DE3325489A1

DE3325489A1 - Kaskodeverstaerker

Info

Publication number: DE3325489A1
Application number: DE19833325489
Authority: DE
Inventors: Takashi Yokohama Koga
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1982-07-15
Filing date: 1983-07-14
Publication date: 1984-02-09
Also published as: GB2126031A; GB8318775D0; JPS5913407A

Abstract

Ein Kaskodenverstärker enthält eine erste Kaskodenverstärkerschaltung (20) und eine zweite Kaskodenverstärkerschaltung (30) sowie einen Spannungsteiler (40). Die erste Kaskodenverstärkerschaltung (20) besteht aus einem ersten NPN-Transistor (Q ↓1) und einem PNP-Transistor (Q ↓2). Die zweite Kaskodenverstärkerschaltung (30) besteht aus einem dritten NPN-Transistor (Q ↓3) und einem vierten PNP-Transistor (Q ↓4). Der Spannungsteiler (40) besitzt einen ersten und einen zweiten Widerstand (R ↓1 ↓1, R ↓1 ↓2) und vermag dieselbe Vorspannung an die Basiselektroden des zweiten und vierten PNP-Transistors (Q ↓2, Q ↓4) zu legen.

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Kaskodeverstärker, insbesondere einen Kaskodeverstärker, der bei niedriger Versorgungsspannung mit einer stabilen Ausgangsgleichspannung arbeitet.

Es werden derzeit immer mehr Geräte, beispielsweise MAZ-Kameras (Magnetbandaufzeichnungs-Kameras), entwickelt, die mit einer niedrigen Versorgungsspannung arbeiten.- Im allgemeinen weist eine mit niedriger Versorgungsspannung arbeitende elektronische Schaltung einen nur schmalen dynamischen Bereich für die Signalübertragung auf. Der gesamte dynamische Bereich läßt sich erfolgreich vergrößern, wenn man in einer solchen elektronischen Schaltung einen Kaskodeverstärker verwendet. Ein Beispiel eines solchen Kaskodeverstärkers ist in Fig. 1 dargestellt. Dieser Typ von Kaskodeverstärker enthält grundsätzlich einen NPN-Transistor und einen PNP-Tr.ansistor in Kaskodeschaltung. Der in Fig. 1 dargestellte Kaskodeverstärker enthält eine erste Kaskodeverstärkerschaltung, die aus einem NPN-Transistor Q₁ und einem PNP-Transistor Q2 besteht, und eine zweite Kaskodeverstärkerschaltung, die aus einem NPN-Transistor Q₃ und einem PNP-Transistor Q. besteht und in Serie zu der ersten Kaskodeverstärkerschaltung geschaltet ist. Der mit dem Kaskodeverstärker nach Fig. 1 erzielbare dynamische Bereich ist etwa zweimal so breit wie der eines Emitterschaltungs-Verstärkers bei gleicher Versorgungsspannung. Weiterhin ist wegen der Kaskodeverschaltung der ersten und der zweiten Kaskodeverstärkerschaltung die Spiegelwirkung des Verstärkers extrem schmal. Der Kaskodeverstärker läßt sich daher sehr wirksam in einer von einer niedrigen Versorgungsspannung gespeisten elektronischen Schaltung einsetzen.

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Die Verstärkung G₂_„ zwischen dem Basisanschluß P. des PNP-Transistors Q₂ und einem Ausgangsanschluß 2 sowie die Verstärkung G, _n zwischen dem Basisanschluß P- des PNP-Transistors Q. und dem Ausgangsanschluß 2 ergeben sich bei Vernachlässigung der Emitterwiderstände der genannten Transistoren wir», folgt:

R,-R
r ^ύ ^b

(1 \ 2-0 R₀- R, ...VN

^G4-0 R^" -..(2)

Um einen dynamischen Bereich zu erhalten, der auch unter der vorgegebenen niedrigen Versorgungsspannung ⁺V_CC breit ist, müssen die Werte der in dem Kaskodeverstärker verwendeten Widerstände R₂ und Rr folgenden Bedingungen genügen:

R₂ « R₁/ R₃ ·.·(3)

R₅ « R₄, R ... (4)

