DE2108550C3 - Transistor amplifier - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Transistorverstärker gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Ein solcher Transistorverstärker ist aus der US-PS 49 682 bekanntThe invention relates to a transistor amplifier according to the preamble of the main claim. Such a transistor amplifier is known from US Pat. No. 49,682
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen integrierten Transistorverstärker. Es ist bei Transistorverstärkern häufig erwünscht, daß die Eingangstransistoren einen niedrigen Basisstrom führen, damit eine hohe Eingangsimpedanz des Verstärkers erzielt werden kann. Dies läßt sich u. a. dadurch erreichen, daß die Emitterströme der Eingangstransistoren niedrig gewählt werden. Dabei ergibt sich aber der Nachteil, daß dann auch die Steilheit der Eingangstransistoren gering sein wird, wodurch zum Erhalten eines bestimmten Verstärkungsfaktors des Verstärkers eine größere Anzahl von Stufen benötigt werden. Weiter ergibt sich noch der Nachteil, daß die Grenzfrequenz desIn particular, the invention relates to an integrated transistor amplifier. It is often desirable in transistor amplifiers that the input transistors carry a low base current so that a high input impedance of the amplifier can be achieved. This can be inter alia. achieve that the Emitter currents of the input transistors are selected to be low. This has the disadvantage that then also the steepness of the input transistors will be low, thereby helping to obtain a certain Gain factor of the amplifier a larger number of stages are required. Further results nor the disadvantage that the cutoff frequency of the Transistors niedrig sein wird, weil die Grenzfrequenz dem Emitterstrom des Transistors proportional ist Dadurch wird die Frequenzkennlinie des Verstärkers beeinträchtigtTransistor will be low because the cutoff frequency is proportional to the emitter current of the transistor This determines the frequency characteristic of the amplifier impaired
Ferner ist es bekannt, daß ein niedriger Basisstrom eines Eingangstransistors durch Anwendung einer sogenannten Darlington-Konfiguration erhalten werden kann, bei der die Basis-Emitter-Strecken mehrerer Transistoren miteinander in Reihe geschaltet sind. Außer den vorerwähnten Nachteilen, wie eine niedrigere Grenzfrequenz und eine geringere Steilheit, weist die Darlington-Konfiguration bei Anwendung in Differenzverstärkern den Nachteil auf, daß eine große Spanningsdrift auftreten wird Wenn der Differenzverstärker z. B. einen ersten, einen zweiten, einen dritten und einen vierten Transistor enthält, wobei sowohl die Basis-Emitter-Strecken des ersten und des zweiten Transistors als auch die Basis-Emitter-Strecken des dritten und des vierten Transistors miteinander in Reihe geschaltet sind, und wobei die Emitter des zweiten und des dritten Transistors miteinander verbunden sind, während ein Eingangssignal zwischen den Basen des ersten und des vierten Transistors zugeführt wird, wird die Gesamtspannungsdrift gleich der Spannungsdrift des ersten und des vierten Transistors zuzüglich der Spannungsdrift des zweiten und des dritten Transistors sein. Die Spannungsdrift des ersten und des vierten Transistors wird auch durch die Drift in den Basisströmen des zweiten und des dritten Transistors bestimmt Dadurch wird die Spannungsdrift des ersten und des vierten Transistors größer sein als die Spannungsdrift sein würde, wenn der erste und der vierte Transistor als ein einziges differentiales Paar angewandt werden würden.It is also known that a low base current an input transistor can be obtained by using a so-called Darlington configuration, in which the base-emitter paths of several Transistors are connected in series with each other. In addition to the disadvantages mentioned above, such as a lower cut-off frequency and a lower slope, the Darlington configuration when used in differential amplifiers has the disadvantage that a large voltage drift will occur. B. a first, a second, a third, and a fourth transistor contains, both the base-emitter paths of the first and the second transistor as the base-emitter paths of the third and fourth transistor are also connected in series with one another, and wherein the emitters of the second and third transistors are connected to each other during a Input signal is supplied between the bases of the first and fourth transistor, the total voltage drift becomes equal to the voltage drift of the first and the fourth transistor of the fourth transistor plus the voltage drift of the second and third transistor. the Voltage drift of the first and fourth transistor is also caused by the drift in the base currents of the second and third transistor determined. This determines the voltage drift of the first and fourth Transistor would be greater than the voltage drift would be if the first and fourth transistor were used as one single differential pair would be applied.
