DE1903913B2 - Breitband-verstaerkerschaltung - Google Patents
Breitband-verstaerkerschaltungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Breiiband-Verjtärkerschaltung
mit einem zwei emiuergekoppelte Transistoren enthaltenden Differenzverstärker zur
linearen Verstärkung zweier gegenpnasig zueinander verlaufender elektrischer Eingangssignale, die mit den
Transistoren des Differenzverstärkers verbundenen Eingangstransistoren zugeführt werden und auf deren
Auftreten hin von den Kollektoren der Transistoren des Differenzverstärkers Ausgangssignale abnehmbar sind.
Eine der Verstärkerschaltung der vorstehend bezeichneten
Art entsprechende Verstärkerschaltung ist bereits bekannt (US-PS 32 62 066). Diese bekannte
Verstärkerschaltung erlaubt jedoch nicht eine lineare Verstärkung der Eingangssignale bei unterschiedlichen
Signalamplituden vorzunehmen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu zeigen, wie bei einer Breitband-Verstärkerschal'.ung
der eingangs genannten Art eine lineare Verstärkung der Eingangssignale auf einfache Weise erzielt werden
kann.
Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe bei einer Breitband-Verstärkerschaltung der eingangs genannten
Art erfindungsgemäß dadurch, daß als Eingangstransistoren Transistoren mit Kennlinien verwendet
sind, die mit den Kennlinien der Transistoren des Differenzverstärkers zumindest weitgehend übereinstimmen,
und daß jeder Eingangstransistor mit seiner Basis-Emitter-Strecke für die der Basis seines zugehörigen
Transistors des Differenzverstärkers direkt zugefünrten Eingangssignale in Durchlaßrichtung gepolt und
entweder mit seiner Basis oder mit seinem Emitter mit der Basis seines zugehörigen Transistors des Differenzverstärkers
verbunden ist. Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, daß auf relativ einfache Weise eine
lineare Verstärkung der Eingangssignal erzielt ist. Außerdem bringt die Erfindung den Vorteil nit sich, daß
ein relativ hohes Verstärkungs-Bandbreite-Produkt erreicht ist. Überdies bringt die Erfindung den Vorteil
mit sich, daß eine weilgehende Temperaturunabhängigkeit erzielt ist. Schließlich ermöglicht die Erfindung in
vorteilhafter Weise eine einfache Anwendung von Integrationstechniken zu ihrer Ausführung.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung liegt jeder der Eingangstransistoren -■ bei
Verbindung seiner Basis mit der Basis eines Eingangstransistors des Diffcrenz.vcrstärkers mit seinem l-'mitter
und bei Verbindung seines Emitters mit der Basis eines Transistors des Differenzverstärkers — mit seiner BaMs
auf einem insbesondere durch Massepotential gegebenen festen Potential. Hierdurch ergibt sich der Vorteil
relativ einfacher Verbindungsmöglichkeiten zwischen den betreffenden Transistoren.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung sind der Kollektor und die Basis jedes
Eingangstransistors miteinander verbunden. Hierdurch sind in vorteilhafter Weise besonders einfach die
erforderlichen pn-Übergänge in Form von Basis-Emitter-Strecken von Transistoren gebildet.
Von Vorteil bei der zuietzt betrachteten zweckmäßigen
Ausgestaltung der Erfindung ist es gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung, wenn — bei in
einer Mehrzahl vorgesehenen Differenzverstärkern, deren Transistoren mit ihren Basen jeweils mit dem
Emitter eines zugehörigen Eingangstransistors verbunden sind — die Basen der Transistoren eines
Differenzverstärkers impedanzfrei mit den Kollektoren der Transistoren eines anderen Differenzverstärkers
verbunden sind, dessen Transistoren mit ihren Basen — gegebenenfalls über die Basis-Kollektor-Strecke mindestens
eines weiteren Differenzverstärkers oder direkt — mit den Eingangssignalen beaufschlagt sind, und
wenn die Kollektoren der Eingangstransistoren mit Ausgangsanschlüssen verbunden sind. Hierdurch ergibt
sich in vorteilhafter Weise eine einen besonders hohen
Verstärkungsfaktor besitzende, linear verstärkte Verstärkerschaltung.
Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die vorstehend bezeichneten Ausgestaltungen
sowie unter Bezugnahme auf weitere Ausgestaltungen näher erläutert.
F i g. 1 zeigt einen Differenzverstärker zur Erläuterung der Erfindung.
F i g. 2 zeigt eine erste Ausführungsform einer Breitband-Verslärkerschaliung gemäß der Erfindung.
F i g. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Breitband-Verstärkerschaltung gemäß der Erfindung.
F i g. 4 zeigt in einem Kurvendiagramm die lineare Empfindlichkeitskurvc einer Breitband-Verstärkerschaltung
gemäß der Erfindung im Vergleich zu einer bekannten Verstärkerschaltung.
F i g. 5 zeigt eine dritte, bevorzugte Ausführungsform einer Bre tband-Verstärkerschaltung gemäß der Erfindung.
F i g. 6 zeigt den Verlauf des von einer Breitband-Verstärkerschaltung
gemäß der Erfindung bei sich ändernder Verstärkung abgegebenen Ausgangswechselsiromes.
F i g. 7 zeigt eine Kaskadenschaltung von Breitband-Verstärkerschaltungen
gemäß der Erfindung.
F i g. 8 zeigt eine Einsatzmöglichkeit der in F i g. 7
dargestellten Kaskadenschaltung von Breitband-Verstärkerschaltungen
gemäß der Erfindung.
F i g. 9 zeigt als Vierquadrantcn-Multiplikationsschaltung
verwendbare Breitband-Verstärkerschaltungen gemäß der Erfindung.
Fig. 10 zeigt eine Weiterbildung der Breitband-Verstärkerschaltung
gemäß der Erfindung, bei der die Verstärkung nahezu unabhängig ist von Speisestromänderungen.