Wenn die Widerstände R₀ und R_r Werte haben, die den Be-Ziehungen (3) und (4) entsprechen, werden die Verstärkung G₂_₀ und die Verstärkung G. _Q sehr groß. Die Beziehungen (3) und (4) sollen im Folgenden detaillierter erläutert werden. Um den dynamischen Bereich der aus den Transistoren Q₁ und Qp bestehenden ersten Kaskodeverstärkerschaltung breiter zu machen, ist es nötig, das Basispotential des PNP-Transistors Q₂ auf ein höheres Potential einzustellen. Das heißt: Um zu verhindern, daß der Transistor Q₂ gesättigt wird, sollte sein Basispotential höher gehalten werden. Der Spannungsabfall am Widerstand R- erzeugt jedoch einen unerwünschten Einfluß auf den großen

dynamischen Bereich der ersten Kaskodeverstärkerschaltung. Daher sollte diese Spannung so weit wie möglich abgesenkt werden. Hierzu muß der Widerstand R₂, der das Emitterpotential· des Transistors Q₂ bestimmt, einen niedrigen Widerstandswert besitzen. Da nämlich der den Widerstand R^ durchfließende Strom konstant ist, läßt sich ein kleiner Spannungsabfall dadurch realisieren, daß man einen kleinen Widerstandswert für den Widerstand R₉ vorsieht. Hierdurch erzielt man die oben angegebenen Beziehungen R₂ << R., R₃ sowie R₅ << R₄, R_g, wobei letztere Beziehung in ähnlicher Weise erreicht wird wie die erstgenannte Beziehung. Demzufolge lassen sich also vorteilhaft beträchtlich höhere Verstärkungen G₂__Q und G,__Q realisieren.

Dennoch haftet der Schaltung ein Nachteil an: Da die Basisvorspannungswiderstände R₇, Rq, Rq und R_1n des Kaskodever stärkers jeweils eine Widerstandswert-Toleranz von beispielsweise + 5 bis 1% aufweisen, unterliegt die Ausgangs-Gleichspannung des Verstärkers unvermeidlich beträchtlichen Schwankungen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kaskodeverstärker zu schaffen, der den oben erwähnten Nachteil nicht aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

In dem Kaskodeverstärker, der mehrere in Reihe geschaltete Kaskodeverstärkerschaltungen aufweist, die jeweils aus einem NPN-Transistor und einem PNP-Transistor bestehen, wird von einem einzigen Spannungsteiler eine Basisvorspannung an den PNP-Transistor jeder Kaskodeverstärkerschal tung gegeben. Der Kaskodeverstärker kann daher eine stabile Ausgangs-Gleichspannung aufweisen, einfach

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ο Z j 4 ο J

aufgebaut werden und bei niedriger Versorgungsspannung arbeiten.

Bei dem erfindungsgemäßen Kaskodeverstärker ist die Basis-Vorspannungsschaltung an die beiden Basiselektroden des zweiten und des vierten Transistors angeschlossen. Folglich wird die Ausgangs-Gleichspannung kaum von Schwankungen der der Basis des ,Transistors in jeder Kaskodeverstärkerschaltung zugeführten Vorspannung beeinflußt. Daher können die Bauelemente des Verstärkers relativ große Toleranzen aufweisen, was den Entwurf des Verstärkers vereinfacht. Da gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ein einziger Spannungsverstärker zur Abgabe einer gemeinsamen Vorspannung verwendet wird, lassen sich die Bauelementwerte leicht festlegen, ohne daß die Eingangs-Ausgangs-Kennlinie des Kaskodeverstärkers abträglich beeinflußt wird.

Im Folgenden v/erden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltungsskizze eines einem älteren

Vorschlag entsprechenden Kaskodoverstärkcrs,

Fig. 2 eine Schaltungsskizze einer bevorzugten

Ausführungsform eiines zweistufigen Kaskodeverstärkers gemäß der Erfindung/

Fig. 3 eine Schaltungsskizze einer modifizierten Ausführungsform des in Fig. 2 gezeigten

Kaskodeverstärkers/ und

Fig. 4 einen modifizierten Spannungsteiler/ der in dem erf indung:jgemäße η Ka:,ko'l'!Vf;t :A.'ir V.nr eingesetzt werden kann.

