr. 3728/70 (22) Indleveret den 17· Jul. 1970 (24) Lebedag 17· Jul. 1970 (44) Ansøgningen fremlegt og - fremlæggelsesskrfftet offentliggjort den ^0, J811· 1 yOl

DIREKTORATET FOR

PATENT-OG VAREMÆRKEVÆSENET (30) Prioritet begæret fra den

11. nov. 1969, 6916988, NL

20. maj I97O, 7007313i NL

(71) N.V. PHILIPS* GLOEILAMPENFABRIEKEN, Emmasingel 29, Eindhoven, NL.

(72) Opfinder: Poothathamby Tharraaratnam, Mollenhutseweg, Nijmegen, NL.

(74) Fuldmægtig under sagens behandling:

Internationalt Patent-Bureau.

(54) Polaritetsuafhaangig transietorforstaerker.

Opfindelsen angår en polaritetsuafhængig transistorforstærker med en første transistor, som er koblet i parallel med en første diode med modsat lederetning i forhold til transistoren, og hvis kollektor er tilsluttet en første udgangsklemme, og hvis emitter står i forbindelse med en anden udgangsklemme, idet en fødejævn-spænding af vilkårlig polaritet er påtrykt disse udgangsklemmer.

Sådanne forstærkere anvendes ofte som mikrofonforstærkere i telefonanlæg.

I så fald er udgangsklemmerne forbundet med hver sin leder i en abonnentlinie. Under transmission af en samtale er denne abonnentlinie sat i forbindelse med en brokobling, der leverer fødespændingen til forstærkeren. På den ene side afledes mikrofonsignalet fra udgangsklemmerne og på den anden side tilføres fødespændingen til udgangsklemmerne gennem abonnent linien.

For at gøre forstærkeren ufølsom overfor fødespændingspolariteten på li- 2 142800 nieledeme er en diodebro ofte indskudt mellem abonnentlinien og forstærkerens udgangsklemmer. Diodebroen udgøres af parallelkom binationen af to grene, som er indskudt mellem forstærkerens udgangsklemmer. Hver af de to grene indbefatter en seriekombination af to dioder. Dioderne i de to grene, der er tilsluttet den første udgangsklemme, er forbundet med denne udgangsklemme gennem de samme elektroder. Få samme måde er de to andre dioder gennem de samme elektroder forbundet med den anden udgangsklemme. Den ene leder i abonnentlinien er tilsluttet fødepunktet mellem de to dioder i den ene gren, medens den anden leder i abonnentlinien er tilsluttet fødepunktet mellem de to dioder i den anden gren. Uanset polariteten af fødespændingen på de to ledere, vil polariteten af fødespændingen over de to udgangsklemmer altid være den samme.

Den beskrevne løsning på det problem at skulle gøre forstærkeren ufølsom overfor polariteten af fødespændingen på abonnentliniens ledere har den ulempe, at den medfører tab af fødespændingen. Disse tab skyldes den omstændighed, at en ledende diode altid er indskudt mellem den ene leder og den ene udgangsklemme og mellem den anden leder og den anden udgangsklemme, uanset polariteten af den fø-despænding, der påtrykkes linielederne. Over disse to dioder opstår der et spændingsfald. Hvis disse dioder integreres med forstærkeren i et halvlederlegeme, er spændingsfaldet ca. 2 x 0,9 = 1,8 V. Dette betyder, at fødespændingen over ud-gangsklemmeme er lig med (E-1,8) V, hvis fødespændingen på linielederne er lig med E V. Dette spændingsfald betyder, at f.eks. den tilladelige kabellængde i abonnentlinien reduceres betydeligt.

Ved integrerede forstærkere kan der mellem fødekilden og forstærkerens tilslutningspunkter indskydes en integreret diodebro for at forhindre, at forstærkeren beskadiges i tilfældet af en forkert tilslutning af fødekilden til disse punkter. Dette har også den ulempe, at et spændingsfald på ca. 1,8 V opstår, hvil-•ket ofte er uacceptabelt.

Fra beskrivelsen til US patent 3.230.429 kender man en forstærker med transistor og med en diode, som har modsat lederetning i forhold til transistoren. Den kendte forstærker er imidlertid kun virksom som forstærker ved korrekt polet forspænding.

