DE2840937C2

DE2840937C2 - Integrierter gegengekoppelter Verstärker

Info

Publication number: DE2840937C2
Application number: DE19782840937
Authority: DE
Inventors: Gerhard 8200 Rosenheim Krause
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-09-20
Filing date: 1978-09-20
Publication date: 1986-09-25
Also published as: DE2840937A1

Description

Die Erfindung betrifft einen integrierten gegengekoppelten Verstärker und insbesondere einen Stromverstärker, mit wenigstens zwei Verstärkerstufen, wobei ein Gegenkopplungszweig vom Verstärkerausgang auf den Verstärkereingang geführt und ein aktives Element der letzten Verstärkerstufe in seinem Ausgangskreis derart aufgeteilt ist, daß ein Teilstrom des Ausgangsstroms in den Gegenkopplungszweig und ein Teilstrom in den Verstärkerausgang geführt ist, nach Patent 25 49 667.

Ein derartiger Verstärker ist z. B. auch in »Electronics Letters«, 10. Juni 1976, Vol. 12, Nr. 12, Seiten 315 und 316, beschrieben.

Bei diesem bekannten Verstärker wird anstelle passiver Bauelemente ein Stromteiler als Gegenkopplungsglied verwendet.

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, einen Verstärker der eingangs genannten Art mit erweitertem Stromteilerprinzip anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 5 gelöst.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigen

F i g. 1 bis 5 Schaltbilder verschiedener Ausführungsbeispiele der Erfindung,

F i g. 6 einen Schnitt eines Verstärkers nach der Erfindung und

Fig.7 das Schaltbild zum Ausführungsbeispiel der Fig. 6.

In F i g. 1 wird der zu verstärkende Eingangsstrom /, in einem nicht gegengekoppelten Verstärker Vi eingespeist dsr zusätzlich mit einer positiven bzw. negativen Spannungsquelle 10 bzw. 11 verbunden ist. Der Ausgang des Verstärkers Vi ist mit der Basis eines Transistors Ci verbunden, an dessen Emitter der Ausgangsstrom /0 über einen Anschluß 3 abnehmbar ist. Der Kollektor a des Transistors Ci ist mit dem Emitter eines weiteren Transistors C₂ verbunden, während der Kollektor b des Transistors Ci einerseits an einen Anschluß 2 für die Betriebsspannung und andererseits an den KoI-lektor b des Transistors C₂ angeschlossen ist. An der Basis des Transistors C₂ liegt eine feste Basisvorspannung. Der Kollektor a des Transistors C₂ ist schließlich zum Eingang des Verstärkers Vi zurückgeführt.

Mit der Schaltung der F i g. 1 sind die Teilungsfaktoren von Stromteilern multiplizierbar.

F i g. 2 zeigt ein ähnliches Ausführungsbeispiel wie F i g. 1, bei dem aber ein PNP- und ein NPN-Stromteiler verwendet werden, deren Stromteilerfaktoren sich multiplizieren.

Beim Ausführungsbeispiel der F i g. 1 kann auch die erste Teilerstufe (Ct) in Basisschaltung betrieben werden. Ebenso kann beim Ausführungsbeispiel der F i g. 2 die erste Teilerstufe (Ci) in Emitterschaltung arbeiten. Dabei wird vorausgesetzt, daß das Vorzeichen des vom Verstärker Vi gelieferten Stromes dieser Änderung angepaßt wird.

Nach diesen Prinzipien können beliebig viele Stromteiler in Reihe geschaltet werden.

Die F i g. 3 zeigt eine Schaltung mit einem Mehrfachstromteiler mit zwei Transistoren T₁, T₂ als erster Verstärkerstufe. Der Emitter des Transistors T₂ ist dabei mit der Basis eines Transistors C₁' verbunden, über dessen Kollektor a₂ eine frequenzmäßige Gegenkopplung über Widerstände A₁, A₂ und einen Kondensator C erfolgt. Der Verstärker erhält hierdurch eine Hochpaßcharakteristik. Im Durchlaßbereich dieses Hochpasses hat der Kollektor a₂ nahezu keinen Einfluß auf den Verstärkungsfaktor, da dieser durch den Kollektor ai bestimmt wird.