Fig. 11 zeigt eine weitere Ausführungsform einer
ßreitband-Verstärkeischaltung gemäß der Erfindung,
die als Vierquadranten-Multiplikationsschaltung verwendbar ist.
Fig. 12 zeigt den Verlauf des Ausgangswechselstronies
der Schaltungsanordnung gemäß F" i g. 9.
Fig. 13 zeigt eine weitere Ausführungsform eines aiii
Breitband-Verstärkcrschaltungen gemäß der Erfindung aufgebauten Kaskadenverstärkers.
F i g. 1 zeigt einen Differenzverstärker bzw. eine
Differcnzverslärkerschallung. der bzw. die zum 7.\\ eckt
der Erläuterung der erfindungsgemäßen Breitband-Verstärkerschaltung
zunächst betrachtet werden soll. Die in F i g. 1 gezeigte Differenzverstärkerschaltung weist
zwei Steuereinrichtungen in Form von Transistoren 10, 12 auf, die mit ihren Emittern an einem gemeinsamen
Schaltungspunkt 14 verbunden sind. Der als Steuerelektrode dienenden Basis des Transistors 10 wird eine
Eingangsspannung ν zugeführt; der Basis des Transistors 12 kann eine zur Eingangsspannung ν komplementäre
Eingangsspannung zugeführt werden. Die Basis des Transistors 12 kann aber auch, wie dies durch eine
gestrichelte Linie 16 angedeutet ist, geerdet sein. Dem Schaltungspunkt 14 wird ein Strom /(. zugeführt. Am
Ausgang bzw. an den Kollektoren der Transistoren 10 und 12 treten Ausgangsströme /ci bzw. Ic2 auf. Die
betreffenden Ausgangsströme sind bei geerdeter Basis des Transistors 12 durch folgende Beziehung gegeben:
pi»/kl
I . 1
1 + e'1 ''*'
Hierin bedeutet q die Ladung auf einem Elektron, t ist
die absolute Temperatur, und k ist die Boltzmann-Konstante.
Die in Fig. 1 gezeigte Schaltungsanordnung gibt somit einen gesteuerten Differenz-Ausgangsstrom ab.
wobei jedoch die durch die Schaltung gemäß F i g. 1 hervorgerufene Steuerfunktion nichtlinear und sehr
temperaturempfindlich ist.
Im folgenden sei die in F i g. 2 dargestellte Schaltungsanordnung — nachstehend wie jede der übrigen
Schaltungsanordnungen nur kurz als Schaltung bezeichnet — näher betrachtet. Diese Schaltungsanordnung
bzw. Schaltung enthält ebenfalls in einer Differenzverstärkerschaltung angeordnete Steuerelemente in Form
von Transistoren 10, 12 deren gemeinsame Eingangsklemmen an dem Schaltungspunkt 14 miteinander
verbunden sind. Dem gemeinsamen Schaltungspunkt 14 wird auch hier ein Strom Ie zugeführt. Gegenüber der
Schaltungsanordnung nach F i g. 1 weist die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 ein erstes, einen Transistor 18
enthaltendes Eingangselemcnt — also einen Eingangstransistor
— auf, das bzw. der an der Steuerklemme oder Basis des Transistors 10 angeschlossen ist. Der
Kollektor und die Basis des Transistors 18 sind gemeinsam an der Basis des Transistors 10 angeschlossen.
Der Emitter des Transistors 18 ist geerdet Der Eingangstransistor 18 ist damit so geschaltet, daß er
einen pn-übergang darstellt Dieser pn-übergang ist durch die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 18
gebildet; er liegt im wesentlichen parallel zu dem Eingang des Transistors 10. Wie weiter unten noch
näher erläutert werden wird, arbeitet der Eingangstransistor
18 entsprechend einer logarithmischen Kennlinie, wodurch die Linearität der Verstärkerschaltung gemäß
der Erfindung merklich verbessert wird. Die logarithmische Kennlinie wird noch durch die Rückkopplungsverbindung
verbessert bei der der Kollektor des Transistors 18 mit dessen Basis verbunden ist.
Ein zweites, einen Transistor 20 enthaltendes Eingangselement ist in entsprechender Weise an der
Steuerklemme oder Basis des Transistors 12 angeschlossen. Den Basen der Transistoren 18 und 20
werden geeignete Eingangsströme xlc und (1 —x)ln
zugeführt Die Eingangsströme sind komplementäre Ströme; der Wert χ iindert sich zwischen 0 und 1. Der
Wert χ ist somit die eigentliche veränderliche Eingangsgröße der Stufe; er kann als Modulationsgröße
des Stromes Io aufgefaßt werden, der zweckmäßigerweise
konstant ist. In Abweichung von dem betrachteten Fall kann die Basis des Transistors 12 auch geerdet
sein, und die Emitter der Transistoren 18 und 20 können an eine geeignete Stromquelle geführt sein. Durch eine
derartige Schaltungsform kann das einem Eingang
ίο zugeführte Eingangssignal in ein Differenz-Ausgangssignal
umgesetzt werden.
Nunmehr seien die Spannungen an der Basis-Emitter-Strecke der verschiedenen in Fig. 2 dargestellten
Transistoren unter der Annahme betrachtet, daß der Verstärkerschaltung Eingangsströme xlD und (\-x)h
zugeführt werden. Der Eingangsstrom xlo erzeugt zwischen der Basis des Transistors und Erde eine
Eingangsspannung Q. An der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 10 bildet sich dabei eine Spannung R aus.
Entsprechende Spannungen T und 5 treten an den Basis-Emitter-Strecken der Transistoren 20 und 12 auf.
