NL8700010A - Breedbandversterker. - Google Patents

Description

é_,___* V.0. 8505

Breedbandversterker.

De uitvinding heeft betrekking op een breedbandversterker voorzien van een keteninrichting, welke dient om de frequentieresponsie te verbeteren.

Meer in het bijzonder is deze breedbandversterker van een type, 5 dat voorzien is van vertikale pnp-transistoren met geïsoleerde collector.

Deze versterker omvat bij voorkeur een versterkingsketen met een transistor van het vertikale pnp-type met geïsoleerde collector, voorzien van een aansluitingvoorde epitaxiale n-laag, en een uitgangsketen met een eindtrap, voorzien van een complementair paar met onderling verbonden 10 emitters.

Meer in het bijzonder wordt de verbeterde frequentieresponsie van de versterker, waarop de.uitvinding betrekking heeft, verkregen door middel van een keteninrichting, die de parasitaire junctie-capaciteiten van de in de versterkingsketen opgenomen vertikale pnp-transistor tot 15 een minimum terugbrengt.

Zoals bekend, zouden pnp-transistoren op grote schaal kunnen worden toegepast bij breedbandversterkers omdat door het gebruik daarvan enige vereenvoudigingen in het ontwerp tot stand kunnen worden gebracht, indien dergelijke transistoren goede frequentieresponsie-eigenschappen 20 hadden.

Bij de huidige technologie heeft men zogenaamde vertikale pnp-transistoren met geïsoleerde collector ter beschikking gesteld, welke goede frequentieresponsie-eigenschappen hebben? de grote totale parasitaire junctie capaciteit daarvan, als beschouwd vanuit de collector naar 25 aarde,vormt evenwel nog steeds een ernstige begrenzende factor bij het gebruik van geïsoleerde vertikale pnp's, doordat hierdoor de hoogfre-quentieresponsiewerking daarvan wordt verslechterd.

Meer in het bijzonder hebben parasitaire capaciteiten de neiging de signaalversterking tot onder een bepaalde frequentie te begrenzen.

30 De fysische opbouw van een vertikale pnp-transistor met geïsoleer de collector brengt het optreden van twee parasitaire capaciteiten, welke van belang zijn, als beschouwd vanaf de collector naar aarde met zich mede namelijk: een eerste junctiecapaciteit SCI, welke aanwezig is tussen de 35 p+-gedoteerde laag van de collector en de epitaxiale n-laag, welke de 870 00 10- ?-_3 -2- collector isoleert ten opzichte van de geaarde p-substraat van de transistor; en een tweede parasitaire junctiecapaciteit SC2, welke aanwezig is tussen de epitaxiale n-laag en de p-substraat.

5 Tengevolge van de afmetingen van deze juncties en sterk gedoteer de p-gebieden, kunnen deze capaciteiten waarden hebben van ongeveer 7pF respectievelijk 6pF bij een spanning van 0 volt.

Bij een bekende technische benadering voor het tot een minimum terugbrengen van dergelijke parasitaire capaciteiten wordt bijvoorbeeld 10 de aansluiting van de epitaxiale n-laag met de collector van de transistor verbonden, waardoor de capaciteit SCI wordt kortgesloten doch SC2 onbelrivloed blijft.

Bij een andere bekende benadering wordt de aansluiting van de epitaxiale n-laag verbonden met de positieve klem van de voedingsbron, 15 waardoor de invloed van de capaciteit SC2 wordt geëlimineerd doch de bijdrage van SCI nog steeds aanwezig is.

Derhalve hebben de beide bovenstaande bekende henaderingen, ofschoon hierbij de totale waarde van de parasitaire junctiecapaciteiten wordt verlaagd, het bezwaar, dat zij deze waarden niet op de vereiste wij-20 ze reduceren en meer in het bijzonder heeft de laatstgenoemde bekende benadering nog een verder bezwaar, dat deze dikwijls niet kan worden toegepast omdat de junctie tussen de epitaxiale laag, wanneer deze op een dergelijke wijze wordt voorgespannen, en de collector van de pnp-transistor bij lage spanningswaarden de neiging heeft tot doorslaan.

