DE2136061A1 - Stromverstarkerschaltung - Google Patents

Description

722O-/l/Kö/S
ICA Docket Ho.: 63,296
Convention Date:
July 20, 1970

RCA Corporation, New York, N.Y., V.St.A.

Stromverstärkerschaltung

Die Erfindung betrifft eine Stromverstärkerschaltung mit einem als Emitterverstärker geschalteten ersten Transistor, mit dessen Basis-Emitterübergang eine Stabilisierdiode parallelgeschaltet ist und zwischen dessen Kollektor und Basis eine galvanische Rückkopplung mit dem Basis-Emitterübergang eines zweiten Transistors vorgesehen ist, der an seinem Kollektor den dem Kollektor des ersten Transistors zugeleiteten Eingangsströmen entsprechende Auspanffsströme liefert. Die Stromverstärkerschaltung eignet sich besonders für die Verwendung als aktive Lastanordnung oder Spannungspegelschieber in integrierten Schaltungen.

Als "Stromverstärker" ist hier eine Schaltungsanordnung bezeichnet, die bei Zuleitung eines Eingangsstromes einen diesem direkt proportionalen Ausgangsstrom liefert. Die vorliegende Strom verstärkerschaltung läßt sich sowohl mit diskreten Bauelementen als auch in integrierter Form aufbauen und ist besonders gut für Letzteres geeignet.

Ausführungs- und Anwendungsbeispiele von für die Herstellung in integrierter Schaltungsform geeigneten Stromverstärkern sind in den USA-Patentanmeldungen Serial No. 837 382 (eingereicht am 3O.6.1969), Serial No. 847 879 (eingereicht am 6.8.I969) und Serial No. 869 708 (eingereicht am 27.10.I969) der gleichen An-

109885/1712

melderin beschrieben. Ferner sind für die Herstellung in integrierter Schaltungsform besonders geeignete Stromverstärker z.B. im "Digest of Technical Papers", vorgelegt auf den I.E.E.E. International Solid State Circuit Conferences 1968 und 1069 (herausgegeben von Lewis Winner, New York, N.Y., USA) beschrieben.

Die meisten dieser Stromverstärker arbeiten mit mindestens zwei Transistoren, die im einfachsten Fall im wesentlichen identisch sind. Die beiden Transistoren sind dicht beieinander auf einem einzigen integrierten SchaltungspTättchen angeordnet, so daß sie den gleichen Wärmeverhältnissen ausgesetzt sind. Die stromverstärkende Wirkung wird dadurch erhalten, daß die Basis-Emitterkreise der beiden Transistoren parallelgeschaltet sind und der Kollektor des einen Transistors direkt an den Verbindungspunkt der zusammengeschalteten Basen angeschlossen ist. Der eine Transistor arbeitet diodenartig und dient als Eingangselement, während der andere Transistor an seinem Kollektor den gewünschten Ausgangsstrom liefert. Die Schaltungsanordnung kann so abgexvandelt werden, daß sie mit im wesentlichen fester Stromverstärkung (oder Stromabschwächung) arbeitet, indem man die Basis-Emitterübergangsflächen der beiden Transistoren unterschiedlich groß macht. Die Verstärkung wird dann im wesentlichen durch das Verhältnis der Basis-Emjtterfläche des Ausgangstransistors zur Basis-Emitterfläche des Eingangselements bestimmt. Bei einem solchen Stromverstärker ist für niedrige Werte von β (Basis-Kollektorstromverstärkung der einzelnen Transistoren) die Stromverstärkung von diesem ß-Wert abhängig. Da der ß-Wert eines Transistors temperaturabhängig ist, ist folglich die Verstärkung eines solchen Verstärkers ebenfalls temperaturabhängig. Ferner haben diese Verstärker einen verhältnismäßig niedrigen Ausgangswiderstand, so daß ihre Verstärkung bei Betriebsspannungsschwankungen schwankt.