Fig. 2 zeigt einen Kaskodeverstärker gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Gleiche und ähnliche Teile wie in Fig. 1 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der in Fig. 2 dargestellte Kaskodeverstärker besteht aus zwei Kaskodcverstärkerschaltungen 20 und 30. Die erste Kaskodevorut.lrkerschaltung 20 enthält einen ersten Transistor Q₁ des einen Leitungstyps (zum Beispiel ist in dieser Ausführungsform ein NPN-Transistor vorgesehen), einen zweiten Transistor Q~ des entgegengesetzten Leitungstyps (in diesem Beispiel ist es ein PNP-Transistor) und Widerstände R., R» und R^. Der Emitter des ersten NPN-Transistors Q. ist über den Widerstand R. geerdet. Sein Kollektor ist über den Widerstand R₂ an eine Spannungsquelle angeschlossen, die eine niedrige Versorgungsspannung ⁺V abgibt. Die Basis des NPN-Transistors Q₁ ist an einen Eingangsanschluß 3 angeschlossen, um ein Eingangssignal S.. zu empfangen. Der Emitter des zweiten PNP-Transistors Qp ist an einen Verbindungspunkt zwischen dem Kollektor des Transistors Q₁ und dem Widerstand R₂ angeschlossen.

Der Kollektor des PNP-Transistors Q₂ ist über den Widerstand R^ geerdet.

Die andere Kaskodeverstärkerschaltung 30 enthält einen dritten Transistor Q₃ des einen Leitungstyps (hier ist es ein NPN-TransLstor), einen vierten Transistor Q, des entgegengesetzten Leitungstyps (hier ist es ein PNP-Transistor) , und Widerstände R,, R₅ und Rg. Der Emitter des dritten NPN-Transistors Q-, ist über den Widerstand R4 geerdet, sein Kollektor liegt über den Widerstand Rj an der Spannungsquelle ⁺V_CC· Die Basis dieses Transistors Q-. ist an den Ausgangsanschluß 4 der ersten Kaskodeverstärkerschaltung 20 angeschlossen, das heißt an einen Verbindungsknoten zwischen dem Kollektor des zweiten Transistors Q₂ und dem Widerstand R₃, um von der ersten Kaskodeverstärkerschaltung 20 das Ausgangssignal

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zu empfangen. Der Emitter des PNP-Transistors Q. ist an einen Verbindungsknoten zwischen dem Kollektor des Transistors Q_ und dem Widerstand R_r angeschlossen. Der Kollektor des PNP-Transistors Q. ist über den Widerstand R, geerdet. Ein Verbindungspunkt zwischen dem Kollektor des Transistors Q₄ und dem Widerstand R_fi ist an einen Ausgangsanschluß 5 angeschlossen", - an den ein Aasgangssignal Sy geliefert wird.

Der Kaskodeverstärker enthält außerdem einen Spannungsteiler 40, der derart ausgebildet ist, daß er identische Vorspannungen an die beiden Basen der PNP-Transistoren Q₂ und Q, gibt. Wie Fig. 2 zeigt, besteht der Spannungsteiler 40 aus zwei in Reihe geschalteten Widerständen R₁₁ und R₁₂' ^D;"-^{e Basen} der Transistoren Q_? und Q. sind an einen gemeinsamen Verbindungsknoten P-. zwischen diesen Widerständen R₁₁ und R₂ angeschlossen. Somit legt der Spannungsteiler 40 ein und dieselbe Vorspannung V_y sowohl an die Basis des zweiten PNP-Transistors Q^ der Kaskodeverstärkerschaltung 20 als auch an die Basis des vierten PNP-Transistors Q. der Kaskodeverstärkerschaltung 30.

Das über den Eingangsanschluß eingespeiste Eingangssignal S₁ wird zuerst von der ersten Kaskodeverstärkerschaltung 20 um einen vorgegebenen Verstärkungsfaktor und dann von der zweiten Kaskodeverstärkerschaltung 30 um einen vorgegebenen Verstärkungsfaktor verstärkt. Hierdurch wird von dem Ausgangsanschluß 5 ein Ausgangssignal S~ abgegeben.

Im Folgenden soll die Wirkungsweise des Kaskodeverstärkers nach Fig. 2 erläutert werden:

Die Verstärkung G _Q zwischen dem Verbindungspunkt P₃ und dem Äusgangsanschluß 5 ergibt sich wie folgt: 35

-7 /Q

ο ο L ο 4 ο

_G - Irh. - A

Die Gleichung (5) zeigt, daß man die Verstärkung Gq durch Subtrahieren des zweiten Terms auf der rechten Seite von dem ersten Terra- auf der rechten Seite erhält. Wenn also die Beziehung

^{3 6} - ⁶ ...(6)

R- R₄ R₁.
2 4 5

gilt, ergibt sich die Verstärkung G _Q wie folgt:

^GB-0

In anderen Worten: Wenn die Werte der Widerstände R~ bis R_fi der Beziehung (6) genügen, heben sich der erste und der zweite Term auf der rechten Seite in Gleichung (5) gegenseitig auf. In diesem Fall wird die am Ausgangsanschluß 5 auftretende Ausgangs-Gleichspannung von der Vorspannung V praktisch nicht beeinflußt und ist daher sehr stabil.