25 Bij een derde bekende benadering, beschreven in de Italiaanse octrooiaanvrage nr. 22913-A/85 wordt gebruik gemaakt van een zogenaamde "bootstrap" -keten voorzien van een als een emittervolger werkende verti-kale pnp-transistor met emitter- en basisaansluitingen, die respectievelijk zijn verbonden met de aansluiting van de epitaxiale laag en de col-30 lector van de transistor met geïsoleerde collector.

Een dergelijke keten heeft, ofschoon hierbij in wezen het oogmerk daarvan namelijk het verlagen van de parasitaire capaciteiten wordt bereikt, het bezwaar, dat deze slechts op een juiste wijze bij zwakke signalen kan werken, terwijl bij signalen met grote amplitude-de keten 35 juist in staat is om het patroon van de negatieve halve signaalgolven op een juiste wijze te volgen.

8700010 f...........

-3-

Het probleem, dat aan de uitvinding ten grondslag ligt, is het tot een minimum terugbrengen van de totale parasitaire capaciteiten van vertikale pnp-transistoren met geïsoleerde collector, zoals deze aanwezig zijn bij een breedbandversterker en wel door middel van een keteninrich-5 ting, die eveneens in de versterker aanwezig is en in staat is de beide halve golven van een signaal met grote amplitude te volgen, teneinde de genoemde bezwaren van de stand der techniek te elimineren.

Dit probleem wordt volgens de uitvinding opgelost door een breedbandversterker voorzien van een keteninrichting, welke dient om de fre-10 quentieresponsie te verbeteren, en welke van een type is, dat voorzien is van een versterkingsketen met een transistor van het vertikale pnp-type met geïsoleerde collector, voorzien van een aansluiting voor de epitaxiale n-laag, en een uitgangsketen met een eindtrap, voorzien van een complementair paar, bestaande uit npn- en pnp-transistoren met onderling ver-15 bonden emitters welke daarin is gekenmerkt, dat de versterker is voorzien van een verder complementair paar, gevormd door twee transistoren, welke in de uitgangsketen worden gevoed en welke zijn voorzien van emitters, die met elkaar en via een geleider met de aansluiting van de epitaxiale n-laag van de in de versterkerketen aanwezige pnp-transistor zijn verbon-20 den.

De uitvinding zal onderstaand nader worden toegelicht onder verwijzing naar de tekening. Daarbij toont: fig. 1 schematisch een breedbandversterker voorzien van vertikale pnp-transistoren? en 25 fig.. 2 een gedetailleerde afbeelding van de inrichting volgens de uitvinding, waarbij tevens de verbindingen daarvan met de versterker zijn aangegeven.

Onder verwijzing naar de tekening geeft 1 in het algemeen een breedbandversterker aan, welke is opgebouwd uit drie trappen, namelijk een 30 differentiaalversterker 2, een versterkingsketen 3 en een uitgangsketen 4 met kleine impedantie.

Meer in het bijzonder bevindt zich in de uitgangsketen 4 een inrichting volgens de uitvinding.

De differentiaalversterker 2 is van gebruikelijk ontwerp en ver-35 sterkt spanningsverschillen. Hiertoe omvat de versterker een paar ingangs-klemmen ESI en ES2, welke respectievelijk zijn verbonden met de basis BI

87 0 ö ö 1 Ö t a*. -—-e -4- en de·: basis B2 waarvan een paar transistoren Tl en T2, welke constructief identiek zijn en van het npn-type zijn, van welke transistoren Tl en T2 de emitters El en E2 met elkaar zijn verbonden en waarvan de collectors Cl en C2 met een positieve klem van de elektrische voedingsbron Vc zijn 5 verbonden en wel respectievelijk via een weerstand R1 en een weerstand R2 met gelijke waarden.

De emitters El en E2 zijn ook geaard over een constante-stroomgenerator II van conventioneel ontwerp, welke hier de voorspanningsgenerator zal worden genoemd.

10 De differentiaalversterker 2 als zodanig is met de versterkingsketen 3 verbonden door schematische functionele verbindingen 5 en 6, die respectievelijk de collector Cl met de emitter E3 van de transistor T3, en de collector C2 met de emitter E4 van de transistor T4 verbinden, waarbij de transistoren T3 en T4 zijn voorzien van respectieve bases B3 en 15 B4, welke onderling zijn verbonden.