In vielen Anwendungsfällen von Stromverstärkern ist es, damit die Auswirkungen von Betriebsspannungsänderungen minimalisiert werden, erwünscht, daß der Ausgangswiderstand größer ist als der bei den Schaltungen mit zwei Bauelementen erhältliche Wert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromverstärker^

1 09885/ 1 7 1 2 _BAD original

schaltung zu schaffen, mit der sich ein solcher erhöhter Ausgangs; widerstand erhalten läßt, ohne daß andere Betriebseigenschaften
wie Frequenzgang, Niederstromverarbeitungsvermögen und Temperatur Stabilität des Verstärkers dadurch beeinträchtigt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei
einer Stromverstärkerschaltung der eingangs genannten Art ein
dritter Transistor mit seinem Basis-Emitterübergang zwischen den
Kollektor des ersten Transistors und den Basis-Emitterübergang
des zweiten Transistors eingeschaltet und mit seinem Kollektor so
geschaltet ist, daß er mit normalem Vorstrom arbeitet, und daß mit dem ^asis-Emitterübergang des dritten Transistors, der als Einwegleiter arbeitet, ein weiteres Einwegleiterelement antiparallelgeschaltet ist.

Vorzugsweise ist zwischen den Ko3.1ektor des ersten Transistors und die Basis des als Diode geschalteten Transistors eine Kaskade von Stromverstärkungstransistoren (z.B. ein Darlington-Verstärker ) geschaltet. Der Eingangsstrom wird dem Verbindungspunkt des Kollektors des ersten Transistors mit dem Eingang der Kaskade zugeleitet. Der Ausgangsstrom wird vom Kollektor mindestens eines der Stromverstärkungstransistoren, der mit seinem Emitter direkt
an die Basis des als Diode geschalteten Transistors angeschlossen ist, abgenommen. Zwischen den Eingang der Kaskade und die Basis
desjenigen Transistors der Kaskade, der im Ausgangsstromkreis des Verstärkers liegt, ist ein Einwegleiterelement eingeschaltet, um
sicherzustellen, daß dieser Transistor der Kaskade sehr schnell anspricht.

Die Erfindunr wird nachstehend an Hand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen!

Figur 1 das Schaltschema eines für die Herstellung auf einem einzigen integrierten Schaltungsplättchen geeigneten Funktionsverstärkers mit einer Stromverstärkerschaltung gemäß einer Ausführung^ form der Erfindung; und

Figur 2 das Schaltschema einer anderen Ausführungsform des
erfindungsiremäßen Stromverstärkers.

109865/1712 ~HADOnan«L

In Figur 1 sind sämtliche im gestrichelten Rechteck dargestellten Schaltungselemente auf einem einzigen integrierten Schaltungsplättchen 10 angebracht.

Das Schaltungsplättchen 10 hat einen ersten Eingangsanschluß 12, einen zweiten Eingangsänschluß 1"4, einen Anschluß 16 für die Betriebsgleichspannungsquelle (+V), einen Ausgangsanschluß 18, einen Bezugsspannungsanschluß (Masseanschluß) 20 und einen Vorstromanschluß 22. Die Eingangsanschlüsse 12 und 14 sind an einen Differenzverstärker 24 mit zwei emittergekoppelten npn-Transistoren 26 und 28 angeschlossen. Eine npn-Transistorstromquelle 30 beliefert die Transistoren 26 und 28 mit Betriebsstrom entsprechend dem am VorStromanschluß 22 eingespeisten Strom. Die Stromquelle besteht aus einem herkömmlichen Stromverstärker mit einem als Diode geschalteten Eingangstransistor 32 und einem-Ausgangstransistor Die Basis-Emitterkreise der Transistoren 32 und 34 sind parallel zwischen den Vorstromanschluß 22 und den Masseanschluß 20 geschaltet. Die Transistoren 32 und 34 sind im wesentlichen identisch und verstärken den am Vorstromanschluß 22 eingespeisten Vorstrom um den Faktor 1.

