NL8004358A

NL8004358A - Verdubbelingsversterker in gemeenschappelijke emitterschakeling met voorwaarts bestuurde versterker.

Info

Publication number: NL8004358A
Application number: NL8004358A
Authority: NL
Original assignee: Tektronix Inc
Priority date: 1979-08-03
Filing date: 1980-07-30
Publication date: 1981-02-05
Also published as: JPS6141163B2; DE3029316C2; FR2462817A1; NL189585C; NL189585B; JPS5656016A; DE3029316A1; GB2059207B; FR2462817B1; GB2059207A; US4267516A; CA1133594A

Description

. 8032^ VTi/AA/TH ». -

Korte aanduiding: f verdubbelingsversterker in gemeenschappelijke emitterschakeling met voorwaarts bestuurde versterker.

De uitvinding heeft betrekking op een f^ cascade-verdubbelingstransistorversterker in gemeenschappelijke emitterschakeling met een voorwaartse sturingsweg voor niet-lineairiteits-en thermische verstoringscorrectie.

5 Cascadetransistorversterkers met gemeenschappelijke emitters worden veel toegepast in oscilloscopen en andere precisie-meetinstrumenten met een grote werkzame bandbreedte. Een dergelijke transistorversterker in gemeenschappelijke emitterschakeling, waarbij de fT karakteristiek in hoofdzaak verdubbeld is, is beschreven in 10 het Amerikaanse octrooischrift 3.633*120. Deze zogenaamde "f^, verdubbelingsversterker" omvat een eerste en tweede paar transistors, waarbij de uitgangen van de transistorparen onderling parallel verbonden zijn, terwijl een gemeenschappelijke ingangsstroom in serie naar de vier transistors gevoerd wordt om de stroomversterking bij 15 het bovenste -3dB punt in hoofdzaak te verdubbelen. Deze versterker vertoont echter bepaalde niet lineairiteiten en thermische verstoringen, die eigen zijn aan de fundamentele fysische eigenschappen van de gebruikte pn-halfgeleiderovergangen.

Een voorwaartse sturingstechniek voor de niet-20 lineairiteits- en thermische verstoring in transistorversterkers met gemeenschappelijke emitters is beschreven in het Amerikaanse octrooischrift ^+.146.8^. Hoewel de voorwaartse sturingstechniek toegepast is voor verschilversterkers met twee transistors heeft het voordelen deze techniek eveneens voor de f^, verdubbelingsver-25 sterker met vier transistors toe te kunnen passen.

De uitvinding verschaft een cascade f^ verdubbelingsversterker met een gemeenschappelijke emitterschakeling met een voorwaartse sturingsketen ter compensatie van niet-lineairi-teiten en thermische verstoring. Deze f^ verdubbelingsketen geeft 30 eveneens een verbetering voor de lasisuitvoering van de voorwaartse gestuurde cascadeversterker, waarbij de uitgangstransistors in gemeenschappelijke basisschakeling niet gedwongen worden dezelfde belastingslijn te volgen als de ingangstransistors in gemeenschappelijke emitterschakeling, waardoor een meer flexibele versterker 35 verkregen wordt en het optreden van een gelijkspanning in de gron^d- 800 4 3 58 uitvoeringsvorm van de voorwaarts gestuurde cascadeversterker ver meden wordt.

- 2 -

In een voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding verbindt een eerste weerstand de emitteraansluitingen van het eerste 5 transistorpaar, terwijl een tweede weerstand de emitteraansluitingen van het tweede transistorpaar verbindt. Tussen een basisaansluiting van het eerste paar en een basisaansluiting van het tweede paar wordt een ingangsstroom toegevoerd, terwijl de andere twee basis-aan-sluitingen met elkaar verbonden worden ter verkrijging van een in-10 gangsseriestroomweg. Van de eerste en tweede paren transistors in gemeenschappelijke emitterschakeling zijn de collectoruitgangen in fase en in stroomoptellende wijze parallel geschakeld ter verkrijging van een-paar stroomknooppunten, die zelf met de emitters van een paar uitgangstransistors in gemeenschappelijke basisschake-15 ling zijn verbonden. Van een voorwaarts gestuurde versterker met versterkingskarakteristieken die in hoofdzaak gelijk zijn aan die van de f^ verdubbelingsversterker met vier transistors zijn de twee ingangen verbonden met de respectievelijke emitters van de ingangs-transistors in gemeenschappelijke basisschakeling en zijn de twee 20 uitgangen verbonden met de respectievelijke stroomknooppunten. De voorwaarts gestuurde versterker bepaalt de verstoring van het hoofd-versterkerkanaal over haar ingangen en genereert een foutcorrectie-stroom, die naar de uitgangsstroomknooppunten gevoerd wordt ter verkrijging van een totaal versterkeruitgangssignaal dat vrij is 25 van logarithmische niet lineairiteiten en thermische verstoring.

De uitvinding verschaft daarom een f^ cascade verdubbelingsversterker in gemeenschappelijke emitterschakeling met een voorwaarts gestuurde versterkerketen ter compensatie van niet lineairiteiten en thermische verstoring.