Es dürfte einzusehen sein, daß die mit geringeren Transistor-Eingangsslrömen verknüpften Spannungsschwankungen sehr klein sind und z. B. in der
Größenordnung von wenigen Millivolt liegen. Diese Spannungen können durch folgende Beziehungen
ausgedrückt werden:
S =
lou
T = *ί
In den obigen Gleichungen haben die Größen k. t und
9 die oben angegebenen Bedeutungen: is bezeichnet die
_I5 Übergangszonen-Sätiigungsströme, die nahezu gleich
sind, wenn die Elemente 10, 12, 18 und 20 auf ein und demselben planaren monolithischen integrierten Schallungsgebilde
realisiert sind. Ferner besteht zwischen den Spannungsabfällen von Erde nach Erde folgende
Beziehung: Q-R = T-S. Damit ist
log
oder
und
und
Damit ist
oder
oder
xJrfJ.-J,)
*JnJ, = Λ [(I-X)JnH-XJn].
Hieraus ergibt sich A = \lc
Damit ist der am Ausgang oder Kollektor des
Transistors 10 auftretende Strom gleich dem Eingangswert ν multipliziert mit dem Wert des gemeinsamer.
Emitierstroms /,. Der Ausgangsstrom ist damit nahezu
unabhängig vom Wert des Stroms hund temperaturunabhängig. Die Schaltung besitzt eine lineare Verstärkung,
dergemäß das am Kollektor des Transistors 10 auftretende Ausgangssignal linear von der Größe ν
abhängt und gegenüber dieser Größe verstärkt ist. Das am Kollektor des Transistors 12 auftretende komplementäre
Ausgangssignal ist gleich (1 - x)lo Die Schaltung
zeichnet sich durch eine Unkompliziertheit aus. und ihre lineare Stromverstärkung wird erzielt, ohne
daß komplizierte Rückkopplungsverfahren angewendet werden.
Bei der obigen mathematischen Betrachtung ist angenommen worden, daß der Strom h klein ist oder in
derselben Größenordnung liegt wie der Strom /,, Normalerweise ist der Strom h kleiner als der Strom L-Bei
der obigen Untersuchung ist ferner angenommen worden, daß die verwendeten Transistoren ziemlich
hohe Stromverstärkungsfaktoren besitzen und daß
kt
ist. Darüber hinaus sollten die Transistoren niedrige Bahnwiderstände in der jeweiligen Basis-Emitter-Strekke
besitzen. Die Verstärkung der Stufe ist. was die
Eingangsgröße .v betrifft, gleich -£ . Als Ausgangssignal
wird dabei ein Differenzstrom von den Ausgangsklemmen oder Kollektoren der Transistoren 10 und 12
abgenommen.
Fi g. 3 zeigt eine Schaltung gemäß der Erfindung, bei
der die Eingangsströme xId und (1 -x)h von negative komplementäre Ströme liefernden Stromquellen geliefert
werden. Diese Schaltungsform ist, wie weiter unten noch näher ersichtlich werden wird, relativ gut
brauchbar. Diejenigen bei der vorliegenden Ausführungsform vorgesehenen Elemente, die oben bereits
betrachteten Elementen entsprechen, sind mit Bezugszeichen bezeichnet, die bei den beireffenden Elementen
bereits benutzt worden sind. Die Kollektorströme sind (1 - x)Ic und Xl0. Wie bei der in F i g. 2 dargestellten
Schaltung ist lediglich das Verhältnis der Eingangsströ- me für die Bestimmung des Ausgangssignals von
Bedeutung.
F i g. 4 veranschaulicht die Übertragungskennlinie 22 einer spannungsgesteuerten Schaltung, wie sie in F i g. 1
dargestellt ist, und eine Übertragungskennlinie 24 einer modifizierten, stromgesteuerten Schaltung, wie sie z. B.
ki F i g. 3 dargestellt ist. Das betreffende Diagramm ist
durch einen Os/illugräfen dargestellt worder., wobei die
verbesserte Linearität relativ auffällig ist.
F i g. 5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung, die sich durch eine
erhöhte Verstärkung auszeichnet. Bei dieser Schaltung sind die Eingangstransistoren mit 18' und 20' bezeichnet.
Diese Transistoren sind so geschaltet, daß sie den Verstärker-Ausgangsströmen Eingangsströme xh und
(1 - x)h hinzufügen. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Kollektor des Transistors 18' nicht mit der
geerdeten Basis dieses Transistors verbunden, sondern vielmehr mit der Ausgangsklemme bzw. mit dem
Kollektor des Transistors 12'. In entsprechender Weise ist der Kollektor des Transistors 20' mit dem Kollektor
Hm Transistors 10' verbunden. Die Eingangsströme
werden auf diese Weise mit den Aiisjjangsströmen in
additiver Phasenbeziehung kombiniert. Dadurch treten an den Ausgangsklemmen 26 und 28 Ausgangsströme
y(7d+/.·) und (1 -\)(Id+K)
auf. Auf diese Weise wird bei der Schaltung eine zusätzliche Verstärkung erzieh. Dadurch beträgt die
Stromverstärkung der Schaltung sogar bei /c = 0 noch etwa 1. Rir einen endlichen Wert I0 wird die
,ο Verstärkung (1 - Uli))- Dieser Wert stimmt für ziemlich
kleiner Verhältnisse von Ic zu h F i g. 6 veranschaulicht
den Verlauf des zwischen den Klemmen 26 und 28 auftretenden Ausgangswcchselstromes bei einer Änderung
der Schaltungsverstärkung von 1 : 4. Dies bedeutet is eine Änderung des Wertes von /^/Dvon0auf 3.
Bei der in Fig. 5 dargestellten Schaltung besteht ebenso wie bei den zuvor betrachteten Schaltungen der
Wunsch, daß die Stufenverslärkung ziemlich klein gehalten wird, da mit Größerwerden des Verhältnisses
IiJIp die Auswirkungen des Stromverstärkungsfaktors
der Transistoren ausgeprägter sind und der Wunsch besteht, den Betrieb unter Verhältnissen zu führen, die
nahezu unabhängig von dem Verstärkungsfaktor sind. Darüber hinaus sind bei kleinen Verhältnissen von I1JIn
die Auswirkungen des Bahnwiderstandes gering. Deshalb ist die zusätzliche Verstärkung, die durch die
Hinzufügung der Eingangsströme zu den Ausgangsströmen erzielt wird, von einiger Bedeutung.