Opfindelsen tager sigte på at undgå nævnte ulemper, og med henblik herpå er transistorforstærkeren ifølge opfindelsen ejendommelig ved,at den omfatter en anden transistor af samme ledningstype som nævnte første transistor,og som er koblet i parallel med en anden diode,der har modsat lederetning i forhold til nævnte anden transistor,hvorhos den første transistors emitter gennem den anden transistors emitterkollektorstrækning er tilsluttet den anden udgangsklemme og dens basis' sammen med den anden transistors basis er tilsluttet en signalindgang således, at for den ene polaritet af den påtrykte fødespænding er alene den første transistor og alene den anden diode ledende,og at for den anden polaritet af fødespændingen 142800 3 er alene den anden transistor og alene den første diode ledende.

Fordelen herved er, at forstærkeren er i stand til at virke uanset fødespændingens polaritet. De to forstærkertransistorer er koblet i parallel, men har hver sin jævnspænding. Baserne får tilført det indkommende signal i fase. Afhængigt af fødespændingens polaritet er det altid den ene eller den anden transistor, der er ledende.

Ved en foretrukken udførelsesform for forstærkeren ifølge opfindelsen er basen i den første transistor gennem en første seriekombination af basis-emitter-strækningen i en række transistorer tilsluttet en signalindgang, medens basen i den anden transistor gennem en anden seriekombination af basis-emitter-strækninger i en række transistorer er tilsluttet signalindgangen, hvorhos kollektorerne i førnævnte række transistorer er tilsluttet den første udgangsklemme og kollektorerne i den anden række transistorer er tilsluttet den anden udgangsklemme. Fordelen herved er, at man på enkel måde opnår en øget forstærkning.

Opfindelsen forklares nærmere i det følgende under henvisning til den skematiske tegning, hvor fig. 1 viser en udførelsesform for en transistorforstærker ifølge opfindelsen, fig. 2 yderligere detaljer i en transistorforstærker ifølge opfindelsen, fig. 3 og 4 to opstillinger af halvlederelementer til brug i en transistorforstærker som vist i fig. 1 og 2.

Fig. 1 viser en kobling, hvor kollektoren i den^første transistor er forbundet med udgangsklemmen E^. Den første transistors emitter er forbundet med den anden udgangsklemme E£ gennem emitter-kollektor-strækningen i en anden transistor Τ2» Den første transistors basis er tilsluttet den anden transistors basis og det signal V^, der skal forstærkes, påtrykkes forbindelsespunktet mellem basiselektroderne og forbindelsespunktet mellem emitterne i de to transistorer. Den første transistors kollektor-emitter-strækning er shuntet af en diode D^, som bliver ledende så snart basis-kollektor-overgangen i den første transistor er ledende eller i det mindste modtager en forspænding, der virker i gennemgangsretningen. Den anden transistors kollektor-emitter-strækning er shuntet af en diode D2, der bliver ledende så snart basis-kollektor-overgangen i den anden transistor bliver ledende eller i det mindste modtager en forspænding, der virker i gennemgangsretningen. Forstærkerens udgangsklemmer E^ og E2 gennem en abonnentlinie A kan være tilsluttet et telefonanlæg T, hvori der findes et batteri E i serie med en udgangsimpedans. Batteriet E afgiver fødespændingen til forstærkeren gennem abonnentlinien A under et opkald. Basis i transistoren er forbundet med udgangsklemmen E^ gennem en modstand R^, medens basis i transistoren T2 er forbundet med udgangsklemmen E2 gennem en modstand ^4" Basis * transistoren er forbundet med forbindelsespunk tet mellem emitterne i de to transistorer gennem en modstand R^, medens basis i 4 142800 transistoren er forbundet med dette forbindelsespunkt gennem en modstand K^-j·

Hvis det antages, at der på udgangsklemmen E^ efter tilslutning af forstærkeren til abonnentlinien A findes et positivt potential i forhold til udgangsklemmen E^, arbejder den i fig. 1 viste forstærker på følgende måde: Da E^ har et positivt potential, er transistoren og dioden ledende. Der passerer en strøm fra udgangsklemmen E^ til udgangsklemmen gennem transistoren og dioden

