NL7904600A - Bredebandversterker. - Google Patents

Description

7932ö2/Ti/AA/vL

Aanvraagster: Tektronix, Inc., Beuverton, U.S.A.

Korte aanduiding: Bredebandversterker

De uitvinding heeft betrekking op een bredebandversterker, in het bijzonder een monolytische bredebandversterker.

Bij een transistorversterker wordt het hoge frequente gedrag beperkt door de diffusiecapaciteit, die eigen is aan de transistor en de 5 overheersende capaciteit die van de basis-emitter overgang is. De stroem-versterking voor kleine signalen (hfe of g) verloopt met de frequentie over een laagfrequentiegebied tamelijk vlak en valt dan indien de frequentie tot boven de β-af snij frequentie f wordt verhoogd, bij welk p frequentie de grootte van de stroomversterkingsfactor £5 3 decibel lager 10 ligt dan bij de lager frequentiewaarde, met ongeveer 6 decibels per octaaf af. De frequentie, waarbij de stroomversterkingsfactor tot een is af genomen, wordt aangegeven met f^.

Samengestelde Darlingtontransistors zijn van nut als ingangsver- sterkers, omdat zij een hoge ingangsimpedantie hebben en bij kleine in- 15 stelstromen werken. De stroomversterkingsfactor voor kleine signalen 2 bij lage frequenties is gelijk aan (3^ β^, of eenvoudig β , wanneer de twee basis-emitterovergangen van het Darling>tonpaar essentieel identiek zijn. Bij het uitzetten van de frequentiere.sponsie, valt, indien de frequentie boven de af snij frequentie behorende bij β wordt verhoogd, 20 de logaritmische waarde van de versterkingsfactor met 12 decibels per octaaf af. In het algemeen wordt aangenomen, dat 9 of 10 decibels per octaaf het toegestane maximum is voor een goede versterkerstabiliteit. .

Met de overdrachtsfunctie van een versterker en de frequentie-responsie daarvan hangt de faseresponsie van β samen. Bij een verster-25 ker met êên transistor is de f as evers chuiving in het ideale geval nul bij ongeveer 0,1f , 1*5° bij foJ en 90° bij ongeveer 10fo. Bij een pp p volgens een Darlington geschakeld transistorpaar, bedraagt de maximale faseverschuiving over het frequentiegebied bijna 180°, omdat twee basis-emitterovergangen van invloed zijn. Hierdoor wordt het ontwerp van 30 « 7904600 2 bredeband teruggekoppelde versterkerketens met. een Darlingtonstelsel moeilijk of onmogelijk, omdat voldaan moet worden aan. de bekende bode-kriteria ter voorkoming van instabiliteit of oscillatie.

De uitvinding voor ziet in een verbeterde bredebandver sterker, 5 waarbij een daarin toegepast volgens een Darlington geschakeld transis-torpaar door middel van een extra transistor wordt gewijzigd.

Een volgens een Darlington geschakeld transistorpaar omvat een eerste transistor, waarvan.de emitter met de basis van een transistor van dezelfde geleidingssoort is verbonden. De collectors, van de twee 10'. transistors worden met elkaar verbonden, zodat, een samengestelde transistor met drie klemmen wordt gevormd, waarbij de collectors een eerste aansluitklem, de basis van de eerste transistor esn tweede aan-sluitklem, en de emitter van de tweede transistor een derde aansluitklem vormen.

15 Een derde transistor, waarbij ter vorming van een diode de col lector en de basis met elkaar verbonden zijn, wordt over de basis-emitterovergang van de tweede transistor van het bovengenoemde Darling-tonpaar geschakeld. De toevoeging van de derde transistor verlaagt de stroomversterkingsfactor van het gehele versterkerstelsel van ongeveer 20 β tot ongeveer 2β,. terwijl een effectieve f^ wordt verkregen, die 1,5 tot 2 maal die van een enkele transistor is. Verder valt de verst erkingsfactor met 6 decibel per octaaf af in plaats van met 12 decibel per octaaf bij het ongestuurde Darlingtonstelsel.en is de overeenkomstige faseresponsie vrij van de uitzonderlijke faseverschuiving van 25 het ongestuurde Darlingtonstelsel. Met de aldus verkregen gestabiliseerde responsie is een dergelijke versterker geschikt voor gebruik als een versterker met terugkoppeling.