Die Verstärkerschaltungen gemäß der Erfindung sind τ,ο in vorteilhafter Weise derart hintereinander geschaltet,
daß die Ausgangsströme einer Stufe die Eingangsströme für die nächste Stufe bilden. Insbesondere wird die in
F i g. 5 dargestellte bevorzugte Schaltung in vorteilhafter Weise hintereinandergeschaltet. wie dies in F i g. 7
_is gezeigt ist. Während gemäß F i g. 7 verschiedene
Speisespannungen benutzt werden, ist pro Stufe eine sehr kleine Speisespannungsdifferenz erforderlich. Bei
einer ausgeführten Schaltung betrug die Spannungsdifferenz lediglich 36 mV der Spannungsschwankung an
den Eingangspunkten, und zwar bei einer Änderung des Wertes χ von 0,2 bis 0,8. Demgemäß können die
erforderlichen Speisespannungsunterschiede klein sein; in Fig. 7 sind als Beispiele anzusehende Werte
angegeben.
4^ F i g. 7 zeigt einen typischen dreistufigen Verstärker,
bei dem den Elementen bei den zuvor betrachteten Schaltungen hier entsprechende Elemente mit entsprechenden Bezugszeichen versehen sind. Jede Stufe des
Verstärkers entspricht weitgehend der Schaltung gemäß Fig.5. Die Anstiegszeit bei einer tatsächlich
ausgeführten Schaltung betrug 0.6 Nanosekunden prc Stufe, und die Spitzenamplitude der Ausgangsstrom
schwingung betrug an den End-Strom-Ausgängen 3( und 32 ± 100 mA.
Die Kaskadenschaltung gemäß Fig.7 ist ferne
zweckmäßigerweise mit Lastwiderständen 34 und 3< versehen, die von den Anschlüssen 30 und 32 zu eine
positives Potential führenden Speisespannungskiemmi 38 hinführen. Dadurch kann an den Anschlüssen 30 um
32 eine Ausgangsspannungsschwingung auftreten. So fern erwünscht, können zwei (hier nicht gezeigte
Trenntransistoren zwischen den Lastwiderständen 3 und 36 und dem übrigen Teil der Schaltung vorgesehe
sein. So kann z. B. die Kollektor-Emitter-Strecke eine derartigen Transistors zwischen dem Widerstand 34 un
dem Anschluß 30 geschaltet sein, während di Kollektor-Emitter-Strecke des anderen derartige
Transistors zwischen dem Widerstand 36 und dei
Anschluß 32 geschaltet sein kann. Die Basen dieser
Transistoren wären dann an eine geeignete, eine positive Spannung abgebende Spannungsquellc angeschlossen,
die unter Zugrundelegung des Beispiels gemäß F i g. 7 eine Spannung von etwa 6 V abzugeben
halte.
Es dürfte einzusehen sein, daß in den Stufen der
Schaltung gemäß Fig. 7 keine Verbindungs- b/w. Kopplungselemente verwendet sind. Damit ist der
Kaskadenverstärker in vorbildlicher Weise für die Herstellung durch planare integrierte npn-Halbleiterschaltungen
betreffende Verfahren geeignet.
Selbstverständlich können auch pnp-Transistorelemente
od. dgl. benutzt werden. Da keine Verbindungselemente verwendet werden, sind die derartigen
Elemente in integrierten Schaltungen anhaftenden Nachteile vermieden. Da die in der Schaltung
auftretenden Spannungsschwingungen relativ klein sind, sind darüber hinaus auch Kapazitätsprobleme weitgehend
vermindert oder vermieden.
Die dem Verstärker gemäß F i g. 7 zugeführten Eingangsströme werden zweckmäßigerweisc von zwei
Transistoren 40 und 42 geliefert. Die Basis des Transistors 40 ist dabei an eine Schaltungseingangsklemme
44 angeschlossen, und die Elasis des Transistors 42 ist zweckmäßigerweise geerdet. Die Emitter der
Transistoren 40 und 42 sind über Widerslände 48 und 50 an eine gemeinsame Anschlußklemme 46 angeschlossen,
an welche eine einen Strom /ι abgebende erste Speisestromquelle angeschlossen ist. Die Widerstände
48 und 50 bewirken die Abgabe von komplementären Strömen an die Kollektoren der Transistoren 40 und 42
mit Auftreten einer Eingangsspannung an der Klemme 44. Die Verstärkung dieser Schaltung kann durch
entsprechende Steuerung des Stromes A und durch Steuerung des Verhältnisses der Speiseströme I», />
und /; in bezug auf den Strom I1 gesteuert werden.
Ein weiterer der in F i g. 7 dargestellten Kaskadenschaltung anhaftender Vorteil betrifft deren minimale
Verlustleistung. Die Ruhestrombedingungen sind automatisch erfüllt, da der Ruhestrom in jeder nachfolgenden
Stufe in genau demselben Verhältnis zunimmt wie die Signalschwingung. Dadurch tritt bei der Erzielung
einer bestimmten Ausgangsstromschwingung ein minimaler Leistungsverlust auf, und sämtliche Stufen
bewirken eine Begrenzung bei demselben Eingangspegel.
Darüber hinaus ist die an jeder Stufe liegende Spannung niedrig, weshalb die Schaltung bei verhältnismäßig
hohen Strompegeln betrieben werden kann, ohne daß Veriustprobleme mit in Kauf genommen werden
müssen. Darüber hinaus tritt bei dieser Schaltung eine Kollektorsättigung mit der diese begleitenden Überlastungs-Erholungszeit
nicht auf.