Weiter ist es bekannt daß ein niedriger Eingangsstrom dadurch erhalten werden kann, daß als Eingangstransistor ein Feldeffekttransistor verwendet wird. Dies hat den Nachteil, daß mehrere Verstärkungsstufen benötigt werden, um einen bestimmten Verstärkungsfaktor des Verstärkers erzielen zu können, weil die Steilheit eines Feldeffekttransistors im allgemeinen gering ist Ferner gibt es bei Feldeffekttransistoren oft eine große Streuung in den Schwellwertspannungen zwischen den Quellenelektroden und den Torelektroden. Dadurch bewirkt die Anwendung zweier Feldeffekttransistoren in einer Eingangsstufe eines Differenzverstärkers eine große Verschiebungsspannung des Differenzverstärkers. Infolgedessen ist der Differenzverstärker für die Anwendung als Operationsverstärker weniger geeignetFurther, it is known that a low input current can be obtained by using a field effect transistor as the input transistor. this has the disadvantage that several gain stages are required to achieve a certain gain of the amplifier, because the The steepness of a field effect transistor is generally low. Furthermore, there are often field effect transistors a large spread in the threshold voltages between the source electrodes and the gate electrodes. As a result, the use of two field effect transistors in one input stage of a differential amplifier causes a large displacement voltage of the Differential amplifier. As a result, the differential amplifier is suitable for use as an operational amplifier less suitable
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Transistorverstärker mit hoher Eingangsimpedanz zu schaffen, ohne die Verstärkung oder den Frequenzgang des Verstärkers oder seine Spannungsdrift zu beeinflussen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß ausgehend von einem Transistorverstärker der eingangs genannten Art gelöst durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen Merkmale.The object of the present invention is to provide a transistor amplifier with a high input impedance without affecting the amplifier's gain or frequency response or its voltage drift. This task is based on the invention solved by a transistor amplifier of the type mentioned by the features specified in the characterizing part of the main claim.
Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigtSome embodiments of the invention are shown in FIG Drawing shown and are described in more detail below. It shows
Fig. la eine Ausführungsform eines Transistorverstärkers nach der Erfindung,Fig. La shows an embodiment of a transistor amplifier according to the invention,
Fig. Ib eine gesteuerte Stromquelle zur Anwendung in dem Transistorverstärker nach der Erfindung, Fig.2 eine andere Ausführungsform eines Transistorverstärkers nach der Erfindung.Fig. Ib a controlled current source for use in the transistor amplifier according to the invention, 2 shows another embodiment of a transistor amplifier according to the invention.
In dem Transistorverstärker nach F i g. 1 a bezeichnet 71 den ersten Transistor, dessen Basis B das znIn the transistor amplifier of FIG. 1 a denotes 71 the first transistor, the base B of which is the zn
verstärkende Signal V, zugeführt wird. Der Emitter E des ersten Transistors ist über einen Widerstand R\ mit einem Punkt konstanten Potentials verbunden. Der Kollektor des Transistors Γι ist mit dein Emitter eines Meßtransistors Ti verbunden. Der Kollektor des Meßtransistors T2 ist Ober den Widerstand R2 mit der Speisespannungsquelle U verbunden. Die Basis des Meßtransistors T2 ist mit dem Stromeingang F der gesteuerten Stromquelle S verbunden, während die Basis des ersten Transistors Ti mit dem Stromausgang Dder gesteuerten Stromquelle S verbunden istamplifying signal V, is supplied. The emitter E of the first transistor is connected to a point of constant potential via a resistor R \. The collector of the transistor Γι is connected to your emitter of a measuring transistor Ti . The collector of the measuring transistor T 2 is connected to the supply voltage source U via the resistor R2. The base of the measuring transistor T 2 is connected to the current input F of the controlled current source S, while the base of the first transistor Ti is connected to the current output D of the controlled current source S
