NL8001117A - Versterkertrap met regelbare versterkingsfaktor uitgevoerd met veldeffekttransistoren. - Google Patents

Description

PHN 9686 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven Versterkertrap met regelbare versterkingsfaktor uitgevoerd met veldeffekttransistoren.

De uitvinding heeft betrekking op een versterkertrap met regelbare versterkingsfaktor uitgevoerd met veldeffekttransistoren omvattende een eerste en een tweede veldeffekttransistor van een eerste geleidingstype waarvan de stuurelektroden de ingang van de versterker-5 trap vormen en waarvan de bronelektroden gemeenschappelijk met een regelbare stroombron zijn verbonden voor het verkrijgen van een steil-heidsregeling van de eerste en de tweede veldeffekttransistor, en een derde en een vierde veldeffekttransistor die als belasting in de af-voerelektrodewegen van de eerste en tweede transistor zijn opgenomen 10 waarbij een uitgangssignaal tussen de afvoerelektroden van de eerste en tweede veldeffekttransistor kan worden afgenomen.

Een versterkertrap met instelbare versterkingsfaktor door sturing van de staartstroom van een verschilpaar teneinde de steilheid van de eerste en tweede transistor te sturen is bekend. Wordt 15 een dergelijke versterkertrap met veldeffekttransistoren uitgevoerd en worden de derde en vierde transistor als belastingsstroombron in de afvoerelektrodeketens van de eerste en tweede transistor opgenomen, zoals bij vast ingestelde versterkers met veldeffekttransistoren algemeen gebruikelijk is, zie onder andere US-PS 3,961,279 en US-PS 20 3,947,778, dan wordt een regelbare versterkertrap verkregen waarbij de variatie van de versterkingsfaktor door de variatie van de steilheid van de eerste en tweede transistor bepaald wordt wat een versterking als funktie van de staartstroom geeft met een door de karakteristieken van de eerste en tweede transistor bepaald verloop, welke 25 funktie een verloop heeft dat in de praktijk niet altijd bruikbaar is.

In een aantal toepassingen is een versterkingsfaktor met een exponentiële funktie van de staartstroom, dat wil zeggen dat er een lineair verband bestaat tussen de logarithme van de versterkingsfaktor en de staartstroom, gewenst. De uib/inding beoogt een dergelijke schakeling 30 aan te geven en heeft daartoe als kenmerk dat de derde en vierde transistor in het triodegebied staan ingesteld.

De uitvinding berust op het inzicht dat door het in- 80011f7 PHN 9686 2 **v stellen van de derde en vierde transistor in het triodegebied de door die derde en vierde transistor vertoonde differentiële weerstand een funktie is van de staartstroom en varieert met die staartstroom.

Uit experimenten blijkt daarbij dat de versterkingsfaktor -die bepaald..

5 wordt door de variatie van de steilheid van de eerste en tweede transistor en de variatie van de differentiële weerstand van de derde en vierde transistor- als funktie van de staartstroom over een relatief groot gebied van de staartstroom in hoofdzaak het gewenste verloop heeft. Hierbij zij opgemerkt dat het op zich bekend is om 10 een veldeffekttransistor in zijn triodegebied in te stellen ter vervanging van een weerstand in vast ingestelde versterkertrappen. Hierbij ligt dan het instelpunt vast. De uitvinding berust nu op het inzicht dat bij gebruik van zo-fn als weerstand ingestelde veldeffekttransistor in een staartstroom geregelde versterker het instelpunt met de staart-15 stroom verloopt hetgeen tot het gewenste resultaat leidt.

Een eerste voorkeursuitvoeringsvorm van een versterker-trap volgens de uitvinding kan nader worden gekenmerkt doordat de derde en vierde transistor van een tweede, aan het eerste geleidingstype tegengesteld geleidingstype zijn waarbij de afvoerelektroden met de 20 afvoerelektroden van de eerste respektievelijk de tweede transistor zijn verbonden en dat de stuurelektroden gemeenschappelijk met een punt op referentiespanning voor instelling van die derde en vierde transistor in het triodegebied verbonden zijn.