De gewijzigde Darlingtonversterker wordt bij voorkeur met behulp van bekende technieken voor monolytisch geïntegreerde ketens gecon-30 strueerd, om zo van onderling aangepaste werkkarakteristieken van de samenstellende componenten verzekerd te zijn.

De uitvinding verschaft een bredebandtransistorversterker, waarbij de stroomversterkingsfactor ten opzichte van een versterker met een enkele transistor essentieel verdubbeld wordt, in het bijzonder een • 35 bredebandtransistorversterker te verschaffen, waarbij de stroomversterkingsfactor bij frequenties tot ien afneemt.

7904600 * 3

Bij de samengestelde transistorvërsterker volgens de uitvinding valt, de stroomversterkingsfactor tij hoge frequenties.met 6 decibels per octaaf af en ligt de fas evers chuivingskarakteristiek binnen de sta-biliteitsgrenzen.

5 De uitvinding wordt toegelicht aan de hand van de tekening: j

Figuur 1 is een schematisch diagram van een gewijzigde samenger-stelde transistorversterker volgens de uitvinding; figuur 2 toont de relatie tussen de frequentie en de versterkings-factor van de versterker volgens figuur 1; en 10 figuur 3 toont de als een terugkoppelversterker geschakelde ver sterker volgens figuur 1.

De tredehandversterker volgens figuur 1 bevat drie transistoren 10, 12 en 1¾ van dezelfde geleidingssoort, die zodanig verbonden zijn, dat zij een gewijzigde samengestelde transistor vormen met een collec- 15 toraansluitklem 16, een basisaansluitklem 18 en een emitteraansluit- klem 20. De emitter van transistor 10 is met de basis van transistor 12 verbonden en de collectors van de transistoren 10 en 12 zijn met elkaar verbonden. De transistor 1U, waarvan de collector en de basis ter vorming van een diode met elkaar verbonden zijn, is over de basis-emitter-20 verbinding van de transistor 12 opgenomen.

De werking van de keten volgens figuur 1 wordt het best begrepen met behulp van wiskundige relaties. Er wordt aangenomen, dat de transistoren 10, 12 en 1¾ aan elkaar zijn aangepast en daarom in hoofdzaak dezelfde werkkarakteristieken hebben en er wordt verder aangenomen, dat 25 als basis voor de getoonde overblijvende stroomuitdrukkingen êên eenheid van de collectorstroom in de transistor 12 vloeit. De gelijkstroomver-sterking kan als volgt berekend worden: t— = & -2 g" t 2 ** 2 3 T00r 3 51 2* Φ in p 1 7904600 30 met voor hoge frequenties 3 = «— met T_ = - — en met s als de LaPlace transformatie-operator geldt: •uit / 2 \ * 2 TT3^ (2)

Iin " ^ V (1 + 2 TTs)

In een diagram met zowel de versterkingsfactor als frequentie logarit-35 misch uitgezet, blijft de benaderde 23 waarde in vergelijking (1) constant indien de frequentie tot oneindig wordt verhoogd; en heeft

-V

k vergelijking (2) een hellingslijn onder ^-5°» die aangeeft dat de ver-sterkingsfactor vanaf 3=1 "bij frequentie f^ tot een oneindige -waarde bij gelijkstroom, oftewel bij een frequentie gelijk aan nul, toeneemt. Deze twee vergelijkingen geven een samengestelde lineaire benadering 5 van de frequentieresponsie van de versterker, en het punt waar de lijnen elkaar kruisen, is de poolfrequentie of 3-afsnijfrequentie f^.

Uitgaande van de voorgaande wiskundige benaderingen, kan de totale frequentieresponsie nu voor de gewijzigde samengestelde transistor berekend worden met „

30 1T

3 = ;—r-r— waarin 3 - -v en T„ = β p 1 + TgS po f 3 o T

en door substitutie van 3 in vergelijking (1):

1V

(1 * fl-> 15 — = ---- (3) in o 2Ts (1+F-) (1 (1 + V:) o o

Een grafische weergave van de stroomversterking versus de frequentie volgens vergelijking (3) wordt door middel van de getrokken lijn in fi-2Ó guur 2'getoond, die de frequentieresponsie van de gewijzigde samengestelde transistor aangeeft. Ter vergelijking zijn in figuur 2 door middel van onderbroken lijnen de frequentieresponsie van een enkele transistor en van een volgens een Darlington samengestelde transistor weergegeven.