Es kann vorkommen, daß selbsb dann, wenn die gewünschte Eingangs-Ausgangs-Kennlinie, das heißt die gewünschte Verstärkung und der dynamische Bereich in dem Kaskodeverstärker nach Fig. 2 erzielt werden, die Widerstandswerte der Widerstände R₀ bis R- die Bedingung (6) nicht erfüllen können. Die handelsüblxchen Widerstände besitzen feste Widerstandswerte, zum Beispiel 1 kfl, 2,2 kQ, 3,3 k„Q, usw. Verwendet man für die Widerstände R₂ bis R₆ handelsübliche Widerstände, so läßt sich die Beziehung (7) nicht immer erfüllen. In diesem Fall kann man den Spannungsteiler 40 durch den in Fig. 3 gezeigten Spannungs-

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teiler 50 ersetzen. Der Spannungsteiler 50 besteht aus drei Widerständen R₁O/ R₁/ ^und R₁C/ die in Reihe geschaltet sind. Der Spannungsteiler 50 liefert zwei unterschiedliche Vorspannungen V_ß1 und V₂. ^Di^e eine Vorspannung V_ß1 wird von einem Verbindungsknoten P. zwischen den Widerständen R-- und R₁₄ an die Basis des zweiten PNP-Transistors Q„ gegeben. Die andere Vorspannung V_n_ wird von einem Verbindungsknoten P₁- zwischen den Widerständen R₁₄ und R₁₅ an die Basis des PNP-Transistors Q. gegeben. Die übrige Schaltung dieser zweiten Ausführungsform des Kaskodeverstärkers unterscheidet sich nicht von der der ersten Ausführungsform. Die Widerstandswerte der Widerstände R₁₃/ R₁₄ und R₁C genügen folgender Beziehung:

R₁₄ « R₁₃₇ R₁₅ ...(8)

Vorzugsweise ist das Verhältnis zwischen dem Viert des Widerstands R₁₄ und dem Wert des Widerstands R₁-, oder des Widerstands R₁₁- beispielsweise 1/10 oder weniger. Da zwei unterschiedliche Vorspannungen V . und V₂ verwendet werden, lassen sich der linke und der rechte Term in der Gleichung (6) einander annähern, ohne daß die Eingangs-Ausgangs-Kennlinie des Kaskodeverstärkers nach Fig. 3 abträglich beeinflußt wird.

Der in Fig. 3 gezeigte Kaskodcverstärker hat den Vorteil/ daß die Ausgangs-Gleichspannung am Ausgangsanschluß jeden beliebigen Pegel haben kann, der für eine an den Ausgangsanschluß 5 angeschlossene (nicht gezeigte^ Schaltung geeig- net ist. Insbesondere kann der Spannungsteiler 50 dazu dienen, eine Ausgangs-Gleichspannung bereitzustellen, die sich für die nächste Schaltungsstufe eignet.

In teilweiser Abwandlung der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele ist es möglich, den in Fig. 4 dargestellten

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Spannungsteiler einzusetzen, der anstelle des Widerstandswertes des in Fig. 3 gezeigten Widerstands R₁₄ Gebrauch macht von dem Durchlaßwiderstand einer Diode D.

Obschon die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele lediglich zwei Kaskodevers.tärkerschaltungen 20 und 30 enthalten, können auch drei oder noch mehr Kaskodeverstärkerschaltungen vorgesehen sein, die genauso verschaltet sind, wie es die Fig. 2 und 3 zeigen, so daß dadurch andere Kaskodeverstärker gebildet werden..

Die Transistoren Q₁ bis Q, brauchen nicht Bipolartransistoren zu sein, sie können auch als Unipolartransistoren, beispielsweise Feldeffekttransistoren, ausgebildet sein.

Wie man aus der Beschreibung leicht entnimmt, müssen, wenn man für die Transistoren Q₁ und Q₃ NPN-Transistoren nimmt, für die Transistoren Q₂ und Q^ als Transistoren vom entgegengesetzten Leitungstyp PNP-Transistoren verwendet werden, und umgekehrt.

