DK142477B - Tilbagekoblingsstabiliseret forstærker. - Google Patents

Description

142477 i o

Opfindelsen angår en tilbagekoblingsstabiliseret forstærker af den i krav l's indledning angivne art. Sådanne forstærkere er især egnet til anvendelse som audiosig-nalforstærker, opbygget på monolitisk integreret kredsløbs-5 form.

Ved udformningen af elektroniske forstærkerkredsløb, og især hvor sådanne kredsløb er opbygget på monolitisk integreret kredsløbsform, er det fordelagtigt at anvende differentialforstærkeropstillinger. Differentialforstærkere 10 giver et stort antal fordele omfattende anvendelsen af forholdsvis få kondensatorer, undgåelse i stor udstrækning af anvendelsen af modstande med stor værdi, forstærkningens afhængighed af modstandsforhold fremfor absolutte værdier, et bredt frekvensarbejdsområde indeholdende lave audiofrek-15 venser, modtakt- eller enkeltendede indgange og/eller ud gange og stabil funktion.

I forbindelse med sådanne forstærkeres stabilitetsegenskaber er signalforstærkningsstabilitet og hvile- eller DC-niveaustabilitet almindeligvis ønskelig. Der anvendes 20 undertiden modkobling til opnåelse af sådanne resultater.

Af økonomiske grunde er det ønskeligt at kunne tilvejebringe en sådan tilbagekobling ved anvendelse af et minimalt antal afkoblingskondensatorer. I forbindelse med integrerede kredsløb er det også ønskeligt at gøre antallet af termina-25 ler, hvortil der skal forbindes ydre komponenter, såsom afkoblingskondensatorer, mindst muligt.

Hvor forstærkerens indgangstrin er af differential-formen, er det almindeligt at føre signaler til den ene side af differentialopstillingen og tilbagekobling til den 30 anden. I en anden opstilling, som den i amerikansk patent skrift nr. 3.434.069 viste, og som udgør opfindelsens nærmeste forudsætning og udgangspunkt, er den almindelige konstantstrømkildetransistor i forbindelse med differentialforstærkertransistoren erstattet af et Tf -netværk, der 35 indeholder en modstand, der er forbundet mellem differential- transistorernes emittere og et yderligere par strømgenerator- 2

O

U2A77 transistorer, der hver er forbundet mellem emitteren på en af differentialtransistorerne og et referencespændingspunkt. Strømgeneratortransistorerne drives af et enpolet spænding--til-differentialstrømtilbagekoblingstrin til tilvejebrin-5 gelse af den ønskede stabiliserende modkobling fra forstær kerens udgang. Mens en sådan opstilling giver et antal ønskelige egenskaber, medfører den anvendelsen af positive og negative spændingsforsyninger, et forhold, der er uønskeligt ved mange forhold omfattende monolitisk integrerede 10 kredsløb. Endvidere kræver tilbagekoblingsnetværket anvendel se af et betragteligt antal komponenter, både aktive og passive, for at omsætte de enpolede udgangsspændingsvariationer til differentialtilbagekoblingsstrømvariationer.

Ifølge opfindelsen er forstærkeren tillige udformet 15 som angivet i krav l's kendetegnende del. Ved hjælp af den yderligere forspændingsstrømkilde, der har form som en strømforstærker, opnås både den ønskede stabilisering af forstærkerens arbejdspunkt og en passende tilbagekobling, der bestemmer forstærkningsfaktoren, på en enkel og forud-20 sigelig måde. Desuden undgås ved udformningen af forstær keren som et monolitisk integreret kredsløb behovet for særskilte ydre tilslutningskomponenter og tilslutningspunkter med henblik på opnåelse af den ønskede stabilisering.

Opfindelsen forklares i det følgende nærmere under 25 henvisning til tegningen, på hvilken fig. 1 viser et skematisk kredsløbsdiagram for en forenklet differentialforstærker ifølge opfindelsen, og fig. 2 et detaljeret skematisk kredsløbsdiagram for en forstærker ifølge opfindelsen og egnet til opbygning i 30 integreret kredsløbsform.

