NL8201516A - Bufferversterker. - Google Patents

Description

* . * - * I

823063/Ti/th

Korte aanduiding: Bufferversterker

Be uitvinding heeft betrekking op een bufferversterker geschikt te worden gebruikt als ingangsversterker voor een oscilloscoop. Van een dergelijke ingangsversterker moet de ingangsimpedantie hoog zijn om de te testen keten zo min mogelijk te belasten, de lineariteit 5 goed zijn en de thermische vervorming laag, zodat signaalnauwkeurig-heid en getrouwheid gehandhaafd blijven. De uitgangsimpedantie moet laag en de bandbreedte groot zijn. De gebruikelijke bufferversterkers bevatten veldeffecttransistoren in de ingangstrap voor het verkrijgen van een hoge ingangsimpedantie, en een enkele bipolaire transistor 10 emittervolger in de uitgangstrap. Dergelijke ketens vertonen echter aanzienlijke door signaal veroorzaakte thermische transientresponsie-aberaties en niet-lineariteit. Als gevolg van de beperkingen van de versterkingsfactor en veldtransistoren is de hoogfrequentresponsie van de gebruikelijke ketens minder goed.

15 De uitvinding verschaft een verbeterde buffertrap en wel een hybride ϊΈΤ-bipolaire transistorbron als ingangstrap en een complementaire emittervolger uitgangstrap waarin de responsietijd zeer kort, en de ingangsinstelstroom vrijwel nul is. Zowel de ingangs- als de uitgangstrappen gebruiken een 11 bootstrap"-keten om thermische tran-20 sientresponsie-afwijkingen te elimineren, de ingangsimpedantie te verhogen en de ruststroom in de uitgangstrap te handhaven. Een hoge lineariteit is inherent aan de keten daar de versteringsfactor onafhankelijk is van het ingangssignaal* De bufferversterker volgens de uitvinding kan in het bijzonder nuttig worden gebruikt als ingangs-25 irap voor de verticale versterker van een oscilloscoop of als een actieve testpen omdat passieve componenten kunnen worden toegevoegd voor het verzwakken van het ingangssignaal en het afsluiten van de transmissielijn zonder dat de gunstige werking van de buffertrap daardoor wordt beinvloed.

30 De buffertrap volgens de uitvinding wordt gekenmerkt door een bron-volger ingangstrap met een veldeffecttransistor waarvan de poort kan worden verbonden met een signaalbron, een complementaire emittervolger uitgangstrap met een emittergekoppeld paar transistors waarvan de basissen zijn verbonden met de bron van de veldeffect tran-35 sistor, instelmiddelen voor het leveren van in hoofdzaak constante instelstroom voor het emittergekoppeld paar transistoren, welke instelmiddelen eerste "bootstrap"-middelen omvatten voor het meetrekken 8201516 + f * van de spanningen van de emitters van de emitter gekoppelde paar transistorén en tweede "bootstrap"-middelen voor het meetrekken van de spanning van de afvoez^ van de veldeffecttransistor waarbij de eerste en tweede middelen worden gestuurd door de uitgang:van de 5 bronvolger ingangstrap.

De versterkingsketen volgens de uitvinding heeft een grote bandbreedte, lage thermische vervorming en een hoge lineariteit; de res-ponsietijd is zeer kort terwijl uitgangsimpedantie en ketenverster-king vrijwel onafhankelijk zijn van het ingangssignaal.

10 Het toevoegen van passieve impedantie-elementen heeft geen invloed op de werking van de versterking.

De uitvinding wordt toegelicht aan de hand van de figuur die een schema van de voorkeursuitvoering toont.

De in de figuur afgebeelde bufferversterker bestaat uit een in-15 gangstrap 10 en een uitgangstrap 12* De ingangstrap 10 bevat derveldeffecttransistor (FET) 14 verbonden als een bronvolgerversterker; de bron is via een weerstand 16 verbonden met de collector van een bipolaire transistor 18 die is geschakeld met geaard basis. De emitter van de transistor 18 is verbonden mét een constante stroombron 20 gevormd door een tweede FET 20 en de stroominstelweerstand 22.