In der Schaltung nach Fig. 3 ist die Basis des zweiten Transistors Q₂ an den gemeinsamen Verbindungsknoten P, angeschlossen, so daß sie die Basisvorspannung V_ß1 empfängt. Es ist jedoch auch möglich, daß die Basis dieses Transistors an den anderen gemeinsamen Verbindungsknoten P₅ angeschlossen ist, damit sie die Basisvorspannung. V .. empfängt, während dann die Basis des vierten Transistors Q4 an den gemeinsamen Verbindungsknoten P^ angeschlossen ist.

Leerseite

Claims

Patentansprüche

1Λ Kaskodeverstärker, dadurch gekennzeichnet , daß mindestens eine erste Kaskodeverstärkerschaltung (20) und eine zu der ersten Kaskodeverstärkerschaltung (20) in Reihe geschaltete zweite Kaskodeverstärkerschaltung (30) vorgesehen sind, daß die erste Kaskodeverstärkerschaltung (20) einen ersten Transistor (Q.) des einen Leitungstyps und einen zweiten Transistor (Q-) des dem einen Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyps enthält, daß die zweite Kaskodeverstärkerschaltung (30) einen dritten Transistor (Q₃) des einen Leitungstyps und einen vierten Transistor (Q₄) des entgegengesetzten Leitungstyps enthält und daß an die Basen des zweiten und des vierten Transistors (Q₀, Q_Ä) eine einzige Basisvorspannungsschaltung angeschlossen ist, die die Basen mit einer vorbestimmten Vorspannung speist.
2. Kaskodeverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Basisvorspannungsschaltung einen Spannungsteiler (40) mit einem ersten Widerstand (R- Λ und einem an den ersten Widerstand (R-I

Radedtestraße 41 8C00 München 60 Telolon (089) 883603/88560·* Telex 5212313 Telegramme Patenlconsult Sonnenberger Slrafle 43 6200 Wiesbaden Telefon (0A171) 5Α2943/5Λ1998 Trio» nnf>m Toionr«™» p«ion(^n

über einen gemeinsamen Knoten angeschlossenen zweiten Widerstand (R₁₂) aufweist, und daß der gemeinsame Knoten (P₃) an die beiden Basen des zweiten und des vierten Transistors (Q₅, Q₄) angeschlossen ist, um den Basen die vorbestimmte Vorspannung zuzuführen.
3. Kaskodeverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Basisvorspannungsschaltung aus einem Spannungsteiler (50) besteht, bei dem ein erster, ein zweiter und ein dritter Widerstand (R₁3/ ^R14' ^R15^ "**^{n Re;}i-k^e geschaltet sind, daß der zweite Widerstand (R₁₄) einen Widerstandswert hat, der kleiner ist als derjenige des ersten und des dritten Widerstands (R₁₃* R₁₅)/ wodurch die gegebene Vorspannung (V₁) von einem der gemeinsamen Knoten (P₄; P₅) zwischen dem ersten und dem zweiten Widerstand (R₁-I, R₁4) und zwischen dem zweiten und dem dritten Widerstand (R₁₄; R-15) ^an die Basis des zweiten Transistors (Q₂) gelegt wird, und die gegebene Vorspannung (V„~) von dem anderen der gemeinsamen Knoten (P₄; P₅) an die Basis des vierten Transistors (Q₄) gegeben wird.
4. Kaskodeverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Basisvorspannungsschal- tung aus einem Spannungsteiler besteht, bei dem ein erster Widerstand (R₁₃), ein zweiter Widerstand (R₁₅) und eine zwischen dem ersten und dem zweiten Widerstand (R₁O/ R₁C-) liegende Diode (D) in Reihe geschaltet sind, wodurch die gegebenen Vorspannungen von einem ersten gemeinsamen Knoten (P4) zwischen dem ersten Widerstand (R₁₃) und der Diode (D) sowie einem zweiten gemeinsamen Knoten (P₅) zwischen der Diode (D) und dem zweiten Widerstand (R₁₅) an die Basen des zweiten bzw. des vierten Transistors (Q₂, Q₄) gegeben werden.

1 5. Kaskodeverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß der erste, der zweite, der dritte und der vierte Transistor Bipolartransistoren sind, und daß der zweite und der vierte
5 Transistor PNP-Transistoren sind.