Der Anschlußpunkt H der Stromquelle S ist mit dem Kollektor des Meßtransistors T2 verbunden. Die Stromquelle S enthält den Transistor T3 und die Diode D3. Der Emitter des Transistors T3 und die Anode der Diode D3 sind mit dem Anschlußpunkt H der Stromquelle S verbunden. Der Kollektor des Transistors Ti ist mit dem Stromausgang Z?der Stromquelle S verbunden, während die Basis des Transistors Ti und die Kathode dsr Diode Di mil dem Stromeingang der Stromquelle 5 verbunden sind. Die Eingansimpedanz der gesteuerten Stromquelle S, die gleich der Impedanz zwischen den Punkten Fund Hder Stromquelle ist, wird niedrig seia Sie ist nämlich gleich dem Widerstand der Diode D3, wenn diese Diode sich im leitenden Zustand befindet. Die Ausgangsimpedanz der gesteuerten Stromquelle 5, die gleich der Impedanz zwischen den Punkten D und H der Stromquelle ist, wird hoch vein. Diese ist nämlich gleich der Ausgangsimpedanz des Transistors T3. Die Wirkungsweise des Transistorverstärkers nach F i g. 1 a ist folgende.The connection point H of the current source S is connected to the collector of the measuring transistor T 2 . The current source S contains the transistor T 3 and the diode D 3 . The emitter of the transistor T 3 and the anode of the diode D 3 are connected to the connection point H of the current source S. The collector of the transistor Ti is connected to the current output Z? Of the current source S , while the base of the transistor Ti and the cathode dsr diode Di are connected to the current input of the current source 5. The input impedance of the controlled current source S, which is equal to the impedance between the points and H of the current source, is low since it is equal to the resistance of the diode D 3 when this diode is in the conductive state. The output impedance of the controlled current source 5, which is equal to the impedance between points D and H of the current source, becomes high Vin. This is because this is equal to the output impedance of the transistor T 3 . The mode of operation of the transistor amplifier according to FIG. 1 a is as follows.
Es sei angenommen, daß die Basis-Kollektorstromverstärkungsfaktoren Oi' der beiden Transistoren Γι und T2 einander nahezu gleich sind. Diese Annahme wird annähernd erreicht, wenn die beiden Transistoren T\ und T2 in demselben Halbleiterkörper integriert werden und für die Transistoren die gleiche geometrische Bauart gewählt wird. Wenn ie\ den Emitterstrom des ersten Transistors T\ darstellt gilt:It is assumed that the base-collector current gain factors Oi 'of the two transistors Γι and T 2 are almost equal to one another. This assumption is approximately achieved if the two transistors T 1 and T 2 are integrated in the same semiconductor body and the same geometric design is selected for the transistors. If i e \ represents the emitter current of the first transistor T \ , the following applies:
1M - 1C 1 M - 1 C.
undand
'el ='el =
wobei /ti den Basisstrom des ersten Transistors Γι, ic\ den Kollektorstrom des Transistors Γι, /« den Emitterstrom des Meßtransistors T2 darstellt und x' gleich dem Basis-Kollektorstromverstärkungsfaktor der beiden Transistoren Γι und T2 ist. Für den Basisstrom in des Transistors T2 wird dann gefunden:where / ti represents the base current of the first transistor Γι, i c \ the collector current of the transistor Γι, / «represents the emitter current of the measuring transistor T 2 and x 'is equal to the base-collector current gain of the two transistors Γι and T 2 . The base current in transistor T 2 is then found:
Die gesteuerte Stromquelle S weist die Eigenschaft auf, daß, wenn der Strom durch die Diode D3 einen bestimmten Wert hat, der Strom am Ausgang D der Stromquelle S die gleiche Größe haben wird. Dies ist der Fall, wenn die Emitteroberfläche des Transistors T3 gleich der Emitteroberfläche der Diode D3 ist. Dies bedeutet, daß der Strom /Ό gleich dem Strom in sein wird. Für den Gesamteingangsstrom im des Verstärkers nach F i g. 1 gilt nun, daß:The controlled current source S has the property that when the current through the diode D 3 has a certain value, the current at the output D of the current source S will have the same size. This is the case when the emitter surface of the transistor T3 is the same as the emitter surface of the diode D 3 . This means that the current / Ό will be equal to the current in . For the total input current im of the amplifier according to FIG. 1 it is now true that:
— 'm 'n — , - 'm' n - ,
(η'+ϊψ(η '+ ϊψ
Aus der Formel (1) folgt nun, daß der Eingangsstrom des Verstärkers durch die Maßnahme nach der -Erfindung um einen Faktor (λ' + I) herabgesetzt ist.From the formula (1) it now follows that the input current of the amplifier by the measure according to the -Invention is reduced by a factor (λ '+ I).
