DE2337138B2

DE2337138B2 - Verstaerkerschaltung

Info

Publication number: DE2337138B2
Application number: DE19732337138
Authority: DE
Inventors: Yoshio Tokio; Hongu Masayuki Komae Tokio; Okada Takashi Yamato Kanagawa; Ishigaki (Japan) früherDPK21a2 18-O8
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1972-07-22
Filing date: 1973-07-20
Publication date: 1976-08-05
Also published as: NL181065B; SE406253B; JPS4932570A; JPS4932566A; GB1400133A; JPS4932565A; JPS5620722B2; FR2194079B1; NL7310252A; NL181065C; FR2194079A1; JPS5620723B2; US4021749A; CA1006589A; AU476772B2; AU5839373A; DE2337138A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Signalverstärkerschaltung nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1 mit stabilisierter Verstärkung, die sich insbesondere in integrierter Halbleitertechnik herstellen läßt.

Bei der in F i g. 1 dargestellten herkömmlichen Verstärkerschaltung ist eine Eingangssignaiquelie 1 über einen Widerstand 3 an die Basis eines Transistors 2 angeschlossen. Der Kollektor des Transistors 2 ist seinerseits einmal mit einer Signalausgangsklemme 4 und zum anderen über einen Lastwiderstand 5 mit einer Spannungsquelle + V^ verbunden, während sein Emitter am Bezugspotential, z. B. auf Masse liegt. Die Basis ist ebenfalls an die Bezugsspannungsquelle angeschlossen, z. B. über einen als Diode geschalteten Transistor 6, dessen Basis und Kollektor miteinander verbunden sind.

Bei einer derartigen Verstärkerschaltung ist der über den Transistor 6 fließende Eingangsstrom /_in praktisch gleich dem über den Lastwiderstand 5 fließenden Ausgangsstrom /out. da die Basis-Emitter-Spannung V_bei des als Diode geschalteten Transistors 6 praktisch gleich der Basis-Emitter-Spannung V^₂ des Transistors 2 ist. Für den Strom verstärkungsgrad β gilt daher:

β = 'oul/ 'in = 1 ·

Bildet diese Schaltung jedoch einen Teil einer in Massenfertigung herzustellenden integrierten Schal-

tong, so zeigt sich der Nachteil, daß der Stromverstärlaingsgrad β in Abhängigkeit von veränderlichen Größen der integrierten Schaltung weiten Schwankun gen unterliegt Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Basis-Emitter-Spannung Vbc in Abhängigkeit von der Emitter-Stromkennlinie des Transistors 2 nicht genau derjenigen des Transistors 6 entspricht

Der Erfindung liegt damit die Auigabe zugrunde, eine Signalverstärkerschaltung zu schaffen, weiche die genannten Nachteile nicht aufweist, die sich also insbesondere in eine größere integrierte Schaltung einbeziehen läßt und dann stabilisierte Verstärkungseigenschaften aufweist, so daß sie sich in vorteilhafterweise als Verstärkungsgrad-Steuerschaltung eignet

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Schaltungsmaßnahmen, deren vorteilhafte Weiterbildungen in den Unteransprü chen gekennzeichnet sind

Im folgenden sind bevorzugte AusführuRgsfonncn der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild der bereits erläuterten bekannten Signalverstärkerschaltung,

Fi g. 2 ein Schaltbild einer Signalverstärkerschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, 2

F i g. 3 und 4 Schaltbilder weiterer Signalverstärkerschaltungen mit Merkmalen nach der Erfindung und

Fig.5 bis 8 Schaltbilder einer Verstärkungsgrad-Steuerschaltung unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Signalverstärkerschaltung.

Gemäß F i g. 2, in welcher die den in Verbindung mit F i g. 1 beschriebenen Teilen entsprechenden Teile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind, weist die dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Signalverstärkerschaltung weiterhin einen sog. Kornpensationstransistor 7 sowie diesem zugeordnete Vorspanndioden 8 und 9 auf. Dabei ist der Kollektor des Transistors 2 über die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 7 an den Lastwiderstand 5 angeschlossen. Die Basis des Transistors 7 ist einmal über die als Dioden geschalteten Transistoren 8 und 9 mit dem Bezugspotential und zum anderen über einen Widerstand 10 mit der Spannungsquelle + V_x verbunden. Hierdurch wird die Basis des Transistors 7 mit einer solchen Vorspannung gespeist, daß die Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors 2 praktisch der Vorwärtsbzw. Durchlaßspannung des Diodenelements entspricht. Dabei ist das Basispotential des Transistors 2 demjenigen des Transistors 6 gleich, während die Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors 2 ebenfalls praktisch der Basis-Emitter-Spannung V^₁ des Transistors 6 gleich ist, so daß die Basis-Emitter-Sparnung V_be am Transistor 7 genau in Abhängigkeit vom Emitterstrom /_f der Transistoren 2 und 6 festgelegt ist.