Zwischen die Kollektoren der Transistoren 26 und 28 einerseits und den Betriebsspannungsanschluß 16 andererseits ist je ein erfindungsgemäßer Stromverstärker 36 bzw. 38 als aktive Lastschaltung geschaltet. Die Stromverstärker 36 und 38 werden im einzelnen nachstehend beschrieben. Die Ausgangsströme der Stromverstärker 36 und 38 werden in einer üblichen Pegelschieber- und Signalvereinigungs-Stromverstärkerstufe 40, die an den Masseanschluß 20 angeschlossen ist, vereinigt. Die aus einer Dioden-Transistorkombination bestehende Stufe 40 bildet aus den Ausgangsströmen der Stromverstärker 3(> und 38 ein eintaktiges Ausgangssignal, das am Ausgangeanschluß 18 abgenommen wird. Die Stufe besteht aus einem als Diode geschalteten npn-Transistor 40a, einem im wesentlichen identischen Transistor 40b, dessen Basis-Emitterübergang mit dem des Transistors 40a parallelgeschaltet ist, und einem npn-Rückkopplungstransistor 40c, der mit seinem Eingangskreis (Basis-Emitterkreis) zwischen den Kollektor des Transistors 40b und die Basen der Transistoren 40a und 40b geschaltet ist.

; 3_Γ 109805/1712

BAD ORIGINAL

Der Ausgangskreis (Emitter-Kollektorkreis) des Transistors 40c ist an den Ausgangsanschluß 18 angeschlossen.

Der Stromverstärker 36 enthält zwei pnp-Transistoren 42 und 44» deren Basis-Emitterübergänge parallelgeschaltet und deren Emitter an den Betriebsspannungsanschluß (+V) 16 angeschlossen sind. Die zusammengeschalteten Basen der Transistoren 42 und 44 sind ferner direkt mit dem Kollektor des Transistors 44 am Schaltungspunkt 46 verbunden. Die Transistoren 42 und 44 haben proportionale Leitungs eigenschaften, und es sei hier vorausgesetzt, daß sie in der Geometrie ihrer Basis-Emitterübergänge im wesentlichen identisch sind. In diesem Fall arbeitet der Stromverstärker 36 mit einem Stromverstärkungsfaktor von im wesentlichen 1. Statt dessen kann auch der Basis-Emitterübergang des Transistors 44 größer oder kleiner als der des Transistors 42 sein, so daß sich entsprechend eine Stromverstärkung ergibt, die größer oder kleiner als 1 ist. Oder es können zusätzliche als Diode geschaltete Transistoren mit dem Transdflbor 44 parallelgeschaltet sein, so daß sich eine Stromverstärkung ergibt, die größer als 1 istj oder es können gleiche Transistoren mit dem Transistor 42 parallelgeschaltet sein, in welchem Falle die Stromverstärkung kleiner als 1 ist. Vorzugsweise sorgt man auch dafür, daß die Transistoren 42 und 44 den gleichen Wärmeeinflüssen ausgesetzt sind, indemman sie z.B. dicht beieinander auf dem integrierten Schrltungsplättchen 10 anbringt.

Zwischen die zusammengeschalteten Kollektoren der Transistoren 26 und 42 und den Schaltungspunkt 46 ist eine Stromverstärkungsanordnung mit einer Kaskade von pnp-Emitterfolgertransistoren 48 und 50 in Rückkopplungsschaltung geschaltet. Die Transistoren 48 und 50 sind als Darlington-Verstärker ausgelegt, wobei die Basis (Eingang) des Transistors 48 mit den zusammengeschalteten Kollektoren der Transistoren 2 6 und 42 verbunden und der Emitter des Transistors 50 mit dem Schaltungspunkt 46 verbunden ist. Die Kollektoren der Transistoren 48 und 50, an denen der Ausgangsstrora erzeugt wird, sind an den Eingangspunkt 52 der Stufe 40 angeschlossen.