I det i fig. 1 viste kredsløb føres indgangssignaler, der skal forstærkes, over en indgangsterminal 10 til basiselektroden på en første transistor 12 i et par differential-koblede forstærkertransistorer 12 og 14. Arbejdsstrømmen 35 føres til transistorerne 12 og 14's emittere ved hjælp af en kombination af en første og anden strømstyretransistor 142477 3

O

18 henholdsvis 16 og en tilbagekoblingsmodstand 20. Modstanden 20 er jævnstrømsledende forbundet mellem transistorerne 12 og 14's emittere og mellem transistorerne 16 og 18's kollektorer. Hvilearbejdsstrømmen til transistorerne 5 12 og 14 bestemmes ved hjælp af seriekombinationen af en modstand 22 og dioder, halvlederovergange, 24 og 26, der er forbundet mellem to terminaler, B+ og jord, på en kilde for arbejdsjævnspænding. Dioden 26 er jævnstrømsledende forbundet mellem transistoren 16's basis og emitter til da»*· 10 nelse af en strømforstærker der giver en kollektorstrøm i transistoren 16, der er proportional med strømmen i dioden 26. Arbejdsforspændingen på transistorerne 12 og 14's baser leveres fra forbindelsespunktet mellem modstanden 22 og dioden 24 over forholdsvis store afkoblings·* 15 modstande henholdsvis 28 og 30.

Transistorerne 12 og 14's kollektorstrømme kombineres til dannelse af et enkeltpolet udgangssignal ved hjælp af en strømforstærker 32, der er vist bestående af en diode 34 og en transistor 36, hvor organerne 34 og 36 har samme geo-20 metri og har fælles termiske omgivelser for således at tilvejebringe f.eks. en kopi af transistoren 12's kollektorstrøm ved transistoren 36's kollektor.

En enkeltpolet udgangsdifferensstrøm føres fra transistorerne 14 og 36's indbyrdes forbundne kollektorer til 25 basen på en spændingsfølgerudgangstransistor 38, hvis emitter er forbundet med en udgangsterminal 40. En belastningsmodstand 42 er forbundet mellem udgangsterminalen 40 og referencespændingspunktet, jord, ved hjælp af en diode 44, der sammen med strømstyretransistoren 18 danner en tilbage-30 koblingsstrømforstærker 46.

Et inverteret udgangssignal kan frembringes ved f.eks. at forbinde basis-emitterkredsløbet på en yderligere transistor 48 tværs over dioden 44 og forbinde en belastning 50 mod transistoren 48's kollektor. I dette tilfælde vil geometrien af transistoren 48 og dioden 44 være passende indbyrdes proportionale til tilvejebringelse af den ønskede strømforstærkning.

O

4 U2477

Forstærkerens frekvenskarakteristik bestemmes først og fremmest af kondensatoren 52, der er indskudt i en kapacitetsmultiplicerende tilbagekoblingsvej mellem transistoren 141 s kollektor og basis. Den effektive værdi af konden-5 satoren 52 i forbindelse med den tilhørende modstand, f.eks.

modstanden 30, giver et passende frekvensaffald ifølge den tilsigtede anvendelse af forstærkeren, f.eks. i den øvre del af audiofrekvensspektret, hvor der er tale om audiobrug.

I de integrerede kredsløbsomgivelser påvirker strømforstær-10 keren 46, der er vist som indeholdende NPN-organer, der har en forholdsvis bred frekvenskarakteristik, ikke det samlede kredsløbs frekvenskarakteristik.

Ved funktionen af kredsløbet i fig. 1 bestemmes styre-transistoren 16's hvilekollektorstrøm ved udtrykket 15

t = B+ - 2VBE

16 R22 20 hvor νβΕ er spændingen over hver af dioderne 24 og 26 og typisk er af størrelsesordenen 0,7 volt.

Ser man et øjeblik bort fra transistorerne 14 og 18 og antager, at størmforstærkningen (3 for hver af transistorerne 12 og 16 er forholdsvis høj, og at strømforstærkeren 32 25 giver forstærkningen én, vil transistoren 16's kollektor- strøm ved hjælp af transistoren 12, dioden 34 og transistoren 36 afspejles ved transistoren 36's kollektor. Den resulterende drivning af følgertransistoren 38 vil ved udgangsterminalen 40 frembringe en hvilespænding, der atter omsættes 3Q til en strøm i dioden 44 og modstanden 42.

Den resulterende strøm i dioden 44 kan udtrykkes ved hvileudgangsspændingen VQ0 ved terminalen 40 på følgende måde

_ VOQ “ VBE

35 44 =;- 42

O

5 142477

Ser man et øjeblik bort fra den ved modstanden 20 tilvejebragte forbindelse, hvor dioden 44 og transistoren 18 har samme geometri, så strømforstærkeren 46 giver strømforstærkningen én, vil transistoren 14's kollektorstrøm 5 også i hovedsagen være lig med l44, dvs. I^g = l44· I en forstærker af denne type er det fordelagtigt, om spændingen VQq er ca. lig med den halve forsyningsspænding B+, hvorved der tilvejebringes et i hovedsagen symmetrisk, maksimalt spændingsudgangssving ved terminalen 40 10 som svar på tilførte signaler. Ved indsættelse af værdierne B+/2 for Vqq og I^g for I44 i ovenstående udtryk og ved yderligere at sætte = I^g i det tidligere udtryk ses det, at det ønskede VQq kan opnås ved at vælge R22 lig med den dobbelte værdi af R42· Denne hviletilstand vil oprethol-15 des i kraft af den modkobling, der tilvejebringes over strømforstærkeren 46.