Der über den Transistor 6 fließende Eingangsstrom /,„ entspricht damit ebenfalls genau dem über die Transistoren 2 und 7 und den Lastwiderstand 5 fließenden Ausgangsstrom /„_Ut. so daß der Stromverstärkungsgrad β dieser Schaltung gleich 1 (ß = 1) ist, und zwar unabhängig von den individuellen Transistor- f>o eigenschaften.

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher ein als Diode geschalteter Transistor 6 als gemeinsame Vorspanndiode für die Transistoren 2 und 7 dient. Hierdurch wird die Zahl der erforderlichen Transistorelemente verringert, während die Wirkungsweise ansonsten derjenigen der Schaltung gemäß F ie. 2 entspricht. Bei dieser Ausführungsform dient ein Transistor 11 als Impedanzwandler zur Umwandlung der Eirtgangssignalqueile 1 in eine Stromquelle.

F i g. 4 zeigt eine weiter abgewandelte Ausführungsform, bei welcher die Verstärkungsgrad-Steuerschfcitung mit erfindungsgemäßen Merkmalen mit pnp-Traniistoren verwirklicht ist Im übrigen entspricht diese Anordnung hinsichtlich ihrer Wirkungsweise und Vorteile vollständig der Schaltung gemäß F i g. 2 bzw. 3.

In Fig.5 ist eine Ausführungsform einer Verstär kungsgrad-Steuerschaltung dargestellt, bei der eine erfindungsgemäße Signalverstärkerschaltung verwendet ist und welche in Verbindung mit dem als Diode geschalteten Transistor 6 gemäß Fig.2 weiterhin Widerstände 12 und 12* sowie eine Steuer-Gleichspannungsquelle 13 aufweist Dabei ist der Widerstand 12 zwischen den Kollektor und die Basis des Transistors 6 geschaltet, während die Steuer-Gleichspannung 13 über den Widerstand 12" an die Basis dieses Transistors angeschlossen ist Bei einer derartigen Schaltung variiert der gesamte Stromverstärkungsgrad β in Abhängigkeit von der Größe der Steuer-Gleichspannung 13.

Im folgenden sei zunächst angenommen, daß die Steuer-Gleichspannung 13 ein Gleichspannungspotential von null Volt abgibt, so daß praktisch der gesamte Eingangsstrom I_m über den Transistor 6 fließt Das Verhältnis zwischen der Spannung V^i über der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 6 und dem Eingangsstrom I_m läßt sich dann durch folgende Gleichung ausdrücken:

/,„ = /_sexp

eV_hl

kT

(1)

in welcher k die Bolzmann-Konstante, T die Absoluttemperatur in Grad Kelvin, e die Ladung eines Elektrons und I_s den Sättigungsstrom des Transistors bedeuten.

Auf ähnliche Weise gilt für den über den Transistor 2 fließenden Ausgangsstrom /_οι» die folgende Gleichung:

/oul =

eV,

bei

KT

Da die Steuer-Gleichspannung 13 null Volt beträgt ergibt sich — unter Vernachlässigung des kleinen Basisstroms der Transistoren 2 und 6 — die Beziehung:

Wird als nächstes angenommen, daß die Steuer Gleichspannungsquelle 13 eine positive Gieichspannunj liefert, so entsteht ein entsprechender Stromfluß übe die Widerstände 12 und 12', und zwar in solche Richtung, daß der Transistor 6 weiter öffnet. Dann laß sich die Basis-Emitter-Spannung Vta des Transistors : durch die Gleichung

V.., = F.., - RJ_n (3)

ausdrücken, in welcher Rp den Widerstands 12 darstellt.

Widerstandswert de

Bei Einfügung der Gleichung (3) in die Gleichung (2) ergibt sich der Ausgangsstrom /_out zu

- / exp

Damit läßt sich der Stromverstärkungsgrad wie folgt definieren:

ß =

exp (eR₈ ·/„/„·)

Dies bedeutet, daß der Stromverstärkungsgrad β mit stabilisierter Verstärkungskennlinie durch Änderung des Stroms /* d.h. der Steuer-Gleichspannung 13, gesteuert werden kann.