Bij deze uitvoeringsvorm worden transistoren van ver-25 schillend geleidingstype toegepast. Een voorkeursuitvoeringsvorm van een versterkertrap volgens de uitvinding met transistoren van hetzelfde geleidingstype kan worden gekenmerkt doordat de derde en vierde transistor van het eerste geleidingstype zijn waarbij de bronelektroden met de afvoerelektroden van de eerste respektievelijk de tweede transistor 30 zijn verbonden en dat de versterkertrap verder omvat een eerste en een tweede stroombron en een vijfde en een zesde veldeffekttransistor waarvan de bronelektroden met de bronelektroden van de derde respektievelijk de vierde transistor zijn verbonden en de stuurelektroden met de bijbehorende afvoerelektroden én met de stuurelektroden van de derde res-35 pektievelijk vierde transistor waarbij de eerste respektievelijk tweede stroombron in de afvoerelektrodeketen van de vijfde respektievelijk de zesde transistor is opgenomen en op een zodanige sterkte staan ingesteld dat de derde en vierde transistor in het triodegebied staan inge- 8001117 PHN 9686 3 steld.

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van de tekening waarin

Figuur 1 de karakteristieken van een veldtransistor 5 toont, mede ter verklaring van de werking van de schakeling volgens figuur 2,

Figuur 2 een eerste uitvoeringsvorm van een versterker-trap volgens de uitvinding toont,

Figuur 3 een diagram dat de versterkingsfaktor van 10 · een versterker volgens de uitvinding als funktie van de regelstroom toont,

Figuur 4 een tweede uitvoeringsvorm van een versterker-trap volgens de uitvinding toont, en

Figuur 5 een karakteristiek volgens figuur 1 ter 15 verklaring van de werking van de schakeling volgens figuur 4 toont.

Figuur 1 toont de karakteristieken van een n-kanaals veldeffekttransistor met 1^ de afvoerelektrodestroom, de spanning tussen de afvoerelektrode en de bronelektrode, V^s de spanning tussen stuurelektrode en bronelektrode, en Vy de drempelspanning van de tran- 20 sistoren. De gestippelde lijn verbindt alle punten waarvoor geldt V - V_ r M,; dit is de karakteristiek van een veldeffekttransistor gs T ds’ met doorverbonden stuur- en afvoerelektrode. Het gebied met V - V^V^, dus in de figuur 1 rechts van de stippellijn heet het verzadigingsge-bied waar de afvoerelektrodestroom 1^ in hoofdzaak onafhankelijk is 25 van de spanning tussen afvoerelektrode en bronelektrode en de veldeffekttransistor als stroombron fungeert en het gebied links van de stippellijn (V^s - Vy^V^) het triodegebied waar de spanning \I^Q tussen bronelektrode en afvoerelektrode sterk afhankelijk is van de afvoerelektrodestroom 1^. Voor p-kanaals transistoren gelden soortge-30 lijke karakteristieken met omgekeerde polariteiten.

Figuur 2 toont een regelbare versterker volgens de uitvinding. Deze omvat een eerste (1) en een tweede (2) n-kanaals veldeffekttransistor waarvan de stuurelektroden met een differentiële ingang 3-4 verbonden zijn. De bronelektroden zijn gemeenschappelijk 35 met de afvoerlektrode van een n-kanaals transistor 5 verbonden die met een n-kanaals transistor 6 in stroomspiegelschakeling is geschakeld.

De afvoerelektrode van transistor 6 is met een stuurstroomingang verbonden, waaraan een stuurstroom I kan worden toegevoerd.

8001117 PHN 9686 4 *-*ν ·ν

Is het gelijkspanningsniveau aan ingang 3-4 voldoende hoog zodat transistor 5 in het verzadigde gebied staat ingesteld, dan is de staartstroom van het paar transistoren 1 en 2 gèlijk aan I , of evenredig daarmee als de versterkingsfaktor van de stroomspiégel 5 (5,6) ongelijk aan één is. Eèn signaalspanning V aan ingang verdeelt s de stroom I over de afvoerelektrodeketens van de beide transistoren c 1 en 2 met een door de steilheid en dus door de sterkte van de stroom I bepaalde transconductantie.

