DE2354340C3

DE2354340C3 - Signalverstärker mit stabilisiertem Arbeitspunkt

Info

Publication number: DE2354340C3
Application number: DE2354340A
Authority: DE
Inventors: Adel Abdel Aziz Annandale N.J. Ahmed (V.St.A.)
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1972-11-01
Filing date: 1973-10-30
Publication date: 1979-07-05
Also published as: DE2354340B2; CA1003056A; SE389242B; AT346905B; GB1446068A; FR2204922B1; US3878471A; JPS4979149A; AU472533B2; DE2354340A1; JPS535184B2; BE806762A; FR2204922A1; CH570739A5; AU6186873A; ATA918773A; NL7314954A

Description

Die Erfindung betrifft einen Signalverstärker mit stabilisiertem ArMtspunkt, mit einem ersten Transistor eines ersten kehungstyps, der ein einfacher Transistor oder eine Darlingtonschaltung oder ähnliche Kaskadenschaltung auif einer Anzahl M einfacher Transisto- ren sei und der für Signale in Emitter-Verstärkerschaltung angeordnet ist, ferner mit einem zweiten Transistor eines zweiten, dem ersten Leitungstyps komplementären Leitungstyps, dessen Kollektorelektrode mit der Basiselektrode des ersten Transistors verbunden ist und dessen Basis-Ernitter-Kreis auf eine erste Vorspannung vorgespannt ist, um einen Kollektorstrom dem ersten Transistor als Basisruhestrom zuzuführen.

Ein Signalverstärket dieser Gattung ist aus der UdSSR-Zeitschrift »RADIO«, Nr. 6,1964 (Seiten 39,40) . bekannt Bei dieser bekannten Anordnung erfolgt die Stabilisierung des Arbeitspunkts mit Hilfe einer für Gleichstrom gekoppelten Kollektor-Basis-Rückkopplung am Verstärkertransistor, wobei diese Rückkopplung den Transistor des komplementären Leitungstyps enthält Eine derartige Gleichstromnickkopplung führt jedoch zu einer unerwünschten Verminderung der Eingangsimpedanz des Verstärkers, falls in der Rückkopplungsverbindung nicht ein Tiefpaßfilter vorgesehen ist Ein solches Tiefpaßfilter erfordert aber normalerweise die Verwendung eines Ableitkondensators, d. h. eines Elements, welches gewöhnlich nicht in einer integrierten Schaltung mit untergebracht werden kann. Wenn man also den bekannten Signalverstärker in integrierter Bauweise ausführen will, dann ist man zum äußeren Anschluß eines Kondensators gezwungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Signalverstärker der eingangs beschriebenen Gattung zu schaffen, der sich ohne Schwierigkeit voll in integrierter Schaltungstechnik ausführen läßt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein dritter Transistor des zweiten Leitungstyps, der bei derselben Temperatur wie der zweite Transistor betrieben wird, mit seiner Kollektorelektrode an die Kollektordektrode des ersten Transistors angeschlossen ist und daß der Basis-Emitter-Kreis des dritten Transistors auf eine zweite Vorspannung vorgespannt ist, die sich von der ersten Vorspannung um eine Differenz unterscheidet, die proportional ist dem Produkt der Betriebstemperatur des ersten Transistors mit dem Logarithmus seiner Vorwärtsstromverstärkung in Emitterschaltung, und zwar mit einem solchen Proportionalitätsfaktor, daß der Kollektorstrom des dritten Transistors um einen der Vorwärtsstromverstärkung in Emitterschahung des ersten Transistors im wesentlichen gleichen Faktor größer ist als der Kollektcvstrom des zweiten Transistors.