25 De responsie van een enkele transistor is in figuur 2 door middel van een standaardcurve afgebeeld,. waarbij . de stroómversterking -3 decibels (dB) bij de poolfrequentie f^ bedraagt en met 6dB/octaaf af neemt, totdat de eenheidsversterking bij f^ wordt bereikt. Voor een volgens een Darlington samengestelde transistor, welke door de.transistore'n 10 30 en 12 getoond wordt, is de stroomversterking voor kleine signalen gelijk 2 2 aan 3 +23 voor bij elkaar passende transistoren of ongeveer 3 indien 3 groot is. In de responsiecurve komen twee polen bij. de frequentie f^ en een nulpunt bij ongeveer 1/2 f^ voor, hetgeen tot de getoonde breekpunten resulteert. In de door middel van<3e getrokken lijn afgebeelde 35 responsiecurve voor de gemodificeerde samengestelde transistor komen polen bij f en ongeveer 1/2 f en een nulpunt bij — f voor.

7904600 5

Parameters, zoals de effectieve f en de fas evers chuiving kunnen met de vergelijking (3) bepaald worden, welke vergelijking vanuit bet s domein door middel van LaPlace-transformaties naar de meer bekende complexe frequentievorm wordt omgezet. De effectieve f^ bleek naar be-5 rekening 1,55*1 maal de f^ van een enkele transistor te zijn. De maximale faseverscbuiving bij ongeveer 1/2 f^ bedroeg -98,2° dus met ongeveer 8° meer f aseverscbuiving dan bij 90°.

Het blijkt dus, dat voor de samengestelde transistor volgens de uitvinding de stroomversterking niet alleen duidelijk-tweemaal zo groot 10 is als die van een enkele transistor en de effectieve f^ daarvan 1,5 tot 2 maal die van een enkele transistor is, maar de corresponderende fase-responsie niet de extra f as evers chuiving van het onbestuurde Darlington-stelsel heeft. Een dergelijke gewijzigde samengestelde transistor wordt bij voorkeur met behulp van bekende technieken voor monolytisch geinte-15 greerde ketens verkregen, zodat de transistoren 10, 12 en 1U bij elkaar passend gemaakt kunnen worden ter verkrijging van essentieel identieke werkkarakteristieken.

Figuur 3 toont de gewijzigde samengestelde versterker volgens figuur 1 in een uitvoering van een terugkoppelversterker. De emitters 20 van de transistoren 12 en 11 zijn met massa verbonden. De collectors van de transistoren 10 en 12 zijn met een emitter van een transistor 30 verbonden, welke laatste als een versterker met gemeenschappelijke basis werkt. De collector van de transistor 30 is via een belastings- weerstand 32 met een positieve spanningsbron 7 verbonden. Een terug- c o 25 koppelweerstand 3*1 met daaraan parallel een versnellingscapaciteit 36 is tussen de collector van de transistor 30 en de basis van de transistor 10 opgenomen. Een instelstroombron ilO en een signaalstroamgenerator k-2 zijn voor de werking van de keten eveneens met de basis van de transistor 10 verbonden. Het uitgangssignaal wordt van de collector van de 30 transistor 30 afgencmen. Een terugkoppelversterker volgens deze opstelling is geconstrueerd en getest, waarbij over een frequentiegebied van gelijkstroom tot 50 megahertz een stabiele werking is waargenomen.

7904600

Claims (3)

1. Bredebandversterker gekenmerkt door een eerste en tweede transistor, waarvan de collectors met elkaar zijn verbonden, terwijl de emitter van de eerste transistor met de basis van de tweede transistor is verbonden, en door een derde transistor waarvan de collector, en de basis 5 met de basis van de tweede transistor zijn verbonden en de emitter met de emitter van de tweede transistor is verbonden, waarbij de werkkarak-teristieken van de eerste, tweede en derde transistoren in hoofdzaak onderling identiek zijn.

2. Versterker volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de eerste, 10 tweede en derde transistor van dezelfde geleidingssoort zijn.

3. Versterker volgens conclusie 1,. met het kenmerk, dat de versterker als een monolytisch geïntegreerde keten is uitgevoerd. It. Versterker volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de frequentie-responsie wordt gedefinieerd door: 15 ' 3 T s (1 +— ) (1 - —3-) (23q) I ., o o — uit __ 2 _ / λ \ •I. - 2T s. in (1 +J—) (1 ) tl + V’ 20 5. Versterker volgens conclusie 1, gekenmerkt door een terugfcoppel- weg vanaf de collectors van de eerste en tweede transistor naar de basis van de eerste transistor. 7904600