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DE1903913B2 - Breitband-verstaerkerschaltung - Google Patents

Breitband-verstaerkerschaltung

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Publication number
DE1903913B2
DE1903913B2 DE19691903913 DE1903913A DE1903913B2 DE 1903913 B2 DE1903913 B2 DE 1903913B2 DE 19691903913 DE19691903913 DE 19691903913 DE 1903913 A DE1903913 A DE 1903913A DE 1903913 B2 DE1903913 B2 DE 1903913B2
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DE
Germany
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transistors
input
transistor
base
differential amplifier
Prior art date
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DE19691903913
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English (en)
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DE1903913C3 (de
DE1903913A1 (de
Inventor
Barrie Portland Oreg. Gilbert (V.St.A.)
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Tektronix Inc
Original Assignee
Tektronix Inc
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Publication date
Application filed by Tektronix Inc filed Critical Tektronix Inc
Publication of DE1903913A1 publication Critical patent/DE1903913A1/de
Publication of DE1903913B2 publication Critical patent/DE1903913B2/de
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Publication of DE1903913C3 publication Critical patent/DE1903913C3/de
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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
Damit ist
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)

19 03 Patentansprüche:
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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