50 De uitvinding verschaft verder een f^ cascade verdubbelingsversterker in gemeenschappelijke emitterschakeling die eveneens een verbetering geeft voor de gronduitvoering van de voorwaarts gestuurde cascadeversterker door bepaling van de verstoring aan de versterkeringang en het toevoeren van een correctie-55 signaal aan de uitgang.

De uitvinding wordt toegelicht aan de hand van de tekening:

Fig. 1 toont schematisch een f^ cascade verdubbelingsversterker in gemeenschappelijke emitterschakeling met een 80 0 4 3 58 voorwaarts gestuurde versterker volgens de uitvinding, en

Fig. 2 toont schematisch een voorwaarts gestuurde versterker voor gebruik in de keten volgens fig. 1.

De in fig. 1 getoonde versterker volgens de uit-5 vinding omvat een eerste paar transistors Q1 en Q2, waarvan de emitters via een weerstand 10 met elkaar verbonden zijn, en een tweede paar transistors Q3 en QA-, waarvan de emitters via een weerstand 12 met elkaar verbonden zijn. Via de ingan ^klemmen lA- en 16 worden ingangssignalen +V. en -V. naar de basissen van de transistors w w m m 10 Q1 resp. QA· gevoerd. De basissen van de transistors Q2 en Q3 zijn te zamen ter complementering van de ingangsseriestroomweg met een referentiespanning verbonden. De emitters van de transistors Q2 en Q3 zijn via constante stroombronnen 18 resp. 20 met een geschikte negatieve voedingsspanning -V^ verbonden. De collectors van de 15 transistors Q2 en Q3 zijn gekruist via de weerstanden 22 en 2A- met de collectors van de transistors QA- resp. Q1 verbonden, waarbij de stroomsommeringsknooppunten 26 resp. 28 verkregen worden. Dit is de grondvorm van de verdubbelingsversterker volgens het voornoemde Amerikaanse octrooischrift 3*633.120. De emitter van een transistor 20 Q5 is met het stroomknooppunt 28 verbonden, terwijl de basis ervan met een geschikte instelspanning +Vgg is verbonden en de collector via een belastingsweerstand 30 met een geschikte positieve voedingsspanning +V is verbonden. Op gelijke wijze is de emitter van een O c transistor Q6 met het stroomknooppunt 26 verbonden, terwijl de basis 25 ervan met de instelspanning is verbonden en de collector via

een belastingsweerstand 32 met de positieve voedingsspanning +V

c c is verbonden. Een verschiluitgangssignaal V ^ is beschikbaar over de uitgangsklemmen 3A· en 36, die resp. met de collectors van de transistors Q5 en Q6 verbonden zijn. Van een voorwaarts gestuurde 30 versterker A1 zijn de verschilingangen verbonden met de emitters van de transistors Q2 resp. Q3, terwijl de verschiluitgangen van de versterker A1 met de stroomknooppunten 28 en 26 verbonden zijn op een stroomoptellende wijze. De versterker A1 kan op vele wijzen uitgevoerd zijn; Fig. 2 toont echter een voorbeeld van een eenvoudige 35 geschikte uitvoeringsvorm van de versterker A1. Een verschilverster-ker bestaat hierbij uit een paar transistors A-0 en A-2, waarvan de emitters via een weerstand A4 met elkaar verbonden zijn. De emitter van transistor A-0 is via een grote weerstand A-6 met de negatieve voedingsspanning -V^ verbonden, terwijl de collector daarvan met het stroomknooppunt 28 is verbonden.

800 4 3 58 - b -

Op gelijke wijze is de emitter van de transistor b2 via een grote weerstand b8 met de negatieve voedingsspanning -V^- verbonden, ter-wijl de collector met het stroomknooppunt 26 is verbonden. Een ver-schilfoutsignaal wordt over de basissen van de transistors bO en 5 b2 gelegd.

De correctie voor de niet lineairiteit en thermische verstoring in de keten van fig. 1 kan het best begrepen worden aan de hand van wiskundige relaties. Aangenomen wordt, dat de transistors Q1, Q2, Q3 en Q*f aangepaste parameters hebben. Verder wordt aange-10 nomen, dat de transistors Q1 en Q3 in bedrijf zo aangepast zijn, dat beide transistors gelijke spanningen, stromen en werkpunten hebben. Eveneens zijn de transistors Q2 en q_b in bedrijf zo aangepast, dat beide transistors gelijke spanningen, stromen en werkpunten hebben.

De weerstanden 10, 12,-^22 en 2b zijn aagepast en elk heeft een weer-15 standswaarde R. Daardoor vloeien gelijke stromen 1^ door de transistors Q2 en Q^. De som van de stromen 1^ en aan iedere zijde van de versterker is gelijk aan 2 1^, hetgeen de geleverde stroom is door elk van de constante stroombronnen 18 en 20. In de dynamische toestand wordt eensignaalstroomcomponent I gegenereerd, die gelijk 11 ® f 20 is aan ^ 1^ - ~ I^. De waarde van de referentiespanning VR moet' ingesteld worden op -RI^, ter belancering van de basissen van de transistors Q2 en Q3 met de transistors Q1 en Q4.