Das Prinzip kann auf mehr als zwei Stromteilerkanäle ausgedehnt werden. Weiterhin ist es vorteilhaft, statt frequenzabhängige Glieder nichtlineare Glieder in den Stromteüerkanälen anzuordnen.

Die F i g. 4 zeigt eine Schaltung, bei der das Signal vom Verstärker Vi, der einen Stromteiler im Gegenkopplungsweg besitzt, nicht direkt auf einen Lastwiderstand R₃ gegeben wird, sondern zuerst über einen Transistor Γ fließen muß. Hierdurch arbeitet der Verstärker auf den niedrigen Diffusionswiderstand des Transistors T. Somit wird die Verringerung der Grenzfrequenz durch die Miller-Kapazität (Kollektor-Basis-Kapazität des ersten Transistors im Verstärker Vi) klein gehalten. Wesentlich ist, daß die Basis des Transistors Tdirekt an die Betriebsspannung von z. B. +15 V angeschlossen ist, während der Kollektor über einen Kondensator 5 von z. B. 1 nF und einen Anschluß 6 mit der nächsten Verstärkerstufe verbunden ist Somit ist die mittlere Basisspannung gleich oder größer als die Kollektorspannung. Auf diese Weise wird nicht nur der Basisspannungsteiler sowie ein Abblockkondensator an der Basis eingespart, sondern auch ein sehr leistungsfähiger Begrenzer erhalten. Die maximale Amplitude der am Schwingkreis aus dem Lastwiderstand R₃, einem Widerstand R₃ und einem Kondensator 7 stehenden Hochfrequenzspannung beträgt 0,5 V. Durch einen Serienwiderstand in der Basisleitung kann dieser Wert vergrößert und durch einen Serienwiderstand in der Kollektorleitung verkleinert werden.

In der Fig.5 ist eine ähnliche Schaltung mit einem PNP-Transistor T'dargestellt. Die Eingangssignalquelle ist hier eine Fotodiode FD. Wesentlich ist nun, daß parallel zum Eingang des Verstärkers Vi Dioden Di... D19 angeordnet sind. Die Vorspannung, die über einen Widerstand R% von Spannungsteiler R\, R-ί an die Dioden Di ... Ag gelegt wird, ist kleiner als die Summe der Schwellspannungen dieser Dioden Di ... D19. Im Dunkeln leiten die Dioden Di ... Di₉ also nicht. Fällt aber außer dem schwachen modulierten Nutzsignal unerwünschtes Tages- oder Lampenlicht auf die Fotodiode FD, dann wird der Spannungsabfall am Widerstand RJ so groß, daß die Dioden Di ... D19 zu leiten beginnen. Der vom Tageslicht gelieferte Fotostrom wird also über die Dioden Di... Di₉ nach Masse abgeleitet. Die Empfindlichkeit für das Nutzsignal geht um den Faktor

kT
zurück. Dabei ist

+ 1

e die Elementarladung,

/ der Strom durch die Dioden

k die Boltzmann- Konstante,

T die absolute Temperatur.

i... D1

b) Über den Eingangsstromanschluß können Störspannungen eingestreut werden.

c) Der Eingangsstromanschluß vergrößert die Eingangskapazität des Verstärkers.