Strømbanen omfatter kun én enkelt diode D^, således at spændingstabet er begrænset til en overgangsspænding, nemlig overgangsspændingen for dioden D^· Tilstedeværelsen af dioden D^ i parallel med emitter-kollektor-strækningen for transistoren giver den yderligere fordel, at transistoren er beskyttet mod gennemslag. Emitterpotentialet for denne transistor er højere end basispotentialet for den samme transistor, således at basis-emitter-overgangen er spærret. Da gennemslagsspændingen for basis-emitter-overgangen i en transistor sædvanligvis er lav, er det nødvendigt at have en lav spænding over den spærrede basis-emitter-overgang. Dette opnås ved tilstedeværelsen af dioden D^. Spændingsfaldet over dioden D^ kan være 0,9 V eller mindre, således at emitteren i transistoren i forhold til kollektoren har en spænding på +0,9 V. Da basis-kollektor-overgangen i transistoren bliver ledende gennem modstanden ^21’ spændingen mellem emitteren og basis i transistoren være lig med (0,9 - V^) V, hvori er spændingen over den ledende basis- kollektor-overgang. Denne spænding kan være tilstrækkelig til at bringe transistoren T2 i ledende tilstand, således at der ledes strøm i spærreretningen.

I den foregående beskrivelse af virkemåden for den i fig. 1 viste kobling blev det antaget, at udgangsklemmen E^ har et positivt potential i forhold til udgangsklemmen E2« Det vil ses, at koblingen virker på samme måde, såfremt udgangsklemmen E^ har et positivt potential i forhold til udgangsklemmen E^. X så fald vil der passere en strøm fra udgangsklemmen E2 til udgangsklemmen E^ gennem transistoren T2 og dioden D^. Strømbanen omfatter kun dioden D^, således at spændingstabet igen er begrænset til en enkelt overgangsspænding, der tilnærmelsesvis er lig med 0,9 V. Dioden D^ tjener samtidigt til at beskytte transistoren T^.

Fig. 2 viser en anden udføreIsesform for en transistorforstærker ifølge opfindelsen. Basiselektroden i den første transistor gennem en seriekombination af emitter-basis-strækninger for transistorer T12’ T13’ modstanden og dioden D^2 er tilsluttet udgangen af en forforstærker V. Kollektorerne i de to tran sistorer T^2> T^ er direkte forbundet med den første udgangsklemme E^, ligesom kollektoren i transistoren . Emitteren i transistoren gennem en modstand R^2 er tilsluttet basis i transistoren T^, hvilken basis er forbundet med transistorens emitter gennem modstanden R.^. Basis i transistoren er tilsluttet udgangsklemmen gennem en modstand R^. Basis i den anden transistor T2 gennem en seriekombination af emitter-basis-strækninger for transistorer '^23> 5 142800 modstanden og dioden er tilsluttet forforstærkeren V’s udgang V^.

Kollektorerne i de to transistorer T22, T23 er direkte forbundet med udgangsklemmen E2, ligesom kollektoren i transistoren E^· Emitteren i transistoren gen nem modstanden R22 er forbundet med basis i transistoren T2, hvilken basis gennem modstanden R21 er forbundet med transistorens emitter. Basis i transistoren T23 er forbundet med udgangsklemmen E2 gennem modstanden R24* E®itterne i transistorerne og T2 er forbundet med hinanden og med kollektorerne i transistoren T1 08 T2 8ennem dioder henholdsvis , D2· Forforstærkeren V har to fødeklemmer X^ og X2, der får tilført en fødespænding. Fødeklemmen X2 er tilsluttet emitteme i de to transistorer og T2- Fødeklemmen er tilsluttet udgangsklemmen E^ gennem den ene kollektor-emitter-strækning i en multiemittertransistor og den anden udgangsklemme E2 gennem den anden kollektor=emitter-strækning i multiemitter-transistoren T^, medens basis i multiemittertransistoren er tilsluttet transistorens kollektor.

Den i fig. 2 viste kobling arbejder på samme måde som den i fig. 1 viste.

Hvis udgangsklemmen E^ har et positivt potential i forhold til udgangsklemmen E2 er det den øverste forstærker, der består af transistorerne T^, T^2 og T^, der virker. Den nederste forstærker, der består af transistorerne ^23’ ^22 °8 ^2 er kortsluttet af den i så fald ledende diode D^,. Dioden D^3 er da i ledende tilstand, således at forforstærkeren V's udgang VQ er tilsluttet basis i transistoren T^3. Dioden D23 er ikke-ledende, hvorfor modstandene R2^ og R,^ ikke belaster forforstærkerens udgang Vq. Hvis udgangsklemmen E2 har et positivt potential i forhold til udgangsklemmen E^, er det den nederste forstærker, der virker, medens den øverste forstærker er spærret. I så fald er dioden D23 ledende og forforstærkerens udgang er tilsluttet basis i transistoren T^. Dioden er ikke-ledende, hvorfor modstandene R^3 og R^ ikke belaster forforstærkerens udgang Vq. Tilslutningen af fødeklemmen gennem forskellige kollektor-emitter- strækninger i multiemittertransistoren til de to udgangsklemmer har den fordel, at polariteten af spændingen på fødeklemmen X^ altid er den samme. På denne måde undgår man en beskadigelse af forforstærkeren i tilfældet af en ændring af polariteten af den på udgangsklemmerne påtrykte fødespænding.