Hvilestrømmen i modstanden 20 vil også være i hovedsagen lig med nul som antaget ved betragtning af de to halvdele af kredsløbet særskilt.

20 Når der leveres indgangssignaler til terminalen 10, vil strømmene i transistoren 12, dioden 34 og transistoren 36 variere tilsvarende. Indgangssignalvariationerne føres også over modstanden 20 til transistoren 14's emitter til frembringelse af en ændring i modsat retning i transistoren 25 14's kollektorstrøm. En resulterende spændingsvariation ved udgangsterminalen 40 i fase med det signal, der leveres til terminalen 10, bevirker en ændring i den tilbagekoblings·» strøm, der leveres af strømforstærkeren 46, i en retning, der søger at bringe strømmene i transistorerne 12 og 14 30 i balance igen, dvs. der tilvejebringes modkobling.

Forstærkerens signalspændingsforstærkning er i hovedsagen bestemt af forholdet mellem modstandene 42 og 20 og strømforstærkeren 46's strømforstærkning, der ovenfor antoges at være én.

35 Forstærkere af denne udformning har vist sig at give forholdsvis lille forvrængning, hvilket i det mindste delvis 142477

O

6 kan tilskrives den kendsgerning, at strømniveauerne i transistorerne 12 og 14 søger at følge hinanden mere end i almindelige differentialforstærkere.

I fig. 2 er kredsløbselementer, der udfører samme 5 funktion som de i fig. 1 viste elementer, angivet ved samme henvisningsbetegnelser som i fig. 1 efterfulgt at et mærke.

I fig. 2 leveres indgangssignaler over terminalen 10' til basen på et par Darlingtonforbundne transistorer 12', der danner den ene side af en differentialforstærker, 10 medens den anden side dannes af Darlingtonforbundne tran sistorer 14'. Arbejdsforspænding leveres ved hjælp af en serieforbundet opstilling af halvlederovergange og modstande forbundet mellem arbejdsspændingsforsyningstermi-nalerne, B+ og jord. Halvlederovergangene er typisk tilveje-15 bragt ved hjælp af transistorer, hvis kollektor- og basis elektroder er kortsluttet. Basis-emitter-spændingsfaldet for Darlingtonopstillingerne 12' og 14' simuleres af de ækvivalente diodeforbundne transistorer 24'.

Et par i hovedsagen ens modstande 22* bestemmer i 20 det væsentlige strømniveauet i forspændingsopstillingen som funktion af niveauet af den tilførte arbejdsspænding, B+ ca. +16 til +40 volt. En pulsationsafvisningskondensator 58 er forbundet med midtpunkt på modstandene 22'.

En stabiliseret spændingsforsyning er også tilvejebragt ved 25 hjælp af en strømkilde 54 forbundet med er. lavine- eller zenerdiode 56.

Modkoblingsmodstande af størrelsesordenen 100 til 400 ohm står i forbindelse med strømforstærkerne 32', 46', strømkilden 54 og strømstyretransistorerne 16' og 18' for at 30 forbedre tilpasningen af strømmene, hvor det ønskes.

Strømforstærkeren 32' er af en anden form end forstærkeren 32 i fig. 1, men tilvejebringer som bekendt samme funktion ved en højere impedans. Forstærkeren 46' er også af en anden form end forstærkeren 46, men er indrettet til 35 at give en strømforstærkning eller et strømtab på en halv ved indføjelse af en transistor uden henvisningsbetegnelse, 7

O

142477 der har et basis-emitterareal, der er to gange basis-emit-terarealet for transistoren 18', som den står i forbindelse med. På lignende måde forholder dioden 26' sig med hensyn til areal til transistoren 16' med en faktor 2. Disse arealforhold 5 er valgt for at tillade anvendelse af højere strømniveauer og følgelig mindre modstandsværdier i forspændingsstrengen i forhold til de ønskede strømme i transistorerne 16' og 18'. Sådanne udformninger er især ønskelige, når det viste kredsløb er opbygget på monolitisk integreret form, efter-]_g som de mindre modstandsværdier i dette tilfælde bevirker en arealbesparelse på den integrerede kredsløbsbrik ("chip").