Desvegen wird bei der Erfindung der Eingangsgleichstrom nicht über eine galvanische Verbindung zugeführt, sondern von einem kleinen, in der Nähe befindlichen Injektor / injiziert Die F i g. 6a zeigt die Schnittzeichnung solch eines integrierten Verstärkers, die F i g. 6b das entsprechende Schaltbild. Mit Hilfe von Widerständen Ri", R2" wird der Injektor / relativ zum Substrat Sin Flußrichtung vorgespannt Es werden Minoritätsträger (Löcher) in das Substrat 5 injiziert. Ein Teil dieser Minoritätsträger diffundiert zur Fotodiode FD und liefert hier den gewünschten Eingangsstrom. Der Koppelfaktor, d. h. das Verhältnis injizierter Minoritätsträgerstrom zu von der Fotodiode FD empfangener Minoritätsträgerstrom, wird verhältnismäßig klein gewählt (S 0,1). Dadurch wird der Widerstand R\ klein. Einstreuungen von Störspannungen auf den Injektoranschluß werden stark gedämpft. Ein Anschluß am Eingang des Verstärkers entfällt vollkommen, so daß auch keine Kapazitätsprobleme auftreten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Der Rückgang der Empfindlichkeit ist zwar nicht erwünscht, er ist aber eher zu akzeptieren als ein vollständiges Versagen des Verstärkers aufgrund der Übersteuerung durch den unerwünschten Fotostrom.

Beim Einsatz von Stromverstärkern — besonders für die Verstärkung von sehr schwachen, aber breitbandigen Fotoströmen bei der Lichtleiterübertragung — ist es notwendig, dem Verstärker einen kleinen Eingangsgleichstrom zuzuführen (z.B. « 10OnA), damit die Übertragungsbandbreite des Verstärkers ausreichend groß ist. Führt man diesen Strom in konventioneller Weise über einen Widerstand zu, dann hat das mehrere Nachteile:

a) Der Widerstandswert ist sehr groß (« 100 MOhm).

Claims

Patentansprüche:

1. Integrierter gegengekoppelter Verstärker, insbesondere Stromverstärker, mit wenigstens zwei Verstärkerstufen, wobei ein Gegenkopplungszweig vom Verstärkerausgang auf den Verstärkereingang geführt und ein aktives Element der letzten Verstärkerstufe in seinem Ausgangskreis derart aufgeteilt ist, daß ein Teilstrom des Ausgangsstroms in den Gegenkopplungszweig und ein Teilstrom in den Verstärkerausgang geführt ist, nach Patent 25 49 667, dadurch gekennzeichnet, daß dem aktiven Element (Ci) der letzten Verstärkerstufe (Ci, C₂) ein weiteres aktives Element (C2) nachgeschaltet ist

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einem der aktiven Elemente (C₁, C₂) eine feste Betriebsspannung zugeführt ist

3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven Elemente (C₁, C₂) Transistoren mit Mehrfach-Kollektoren sind.

4. Verstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren gleichen oder unterschiedlichen Leitungstyp aufweisen.

5. Integrierter gegengekoppelter Verstärker, insbesondere Stromverstärker mit wenigstens zwei Verstärkerstufen, wobei ein Gegenkopplungszweig vom Verstärkerausgang auf den Verstärkereingang geführt ist und wobei ein aktives Element der letzten Verstärkerstufe in seinem Ausgangskreis derart aufgeteilt ist, daß ein Teilstrom des Ausgangsstroms in den Gegenkopplungszweig und ein Teilstrom in den Verstärkerausgang geführt ist, nach Patent 25 49 667, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Element ein Transistor (C₁') mit einem Dreifach-Kollektor ist, wobei der erste Kollektor direkt und der zweite Kollektor über ein RC-Glied auf den Verstärkereingang rückgeführt ist, während am dritten Kollektor eine feste Betriebsspannung liegt.

6. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsstrom einer Verstärkerstufe über einen Transistor (T) einem Lastwiderstand (R_a) zugeführt ist.

7. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangssignalquelle eine Fotodiode (FD) ist, und daß parallel zum Eingang der ersten Verstärkerstufe eine Reihenschaltung aus Dioden (Di bis Di₉) angeordnet ist.

8. Verstärker nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorspannung über einen Widerstand (R3) von einem Spannungsteiler (A₁, R₂) an die Dioden (Di bis D₁₉) gelegt ist.

9. Verstärker nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung kleiner als die Summe der Schwellenwertspannungen der Dioden (Di bis D₎₉) ist.