Der zwischen den gestrichelten Linien liegende Teil des Verstärkers nach F i g. 1 verhält sich wie ein Transistor mit einem hohen Basis-Kollektorstrom verstärkungsfaktor. Dabei ist B die Basis, E der Emitter und C der Kollektor dieses Transistors. Die gesteuerte Stromquelle 5 fällt bei höherer Frequenz ab, d. h., daß bei höheren Frequenzen die Wechseistromkomponente im Ausgangsstrom i'd der Stromquelle nahezu gleich null sein wird. Dadurch wird die Wechselstromkomponente imThat part of the amplifier according to FIG. 1 lying between the dashed lines. 1 behaves like a transistor with a high base-collector current gain factor. B is the base, E is the emitter and C is the collector of this transistor. The controlled current source 5 drops at a higher frequency, that is to say that at higher frequencies the alternating current component in the output current i'd of the current source will be almost equal to zero. This causes the AC component in the
Eingangsstrom j«, nahezu gleich der Wechseistromkomponente im Basisstrom 4,1 des Transistors T\ sein. Dies bedeutet, daß das Hochfrequenzverhalten des Verstärkers nach F i g. 1 lediglich durch die Grenzfrequenzen der Transistoren T\ und T2 bestimmt wird, die hoch sein können, weil die Emitterströme der beiden Transistoren verhältnismäßig hoch gewählt werden können. Der Punkt H in Fig. 1 ist mit dem Kollektor des Meßtransistors T2 verbunden, aber kann auch wechselstrommäßig mit dem Emitter des Transistors Γ verbunden werden. Im letzteren Falle wird der Vorteil erhalten, daß die Transistoren T2 und Γι dann wie eine Kaskodenschaltung wirken, wodurch also eine geringe Rückwirkung des Kollektors des Transistors T2 auf den Eingang des Verstärkers erzielt wird.Input current j «, almost equal to the alternating current component in the base current 4.1 of the transistor T \ . This means that the high-frequency behavior of the amplifier according to FIG. 1 is only determined by the cutoff frequencies of the transistors T \ and T 2 , which can be high because the emitter currents of the two transistors can be selected to be relatively high. The point H in Fig. 1 is connected to the collector of the measuring transistor T 2 , but can also be connected in terms of alternating current to the emitter of the transistor Γ. In the latter case, the advantage is obtained that the transistors T 2 and Γι then act like a cascode circuit, so that a small reaction of the collector of the transistor T 2 on the input of the amplifier is achieved.
Die gesteuerte Stromquelle S des Verstärkers nach Fig. la kann ohne weiteres durch die gesteuerte Stromquelle Sb nach Fig. Ib ersetzt werden. Diese Stromquelle Sb enthält die Transistoren T3 und T* und die Diode D3. Der Emitter des Transistors T3 und die Anode der Diode D3 sind mit dem Anschlußpunkt H der Stromquelle verbunden. Die Basis des Transistors Γ) und die Kathode der Diode D3 sind mit dem Emitter des Transistors Γ4 verbunden, dessen Basis mit dem Kollektor des Transistors T3 verbunden ist. DerThe controlled current source S of the amplifier according to FIG. 1a can easily be replaced by the controlled current source Sb according to FIG. Ib. This current source Sb contains the transistors T 3 and T * and the diode D 3 . The emitter of the transistor T 3 and the anode of the diode D 3 are connected to the connection point H of the current source. The base of the transistor Γ) and the cathode of the diode D 3 are connected to the emitter of the transistor Γ4, the base of which is connected to the collector of the transistor T 3 . the
3s Kollektor des Transistors Γ« ist mit dem Ausgang D der Stromquelle Sb verbunden, während der Kollektor des Transistors T3 mit dem Eingang F der Stromquelle Sb verbunden ist. Die Anwendung einer Stromquelle So statt einer Stromquelle S bietet den Vorteil, daß die am Ausgang D und am Eingang F auftretenden Ströme einander genauer gleich sind, und daß die Ausgp.ngsimpedanz der Stromquelle höher sein wird.3s collector of the transistor Γ «is connected to the output D of the current source Sb, while the collector of the transistor T 3 is connected to the input F of the current source Sb. The use of a current source So instead of a current source S offers the advantage that the currents occurring at the output D and at the input F are more exactly the same and that the output impedance of the current source will be higher.
F i g. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform des Transistorverstärkers nach der Erfindung. In dieser Ausführungsform ist der Transistorverstärker als eine Differenzverstärkerstufe ausgebildet.F i g. Fig. 2 shows a second embodiment of the transistor amplifier according to the invention. In this Embodiment, the transistor amplifier is designed as a differential amplifier stage.