In de afvoerelektrodeketen van transistor lreqaek-10 tievelijk 2 is een p-kanaals transistor 3 respektievelijk 4 als belasting opgenomen. De afvoerelektroden daarvan zijn met de afvoerelektroden van de respektievelijke transistoren 1 en 2 verbonden en met een differentiële uitgang 9-10. De bronelektroden zijn met een positief voedings-aansluitpunt 12 verbonden en de stuurelektroden met een instelspannings-15 bron 11 die een spanning VQ tussen stuurelektrode en bronelektrode van transistoren 7 en 8 aanlegt. Dëze spanning V^s - VQ is in de karakteristieken van figuur 1 aangegeven.

Bij afvi/ezigheid van een ingangssignaal (V = o) vloeit : s door de transistoren 7 en 8 een stroom gelijk aan %Ιβ. Bij een bepaalde 20 waarde I = I , van die stuurstroom staan de transistoren 7 en 8 dus c ci ingesteld op punt A in de karakteristiek volgens figuur 1 wat bij een voldoende hoge waarde van de spanning \IQ in het triodegebied is. De transistoren 7 en 8 vertonen dan voor signaalstromen een bepaalde weerstandswaarde die gelijk is aan de helling van de kromme Vgg = Vg 25 ter plaatse A. Voor een hogere stuurstroom I = 1^ stellen de transistoren 7 en 8 zich in op punt B en vertonen een hogere weerstand-waarde voor signaalstromen. Op die manier beïnvloeden de transistoren 7 en 8 de versterkingsfaktor van de versterkertrap volgens figuur 2 als funktie van de stuurstroom. In de in figuur 1 weergegeven karakteristiek 30 kan deze regeling gebruikt worden tot een waarde van de stuurstroom I = I ( instelpunt C ) waarbij de transistoren 7 en 8 op de grens c mex tussen het triodegebied en het verzadigde gebied staan ingesteld. Voorwaarde hierbij is dat de spanning tussen voedingsaansluitpunt 12 en de ingang 3-4 voldoende hoog is zodat transistoren 1 en 2 in het verzadig-35 de gebied staan ingesteld.

Onder de gestelde voorwaarde (transistoren 1, 2 en 5 in verzadiging en transistoren 7 en 8 niet in verzadiging) verloopt de 800 1 1 17 PHN 9686 5 versterkingsfaktor A in decibels als funktie van de regelstroom I zoals in figuur 3 is geschetst. In het gebied is deze karak teristiek in hoofdzaak lineair wat een gewenst effekt is.

De schakeling volgens figuur 2 is opgebouwd uit ® p-kanaals en n-kanaals veldeffekttransistoren. Het is ook mogelijk om voor de belastingstransistoren 7 en 8 veldeffekttransistoren van hetzelfde geleidingstype als de transistoren 1 en 2 te kiezen. Een uitvoeringsvoorbeeld van zo'n variant toont figuur 4 waar n-kanaals transistoren 1 en 2 worden toegepast. Van die transistoren 7' en 8' zijn de bronelektroden met de afvoerelektroden van de transistoren 1 en 2 verbonden en de afvoerelektroden met het positieve voedings-aansluitpunt 12. De bron- respektievelijk stuurelektrode van transistor 7' is met de bron- respektievelijk stuurelektrode van een n-kanaals transistor 12 verbonden en de bron- respektievelijk stuurelektrode ^ van transistor 8' is met de bron- respektievelijk stuurelektrode van een n-kanaals transistor 14 verbonden. In de afvoerelektrodeketen van transistor 13 respektievelijk 14 is een stroombron 15 respektievelijk 16 opgenomen.

Transistor 13 en transistor 14 hebben een verbinding ^ tussen stuur- en afvoerelektroden en gehoorzamen daarom de karakteristiek ν^3 = ν^3 - Vy, die in figuur 5 is weergegeven. Figuur 5 korres-pondeert met figuur 1.