Im Gegensatz zu der bekannten Schaltung, bei welcher die Kollektorruhespannung des Verstärkertransistors durch Stabilisierung der Kollektorruhe- strom-Nachfrage dieses Transistors stabilisiert wird, besteht das Arbeitsprinzip der erfindungsgemäßen Schaltung darin, die Kollektorruhestrom-Nachfrage des Verstärkertransistors über einen weiteren dritten Transistor des komplementären Leitungstyps zu befrie- to digen, dessen Kollektor an den Kollektor des Verstärkertransistors angeschlossen ist. Dieser dritte Transistor wird derart vorgespannt, daß er einen größeren Kollektorstrom als der zweite Transistor liefert, und zwar am einen Faktor größer, der gleich ist <>5 der Gleichstrom-Vorwärtsverstärkung in Emitterschaltung des ersten, d. h des Verstärkertransistors. Die Erfindung arbeitet also nicht wie im bekannten Fall nach dem Rückkopplungsprinzip, sondern mit Kompensierung. Indem die Koliektorruhestrom-Machfrage des ersten Transistors durch den dritten Transisturs befriedigt wird, beeinflußt diese Nachfrage nicht die Kollektorspannung des ersten Transistors, die stattdessen nur durch die Art der angeschlossenen Last bestimmt wird.

Der erfindungsgemäße Signalverstärker enthält also zur Arbeitspunktstabilisierung keine Rückkopplungsverbindung, die zur Vermeidung einer Ausregeliing der zu verstärkenden Signale eine Tiefpaßcharakteristik haben müßte. Infolgedessen ist auch kein Kondensator notwendig, so daß der Signalverstärker einfacher zu integrieren ist als die bekannte Schaltung. Das Fehlen einer Rückkopplung mit der zwangsläufig notwendigen Tiefpaßcharakteristik hat zudem noch den Vorteil, daß auch Signalspannungen sehr niedriger Frequenz verstärktwerden können.

Während die vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Lösung allgemein im Patentanspruch 1 gekennzeichnet ist, sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung in den Unteransprüchen 2 bis 4 angegeben.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt

F i g. 1 ein zum Teil in Blockform gehaltenes Schaltbild zur Erläuterung des Grundprinzips der vorliegenden Erfindung,

F i g. 2 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispieis der Erfindung, das besonders dann nützlich ist, wenn gepaarte Transistoren komplementärer Leitungstypen mit hoher Stromverstärkung (>10) zur Verfügung stehen,

F i g. 3 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, das besonders dann nützlich ist, wenn Transitoren komplementären Typs zur Verfügung stehen, bei denen nur der des einen Typs eine hohe Stromverstärkung aufweist und

F i g. 4 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, das sich für Darlington-Verbundtransistoren eignet, deren Einzeltransistoren infolge der unterschiedlichen Betriebsströme verschiedene Vorwärtsstromverstärkungen aufweisen.

Die in F i g. 1 dargestellte Schaltungsanordnung enthält einen Transistor 101, dessen Basiselektrode von einer Stromversorgung oder Stromquelle 103 ein Basisruhestrom /1 zugeführt wird. Die Stromquelle 103 liefert ferner einen zweiten Strom h an einen Schaltungsknoten 105 an der Kollektorelektrode des Transistors 101. Der Strom k ist um den Faktor β größer als der Basisruhestrom Iu was innerhalb der Stromquelle 103 bestimmt wird. Die Stromquelle 103 spricht auf die durch eine thermische Kopplung 102 abgefühlte Temperatur des Transistors 101 an und hält β im wesentlichen gleich der Vorwärtsstromverstärkung hr_c des Transistors 101 in Emitterschaltung.

In der vorliegenden Beschreibung und den zugehörigen Ansprücher soll der Begriff »Stromquelle« eine stromliefernde Anordnung oder Einrichtung bedeuten, deren Innenimpedanz oder Innenwiderstand groß im Vergleich zu den an sie angeschlossener Schaltungselementen ist, so daß sie im Effekt als Stromquelle oder Stromsenke (Quelle für einen Strom entsprechend anderer Richtung) oder Kombinationen hiervon im Sinne der elektronischen Schaltungstheorie darstellt. Der Betrag eines abgegebenen Stromes wird also innerhalb der Stromquelle bestimmt und nicht durch die

an die Stromquelle angeschlossene Belastung, solange sich diese innerhalb des in Frage kommenden Bereiches befindet.