De afvoer van de ingangs-FET is via een bipolaire transistor 24 verbonden met een geschikte positieve gelijkspanningsbron +V . De s poort van de FET 1½ is gekoppeld met de ingangsaansluiting 26 via een, overigens niet noodzakelijke, verzwakken, bestaande uit de spannings-25 deler weerstanden 28 en 30 en de condensatoren 32 en 34. De keten configuratie met de bronvolger FET 14, bipolaire transistor 18 en de stroombron FET 20 is beschreven in het Amerikaanse octrooischrift 3,562,656*

De uitgangstrap 12 omvat een complementaire emittervolgerverster-30 ker bestaande uit emittergekoppelde transistorén 40 en 42 van tegengesteld polariteitstype, in serie opgenomen tussen de uitgangsspan-ningsbronnen +Vq en -Vq. De basissen van deze twee transistorén zijn verbonden met een delerketen van instelelementen bestaande uit de weerstanden 46 - 56 en de dioden 60 - 64 die in serie zijn opgenomen 35 tussen de voedingsspanningsbronnen +V en -V . De dioden neutralise-ren op effectieve wijze de temperatuurcoëfficiënten van de respectievelijk bijbehorende transistorén, zoals op zich bekend is. Een paar ’'bootstrap" Zener dioden 70 en 72 verbinden de delerketen met de emitters van de uitgangstransistoren 40 resp. 42. Een paar weerstanden 80 8201516 , . -I. -* - 3 - en 82 is in serie opgenomen tussen de emitters van de transistoren kO en 42 en het knooppunt van deze weerstanden is via een verdere weerstand 84 verbonden met de uitgangsaansluiting 90.

De instelspanning voor de transistor 18 in de ingangstrap 10 5 wordt betrokken uit een spanningsdeler opgenomen tussen massa en de negatieve spanningsbron -V ; de spanningsdeler bestaat uit de weer- s standen 92 en 94, de diode 96 en de Zener diode 98. De waarden der componenten worden zodanig gekozen dat de spanningsval over de weerstand 94 gelijk is aan de spanningsval over de weerstand 80 terwijl 10 de diode 96 en de Zener diode 98 zijn aangepast asui de diode 64 respectievelijk de Zener diode 70, met als resultaat dat tussen afvoer en bron van de FET 20 een spanning optreedt>die gelijk is aan de s panning tussen de af voer en bron vsui de FET 14.

Tijdens bedrijf wordt de ingangsaansluiting 26 verbonden met een 15 spanningbron, bij voorbeeld een testpunt in een uitwendige keten. De poort van FET 14 vertoont een hoge impedantie zodat de signaalbron zo min mogelijk wordt belast; wanneer de verzwakker 28 - 30 - 32 — 34 wordt toegepast zullen de waarden van deze componenten de ingangs-impedantie bepalen, gewoonlijk zal men componenten toepassen met een 20 weerstand van 1 megohm of meer. Het-voordeel van het gebruik vsui de verzwakker is dat wanneer de piek-piekamplitude van het te verwachten signaal hoog is dit signaal tot een geschikt niveau kan worden verzwakt, een en ander zoals op zich bekend. De FET 14 werkt als bron-volger waarbij het signaal wordt geleverd via de weerstand 16 aan het 25 knooppunt van de weerstanden 50 en 52 voor het sturen van de basissen van de transistoren 40 en 42. De transistor 24, verbonden met de afvoer van de ingangs FET 14 en gestuurd door het signaal opgewekt aan de emitter van de transistor 40 geeft een bootstrapwerking voor de FET 14 ten einde thermische transientresponsie-afwijkingen 30 en vervorming te elimineren. De transistor 24 verkleint voort se ingangscapaciteit omdat de afvoerspanning van de FET 14 verandert met de signaalspanning aan de poort van de FET 14 waardoor de spanning noodzakelijk voor het laden van de poort-afvoercapaciteit van de FET 14 wordt geelimineerd.

35 In de ingangstrap staan de dioden 60 en 62, die kunnen worden gevormd door als diode geschakelde transistoren parallel aan de basis-emitterovergangen van de uitgangstransistoren 40 en 42. Het effect hiervan is dat een in hoofdzaak constante emitter-emitterspanning 8201516 - 4 -

X

van de uitgangstransistoren wordt gehandhaafd terwijl de temperatuurs-i afhankelijke werking der transistorovergangen wordt geelimineerd.