Bei der criindungbgeniäßeit Seiuiiiuiig kann ferner
zur Erzielung einer maximalen Bandbreite eine optimale Anzahl an Stufen in Reihe geschaltet werden,
und /war unter der Annahme, daß bei jeder Stufe ein einzelner Pol auf der reellen Achse berechnet werden
kann. Für geringe Verstärkungsfaktoren, d. h. bei 10- bis 50facher Stromverstärkung, kann die optimale Anzahl
bei drei bis fünf Stufen liegen. Bei der gewöhnlichen Schaltung braucht die optimale Anzahl an Stufen
aufgrund der untragbaren Kosten für »schnelle« Transistoren nicht benutzt zu werden. Hierunter kann
die Bandbreite leiden. Durch Verwendung der beschriebenen Schaltung, die durch Anwendung von integrierte
Schaltungen betreffenden Herstellungsverfahren hergestellt ist, brauch! ein derartiger nachteiliger Kompromiß
nicht geschlossen zu werden, da die Kosten zusatz.lii.her
Stufen bei einer in einer Form befindlichen Gesaniischallung
unbedeutend sind. Die Hauptkostcn crwachsen
vielmehr durch die Zusammenstellung.
Eine der in F i g. 7 gezeigten Schaltung entsprechende Schaltung ist in Fig. 13 dargestellt. Dabei sind den in
F i g. 7 vorgesehenen Elementen entsprechende Elemente mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet.
ίο Bei der in Fig. 13 dargestellten Schaltung ist die
Vielzahl von Zwischenspannungen führenden Spannungspunkten vermieden. Bevor auf die Schaltung
gemäß Fig. 13 näher eingegangen wird, sei zunächst nochmals kurz die Schaltung gemäß F i g. 7 betrachtet,
is Bei der Schaltung gemäß F i g. 7 arbeiten die Steuer·
transistoren 10' und 12' bei höheren Kollektorspannungen als die Eingangstransistoren 18' und 20'. und 'war
aufgrund ihrer Emitter-Basis-Spannungen. Die in
F i g. 13 dargestellte Schaltung nutzt diesen Spannungs- :o unterschied in vorteilhafter Weise aus. Die Kollektoren
der Eingangstransistoren 18" und 20" sind dabei »parallel« an die Anschlußklemmen 30 und 32
angeschlossen, und zwar entsprechend einer additiven Phasenbezichung anstatt in einer Reihenschaltung mit
dem nächsten Eingangstransistor. Im übrigen ist die in Fig. 13 dargestellte Schaltung weitgehend die gleiche
wie der entsprechend bezeichnete Schaltunüsieil gemäß
F i g. 7.
F i g. 8 zeigt eine Schaltung, die den Einfluß des yo Transistor-Verstärkungsfaktors im gesamten Bereich
der Verstärkung kompensiert. Obwohl dieser Einfluß insbesondere dann gering ist. wenn der Verstärkungsfaktor
groß ist und das obenerwähnte Stromverhähnis I1JIn klein ist, kann die Rückkopplungsschaltung gemäß
3s Fig. 8 dazu benutzt werden, den Einfluß des Verstärkungsfaktors
weitgehend zu beseitigen. Der i:i Fig.**
vorgesehene Schaltungsblock 52 enthält die Kaskadenverstärkerstufen
gemäß Fig. 7. Die Steuerschaltung 54 entspricht den in Fig. 7 vorgesehenen Transistoren 4C
und 42. Ein zwei in Reihe geschaltete Widerstände 5fr und 58 enthaltender Spannungsteiler ist zwischen die
Ausgangsanschlüsse 30 und 32 geschaltet. Der Verbindungspunkt 60 der Widerstände 56 und 58 gibt eine
Gleichtaktspannung ab, die verstärkungsfaktorabhän ^ gig ist. Es ist eine Eigenschaft des Verstärkers, daß die
Gleichtaktverstärkung im Verhältnis der Verstärkungsfaktorabhängigkeit der Differenzverstärkung verstär
kungsfaktorabhängig ist.
An der Anschlußklemme 60 ist ein Nullverstärker 6;
so angeschlossen, der über eine Verbindungsleitung 64 eii
Ausgangssignal abgibt, das dem Gleichtaktsignal pro portional ist. Die auf der Leitung 64 auftretendei
Signale werden den in dem Block 52 enthaltendei Kaskadenverstärkerstufen zugeführt, und zwar in
Sinne einer negativen Rückkopplung. Die Leitung fr
kann zur Ausführung einer negativen Rückkopplunj
z. B. in der Weise an die Verstärkerstufen herangeführ sein, daß der einer Anschlußklemme 14' zugeführt
Strom oder der Strom /, geändert wird (siehe F i g. 7)·
ho In F i g. 9 ist eine in einem Vierquadrant-Multipükato
verwendbare Schaltungsanordnung gemäß der Erfin
dung gezeigt. Diese Schaltungsanordnung weist z.wt
Breitband-Vcrstärkerschaltungen mit jeweils zwe
cmittergckoppelte Transistoren enthaltenden Diffe renzverstärkern auf. Zu dem einen Differenzverstärke
gehören die beiden Transistoren 72 und 74. und zu der anderen Differenzverstärker gehören die beiden Trans
stören 76 und 78. Die Transistoren 72 und 76 sind dabt
nil ihren Kollektoren über einen gemeinsamen
KoHeklorwiderstand 80 an einer Plusspannungsleilung
+ angeschlossen. In entsprechender Weise sind :1ic Kollektoren der beiden Transistoren 74 und 78 über
einen gemeinsamen Kollektorwiderstand 82 an der Plusspannungsleitung + angeschlossen. Die Kollektoren
der beiden Transistoren 72 und 76 sind mit einem Ausgang 84 verbunden; die Kollektoren der beiden
Transistoren 74 und 78 sind mit einem Ausgang 86 verbunden. Die Basen der beiden Transistoren 72 und 78
sind gemeinsam am Emitter eines Transistors 98 angeschlossen. Die Basen der anderen beiden Transistoren
74 und 76 der beiden Differenzverstärker sind gemeinsam an dem Emitter eines Transistors 96
angeschlossen. Die Basen der beiden Transistoren 96 und 98 sind geerdet. Die Kollektoren der beiden
Transistoren 96 und 98 liegen gemeinsam an einer Plusspannungsleitung +.