Der Basisruhestrom /ι läßt im Transistor 101 infolge der bekannten Transistorwirkung einen um das /fc-fache größeren Kollektorruhestrom fließen. Der Kollektorruhestrom des Transistors 101 und U sind dem Betrag nach gleich, der eine fließt jedoch in den Schaltungsknoten 105 hinein und der andere aus diesem heraus. Gemäß dem Kirchoffschen Stromverzweigungsgesetz fließt daher kein Ruhestrom durch einen mil seinem einen Ende an den Schaltungsknoten 105 angeschlossenen Kollektorlastwiderstand 107. Am Kollektorlastwiderstand 107 kann daher kein Ruhespannungsabfall auftreten, so daß der Schaltungsknoten 105 ι; dasselbe Ruhepotential annimmt wie ein Schaltungsknoten 109, mit dem das andere Ende des Kollektorlast-

...:λ . ι IA^ l l :_.

WlUC! StailUCS IMl TCI UUIIUCII 13t.

Da das Ruhepotential am Schaltungsknoten 105 durch eine Anordnung unabhängig vom Transistor 10t festgelegt wird, solange β gleich dem /j^des Transistors 101 gehalten wird, beeinflussen gleichartige Änderungen der Parameter β und hf_r das Kollektorruhepotential des Transistors 101 nicht. Die Änderungen des hr_e des Transistors 101 werden durch Änderungen von β ι? kompensiert und beeinflussen daher das Kollektorruhepotential des Transistors 101 nicht.

Die anderen Schaltungselemente, die in Fig. I dargestellt sind, vervollständigen die Schaltung des Transistors 101 zu einer Verstärkerstufe 110 in Emitterschaltung. Mit der Basiselektrode des Transistors 101 ist über einen Kondensator 113 eine Eingangssignalquelle Ul gekoppelt. Der zur Vorspannung dienende Basisstrom von der Stromquelle 103 kann mit einer höheren Eingangsimpedanz zugeführt werden als der von einem konventionellen Basisvorspannungs-Widerstandsspannungsteiler wie er für eine stabile Vorspannung des Transistors 101 erforderlich ist.

Eine den Schaltungsknoten 109 mit einem Bezugspotential verbindende Spannungsquelle 115 und ein die Emitterelektrode des Transistors 1 mit dem Bezugspotential verbindendes, gleichstromdurchlässiges Kopplungselement 117 vervollständigen die Kollektor-Emitter-Schleife für die Verstärkersignale vom Transistor 101. Das Kopplungselement 117 (das als verstellbarer Widerstand dargestellt ist) kann auch ein Festwiderstand oder eine direkte Verbindung sein. Das Kopplungselement 117 im Emitterkreis des Transistors 101 dient wie üblich dem Zweck, die Verstärkung der Stufe 110 zu bestimmen. Es besteht jedoch keine Notwendigkeit, daß das Kopplungselement 117 das Kollektorruhepotential des Transistors 101 exakt festlegt, wenn die vorliegende Erfindung verwendet wird.

Die Stromquelle 103 ist bei der in F i g. 1 dargestellten Schaltungsanordnung durch in Reihe geschaltete Gleichspannungsquellen 119a und 1196 mit dem Schaltungsknoten 109 verbunden, um das Schließen der Stromkreise zu erleichtern, in denen die Ströme /1 und h fließen. Setzt man voraus, daß die von der Gleichspannungsquelle 119a gelieferte Gleichspannung groß genug ist, um die Stromquelle 103 ordnungsgemäß vorzuspannen, so haben Änderungen der von der Gleichspannungsquelle 1196 gelieferten Gleichspannung keinen Einfluß auf die Arbeitsweise der Schaltungsanordnung. Die Betriebspotentiale der Schaltungsanordnung sind *5 bezüglich der Gleichspannungsquelle 115 fixiert

Andererseits kann die Kollektorruhespannung des Transistors 101 auch durch die Eingangsvorspannungsschaltung einer nachgeschalteten, gleichspannungsgekoppelten Stufe bestimmt werden.

In F i g. 1 ist der Erfindungsgedanke in Anwendung auf eine Verstärkerstufe in Emitterschaltung dargestellt, er läßt sich jedoch ganz allgemein bei jedem kollektorbelasteten Transistorverstärker anwenden. So wird durch die Erfindung die Realisierung eines Verstärkers in Basisschaltung mit hoher Eingangsimpedanz erleichtert, und das gleichspannungsdurchlässige Kopplungselement 117 kann in diesem Falle dann aus einer Stromquelle hoher Impedanz bestehen, was die Realisierung eines solchen Verstärkers weiter erleichtert.