Zwischen die Basen der Transistoren 48 und 50 ist ein im we-

109888/1712 bad original

sentlichen einwegleitend.es (nur in einer Richtung stromleitend.es) Element in Form des Basis-Emitterübergangs eines npn-Transistors 54 gekoppelt. Der Kollektor des Transistors 54 ist mit seiner Basis verbunden. Der Basis-Emitterübergang des Transistors 54 ist so gepolt, daß er den Strom von den zusammengeschalteten Kollektoren der Transistoren 26und 42 in der umgekehrten Richtung durch den Basis-Kollektorübergang des Transistors 50 leitet.

Der Stromverstärker 38 ist im wesentlichen identisch ausgebildet wie der Stromverstärker 36 und enthält einen als Diode geschalteten pnp-Transistor 56, einen pnp-Transistor 58, zwei in Darlington-Schaltung ausgelegte pnp-Transistoren 60 und 62 und einen als Diode geschalteten npn-Transistor 64· Die zusammengeschalteten Kollektoren der Transistoren 60 und 62, an denen der Ausgangsstrom erzeugt wird, sind mit dem Ausgangsanschluß l8 verbunden .

Im Betrieb der Anordnung nach Figur 1 wird der Stromquelle über den Vorstromanschluß 22 ein Betriebsgleichstrom zugeleitet. Bei fehlenden Eingangssignalen verteilt sich dieser Betriebsstrom zu im wesentlichen gleichen Teilen auf die Transistoren 26 und Im wesentlichen der gesamte am Kollektor des Transistors 2 6 auftretende Ruhebetriebsgleichstrom fließt über die Kollektor-Emitte£ strecke des Transistors 42 des Stromverstärkers 36 zur Betriebsspannungsquelle (+V). Ein verhältnismäßig kleiner Stromanteil gelangt auch zur Basis des Transistors 48, der seinerseits den Transistor 50 mit einem verstärkten Strom beschickt. Vom Transistor 50 gelangt der verstärkte Gleichstrom zn den zusammengeschalteten Basen des als Diode geschalteten Transistors 44 und des Transistors 42. Der den Basen der Transistoren 42 und 44 zugeleitete Strom ist so groß, daß der Kollektorruhestrom des Transistors 42 annähernd gleich dem Kollektorruhestromides Transistors 26 ist (d.h. die Summe der Ströme am Schaltungspunkt 66 null ist). Wenn die Transistoren 42 und 44 im wesentlichen identisch sind, ist der Ausgangsstrom an den zusammengeschalteten Kollektoren der Transistoren 48 und 50 annähernd gleich dem Kolleküorstrom des Transistors 26. Ebenso ist der Kollektorruhestrom des Transistors 28 im wesentlichen gleich dem Ruheausgangsstrom der Transistor-

109885/1712

BAD ORIGINAL

kombination 60 und 62. Wenn die Transistoren 40a.und 40b der Stufe 40 im wesentlichen identisch sind (Verstärkungsfaktor l), ist der. Kollektorruhestrom des Transistors 40c im wesentlichen gleich der Summe der Kollektorruheströme der Transistoren 60 und 62, so daß der Ruheausgangsstrom am Ausgangsanschluß 18 null ist.