Da außerdem das Potential des Kollektors 2 auf der Dioden-Durchlaßspannung Vj* gehalten wird, ist die Schaltung frei von den durch die Unterschiede der einzelnen integrierten Schaltkreise hervorgerufenen Schwankungen der Verstärkungseigenschaften.

F i g. 6 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform einer Verstärkungsgrad-Steuerschaltung unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung. Die Arbeitsweise und die Vorteile dieser Verstärkungsgrad-Steuerschaltung selbst sind in der DT-Patentanmeldung P 23 08 8353 beschrieben. Der Stromverstär kungsgrad β wird dabei, ebenso wie bei der Schaltung gemäß Fi g. 5, Ober einen weiten Bereich mit stabilisierter Verstärkungskennlinie gesteuert

In F i g. 7 ist noch eine weitere Ausführungsform einer Verstärkungsgrad-Steuerschaltung mit Merkmalen nach der Erfindung dargestellt, bei welcher die Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors 2 geregelt und dadurch der Stromverstärkungsgrad β linear variiert wird. Zu diesem Zweck ist ein Widerstand 15 zwischen den Kollektor und die Basis des Transistors 9 eingeschaltet, während die Basis des Transistors 9 außerdem Ober einen Widerstand 16 mit einer Steuer-Gleichspannungsquelle 17 verbunden ist Damit wird das Basis-Vorspannpotential des Transistors 7 in Abhängigkeit von der Steuer-Gleichspannung 17 variiert und die Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors 2 entsprechend geregelt Bei Erhöhung der Spannung 17 erhöht sich dabei der Steuerstrom /_c und außerdem auch die Spannung über dem Widerstand 15, so daß Sich die Kollektor-Emitter-Spaanung V«3 des Transistors 9 durch folgende Gleichung ausdrücken läßt:

V„₃ = V₆₀ - R_cl_c,

in welcher V_be3 die Basis-Emitter-Spannung des Transistors 9 und Reden Widerstandswert des Widerstands 15 bedeutet.

Durch Erhöhung des Steuerstroms /_r wird also die Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors 9 reduziert, und die Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors 2 wird ebenfalls herabgesetzt. In Abhängigkeit von dieser Änderung nimmt der Ausgangsstrom /_out ab, ι rnd als Resultat wird der Stromverstärkungsgrad β in Abhängigkeit vorn Strom /_c reduziert.
Da die Kollektor-Basis-Spannung des Transistors 2 innerhalb eines Bereichs von -0,7 V bis 0 V variiert ist die Basis-Emitter-Spannung in Abhängigkeit von der Emitterstromcharakteristik des Transistors 2 praktisch gleich derjenigen des Transistors 6. Folglich kann :1er Stromverstärkungsgrad β ebenfalls durch Änderung des Steuerstroms l_c mit stabilisierter Verstärkungscharakteristik gesteuert bzw. geregelt werden.

F i g. 8 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der Verstärkungsgrad eines Differentialverstärkers unabhängig von der Änderung der Transistorkennlinie regelbar ist.

Bei dieser Schaltung ist zur Bildung des Differen tialverstärkers ein Transistor T parallel zum Transistor 7 geschaltet. An die Basis-Elektroden der Transistoren 7 und T wird eine Vorspannung durch als Dioden geschaltete Transistoren 8 und 9 sowie als Dioden geschaltete Transistoren 8' und 9' angelegt. Die Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors 8' wird, wie bei der Schaltung gemäß Fi g. 7, in Abhängigkeit r von der Steuer-Gleichspannung 17 variiert. Es wird also der Stromverstärkungsgrad des Differentialverstäricers durch Änderung der Steuerspannung 17 geregelt.

