Przedmiotem wynalazku jest wzmacniacz pradowy odpowiedni do zastoso¬ wania w monolitycznych obwodach scalonych.Stan techniki. W znanych wzmacniaczach pra¬ dowych obwodów scalonych sa stosowane pier¬ wszy i drugi tranzystory wzmacniajace z uziemio¬ nymi emiterami. Pierwszy tranzystor poprzedza drugi tranzystor w ukladzie kaskadowym o bez¬ posrednim sprzezeniu i posiada ujemne sprzeze¬ nie zwrotne do regulacji jego pradu kolektora do poziomu równego przylozonemu pradowi wejscio¬ wemu. Prad wyjsciowy przeplywajacy od kolek¬ tora do emitera drugiego tranzystora jest propor¬ cjonalny do przylozonego pradu wejsciowego w stosunku równym stosunkowi powierzchni zlacza emiter-baza drugiego tranzystora do powierzchni tego zlacza w pierwszym tranzystorze. Wzmocnie¬ nie takiego wzmacniacza pradowego jest dobrze o- kreslone i zasadniczo niezalezne od wspólczynni¬ ków wzmocnienia pradowego w ukladzie wspól¬ nego emitera pierwszego i drugiego tranzysto¬ rów.Znany jest z opisu patentowego Stanów Zjed¬ noczonych nr 3 391311 wzmacniacz pradowy, w którym zlacze baza-emiter tranzystora i przy¬ rzad pólprzewodnikowy sa polaczone tak, ze na¬ piecie na zlaczu baza-emiter tranzystora jest za¬ wsze równe napieciu na przyrzadzie pólprzewod¬ nikowym, w celu utrzymania równych gestosci 10 15 25 30 pradu. W zwiazku z tym, jezeli powierzchnia emi¬ tera tranzystora jest proporcjonalna do odpowied¬ niej powierzchni zlacza przyrzadu pólprzewodni¬ kowego, ich prady sa proporcjonalne i w wyni¬ ku uzyskiwane jest wlasciwe wzmocnienie prado¬ we zlozonego tranzystora.Znane sa takze inne przyklady wykonan wzmac¬ niaczy pradowych, przedstawione w opisach pa¬ tentowych Stanów Zjednoczonych nr 3 320 439, 3 588 672 i 3 678 407, opisie patentowym brytyj¬ skim nr 1297 886 i opisie patentowym szwajcar¬ skim nr 491 540.Znany jest wzmacniacz pradowy, którego wzmo¬ cnienie jest ulamkiem jednosci i, który zawiera trzy tranzystory majace identyczna geometrie i podobne charakterystyki • oraz umieszczone blisko siebie w granicach tego samego ukladu scalone¬ go. Tranzystory pierwszy i drugi pracuja jako diody pólprzewodnikowe, przy czym ich polaczo¬ ne bazy i kolektory tworza anode diody a ich emitery tworza katode diody.Równolegle wlaczone tranzystory pierwszy i drugi sa równowaznikiem pojedynczego tranzy¬ stora majacego efektywna powierzchnie zlacza baza-emiter równa sumie ich efektywnych powie¬ rzchni zlacz baza-emiter. Konwencjonalny tranzy¬ stor moze reprezentowac zlozony tranzystor za¬ wierajacy polaczone równolegle tranzystory skla¬ dowe. 110 433110 433 3 \ Polaczenie kolektor-baza tranzystorów pierwsze¬ go i drugiego tworza ujemne sprzezenie zwrotne, regulujace potencjaly baza-emiter do wartosci, które podtrzymuja przeplyw pradów kolektorów na poziomie zasadniczo równym polowie pradu wejsciowego doprowadzanego przez koncówke wejsciowa do ich sprzezonych kolektorów.Niewielka czesc pradu wejsciowego jest uzywa¬ na do zasilania pradami baz tych trzech tranzy¬ storów. Wspólczynniki wzmocnienia pradowego w ukladzie wspólnego emitera lub h2ie tych tranzy¬ storów wspólnie przekraczaja 30; a prady baz sa pomijalnie male w porównaniu z pradami kolek¬ torów tranzystorów pierwszego i drugiego. W po¬ nizszych obliczeniach