F i g. 2 zeigt ein genaueres Schaltbild der Stromquelle 103. Es ist ein Transistor 201 vorgesehen, der im Aufbau mit dem Transistor 101 übereinstimmt und sich im gleichen thermischen Milieu 202 befindet wie dir-'cc, so däu Sein KüifciCiürStrüfTi üfiu 5äai55ii~OiTi iiTi ScIl/cPi Verhältnis stehen wie beim Transistor 101. Diese Bedingungen werden z. B. von benachbarten Transistoren einer monolithischen integrierten Schaltung erfüllt.

Der Transistor 101 erhält von einem Stromverstärker 203 einen Basisruhestrom, der im wesentlichen gleich dem Basisstrom des Transistors 201 ist. Der Stromverstärker 203 liefert einen Ausgangsstrom, dessen Amplitude gleich der seines Eingangsstromes ist und stell, einen sogenannten »Stromspiegel« dar. Eine Stromspiegelschaltung, wie sie durch den Stromverstärker 203 gebildet wird, enthält typischerweise zwei im Aufbau übereinstimmende Transistoren, die nebeneinander in einer monolithischen integrierten Schaltung gebildet und wie die Transistoren 205 und 207 in F i g. 2 geschaltet sind. Da die Transistoren 101 und 201 gleiche Basisströme führen und das Verhältnis von Kollektorstrom zu Basisstrom bei ihnen gleich ist, sind auch ihre Kollektorströme gleich. Der Emitterstrom des Transistors 201, der im wesentlichen gleich seinem Kollektorstrom ist, wird dem Schaltungsknoten 105 über einen in Basisschaltung arbeitenden Transistorverstärker 210 zugeführt, der einen Transistor 211 sowie einen Widerstand 213 enthält und dessen Stromverstärkungsfaktor im wesentlichen 1 beträgt Da die dem Schaltungsknoten 105 von den Transistoren 101 und 201 zugeführten Ruheströme gleiche Beträge und bezüglich des Schaltungsknotens 105 entgegengesetzte Richtungen haben, fließt durch den Kollektorlastwiderstand 107 des Transistors 101 praktisch kein Ruhestrom. Wie bei der Schaltungsanordnung gemäß F i g. 1 ist daher das Potential an der Kollektorelektrode des Transistors 101 im wesentlichen gleich dem am Schaltungsknoicn 109.

Die Basisruheströme der Transistoren 101 und 201 werden auf folgende Weise bestimmt: Die Reihenschaltung aus dem als Diode geschalteten Transistor 205 und dem Basis-Emitter-Obergang des Transistors 201 erzeugt einen Spannungsunterschied von 2 Vgezwischen einem Schaltungsknoten 215 und der Emitterelektrode des Transistors 201. (V_BE ist der Ruhespannungsabfall an einem in Flußrichtung vorgespannten Halbleiter-pn-Obergang und beträgt bei Verwendung von Silizium als Halbleitermaterial etwa 650 mV.) Zwischen der Emitterelektrode des Transistors 211 und einem Schaltungsknoten 217 besteht ein durch den Basis-Emitter-Obergang dieses Transistors erzeugter Spannungsunterschied von 1 Vbb Die Spannung Vm am Widerstand 213 wird gleich der von der Gleichspannungsquelle 119a zwischen den Schaltungsknoten 217 und 215 erzeugten Spannung Vm₁ abzüglich der Spannungsabfälle 2V_BE und 1 Vbe gehalten. Die an den Widerstand 213

angelegte Spannung V_2[i bestimmt den diesen Widerstand durchfließenden Strom /21J, welcher den Emitterstrom der Transistoren 201 und 211 bildet. Der F.mitterstrom eines normal vorgespannten Transistors, wie des Transistors 201, ist die Summe seines Basis- und Kollektorstroms. Da das Verhältnis (hr_e) zwischen dieses Ρκ-jis- und Kollektorströmen bekannt ist, können sie leicht errechnet werden, da man den Emitterstrom /213 kennt. Der Kollektorstrom des Transistors 201 ist (/ifr/213) (I+Afc)· und sein Basisstrori ist /213/(1 + h/_e). Wegen der Stromspiegelschaltung fließt im Transistor 101 ein entsprechender Basisruhestrom.