Forstærkeren ifølge opfindelsen er særlig velegnet til brug i integrerede kredse. Dette har den fordel, at man for dioderne D^ og D2 kan anvende overgangene til det eksisterende substrat. Endvidere er det ved fremstillingen af integrerede kredse enklere at fremstille ens eller tilnærmelsesvis ens transistorer, således at forstærkningen i den øverste og den nederste forstærker kan gøres ens.

Fig. 3 viser en udførelsesform for en sådan transistor med dioden D^. Et substrat 30 af p-ledningstype bærer et tyndt epitaksialt lag 31 af n-lednlngs-type, hvori der på sædvanlig måde findes en diffunderet skillezone 32 af p-type,

Claims (2)

142800 6 et basisområde 33 af p-type og et emitterområde 34 af n-type, idet den resterende ø 35 i det epitaksiale lag virker som kollektorområde. Dette kollektorområ-de 35 har en metalkontakt 36, der om ønsket kan være afsat samtidigt med en kontaktdiffusion af emitterområdet 34, hvilken kontakt 36 tjener til etablering af kontakten med elektroden 1, jvf. fig. 1 og 2. Ved forbindelse af emitterkontakten 37 på området 34 til en kontakt 39 på skillezonen 32 gennem en ledende bane 38 danner pn-overgangen mellem områderne 30, 32 og 35 den nævnte diode D^, der med modsat gennemgangsretning er parallelkoblet med emitter-kollektor«strækningen i den transistor, der udgøres af områderne 34, 33, og 35. Ved anvendelse af en forholdsvis stor kontakt 36 sikres der, at dioden D^'s egen seriemodstand har en minimal værdi. Det vil ses, at transistoren T2 er tilvejebragt på samme måde i en anden ø. I princippet kan den i fig. 1 viste opstilling som vist i fig. 4 opnås uden nogen diffunderede skillezone, hvis man f.eks. starter fra et som emitter virkende substrat 40 af f.eks. n-ledningstype, hvori der successivt diffunderes områder af p- og n-type, medens områderne 40, 41 og 42 danner henholdsvis emitteren, basis og kollektoren i transistoren 1^, medens områderne 40, 41 og 43 danner de modsvarende områder i transistoren T^. Dioderne D^ og D2 udgøres af områderne henholdsvis 44, 45 og 44, 46, medens områderne 42, 45 og 43, 44 er forbundet med hinanden gennem de respektive ledende baner. ptt-overgangen mellem områderne 44 og 40 er kortsluttet af den forholdsvis store metalkontakt 47, således at dioderne 44, 45 og 44, 46 er tilsluttet emitterområdet 40, medens transistorvirkningen for områderne 40, 44, 45 henholdsvis 40, 44 og 46 desuden undgås. Det vil ses, at der med denne opstilling kræves et minimalt antal fremstillingstrin, det være sig på bekostning af den forstærkning, der i så fald kan opnås.

1. Polaritetsuafhængig transistorforstærker med en første transistor (T^), som er koblet i parallel med en første diode (D^) med modsat lederetning i forhold til transistoren (T^),og hvis kollektor er tilsluttet en første udgangsklemme (E^) og hvis emitter står i forbindelse med en anden udgangsklemme (E^),idet en fødejævnspænding (E) af vilkårlig polaritet er påtrykt disse udgangsklemmer (E^, E^,), kendetegnet ved, at den omfatter en anden transistor (T^) af samme ledningstype som nævnte første transistor (T^),og som er koblet i parallel med en anden diode (D2),der har modsat lederetning i forhold til nævnte anden transistor (T2), hvorhos den første transistors (T^) emitter gennem den anden transistors (T2) emitter-kollektorstrækning er tilsluttet den anden udgangsklemme (E2) og dens basis sammen med den anden transistors (T2) basis er tilsluttet en signalindgang således, at for den ene polaritet af den påtrykte fødespænding (E) er alene den første