Die miteinander verbundenen Basen der Transistoren 72 und 78 der beiden Differenzverstärker sind ferner mit
dem Kollektor eines Transistors 90 verbunden. Die beiden miteinander verbundenen Basen der Transistoren
74 und 76 der beiden Differenzverstärker sind ferner mit dem Kollektor eines Transistors 88 verbunden. Die
beiden Transistoren 88 und 90 sind mit ihren Emittern über zwei Widerstände 92 bzw. 94 gemeinsam an einer
entsprechenden Spannungsquelle (TV-Rückstrom) angeschlossen. Der Basis des Transistors 88 wird ein
Eingangssignal N zugeführt. Der Basis des Transistors 90 wird hingegen eine Vorspannung zugeführt.
Die miteinander verbundenen Emitter der den einen Differenzverstärker bildenden Transistoren 72 und 74
sind mit dem Kollektor eines Transistors 66 verbunden; die miteinander verbundenen Emitter der einen
weiteren Differenzverstärker bildenden Transistoren 76, 78 sind mit dem Kollektor eines Transistors 68
verbunden. Die beiden Transistoren 66 und 68 sind mit ihren Emittern miteinander am Kollektor eines
weiteren Transistors 70 angeschlossen, der mit seinem
Emitter an einer entsprechenden Spannungsquelle liegt (M-Rückstrom). Die Basis des Transistors 70 führt ein
negatives Potential. Der Basis des erwähnten Transistors 66 ist ein Eingangssignal M zuführbar, und der
Basis des Transistors 68 ist eine Vorspannung zuführbar.
Bei der vorstehend erläuterten Schaltungsanordnung sind also mit den Basen der zu Differenzverstärkern
gehörenden Transistoren 72 und 74 bzw. 76 und 78 die Basis-Emitter-Strecken der als Eingangstransistoren zu
betrachtenden Transistoren 96 bzw. 98 verbunden, wobei diese Transistoren 96, 98 mit ihrer jeweiligen
Basis-Emitter-Strecke für die der Basis des jeweils zugehörigen Transistors 74, 76 bzw. 72, 78 der
erwähnten Differenzverstärker direkt zugeführten Eingangssignale in Durchlaßrichtung gepolt sind Die
Transistoren SS und 98 bewirken dabei eine Linearisierung
des Ausgangssignals in bezug auf das Eingangssignal N, wie dies in F i g. 12 angedeutet sein soll.
F i g. 10 zeigt eine Weiterbildung der Breitband-Verstärkerschaltung
gemäß der Erfindung. Diese Verstärkerschaltung erlaubt trotz möglicher Speisestromänderungen
eine genaue Verstärkung zu erzielen. Die betreffende Schaltung basiert auf der in Fig.2
dargestellten Schaltung. Dabei sind den in F i g. 2 vorgesehenen Schaltungselementen hier entsprechende
Schaltungselemente mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet. Einer Klemme 100 wird ein Eingangsstrom
a/i zugeführt, und einer Klemme 102 wird ein dazu
komplementärer Eingangsstrom (1 - \)h zugeführt Bei
dieser Schaltung sind die Emitter der Transistoren !8 und 20 miteinander verbunden. Damit fließt der Snom /,
durch den zu einer Diode geschalteten Transistor 104. der zum Zwecke der Spannungsabsenkung dient. Der
Strom I] fließt in entsprechender Weise durch den zu
einer Diode geschalteten Transistor 106 und durch den Widerstand 108 zu einer gemeinsamen Rückführklemme
ί Ϊ0 hin. An dem Verbindungspunkt zwischen dem Emitter des Transistors 104 und der Basis-Emitter-Strecke
des Transistors 106 ist die Basis eines Verstärkertransistors 112 angeschlossen. Der Emitter
des Transistors 112 ist über einen Widerstand 114 an der
gemeinsamen Rückführklemme 110 angeschlossen. Der Verstärkungsfaktor der den Transistor 112 umfassenden
is Schaltung ist mit A bezeichnet; er ist hier gleich dem
Verhältnis des Widerstandswertes des Widerstands 114
zu dem Widerstandswert des Widerstands 108. Damit fließt im Kollektorkreis des Transistors 112 ein Strom
/W1. Der Kollektor des Transistors 112 führt zu einem
Schaltungspunkt 14 hin. Damit ist der den Transistoren 10 und 12 zugeführte gemeinsame Strom gleich Ah. Vs
dürfte ersichtlich sein, daß damit die an den mit den Kollektoren der Transistoren 10 und 12 verbundenen
Klemmen 116 und 118 auftretenden Ausgangsströme
2s gleich AxU und A(\-x)h sind. Die Verstärkung der
Schaltung in bezug auf die Eingangsgröße ν ist gleich A-,
sie wird durch Änderungen des Speisestroms /, nicht beeinflußt.