Wenn einem oder beiden der Eingangsanschlüsse 12 und 14 Signale zugeführt sind, werden diese Signale von den Transistoren 26 und 28 verstärkt. Die differentiell verknüpften verstärkten Signale werden über die Darlington-Verstärker 43, 50 bzw. 60, 62 auf,die zusammengeschalteten Basen der Transistoren 42, 44 bzw, der Transistoren 56, 58 gekoppelt. Die Kollektorströme der Transistoren 42 und 58 ändern sich daher ebenso wie die Kollektorströme (Ausgangsströme) der Darlington-Verstärker 48, 50 und 60, 62. Die Ausgangssignale der Transistoren 48, 50 gelangen zur Stufe 40 und werden dort mit den Ausgangssignalen der Transistoren 60, 62 vereinigt, so daß am AusgangsanscÜLuß 18 ein eintaktiges Ausgangssignal erzeugt wird. Schwankungen der dem Anschluß l6 zugeleiteten Speisespannung (+V) haben nur einen vernachlässigbar kleinen Einfluß auf die Arbeitsweise der Schaltung, insbesondere auf die Arbeitsweise der Stromverstärker 3t und 38. So liegt im Stromverstärker 36 die Speisespannung (+V) an der Reihenschaltung der Emitter-Basisstrecke des Transistors 44> der Emitter-Kollektorstrecke des Transistors 50, der Basis-Em'itterstrecke des Transistors 40c und der parallelgeschalteten Basis-Emitterstrecken der Transistoren 40a und 40b. Da die Basis-Emitterspannungen der Transistoren 44y 40a, 40b und 40c im wesentlichen konstant sind, erscheinen Schwankungen der Speisespannung an der Kollektor-Emitterstrecke des Transistors 50. Da der Transistor 48 in Darlington-Schaltung mit dem Transistor 50 gekoppelt ist, ist die effektive Kollektor-Emitterimpedanz der Transistoren 48, 50 größer als die des Transistors 50 allein sowie hinlänglich groß, daß Änderungen der Kollektor-Emitterspannung einen vernacÜLässigbar geringen Einfluß auf den α-Wert (gemeinsame Basisstromverstärkung) der Schaltung haben. Ferner sind etwaige geringfügige Änderungen des (X-Wertes der Transistoren 48 und 50 im Hinblick auf die Gesamtverstärkung der Stromverstärker 36 und 38 von nur sehr geringer Be-. deutung. Diese Anordnungen ergeben daher den gewünschten hohen

109885/1712

BAD ORIGINAL

Ausgangswiderstand.

• Es soll jetzt die Arbeitsweise der Transistoren 54 und 64. erläutert werden. Wenn das Eingangssignal z.B. am Eingangsanschluß 12 vom Ruhepegel ausreichend weit absinkt, nimmt der Kollektorstrom des Transistors 26 ab, so daß der Eingangstransistor 48 der Darlington-Stufe 48, 50,gesperrt wird. Wäre der Transistor 54 nicht vorhanden, so würde, wenn der Eingangstransistor 48 gesperrt wird/ der Transistor 50 wegen der in seinem Basis-Emitterübergang gespeicherten Ladung sowie aufgrund der Anwesenheit eines schwachen Leckstromes weiter leitend. Der gespeicherte Ladestrom und der Leckstrom äußern sich am Ausgarigsanschluß l8 als scheinbares Signal. Der Transistor 48 bietet keinen Leitungsweg für die Ableitung dieser gespeicherten Ladung.

Mit ansteigender Temperatur nimmt der Leckstrom des Transistors 50 zu, so daß der im Ausgangssignal am Ausgangsanschluß 18 auftretende Fehler temperaturabhängig sein würde.

Dies wird jedoch durch den Transistors 54 verhindert, der so gepolt ist, daß er für Signale, die aufgrund ihrer Polarität den Transistor 48 in den gesperrten Zustand steuern, leitend ist. Im leitenden Zustand leitet der Transistor 54 die im Basis-Kollektorübergang des Tra'nsistors 50 gespeicherte Ladung ab und bildet einen Ableitweg für den Leckstrom, so daß der Transistor 50 sowie die gesamte Darlington-Stufe 48 verhältnismäßig schnell abgeschaltet wird.

Durch das Vorhandensein des Transistors 54 bzw. des Transistors 64 wird daher der Frequenzgang der Stromverstärker 36 und 38 sowie die Temperaturabhängigkeit dieses Frequenzganges verbessert.