De transistoren T3 en T4 zijn van het vertikale pnp-type met geïsoleerde collector en hoge afsnijfrequentie. Van de transistor T4 is de emitter E4 verbonden met een p-gedoteerd gebied van de in de tekening niet weergegeven structuur daarvan, is de basis B4 verbonden met een n+-20 gebied en is de collector C4 verbonden met een p+-gebied.Voorts is C4 voorzien van een aansluiting N, als aangegeven in fig. 2, welke met de epi-taxiale n-laag van de transistor is verbonden.

De basis B4 van de transistor T4 is zowel met de klem Vc van de voedingsbron via een spanningsbron Vp als met aarde via een stroombron 12 25 verbonden, waarbij deze bronnen voorspanningsgeneratoren vormen.

De- collectors C3 en C4 van de transistoren T3 en T4 zijn respectievelijk verbonden met de collectors C5 en C6 van een paar transistoren T5 en T6 van het npn-type; derhalve vormen de op deze wijze met elkaar verbonden transistoren T5 en T6 een zogenaamde stroomspiegel.

30 De transistoren T5 en T5 bezitten onderling verbonden bases B5 en B6 en van de transistor T5 is voorts de basis B5 en de collector C5 kortgesloten; van beide transistoren zijn bovendien de emitters E5 en E6 via respectievelijk een weerstand R5 en een weerstand R6 geaard.

Meer in het bijzonder verwijzende naar de in fig. 2 afgeheelde uit-35 voeringsvorm, omvat de transistor T4 volgens de uitvinding een eerste parasitaire junctiecapaciteit CS1 tussen het p+-gebied van de collector 8700010 ai_________^ -5- en de epitaxiale n-laag, en een tweede parasitaire capaciteit CS2 tussen een geaard isolerend p+-gebied en dezelfde epitaxiale n-laag.

Tussen de collectors C4 en C6 en elektrisch coincident daarmede, bevindt zich een knooppunt A, dat een ingangsklem voor de uitgangsketen 5 4 met kleime impedantie van de breedbandversterker 1 vormt.

Dit knooppunt A is door een geleider 7 verbonden met de basis B7 van een transistor T7 van het npn-type, waarvan de collector Cl is verbonden met een geleider 8, die op zijn beurt is verbonden met de voedingsbron Vc, en waarvan de emitter E7 is verbonden met een geleider 9 en vandaar-10 uit met aarde met tussenschakeling van een voorspanningsgenerator 14.

De basis B7 is verbonden met de basis B8 van een transistor T8 van het pnp-type waarvan de collector C8 over de lijn 9 is geaard en waarvan de emitter E8 via een voorspanningsstroomgenerator 13 met de geleider 8 is verbonden.

15 Bij T9 en T10 vindt men twee transistoren van respectievelijk npn- en pnp-type, welke een complementair paar vormen, waarvan de emitters E9 en E10 volgens de uitvinding met elkaar zijn verbonden en welke derhalve een eerste complementair paar transistoren vormen, dat in de eindtrap van de uitgangsketen 4 wordt gevoed.

2D Van de transistor T9 is de basis B9 met de emitter E8 en de basis

Bil van de transistor Til van het npn-type verbonden, welke het eerste deel van een tweede complementair paar transistoren omvattende de tran-sitoren Til en T12 omvat, vormt en de eindtrap van de uitgangsketen 4 overeenkomstig de stand der techniek vormt.

25' Van de transistor T10 is de basis B10 verbonden met de emitter E7 en mat de basis B12 van de transistor T12 van het pnp-type.

Van.de transistor T9 is de collector C9 verbonden met de geleider 8, terwijl van de transistor T10 de collector CIO over de geleider 9 is geaard.

30 De emitters E9 en E10 zijn volgens de uitvinding gezamenlijk door een geleider 10 verbonden met de epitaxiale n-laag van de transistor T4, welke zich in de versterkingsketen 3 bevindt.

Tenslotte zijn van het complementaire paar transistoren Til, T12 de emitters Ell en E12 en met elkaar en met een uitgangsklem ü verbonden, 35 terwijl de collectors Cll en C12 respectievelijk met de geleider 8 en 8700010 J ..............¾ -6- de geleider 9 zijn verbonden.