Der Kollektor des Transistors Ti ist mit dem Emitter des Transistors T2 verbunden, dessen Basis mit dem Stromeingang F der Stromquelle S verbunden ist. Der Stromausgang Dder Stromquelle S ist mit der Basis des Transistors Γι verbunden. Der Kollektor des Transistors T2 ist über den Widerstand R2 mit der Gleichspannungsqueile U verbunden. Der Kollektor des Transistors Tn ist mit dem Emitter des Transistors T22 verbunden, dessen Basis mit dem Stromeingang Fi der Stromquelle S) verbunden ist. Der Stromausgang D\ der Stromquelle Si isi mit der Basis des Transistors TIi verbunden. Der Kollektor des Transistors T22 ist über den Widerstand R22 mit der Gleichspannungsquelle U verbunden. Die Emitter der Transistoren Γι und Γι ι sind zusammen über die Stromquelle S2 an Erde gelegt. Die Anschlußpunkte H bzw. H\ der Stromquellen S bzw. Si sind zusammen über die Stromquelle S3 mit der Gleichspannungsquelle U verbunden. Die erwähnten Anschlußpunkte H und Wi sind gleichfalls zusammen über die Reihenschaltung der Dioden D; - Dn mit den Emittern der Transistoren Γι und Γι 1 verbunden. Das Eingangssignal kann zwischen den Basis-Elektroden der Transistoren Γι und ΓηThe collector of the transistor Ti is connected to the emitter of the transistor T 2 , the base of which is connected to the current input F of the current source S. The current output D of the current source S is connected to the base of the transistor Γι. The collector of the transistor T 2 is connected to the DC voltage source U via the resistor R 2 . The collector of the transistor Tn is connected to the emitter of the transistor T 22 , the base of which is connected to the current input Fi of the current source S) . The current output D \ of the current source Si is connected to the base of the transistor TIi. The collector of the transistor T 22 is connected to the DC voltage source U via the resistor R 22 . The emitters of the transistors Γι and Γι ι are connected to earth via the current source S 2. The connection points H and H \ of the current sources S and Si are connected together to the DC voltage source U via the current source S3. The mentioned connection points H and Wi are also together via the series connection of the diodes D; - D n connected to the emitters of the transistors Γι and Γι 1. The input signal can be between the base electrodes of the transistors Γι and Γη
zugeführt werden, während das Ausgangssignal iwischen den Kollektoren der Transistoren 7} und Γ22 entnommen werden kann.while the output signal is wiping the collectors of transistors 7} and Γ22 can be taken.
Die Wirkungsweise der beiden Hälften (71, 7} und 711, T22) der Differenzverstärkerstufe nach Fig.2 ist der Wirkungsweise des Transistorverstärkers nach F i g. 1 völlig analog. Insbesonders wenn die Differenzverstärkerstufe nach F i g. 2 in einem einzigen Halbleiterkörper integriert wird, kann eine befriedigende Wirkung der Differenzverstärkerstufe erzielt werden,The mode of action of the two halves (71, 7} and 711, T22) of the differential amplifier stage according to FIG. 2 is the mode of action of the transistor amplifier according to FIG. 1 completely analog. In particular if the differential amplifier stage according to FIG. 2 is integrated in a single semiconductor body, a satisfactory effect of the differential amplifier stage can be achieved,
weil dann die Unterschiede zwischen den Parameter der verwendeten Transistoren minimal sein können. Di Differenzverstärkerstufe nach Fig.2 ist daher beson ders geeignet für die Anwendung als Eingangsstufi eines Differenzverstärkers. Die Spannungsdrift in Differenzverstärker nach F i g. 2 wird klein sein, weil si« lediglich durch das Transistorenpaar 71, Tu bestimm wird, wodurch der Differenzverstärker nach F i g. 2 siel· besonders gut zur Anwendung als Eingangsstufe eines Operationsverstärkers eignetbecause then the differences between the parameters of the transistors used can be minimal. The differential amplifier stage according to FIG. 2 is therefore particularly suitable for use as an input stage of a differential amplifier. The voltage drift in differential amplifiers according to FIG. 2 will be small because si «is only determined by the pair of transistors 71, Tu , whereby the differential amplifier according to FIG. 2 was particularly suitable for use as the input stage of an operational amplifier
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
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