De bootstrap Zener dioden 70 en 72 houden een constante spanning over de weerstanden 48 en 54 in stand waardoor ook een constante instel-5 stroom voor de uitgangstrap wordt geleverd, zelfs bij dynamische signaalcondities. Behalve het verschaffen van een hoge ingangsimpe-dantie voor de uitgangstrap maken de Zener dioden 70 en 72 het moge-" lijk dat de ruststroom van de uitgangstransistoren 40 en 42 wordt bepaald door de waarden der weerstanden 80 en 82. De uitgang heeft 10 daardoor een zeer korte responsietijd en geen of heel weinig instel-stroom waardoor een hoge frequentieresponsie wordt verkregen en de signaalbandbreedte groot is. De keten kan bij voorbeeld worden toegepast in een 2-gigahertz actieve probe.

De transistoren Q40 en Q42 zijn in thermische balans of kunnen 15 dit zijn; Q40 en q42 kunnen.zodanig zijn ingesteld dat het ingangssignaal identieke simultane vermogengsveranderingen in de beide transistoren teweeg brengt. Temperatuursveranderingen in Q40 éh Q42 zijn dus identiek en resulteren in identieke stroomveranderingen in deze transistors waardoor geen resulterende wijziging in de· uitgangsstroom 20 of uitgangsspanning optreedt. Dit mechanisme resulteert in een lage thermisch veroorzaakte transientresponsie-afwijking*

De hoge lineariteit wordt verkregen door de volgende werking: wanneer wordt afgezien van de weerstanden 80, 82 en 84 is de ingangs-impedantie RQ van de keten KT/qIa parallel met KT/I^ waarin K de 25 Boltzmann constante is, T de absolute temperatuur in Kelvin, q de lading van een electron en 1^ respectievelijk 1^ de emitterstroom van de transistor 40 respectievelijk 42. De som (I& + 1^) is een constante waarde en het verschil tussen deze twee stromen is uiteraard de stroombelasting door de weerstand 84. De uitgangsconductantie is 30 s =-L = .üia +

0 R0 KT KT

en de uitgangsimpedantie is R« = — (I + I, ) .

0 q a b

Daar (I + 1^) constant is, is Rq onafhankelijk van het ingangssignaal waardoor ook de trapversterking vrijwel onafhankelik is van het 8201516 - 5 - signaal.

De weerstanden 80, 82 en 8^ te zamen met de gecombineerde impe-danties gezien in de emitters van de transistors *t0 en k2 geven een omgekeerde afsluiting voor het sturen van een transmissielijn zoals 5 een coaxiaal kabel verbonden tussen de uitgangsaansluiting 90 en een voorversterker trap van bij voorbeeld een oscilloscoop.

8201516

Claims (4)

1. Bufferketen, gekenmerkt door een bronvolger in-gangstrap met een veldeffecttransistor waarvan de poort kan worden verbonden met een signaalbron, een complementaire emittervolger uit-5 gangstrap met een emittergekoppeld paar transistors waarvan de basissen zijn verbonden met de bron van de veldeffect transistor, instel-middelen voor het leveren van in hoofdzaak constante instelstroom voor het emittergekoppeld paar transistoren, welke instelmiddelen eerste "bootstrap"-raiddèlen omvatten voor het meetrekken van de span- 10 ningen van de emitters van de emitter gekoppelde paar transistoren, en tweede "bootstrap"-middelen voor het meetrekken van de spanning van de afvoer van de veldeffecttransistor waarbij de eerste en tweede middelen worden gestuurd door de uitgang van de bronvolger ingangs-trap.

2. Versterker volgens conclusie 1, m e t het k.e n m e r k, dat de ingangstrap een bipolaire transistor omvat waarvan de collector is gekoppeld met de bron van de veldeffecttransistor, de basis is verbonden met de instelspanning en de-emitter is gekoppeld met een stroombron.. 20 3· Versterker volgens conclusie 1,met het kenmerk, dat de instelmiddelen bestaan uit een aantal spanningdeelelementen in serie verbonden tussen een positieve en negatieve voedingsbron en een bron van negatieve spanning met ten minste een paar dioden opgenomen tussen de basissen van de emittergekoppelde transistoren.

25 Versterker volgens conclusie 1, m e t het kenmerk, dat de eerste ’'bootstrap"-middelen bestaan uit een paar constante spanningelementen.

5. Versterker volgens conclusie 1,met het kenmerk, dat de tweede "bootstrap"-middelen bestaan uit een transistor waarvan 30 de basis is gekoppeld met de instelmiddelen en de emitter is gekoppeld met de afvoer van de veldeffecttransistor. 8201516 ----- — —1