pominieto wplyw pradu ba¬ zy wzmacniaczy pradowych, a sposoby liczenia tego wplywu sa dobrze znane specjalistom od projektowania ukladów.Tranzystor trzeci ma potencjal baza-emiter rów¬ ny potencjalom tranzystora pierwszego i tranzy¬ stora drugiego. Jak wiadomo, potencjal przesu¬ niecia baza-emiter tranzystora jest logarytmiczna funkcja sredniej gestosci pradu na jego zlaczu baza-emiter. Ta zaleznosc jest czesto wyrazona nastepujacym równaniem: VBE kT Ic In _ (1) q Is gdzie k jest stala Boltzmann'a, T jest tempera¬ tura bezwzgledna, q jest ladunkiem elektronu, Ic jest pradem kolektora tranzystora i Is jest pra¬ dem nasycenia tranzystora.Inne znane równanie wyraza zaleznosc pomie¬ dzy VBei i VBE2 pierwszego i drugiego tranzysto¬ ra, które maja podobne charakterystyki dyfuzyj¬ ne dla tych samych wartosci pradu kolektora, gdzie efektywna powierzchnia zlacza baza-emiter pierwszego tranzystora jest m razy wieksza niz drugiego, tzn.Vbei — Bbe2 — kT q ln m (2) Z tego równania mozna wyprowadzic zaleznosc pomiedzy wartoscia Is dla róznych tranzystorów.Jesli tranzystory maja podobna geometrie i znaj¬ duja sie w tej samej temperaturze, ich wartosci Is sa równe.Prady kolektorów tranzystorów pierwszego i drugiego sa równe polowie wartosci pradu wej¬ sciowego. Tak byc musi, poniewaz ich napiecia baza-emiter sa podobne, gdyz ich zlacza baza- -emiter sa polaczone równolegle, ich temperatury sa zblizone z uwagi na zamkniecie wewnatrz u- kladu scalonego, a ich prady nasycenia sa podob¬ ne z uwagi na ich podobna geometrie. Prad ko¬ lektora tranzystora trzeciego moisi byc równy po¬ lowie pradu wejsciowego z tych samych powo¬ dów.Wzmocnienie tego znanego wzmacniacza prado¬ wego wynosi tym samym l/m, gdzie m jest sto¬ sunkiem ilosci równolegle, diodowo polaczonych tranzystorów w obwTodzie wejsciowym do ilosci polaczonych równolegle tranzystorów w obwodzie wyjsciowym, przyjmujac, ze wszystkie tranzysto- 10 15 20 25 35 40 95 W ry maja podobna geometrie. Ogólnie, wzmocnie¬ nie wzmacniacza pradowego wynosi l/m, gdzie m jest stosunkiem sumy efektywnych powierzchni zlacz emiter-baza polaczonych diodowo tranzysto¬ rów w obwodzie wejsciowym do sumy efektyw¬ nych powierzchni zlacz baza-emiter tranzystorów w obwodzie wyjsciowym.Jest bardzo wygodne wyrazenie poprzez po¬ wierzchnie w ukladzie scalonym róznych ukla¬ dów wymaganych do uzyskania wlasciwego wzmo¬ cnienia pradowego, zwlaszcza gdy mozna to wy¬ razic iloscia tranzystorów o podobnej geometrii, wymaganych do uzyskania takiego wzmocnienia.Omawiany wzmacniacz pradowy wymaga zastoso¬ wania m + 1 tranzystorów o podobnej geometrii, aby uzyskac wzmocnienie pradowe l/m, gdzie m jest dodatnia liczba calkowita. Znane sa wzmac¬ niacze pradowe, dajace wzmocnienie pradowe m, które zawieraja pojedynczy, polaczony diodowo tranzystor w obwodzie wejsciowym i m polaczo¬ nych równolegle tranzystorów w obwodzie wyj¬ sciowym.Istota wynalazku. Wzmacniacz pradowy wedlug wynalazku zawiera drugie polaczenie elektryczne, obejmujace n diod pólprzewodnikowych, spola¬ ryzowanych tak, ze przewodza razem z drugim tranzystorem zasadniczo cala pozostala czesc pra¬ du wejsciowego, przy czym n jest dodatnia liczba naturalna.W jednym wykonaniu wzmacniacza pradowego