De verschilingangsspanning tussen de klemmen 1^ en 16 kan geschreven worden als 25 2Vin = 2RIs+2(kT/q)ln(I1/I2)+2Z5VTH (l) waarin k de constante van Boltzmann is, T de absolute temperatuur, q de lading van een elektron, en alle systematische afwijkingen van de zuivere logarithmische overgangsvergelijking voor o.a. de temperatuur voorstelt.

30 Indien de uitgangsklemmen 3b en 36 met elkaar ver bonden zijn, kan de uitgangsstroom uitgedrukt worden door IQ =2Is+2Vi/R=2Is+[(kT/q)ln(l1/l2)+ V^/R (2) waarin V{ de verschilfoutspanning is veroorzaakt door niet lineairi-teiten en thermische verstoring.

35 Uit de vergelijkingen (1) en (2) kan de totale transconductantie of versterking van de versterker van fig. 1 uitgedrukt worden door

Ιο I

— (3)

2Vln S

800 43 58 - 5 -

Omdat de voorwaarts gestuurde correctieversterker A1 effectief slechts de helft van de foutspanning bepaalt, moet de versterkingsfactor daarvan ingesteld worden tot tweemaal die van de gehele versterker, of A = 2/R.

5 Dit kan worden bereikt door de weerstandswaarde van de weerstand kk in fig. 2 gelijk te maken aan R/2. Opgemerkt wordt, dat gebruik van ideale transistors verondersteld is en dat verschillende overgangs-impedanties niet in rekening gebracht zijn. In de praktijk zal de waarde van de weerstand kk zo aangepast moeten worden, dat deze de 10 emitterweerstanden omvat en kan het verder mogelijk zijn de weerstanden 22 en 24·, afhankelijk van de collectorimpedanties van de componenten, de gebruikte uitvoeringsopzet en de gewenste graad van perfectie geheel achterwege gelaten worden.

Hoewel het voorgaande betrekking heeft op de toe-15 passing van bipolaire transistors, kunnen de beschreven principes ook toegepast worden op andere actieve componenten, zoals veldeffect-transistors of zelfs vacuümbuizen, waarbij V(l) de ingangsspanning van een component met stroom I is. Voor het algemene geval kan de verschilfoutspanning V$ uitgedrukt worden als 7(1^)-7(^), zodat 20 de verschilingangsspanning uitgedrukt kan worden door 2V.n = 2RIs+2[v(I1)-7(I2)J, (4) kan de uitgangslusstroom worden uitgedrukt als I0 = 21^2^(^ )-V(l2)]/R (5) en neemt de totale versterker transconductantie, zoals aangetoond 25 met vergelijking (3), af tot 1/R.

De frp cascade verdubbelingsversterker in gemeenschappelijke emitterschakeling volgens fig. 1 geeft bij practische toepassingen, zoals implementatie in monolytisch geïntegreerde ketens, niet alleen verminderde niet-lineairiteit en thermische 30 verstoring maar geeft ook een verbetering voor de grondvorm van de voorwaarts gestuurde cascadeversterker waarbij de transistors Q5 en Q6 in gemeenschappelijke basisschakeling niet gedwongen worden dezelfde belastingslijn als van de transistors Q1, Q2, Q3 en Q4 te bedienen.

800 4 3 58

Claims

1. Versterkerketen voor een verhoogde stroomverster-king bij hoge frequenties, bestaande uit een eerste paar transistors in gemeenschappelijke emitterschakeling, waarvan de collectors 5 resp. met eerste en tweede stroomknooppunten zijn verbonden, een tweede paar transistors in gemeenschappelijke emitterschakeling, waarvan de collectors eveneens resp. met de eerste en de tweede stroomknooppunten zijn verbonden ter verkrijging van een stroomuit-gangssignaal, die in fase en parallel met het stroomuitgangssignaal 10 van het eerste transistorpaar is, gekenmerkt door een voorwaarts gestuurde versterker met een paar ingangsklemmen die resp. verbonden zijn met de emitters van de eerste en tweede transistorparen ter bepaling van de daardoor opgewekte verstoring, en een paar uitgangen, die resp. verbonden zijn met de eerste en 15 tweede stroomknooppunten voor het toevoegen van een correctiestroom aan de uitgangsstromen van de eerste en tweede transistorparen, en een paar transistors in gemeenschappelijke basisschakeling, waarvan de emitters verbonden zijn met de eerste resp. tweede stroomknooppunten ter verkrijging van een in hoofdzaak foutenvrije uit-20 gangsstroom aan de collectors daarvan.

2. Versterkerketen volgens conclusie 1, m e t het kenmerk, dat de voorwaarts gestuurde versterker uit een verschilversterker bestaat met een transconductantie gelijk aan tweemaal die van de versterker gevormd door de eerste en tweede 25 transistorparen. 800 43 58