Yderligere ændringer ved kredsløbet i fig. 2 omfatter tilføjelsen af et kvasikomplementært effektforstærker-udgangstrin 62 omfattende et temperaturkømpenseret, tvær-15 forvrængningsreducerende forspændingsnetværk 60 og en strøm forsyningstransistor 64. Som det er kendt, giver udgangstrinet 62 i hovedsagen forstærkningen én. Transistoren 64 kan forsynes med behørig basisforspænding til tilvejebringelse af i hovedsagen konstant kollektoriidgangsstrøm ved at 20 forbinde terminalen A med den tilsvarende mærkede terminal stødende op til stabiliseringsdioden 56, ved f.eks. en passende diode-modstandskombination af den f.eks. i US patentskrift nr. 3.534.245 viste art.

Et passende belastningskredsløb, såsom en højttaler 25 68, er forbundet med terminalen 40' til udnyttelse af de her frembragte forstærkede signaler. Med de viste kredsløbskomponentværdier opbygget på et integreret kredsløb kan der anvendes en højttaler, der har en nominel impedans i området fra 8 til 32 ohm. En audioudgangseffekt af størrelses-20 ordenen 4 watt kan opnås ved den viste opstilling. En tilsvarende spændingsforstærkning af størrelsesordenen 35 dB tilvejebringes af opstillingen. Det skal bemærkes, at der ikke findes nogen ydre afkoblingskondensatorer i forbindelse med tilbagekoblingskredsløbet.

35

Claims (7)

8 142477 o Patentkrav.

1. Tilbagekoblingsstabiliseret forstærker omfattende a) en første (12) og anden (14) emitterbunden transistor for- g bundet som differentialforstærker, hvilke transistorers (12, 14) hovedstrømveje (kollektor-emitter) er indskudt i parallelle grene i en forspændingsstrømkildes (16) strømkreds , b) en med basis i en (12) af transistorerne forbunden sig-nalindgangsterminal (10), c) en med differentialforstærkeren jævnstrømsforbunden udgangsterminal (40), samt d) en første strømforstærker (32), hvis indgangskreds (basis i 36) er forbundet med en (12) af transistorernes kollek-torkreds, og hvis udgangskreds (kollektor i 36) er forbundet med den anden transistors (14) kollektorkreds, kendetegnet ved e) en yderligere forspændingsstrømkilde i form af en anden strømforstærker (46), hvis indgang gennem en modstand (42) 2Q er forbundet med differentialforstærkerens udgangsterminal (40) og hvis udgang er forbundet med den første (12) og den anden (14) transistors hovedstrømveje på en sådan måde, at der tilvejebringes negativ tilbagekobling til differentialforstærkeren.

2. Forstærker ifølge krav 1, kendetegnet ved, a) at den anden strømforstærker (46) yderligere omfatter mindst én halviederovergang (44) forbundet i serie med modstanden (42) mellem udgangsterminalen (40) og et punkt med referencepotential fælles med en første strømstyretransistor (18), og b) at den første strømstyretransistor (18) indeholder en basis--emitterovergang, der er forbundet tværs over halviederovergangen (44), og en kollektorelektrode som den anden strømforstærkers (46) udgang til deri at frembringe en 3 5 udgangsstrøm, der er proportional med den i halvleder-overgangen (44) frembragte tilbagetilkoblingsstrøm. 9 142477 o

3. Forstærker ifølge krav 2, kendetegnet ved, at strømudgangssignalet, der frembringes ved den første strømstyretransistors (18) kollektorelektrode, indeholder jævnstrøms- og signalafhængige komposanter.

4. Forstærker ifølge krav 2,kendetegnet ved, a) at den første (12) og den anden (14) differentialforstærkertransistors emitterelektroder er jævnstrømsforbundet med hinanden, oq 10 b) at den førstnævnte forspændingsstrømkilde udgøres af en anden strømstyretransistor (16), idet kollektor-elektroderne i den første (18) og den anden (16) strømstyretransistor er jævnstrømsforbundet med emitterelek- troderne i differentialforstærkertransistorerne 15 (12, 14) .

5. Forstærker ifølge krav 4, kendetegnet ved, at differentialforstærkertransistorernes (12, 14) emitterelektroder hver især er jævnstrømsforbundet med en kollektorelektrode i en tilsvarende af de to styretran- 20 sistorer (16, 18) og er jævnstrømsforbundet med hinanden ved hjælp af en emitterforbindelsesmodstand (20).

6. Forstærker ifølge krav 2, kendetegnet ved, at den førstnævnte forspændingsstrømkilde omfatter en seriekombination af en anden modstand (22) 25 og mindst én halviederovergang (26), hvilken sidstnævnte overgang er forbundet over en basis-emitterovergang i den anden strømstyretransistor (16), idet den første (42) og den anden (22) modstand er proportionale til tilvejebringelse af en forud fastlagt hvilespændings-30 tilstand ved udgangsterminalen (40).

7. Forstærker ifølge krav 6, kendetegnet ved, 35