wedlug wynalazku kazda z 2n diod skladajacych sie na polaczenia elektryczne pierwsze i drugie jest polaczonym diodowo tranzystorem, przy czym kazde ze zlacz baza-emiter w tranzystorach skla¬ dajacych sie na pierwsze polaczenie elektryczne i w drugim tranzystorze ma powierzchnie m ra¬ zy wieksza niz kazde ze zlacz baza-emiter w tranzystorach pierwszym i trzecim i w tranzysto¬ rach skladajacych sie na drugie polaczenie elek¬ tryczne, dla zapewnienia pradowego wzmocnienia wzmacniacza miedzy koncówkami wejsciowa i wyjsciowa zasadniczo równego l/m2n (m + 1), gdzie m jest stosunkiem powierzchni zlacza baza- -emiter tranzystorów pierwszego polaczenia i dru¬ giego tranzystora do powierzchni zlacza baza-emi¬ ter tranzystorów drugiego polaczenia i tranzysto¬ rów pierwszego i trzeciego, a n jest dodatnia licz¬ ba naturalna, oznaczajaca liczbe diod o danej po¬ laryzacji.W jednym z wykonan wzmaczniacz pradowy zawiera tranzystor w konfiguracji wspólnej bazy, którego baza dolaczona jest do punktu drugiego polaczenia elektrycznego, który oddzielony jest od drugiego wezla jedna z diod pólprzewodnikowych wchodzacych w sklad tego polaczenia elektrycz¬ nego, a emiter i kolektor dolaczone sa do, od¬ powiednio, kolektora trzeciego tranzystora i za¬ cisku wyjsciowego wzmacniacza.Korzystne skutki wynalazku. Wzmacniacz pra¬ dowy wedlug wynalazku zapewnia wzmocnienia znacznie wieksze lub mniejsze od jednosci i mo-. ze byc umieszczony na mniejszej powierzchni mo¬ nolitycznego ukladu scalonego, niz to bylo moz-110 433 liwe w znanych ukladach. Wzmacniacz wedlug wynalazku umozliwia takze uwydatnianie pew¬ nych czestotliwosci przebiegów.Objasnienie rysunku. Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykladach wykonania na ry¬ sunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat jed¬ nego wykonania wzmacniacza pradowego wedlug wynalazku, fig. 2 — schemat innego wykonania wzmacniacza pradowego wedlug wynalazku, w którym sa znacznie zmniejszone zjawiska niez¬ nacznych zmian wzmocnienia pradowego w tran¬ zystorach, zwiazanych ze zmieniajacymi sie po¬ tencjalami kolektor-emiter oraz fig. 3 — schemat dalszego wykonania wzmacniacza pradowego we¬ dlug wynalazku, równiez wykorzystywanego do uzyskania wzmocnienia znacznie wiekszego lub mniejszego niz jednosc.Przyklad wykonania. Fig. 1 przedstawia wzmac¬ niacz pradowy, w którym tranzystor regulacyjny 201 steruje potencjalem przylozonym do zlacza baza-emiter tranzystora wyjsciowego 202. Jednak¬ ze utrzymywana jest róznica potencjalów pomie¬ dzy VBE20i i Vbe202 poprzez dzialanie polaczonych diodowo tranzystorów 203, 204 i 205. Wplyw pra¬ dów bazy na calkowite prady plynace w róznych galeziach sieci jest zwykle pomijamy, poniewaz h2ie skladowych tranzystorów przekracza zazwy¬ czaj 30. Jesli trzeba, mozna oczywiscie obliczyc wplywy pradów bazy wedlug znanych regul.W ponizszej analizie, która moze byc zastoso¬ wana do ukladu z fig. 1 przyjeto, ze geometria tranzystorów 201 i 203 jest podobna oraz, ze geo¬ metria tranzystorów 202, 204 i 205 jest równiez podobna. Przyjeto ponadto, ze efektywna powierz¬ chnia zlacza baza-emiter kazdego z tranzystorów 201 i 203 jest m razy wieksza od efektywnej po¬ wierzchni zlacza baza-emiter kazdego z tranzy¬ storów 202, 204 i 205.Prad wejsciowy Iwe dostarczony do koncówki wejsciowej WE jest rozdzielony na skladowa Ii plynaca przez szeregowe polaczenie obwodów ko¬ lektor-emiter polaczonych diodowo tranzystorów 203 i 204 oraz na skladowa I2 plynaca przez sze¬ regowe polaczenie obwodów kolektor-emiter pola¬ czonych diodowo tranzystorów 205 i 201. Ponie¬ waz tranzystor 201 ma efektywna powierzchnie zlacza baza-emiter m razy wieksza niz tranzystor 204, wiec I2 = ml! (3) Wystepuje to, poniewaz równolegle polaczenie zlacz baza-emiter tranzystorów 201 i 204 wiaze po tencjaly VBE20i i vbe204 wymuszajac ich rów¬ nosc, co powoduje, ze gestosci pradów na ich zla¬ czach baza-emiter sa sobie równe.Zgodnie z równaniem (1), VBE204 Jest dane przez ponizsze wyrazenie: kT Vbe204 In Is204 (4) Prad Ij plynie równiez przez polaczony diodowo tranzystor 203, powodujac, ze wystepuje na nim potencjal VWo3 baza-emiter dany przez zaleznosc zrównania (2): Vbe203 — Vbe?04 — 6 kT q In m (5) Potencjal VBE205 baza-emiter tranzystora 205 jest dany przezjponizsze wyrazenie: kT I2 Vi BE205 —" In (6) 10 15 Poniewaz polaczone diodowo tranzystory 204 i 205 maja podobna geometrie, wiec: !s205 = Is204 (7)a Podstawiajac równania (3) i (7) do równania (6): kT Ix Vi BE205 IS204 + In m kT sIs204 In m (8) Potencjal Vbe202 wystepujacy pomiedzy baza i e- miterem tranzystora ¦ 202, jest okreslony regula¬ cyjnym dzialaniem polaczonych diodowo tranzy¬ storów 203, 204 i 205, okreslonym równaniami (4), (5) i (8). 25 V] BE202 VbE203 + VBE204 — kT V] BE205 ~~ (9) — (VBe:04 — — (VBE204 + q kT ¦ In m) + VBE204 — In m) 'BE204 — kT — 2 35 vB q kT f BE204 In m; In m2 (10) ,Jak widac z równania (2), tranzystor 202 musi miec prad kolektora —Iwy równy pradowi tran¬ zystora majacego to samo VBe co tranzystor 204, ale posiadajacego efektywna powierzchnie zlacza baza-emiter m2 razy mniejsza niz tranzystor 204.To znaczy, ze gestosc pradu w zlaczu baza-emiter tranzystora 202 jest tylko l/m2 razy taka, jak w zlaczu baza-emiter tranzystora 204. Stad: 50 55 —Iwy — , m2 Poniewaz IWe równa sie sumie Ij = Iwe — I2 Podstawiajac równanie (3) do przeksztalcajac Ii Iwe — mlj =' (U) Ii i I2: (12) równania Iwe (12) (13) m+l Podstawiajac Ij z równania (13) do równania (11)- Iwe —Iwy (14) m2(m+l) Tranzystory 201 i 203 moga byc skonstruowane w postaci polaczonych równolegle m tranzystorów o tej samej geometrii co tranzystory 202, 204 i 205, jesli m jest dodatnia liczba calkowita. Tran¬ zystory 202, 204 i 205 moga byc skonstruowane z m polaczonych równolegle tranzystorów o geome-110 433 trii takiej samej jak tranzystory 201 i 203, jesli m równa sie jednosci podzielonej przez dodatnia liczbe calkowita. Analizowanie ukladu zastepcze¬ go zlozonego z tranzystorów o standardowej geo¬ metrii umozliwia porównywanie powierzchni ply¬ tek ukladów scalonych niezbednych do wykona¬ nia róznych wzmacniaczy majacych okreslone wzmocnienie pradowe.Ponizsza tabela porównuje wymagania na po¬ wierzchnie wzgledne dla wzmacniaczy pradowych o danym wzmocnieniu pradowym w ukladach znanym i 'pokazanym na fig. 1. Te wymagania powierzchniowe sa wyrazone w ilosci tranzysto¬ rów o standardowej geometrii lub tranzystorów „jednostkowych", wymaganych do uzyskania po¬ zadanego