Wie bereits erwähnt, ist das Verhältnis zwischen dem Kollektorstrom des Transistors 26 (Eingang des Verstärkers 36) und den vereinigten Kollektorströmen der Transistoren 48 und 50 (Ausgang des Verstärkers 36) im wesentlichen 1, wenn die Transistoren 42 und 44 im wesentlichen identisch und den gleichen Umgebungseinflüssen ausgesetzt sind. Wie man aus der Schaltungsanordnung er-

109885/1712 '

sieht, ist dieses Verhältnis bis zu einem gewissen Grade vom ß-Wert der vorhandenen pnp-Transistoren (oder ihrer Äquivalente) abhängig. Tatsächlich steigt die effektive Stromverstärkung des Verstärkers 36 (oder 38) über den Wert 1 an, wenn der ß-Wert der pnp-Transistoren 42, 44, 48, 50 abnimmt. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird aufgrund dieser Tatsache die Gesamtverstärkung des Verstärkers 24 bei schwankenden Betriebsströmen verhältnismäßig konstant gehalten, da die Stromverstärkung der Transistoren des Verstärkers 24 bei abnehmendem Betriebsstrom abnimmt. Die abnehmende Stromverstärkung des npn-Transistors und die zunehmende Stromverstärkung der Stromverstärker heben sich gegenseitig auf, so daß die Gesamtverstärkung des Verstärkers über einen weiten Bereich von unterschiedlichen Betriebsströmen verhältnismäßig konstant bleibt.

Bei der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform dient als Einwegleiter element für die rasche Abschaltung des Transistors 50' ein npn-Transistor 54'» der dem Transistor 54 in Figur 1 entspricht, jedoch mit seinem Kollektor an den Betriebsspannungsanschluß 16 angeschlossen ist. Mit dem Transistor 54' wird daher eine größere Verstärkung und ein etwas schnelleres Schalten erzielt als mit dem Transistor 54.

Die erfindungsgemäße Schaltung läßt sich in verschiedener Hinsicht abwandeln und anders ausgestalten. Beispielswelse kann man anstelle der Transistoren 44 und 54 auch anderweitige Einwegleiter-

elemente verwenden. Ferner kann man für die Transistoren 48 und/ oder 54 zusätzliche Vorspann- oder VorStromelemente, beispielsweise eine oder mehrere Dioden vorsehen, um den Schaltvorgang des Transistors 50 noch mehr zu verbessern. In Reihe mit dem Basis-Emitterübergang des Transistors 42 und/oder des Transistors 44 kann man einen ohmschen Widerstand vorsehen, um die Eigenschaften dieser Transistoren noch mehr zu stabilisieren. Schließlich kann man auch anderweitige Bauelemente anstelle der angegebenen Transistortypen verwenden.

BAD ORIGINAL

1Q9P85/1712

Claims (3)

1. - 10 Patentansprüche

   ^ll_j) Stromverstärkungsschaltung· mit einem als Emitterverstärker geschalteten ersten Transistor, mit dessen Basis-Emitterübergang e'ine Stabilisierdiode parallelgeschaltet ist und zwischen dessen Kollektor und Basis eine galvanische Rückkopplung mit dem Basis-Emitterübergang eines zweiten Transistors vorgesehen ist, der an seinem Kollektor den dem Kollektor des ersten Transistors zugeleiteten Eingangsströmen entsprechende Ausgangsströme liefert, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Transistor (48, 48'j 60) mit seinem Basis-Emitterübergang zwischen den Kollektor des ersten Transistors (42, 42'j 58) und den Easis-Emitterübergang des zweiten Transistors (50, SO¹J 62) eingeschaltet und mit seinem Kollektor so geschaltet ist, daß er mit normalem Vorstrom arbeitet, und daß mit dem Basis-Emitterübergang des dritten Transistors, der als Einwegleiter arbeitet, ein weiteres Einwegleiterelement (54, 54¹I 64) antiparallelgeschaltet ist.
2. 2. Stromverstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das weitere Einwegleiterelement (54J 64) eine gleichrichtende Halbleiterdiode ist.
3. 3. Stromverstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Einwegleiterelement (54') durch den Basis-Emitterübergang eines als Kollektorverstärker geschalteten vierten Transistors gebildet wird.

   BAD ORIGINAL

   109885/1712