De inrichting volgens de uitvinding werkt als volgt.

De differentiaalversterker 2 en de versterkingsketen 3, welke in cascade zijn verbonden, leveren in het knooppunt A een spanningsniveau, 5 dat met ongeveer 80 dB wordt versterkt ten opzichte van de amplitude van een spanningssignaal, dat op de ingangsklemmen ESI en ES2 optreedt.

De versterkingsketen 3 omvat de transistoren T3 en T4 van het verti-kale pnp-type met geïsoleerde collector en hoge afsnijfrequentie; derhalve zal deze spanningsversterking over een betrekkelijk uitgestrekt 10 frequentiegebied worden verkregen indien niet de beperking aanwezig was tengevolge van de parasitaire junctiecapaciteiten SCI en SC2 van de transistor T4, welke dempingen bij hoge frequenties introduceren.

De uitgangsketen 4 stelt de spanning, welke in het knooppunt A wordt opgewekt, op de uitgangsklem ü beschikbaar doch bij een voldoend geringe 15 impedantie.

De inrichting volgens de uitvinding, welke het complementaire paar transistoren T9 en T10 bevat, welke zich in de uitgangsketen 4 bevinden, vertoont op de emitters E9 en E10 dezelfde spanning als die welke optreedt in het knooppunt A, welke via de geleider 10 aan de epitaxiale 20 n-laag van de transistor T4 in de versterkingsketen 3 wordt aangelegd.

Derhalve treedt over de junctiecapaciteit SCI eenzelfde spanning op en wordt de invloed van SCI geëlimineerd.

De stroom, welke nodig is om de capaciteit SC2 te laden onder gebruik van de keten volgens de uitvinding, zoals deze hier is beschreven, 25 is gelijk aan de stroom, welke nodig is om een capaciteit Cx in het knooppunt A te laden, waarvan de waarde gelijk is aan de waarde van SC2 gedeeld door het produkt px n, waarbij n de stroomversterking van de npn-transistor T9 en p de stroomversterking van de pnp-transistor T10 is.

30 Door deze maatregel wordt de invloed van SC2 op het knooppunt A met een factor px n gereduceerd ten opzichte van het geval, dat de keten volgens de uitvinding niet wordt toegepast.

Met de inrichting volgens de uitvinding wordt de totale werking van de breedbandversterker aanzienlijk verbeterd. Meer in het bijzonder wor-35 den de goede bedrijfsvermogens van vertikale pnp-transistoren met geïsoleerde collector wat betreft de hoog-frequentie responsie daarvan 8700010 -7- het best benut door de parasitaire capaciteiten daarvan te reduceren.

Voorts kunnen door gebruik te maken van deze inrichting, verbeteringen tot 100% worden verkregen in de mate van spanningsverandering in het knooppunt A in het geval van signalen met grote amplitude.

5 De toename in complexheid van de keten is in wezen verwaarloosbaar evenals de eisen ten aanzien van de ruimte omdat zowel T9 als T10 een minimaal oppervlak innemen, aangezien zij slechts de door SC2 voorgestelde belasting moeten aandrijven; Tl0 kan bestaan uit een pnp-transistor waarvan de collector ten opzichte van de substraat niet is geïsoleerd 10 aangezien de collector van de transistor is geaard.

870 0 C i 0

Claims (1)

1. -8- mj*· CONCLUSIE. Breedbandversterker voorzien van een keteninrichting, welke dient om de frequentieresponsie te verbeteren, van een type, dat voorzien is van een versterkingsketen met een transistor van het vertikale pnp-type met geïsoleerde collector, voorzien van een aansluiting voor 5 de epitaxiale n-laag, en een uitgangsketen met een eindtrap omvattende een complementair paar, bestaande uit npn- en pnp-transistoren met onderling verbonden emitters met het kenmerk, dat de versterker is voorzien van een verder complementair paar, bestaande uit twee transis-toren (T9 en T10), welke zich in de uitgangsketen (4) bevinden en voor-10 zien zijn van emitters (E9 en E10), die met elkaar en via een geleider (10) met de aansluiting (N) van de epitaxiale n-laag van de pnp-tran-sistor (T4), welke zich in de versterkingsketen (3) bevindt, zijn verbonden. 8700010