stosunku Iwy do IWe dla odpowiednich ukladów.Tabela Wymagania powierzchniowe dla wzmacniaczy pradowych ukladów scalonych: Wymagana ilosc tranzystorów jednostkowych Iwy/Iwe 1 T2lT 1 1 900 | 1 | 810 1 | 576 1 | 392 1 1 1 252 1 1 | 150 1 1 | 80 | 1 | 36 1 1 12 1 l 1 2 Wzmacniacz znany 1211 901 811 577 393 253 151 81 37 13 3 Wzmacniacz z fig. 1 | 25 23 21 19 17 15 13 11 9 7 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 96 nienie pradowe wzmacniacza w ukladzie wspól¬ nej bazy jest równe jednosci.Potencjal przesuniecia baza-emiter tranzystora 206 polaryzuje elektrode kolektora tranzystora 202 tak, ze jego napiecie kolektor-emitor jest zasad¬ niczo napieciem 1/VBe, podobnym do napiec na tranzystorach 201, 203, 204 i 205. Powoduje to, ze uklad 1;en zachowuje sie w sposób bardziej zbli¬ zony do uprzednio opisanych, teoretycznych zalez¬ nosci, gdyz male zmiany wzmocnienia pradowego pomiedzy tranzystorami, spowodowane róznymi potencjalami kolektor-emiter sa silnie zmniejsza¬ ne.Fig. 3 przedstawia wzmacniacz pradowy podob¬ ny do wzmacniacza z fig. 2 za wyjatkiem szere¬ gowego polaczenia, polaczonych diodowo n tran¬ zystorów 303-1 do 303-n, przy czym kazdy z nich ma efektywna powierzchnie zlacza baza-emiter podobna do tranzystora 201, a to szeregowe po¬ laczenie zastepuje polaczony diodowo tranzystor 203. Druga róznica jest polaczenie szeregowe n polaczonych diodowo tranzystorów 305-1 do 305-n, przy czym kazdy posiada równa efektywna po¬ wierzchnie baza-emiter, l/m razy taka, jak tran¬ zystor 201, a to szeregowe polaczenie zastepuje diodowo polaczony tranzystor 205. Rozwijajac tech¬ nike stosowana do analizy znanego wzmacniacza pradowego, wzmocnienie pradowe wzmacniacza pradowego pokazanego na fig. 3 moze byc wy¬ razone: Jak widac z tabeli, uklad z fig. 1 dostarcza malych pradów Iwy w porównaniu do pradu Iwe przy zasadniczo mniejszych wymaganiach powierz¬ chniowych, niz uklad znany, gdy' Iwy/Iwe jest znacznie mniejsze niz jednosc. Fig. 2 przedstawia, w jaki sposób tranzystor 206 moze byc wlaczony jako wzmacniacz w ukladzie wspólnej bazy dla pradu kolektora tranzystora 202, aby dostarczyc —Iwy takiego, jak jego prad kolektora. Wzmoc- Iwy (15) Iwe m2n(m +l) które dla n=l redukuje sie do równania (14). Dla ukladu, gdzie n=2, m=6, wartosc 1/9072 moze byc uzyskana dla Iwy/Iwe przy zastosowaniu tylko 22 tranzystorów jednostkowych.Dla ukladu, gdzie n=3, m=4, a Iwy/Iwe równa sie 1/20480, jest wymagane zastosowanie tylko 21 tranzystorów jednostkowych. Dla ukladu, gdzie n=4, m=3, Iwy/Iwe równe 1/26244 jest uzyskiwa¬ ne przy uzyciu tylko 21 tranzystorów jednostko¬ wych.Ogólnie ta struktura moze byc stosowana rów¬ niez do wzmacniaczy pradowych majacych wiek¬ sze Iwy niz IWe dzieki zastosowaniu tranzystorów 201, 202, 303-1 do 303-n o tej samej geometrii o- raz dzieki zastosowaniu tranzystorów 204 i 305-1 do 305-n o efektywnych powierzchniach zlacza baza-emiter m razy wiekszych. Taki wzmacniacz pradowy ma teoretycznie wzmocnienie: Iwy (16) Iwe (m+1) Zysk powierzchni w stosunku do konwencjo¬ nalnych wzmacniaczy pradowych nie jest tak du¬ zy, gdy wzmocnienie przekracza jednosc. Ponadto wplyw pradów bazy nie jest juz tak latwo pomi- jalny.W okreslonych sytuacjach moga byc korzystnie stosowane inne skale powierzchni zlacza baza-e¬ miter tranzystorów stosowanych we wzmocnia- czach pradowych pokazanych na fig. 1, 2 i 3 w(:. 