Zusammenfassend wurde mit der Erfindung eine Signalverstärkerschaltung mit einem Verstärkertransistör geschaffen, der 7ur Aufnahme rines Eingangssignals an eine Eingangssignalqueiie angeschlossen ist. Eine erste Bezugs-Vorspannung wird übe · ^c mit der Eingangsschaltung verbundene Diode erzeugt. Mit dem Verstärkertransistor ist ein Kompensationstransistor in Reihe geschaltet, und eine zweite Bezugs-Vorspannung wird über eine Anzahl von Dioden erzeugt, die mit dem Eingangskreis des Kompensationstransistors verbunden sind, so daß der Stromverstärkungsgrad des Verstärkers unabhängig von Änderungen der Transiso storkennlinien konstant gehalten werden kann.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Signalverstärkerscbaltung, insbesondere in der integrierten Halbleitertechnik, bestehend aus einem in Emitter-Grundschaltung geschalteten und basisseitig mit einer Eingangssignalquelle verbundenen Verstärkertransistor und einem parallel zur Basis-Emitter-Strecke des Verstärkertransistors geschalteten Diodenelement, welches die Basis-Emitter- '° Strecke des Verstärkertransistors mit einer Bezugsspannung beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Transistor (7) vorgesehen ist, dessen KoUektor-Emitter-Strecke mit dem Kollektor des Verstärkertransistors (2) in Reihe liegt >s und dessen Kollektor Ober einen Lastwiderstand (5) an eine Stromversorgung (+ VJ) angeschlossen ist, und daS eine Vorspannschaltung mit mindestens zwei weiteren Diodenelementen (8,9) vorhanden ist, die zwischen der Basis des zweiten Transistors (7) und dem Emitter des Verstärkertransistors (2) liegen.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die Bezugsspannung für den Verstärkertransistoreingang festlegende Diodenelement ein Transistor (6) ist, dessen Basis und Kollektor zusammengeschaltet sind.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannschaltung einen zwischen der Stromversorgung (+V„) und dem Verbindungspunkt der weiteren Diodenelemente (8,

9) mit der Basis des zweiten Transistors (7) liegenden zweiten Widerstand (10) aufweist

4. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Diodenelemente (8, 9) durch als Dioden geschaltete Transistoren gebildet sind.

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungspunkt zwischen den als Dioden geschalteten Transistoren mit der Basis des Verstärkertransistors (2) verbunden ist und das Eingangssigna! über diese beiden Transistoren so zuführbar ist, daß der eine dieser Transistoren gleichzeitig als Bezugsspannungsquelle hinsichtlich des Basis-Emitter-Potentials für den Verstärkertransistor (2) arbeitet (Fig. 3).

6. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des Verstärkungsgrads des Verstärkertransistors (2)1 eine Zusatzschaltung (6, 12, 12', 13; 13,18, 19) zur Änderung der eingangsseitigen Bezugsspannung vorgesehen ist.

7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzschaltung aus einem von einer änderbaren Steuer-Gleichspannungsquelle (13) gesteuerten Transistor (6) besteht, dessen Kollektor-Emitter-Ausgangsspannung die Eingangs-Vorspannung des Verstärkertransistors (2) festlegt (F ig. 5).

8. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekenn- <* zeichnet, daß die Zusatzschaltung eine änderbare Steuer-Gleichspannungsquelle (13) aufweist, die über einen 1 rennverstärker (18, 19) mit Verstärkungsgrad Eins die Vorspannung am Eingang des Verstärkertransistors (2) festlegt, und daß eine aus einem als Diode geschalteten Transistor (6) bestehende weitere Bezugsspannungsquelle über einen Widerstand (14) ein Festpotential für den Eingang des Verstärkertransistors (2) und gleichzeitig eine zweite Bezugsspannung für den Eingang des zweiter Transistors (7) vorgibt (F i g. 6).

9. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung des Verstärkungsgrads der Verstärkerschal tung eine Ergänzungsschaltung (15 bis 17) zur Änderung der Eingangsvorspannung des zweiten Transistors (7) vorhanden ist

10. Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß die Ergänzungsschaltung eine änder bare Gleichsspannungsquelle (17) enthält, die eine als steuerbare Diode geschalteten Transistor (9) ansteuert, dessen Kollektor-Emitter-Strecke mit dem anderen Diodenelement in Reihe liegt und der eines der beiden weiteren Diodenelemente darstellt (F ig. 7).

11. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Transistor (7) durch einen aus zwei Transistoren (7, 7') bestehenden Differenzverstärker ersetzt ist, dessen Schaltschwellwerte durch eine veränderbare Gleichspannungsquelle (17) vorgebbar sind (F i g. 8).

12 Schaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der veränderbaren Gleichspannungsquelle (17) über einen als Diode geschalteten Transistor (8') einerseits das Eingangspotential des einen Transistors (7') des Differenzverstärkers festlegt und andererseits das durch die weiteren Diodenelemente (8, 9) vorgegebene Eingangspotential des anderen Transistors (7) des Differenzverstärkers beeinflußt.