Voeren de stroombrennen 15 en 16 een stroom 1^ dan staan de transistoren 13 en 14 daardoor ingesteld op het in figuur ^ 5 aangegeven punt D. Transistoren 7' en 8' gehoorzamen dus een ld - V^g karakteristiek die door punt D gaat en met Vgsy is aangeduid, waarbij V^sy de spanning is die door stroombronnen 15 en 16 over transistoren 13 en 14 wordt opgewekt. Bij afwezigheid van een ingangssignaal vloeit er in de afvoerketens van de transistoren 1 en 2 een stroom gelijk aan %I zodat door de transistoren 7' en 8' een stroom gelijk aan %I - I. vloeit. Daardoor stellen de transistoren 7' en 8' zich

C D

nu op punt E wat binnen het triodegebied is voor 0<%IC - 1^ 1^ dus voor 2Ib<^ Ic<^4Ib· Binnen deze grenzen is de werking van de schakeling volgens figuur 4 overeenkomstig de werking van de schakeling volgens 33 figuur 2, echter met transistoren van één enkel geleidingstype. Door de genoemde maatregelen worden transistoren 7' en 8' in het triodegebied ingesteld. Dit kan tot gevolg hebben dat de stroombronnen 15 en 16 met 800 1 1 17 PHN 9686 6 een te negatieve spanning moeten funktioneren. Vormt dit in de praktijk een bezwaar dan kan bijvoorbeeld voor de stroombronnen 15 en 16 een hogere voedingsspanning gekozen worden of kan in serie met transistoren 7' en 8' een extra spanningsverschuivend element tussen hun afvoer-5 elektroden en het positieve voedingsaansluitpunt 12 opgenomen worden.

In het voorgaande is steeds ervan uitgegaan dat de geometriën van gepaarde transistoren (1-2, 5-6, 7-8, 7'-8', 7*-13 en 8'-14) gelijk zijn zodat dezelfde karakteristieken voor elk van hen gelden. Ongelijke geometriën kunnen ook bruikbaar zijn en leiden tot 10 soortgelijke resultaten. Zo is het bijvoorbeeld mogelijk om de transistoren 13 en 7' evenals 14 en 81 qua lengte - breedte verhouding van de kanalen ongelijk te kiezen.

15 20 25 30 35 8001117

Claims (3)

1. Versterkertrap met regelbare versterkingsfaktor uitgevoerd met veldeffekttransistoren omvattende een eerste en een tweede veldeffédtransistor van een eerste geleidingstype waarvan de stuurelek-troden de ingang van de versterkertrap vormen en waarvan de bronelek- 5 troden gemeenschappelijk met een regelbare stroombron zijn verbonden voor het verkrijgen van een steilheidsregeling van de eerste en de tweede veldeffekttransistor, en een derde en een vierde veldeffekttransis-tor die als belasting in de afvoerelektrodewegen van de eerste en tweede transistor zijn opgenomen waarbij een uitgangssignaal tussen de af- 10 voerelektroden van de eerste en tweede veldeffekttransistor kan worden afgenomen, met het kenmerk dat de derde en vierde transistor in het triodegebied staan ingesteld.

2. Versterkertrap volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de derde en vierde transistor van een tweede, aan het eerste ge- 15 leidingstype tegengesteld geleidingstype zijn waarbij de afvoerelektroden met de afvoerelektroden van de eerste respektievelijk de tweede transistor zijn verbonden en dat de stuurelektroden gemeenschappelijk met een punt· op referentiespanning voor instelling van die derde en vierde transistor in het triodegebied verbonden zijn. 20

3. Versterkertrap volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de derde en de vierde transistor van het eerste geleidingstype zijn waarbij de bronelektroden met de afvoerelektroden van de eerste respektievelijk de tweede transistor zijn verbonden en dat de versterkertrap verder omvat een eerste en een tweede stroombron en een vijfde 2^ en een zesde veldeffekttransistor waarvan de bronelektroden met de bronelektroden van de derde respektievelijk de vierde transistor zijn verbonden en de stuurelektroden met de bijbehorende afvoerelektroden én met de stuurelektroden van de derde respektievelijk vierde transistor waarbij de eerste respektievelijk tweede stroombron in de afvoerelek-trodeketen van de vijfde respektievelijk de zesde transistor is opgenomen en op een zodanige sterkte staan ingesteld dat de derde en vierde transistor in het triodegebied staan ingesteld. 35 §001117