9 konkretnych okolicznosciach. Polaczone diodowo tranzystory moga byc równiez zastapione innymi strukturami diod w ukladach scalonych. Slowo „dioda" w zastrzezeniach oznacza polaczony dio¬ dowo tranzystor, jak równiez inne mozliwe struk¬ tury diodowe.Zastrzezenia patentowe 1. Wzmacniacz pradowy, obejmujacy trzy kon¬ cówki wejsciowa, wyjsciowa i wspólna oraz trzy tranzystory, których parametry okreslaja wzmoc¬ nienie pradowe wzmacniacza, przy czym emitery tranzystorów dolaczone sa do koncówki wspólnej, bazy tranzystorów pierwszego i drugiego oraz ko¬ lektor pierwszego tranzystora sa ze soba zwarte i dolaczone do pierwszego wezla, kolektor drugie¬ go tranzystora i baza trzeciego tranzystora sa ze soba zwarte i dolaczone do drugiego wezla, a ko¬ lektor trzeciego tranzystora dolaczony jest do koncówki wyjsciowej wzmacniacza, pierwsze po¬ laczenie elektryczne laczace koncówke wejsciowa wzmacniacza z pierwszym wezlem, obejmujace n diod spolaryzowanych tak, ze przewodza razem z pierwszym tranzystorem czesc pradu wejscio¬ wego doprowadzonego na zacisk wejsciowy, oraz drugie polaczenie elektryczne laczace zacisk wej^- sciowy wzmacniacza z drugim wezlem, znamienny tym, ze drugie polaczenie elektryczne obejmuje n diod pólprzewodnikowych, spolaryzowanych tak, ze przewodza razem z drugim tranzystorem (201) zasadniczo cala pozostala czesc pradu wejsciowe- )433 10 go, przy czym n jest dodatnia liczba natural¬ na. 2. Wzmacniacz wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze kazda z 2n diod skladajacych sie na polacze- 3 nie elektryczne pierwsze i drugie jest polaczonym diodowo tranzystorem (303-1, 303-n, 305-1, 305-n), przy czym kazde ze zlacz baza-emiter w tranzy¬ storach (303-1, 303-n) skladajacych sie na pierw¬ sze polaczenie elektryczne i w drugim tranzysto- 10 rze (201) ma powierzchnie m razy wieksza niz kazde ze zlacz baza-emiter w tranzystorach pierw¬ szym (204) i trzecim (202) i w tranzystorach (305-1, 305-n) skladajacych sie na drugie polaczenie elek¬ tryczne, dla zapewnienia pradowego wzmocnienia 15 wzmacniacza miedzy koncówkami wejsciowa i wyjsciowa zasadniczo równego l/m2n(m +l), gdzie m jest stosunkiem powierzchni zlacza baza-emiter tranzystorów pierwszego polaczenia i drugiego tranzystora do powierzchni zlacza baza-emiter *o tranzystorów drugiego polaczenia i tranzystorów pierwszego i trzeciego a n jest dodatnia liczba naturalna, oznaczajaca liczbe diod o danej pola¬ ryzacji. 3. Wzmacniacz wedlug zastrz. 1 albo 2, zna- 25 mienny tym, ze zawiera tranzystor (206) w kon¬ figuracji wspólnej bazy, którego baza dolaczona jest do punktu drugiego polaczenia elektrycznego, który oddzielony jest od drugiego wezla jedna z diod pólprzewodnikowych (305-n) wchodzacych w so sklad tego polaczenia elektrycznego, a emiter i kolektor dolaczone sa dó, odpowiednio, kolektora trzeciego tranzystora (202) i zacisku wyjsciowego wzmacniacza.110 433 M V03 jn 205 L_K?w Liw '1 *f /#./ M \he EL \jr£03 \j£?05 4? ¦Im m \-r201 Liw l_K//?? Fig. 2 ^202 Im ^3031 \ KW5:1 \V<303n\ WY o LKM/jLK M Liw Liw Liw fig. 3 DN-3, zam. 95/81 Cena 45 zl PL