Fig. 11 zeigt eine andere Weiterbildung der Breitband-Verstärkerschaltung
gemäß der Erfindung. Diese Schaltung ist in ähnlicher Weise aufgebaut wie die in
Fi g. 5 gezeigte Schaltung. Gemäß Fig. 11 sind zwei als
Differenzverstärker geschaltete Transistoren 120 und 122 vorgesehen. Diese Transistoren sind mit ihren
Emittern gemeinsam verbunden. Am Verbindungspunkt 124 der beiden Emitter fließt ein Strom /,.. Das
Differcnzausgangssignal dieses Differenzverstärkers ist zwischen den Klemmen 126 und 128 abnehmbar, an
weichen die Kollektoren der Transistoren 120 bzw. 122 angeschlossen sind. Zwei Eingangstransistoren 130 und
132 sind mit ihren Emittern an den Basisanschlüssen der Transistoren 120 und 122 angeschlossen. Die Basen der
Transistoren 130 und 132 sind geerdet An den Emittern der Transistoren 130 und 132 treten zueinander
4s komplementäre Eingangsströme xld und (\—x)lo auf.
Die soweit beschriebene Schaltung arbeitet in derselben Weise wie die in Fig.5 dargestellte Schaltung; sie gibt
in Abhängigkeit von komplementären Eingangsströmen linear verstärkte komplementäre Ausgangsströme ab.
Der Kollektorstrom des Transistors 120 ist gleich (1 - x)Ic und der Kollektorstrom des Transistors 122 ist
gleich xlc. ΐη der in F i g. 1! dargestellten Schaltung
werden jedoch die Eingangsströme x/pund (I — xj/oden
AuEgangsströmen hinzuaddiert, und zwar entsprechend
ss einer Phasenverschiebung von 180°. Der Kollektor des
Transistors 130 ist hierzu mit dem Kollektor des Transistors 12C verbunden, und der Kollektor des
Transistors 132 ist mit dem Kollektor des Transistor; 122 verbunden. Dies stellt im wesentlichen du
Umkehrung der Schaltungskonfiguration nach F i g. i dar.
Die Schaltung gemäß F i g. 11 läßt erkennen, daß ir
dem Fall, daß der Strom le gleich dem Strom Id ist, da;
zwischen den Klemmen 126 und 128 abnehmbar« Differenz-Ausgangssignal gleich Null (St. Das Ausgangs
signal wird jedoch größer, wenn der Strom Ic bezogei
auf den Wert des Stromes /oansteigt oder abnimmt. Di< Schaltung gemäß F i g. 11 kann zur Durchführung eine
Viei-quadrant-Multiplikationsbetriebs benutzt werden.
In diesem Fall muß das Ausgangssignal differentiell zwischen den Klemmen 126 und 128 abgenommen
werden.
Gemäß der Erfindung ist somit eine Breitband-Verstärkerschaltung
geschaffen, die sich durch eine lineare Verstärkung auszeichnet und bei der Spannungsschwingungen
vermieden sind. Das Verstärkungs-Bandbreite-Produkt der Verstärkerschaltung liegt in der Nähe des
Wertes frder Transistoren. Die betreffende Verstärkerschaltung
eignet sich zur Herstellung durch integrierte Schaltungen betreffende Herstellverfahren, da keine
Zwischenstufen-Kopplungselemente vorgesehen zu werden brauchen und integrierte Schaltungskapazitäten
kein Problem darstellen. Die Schaltung ist sehr stabil, und die Verstärkung der Schaltung kann, sofern
erwünscht, eingestellt und durch Ändern eines extern zugeführten Stromes festgelegt werden. Darüber hinaus
kann die Schaltung zur Durchführung einer Multiplikation herangezogen werden, wobei die eine der
miteinander zu multiplizierenden Größen durch einen derartigen zugeführten externen Strom gebildet ist. Die
Schaltung ist ferner unkompliziert und gegenüber Temperaturänderungen sehr unempfindlich.
Die Schaltung gemäß der Erfindung eignet sich ferner für Verfahren, die die Herstellung von planaren
integrierten Schaltungen betreffen. Praktisch wird durch diese Art der Herstellung der erfindungsgemäßen
Schaltung eine Anzahl von Vorteilen erzielt. So ist z. B.. wie oben ausgeführt, der Sättigungsstrom is für auf ein
und derselben Form befindliche Transistoren nahezu der gleiche. Darüber hinaus ist die Wärmekopplung sehr
eng, so daß die normalerweise benutzten Wärmeausgleichwiderstände vermieden sind und eine weitere
Quelle des Leistungsverlustes beseitigt ist. Die erfolgrei ehe Anordnung der in Reihe geschalteten Schaltungen
gemäß der Erfindung wird durch die Verwendung von
Transistoren mit niedrigen Kollektorsättigunjjsspannungen
unterstützt. Dies kann in Verbindung mi:
integrierten Schaltungsanordnungen der Fall sein.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (13)
1. Breitband-Verstärkerschaltung mit einem zwei emittergekoppelte Transistoren enthaltenden Differenzverstärker
zur linearen Verstärkung zweier gegenphasig zueinander verlaufender elektrischer
Eingangssignale, die mit den Transistoren des Differenzverstärkers verbundenen Eingangstransistoren
zugeführt werden und auf deren Auftreten hin von den Kollektoren der Transistoren des
Differenzverstärkers Ausgangssignale abnehmbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß als
Eingangstransistoren (18, 20; 18', 20', 18", 20"; 96, 98; 130,132) Transistoren mit Kennlinien verwendet
sind, die mit den Kennlinien der Transistoren (10,12; 10', 12', 10", 12"; 72, 74, 76, 78; 120, 122) des
Differenzverstärkers zumindest weitgehend übereinstimmen, und daß jeder Eingangstransistor (18,
10; 18', 20'; 18", 20"; 96, 98; 130, 132) mit seiner
Basis-Emitter-Strecke für die der Basis seines lugehörigen Transistors (10, 12; 10', 12', 10", 12";
72, 74, 76, 78; 120, 122) des Differenzverstärkets direkt zugeführten Eingangssignale in Durchlaßrichtung
gepolt und entweder mit seiner Basis oder mit feinem Emitter mit der Basis seines zugehörigen
Transistors (10, 12; 10', 12', 10", 12"; 72, 74, 76, 78; 120,122) des Differenzverstärkers verbunden ist.
2. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Eingangstransistoren
(18, 20; 18', 20'; 18", 20"; 96, 98; 130, 132) - bei Verbindung seiner Basis mit der Basis eines
Transistors (10,12) des Differenzverstärkers (F i g. 2) mit seinem Emitter und bei Verbindung seines
Emitters mit der Basis eines Transistors (10, 12; 10', 12'; 10", 12"; 72, 74, 76, 78; 120, 122) des
Differenzverstärkers (F i g. 3, F > g. 5, F i g. 7, F i g. 9,
Fig. 11. Fig. 13) — mit seiner Basis auf einem insbesondere durch Massepoiential gegebenen feiten
Potential liegt.
3. Verstärkerschaltung nach Anspruch I oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor und die
Basis jedes Eingangstransistors (18, 20) miteinander verbunden sind (F i g. 2, F i g. 3, Fi g. 10).
4. Verstärkerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei in einer Mehrzahl vorgesehenen
Differenzverstärker^ deren Transistoren (10", 12") mit ihren Basen jeweils mit dem Emitter
eines zugehörigen Eingangstransistors (18", 20") verbunden sind. — die Basen der Transistoren (10",
12") eines Differenzverstärkers impedanzfrei mit den Kollektoren der Transistoren (10", 12") eines
linderen Differenzverstärkers verbunden sind, destcn
Transistoren (10", 12") mit ihren Basen — gegebenenfalls über die Basis-Kollektorstrecke
mindestens eines weitere;. Differenzverstärkers ©der direkt — mit den Eingangssignalen beauflchlagt
sind, und daß die Kollektoren der Eingangs-Iransistoren
(18", 20") mit Ausganesansehlüsscn (30,
32) verbunden sind (F i g. 1 i).
5. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß bei mit den Basen der
Transistoren (120, 122) des Differenzverstärkers verbundenen Emittern der Eingangstransistoren
(130, 132) der Kollektor jedes Eingangstransistors (130, 132) mit dem Kollektor desjenigen Transistors
(120, 122) des Differcnzvei'slärkers verbunden ist,
mit dessen Basis er verbunden ist (F i p. 11).
30
40
4s
.so
55
6. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei mit den Basen der
Transistoren (10', 12') des Differenzverstärkers verbundenen Emittern der Eingangstransistoren
(18', 20') der Kollektor jedes Eingangstransistors (18', 20') mit dem Kollektor jeweils desjenigen
Transistors (10', 12') des Differenzverstärkers verbunden ist, mit dessen Basis der jeweils andere
Eingangstransistor (20' bzw. 18') verbunden ist (Fig.5,Fig.7).
7. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei in einer Mehrzahl
vorgesehenen Differenzverstärkern mit jeweils zugehörigen Eingangstransistoren (18", 20") die
Basen der Transistoren (10", 12") eines Differenzverstärkers mit den Kollektoren der Transistoren
(10", 12") eines anderen Differenzverstärkers verbunden sind, der gegebenenfalls mit noch
weiteren Differenzverstärkern auf dieselbe Weise verbunden ist, und daß den Basen der Transistoren
(10", 12") des letzten der derart in Reihe geschalteten Differenzverstärker die elektrischen
Eingangssignal zuführbar sind (F i g. 13).
8. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß neben einem erster,
Differenzverstärker (72, 74) mit zugehörigen Em gangst.-ansistoren (96, 98) ein zweiter Differenzverstärker
(76,78) mit emittergekoppelten Transistoren (76, 78) vorgesehen ist und daß jeder Transistor (76,
78) des zweiten Differenzverstärkers mit seiner Basis mit der Basis jeweils eines der Transistoren
(72, 74) des ersten Differenzverstärkers verbunden ist (F ig. 9).
9. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis und der Kollektor
eines jeden Eingangstransistors (18,20) mit der Basis des ihm zugeordneten Transistors (10, 12) des
Differenzverstärkers verbunden sind und daß die Emitter der Eingangstransistoren (18, 20) miteinander
verbunden und an eine Verstärkerschaltung (104,106,108,112,114) angeschlossen sind.
10. Verstärkerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
Transistoren (10, 12; 10', 12'; 120, 122) eines Differenzverstärkers und seine zugehörigen Eingangstransistoren
(18, 20; 18', 20'; 130, 132) auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat integriert
sind.
11. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet
durch die Kaskadenschaltung mehrerer mit ihren Basen mit den Emittern der zugehörigen
Eingangstransistoren (18', 20') und mit ihren Kollektoren mit den Kollektoren der jeweils
anderen Eingangstransistoren (20', 18') verbundenen Diflerenzverstärkertransistoren (10', 12'), derart,
daß die Basen der Transistoren (10', 12') des Differenzverstärkers jeder Stufe mit den Kollektoren
der Eingangstransistoren (18', 20') einer vorangehenden Stufe verbunden sind, mit Ausnahme
der ersten Stufe, bei der den Basen der Transistoren
(10', 12') des Differenzverstärker die Eingangssi giiiile zugeführt sind.
12. Verstärkerschaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Basen der Differcn/.-vcrstärkerlransistoren
(10', 12') der ersten Stufe der Kaskadenschaltung an den Köllckioren zweier
weiterer Transistoren (40, 42) angeschlossen sind, deren Emitter über Widerstände (48, 50) an einer
gemeinsamen Stromquelle (11) angeschlossen sind,
daß die Basis des einen Transistors (42) der beiden weiteren Transistoren (40, 42) geerdet ist und daß
der Basis des anderen Transistors (40) der beiden weiteren Transistoren (40, 42) die Eingangssignale
zugeführt sind.
13. Verstärkerschaltung na^-h Anspruch 11 oder
12, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangstransistoren
(18', 20') und die Differenzverstärkenransistoren (10', 12') jeder Stufe der Kaskadenschaltung
ledig'ich über Verbindungsleitungen miteinander verbunden sind.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) |