Aus Fig. 2 kann ein wichtiger Gesichtspunkt der Erfindung entnommen werden: Ein Transistor, der soweit es die Vorwärtsstromverstärkung angeht, dem mit einem Basisstrom vorzuspannenden Transistor angepaßt ist, kann durch eine die Basis mit einer

uprcnrirpn

ΔππιΉηιιηη unrnninannl

den und sein Basis- und Kollektorstrom können als Bezugsströme zur Bestimmung des Basis- und Kollektorsttumcs des mit einem Strom vorgespannten Transistors verwendet werden.

Die Einflüsse der Basisruheströme der Transistoren 205, 207 und 211 wurden außer acht gelassen, da ihr Einfluß auf die Schaltung vernachlässigbar ist; diese Annahme ist zulässig, wenn ihr Λ/, größer als etwa 20 ist. Die Basisströme der Transistoren 205 und 207 verringern die Stromverstärkung des als Stromspiegel arbeitenden Stromverstärkers 203 gegenüber dem Wert 1 was erforderlichenfalls durch Verwendung einer aufwendigeren Stromspiegelschaltung vermieden werden kann. Wenn der Basisruhestrom des Transistors 211 dem des Transistors 201 angeglichen ist (was der Fall sein wird, wenn die hf_r der Transistoren gleichgemacht werden), sind auch die Kollektorströme der Transistoren 201 und 211 gleich, was den Abgleich der Kollektorströme der Transistoren 201 und 211 verbessert.

Der Emitterstrom des Transistors 201 ist um einen Faktor (Λ/μοι + 1) größer als der Basisstrom dieses Transistors (Λ«οι sei die Vorwärtsstromverstärkung des Transistors 201 in Emitterschaltung). Der Basisstrom des Transistors 201 fließt hauptsächlich als kombinierter Kollektor- und Basisstrom des Transistors 205 (d. h. als dessen Emitterstrom), während der Emitterstrom des Transistors 201 auch als Emitterstrom des Transistors 211 fließt. Bekanntlich gilt für die Differenz zwischen den Basis-Emitter-Offsetspannungen ( Vbe) zweier Transistoren die folgende Beziehung:

wobei bedeutet:

k das Plancksche Wirkungsquantum;

T die absolute Temperatur;

q die Ladung eines Elektrons;

h Emitterstrom des ersten Transistors; /ι Emitterstrom des zweiten Transistors.

Falls sich die Transistoren 211 und 205 im Typ und in ihren Abmessungen nicht wesentlich unterscheiden, ist nach Gleichung (1) zu erwarten, daß die Basis-Emitter-Spannung des Transistors 211 diejenige des Transistors 205 und des von diesen vorgespannten Transistors 207 um ein Maß Δ VgEÜbersteigt, welches ungefähr gleich ist

55

60

65 Da Λ/rtoi normalerweise um ein Vielfaches größer ist als 1, beträgt das Maß Δ V_Beungefähr

(kT/q) In (h_fem).

Der in Basisschaltung arbeitende Transistorverstärker 210 kann im Rahmen der dargestellten Schaltungsanordnung als regelndes Schaltungselement angesehen werden, welches den ihn durchfließenden Strom konstant hält, und man kann daher eine andere bekannte, wirkungsgleiche Schaltungsanordnung für die Verbindung der Emitterelektrode des Transistors 201 mit dem Schaltungsknoten 105 verwenden.

In F i g. 3 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem Transistoren komplementären Leitungstyps (pnp) mit kleineren ht_e verwendet werden können als bei der Schaltungsanordnung gemäß F i g. 2.

I IUv(IUlIl Ul IQhFlS VltJplClV Wlfc-JWtf ■ J \*-& WIQIIVII JIVII L/VvlOFlVjC Γ3

für monoli'thische integrierte Schaltungen mit einem Substrat aus p-Silizium, bei denen npn-Transistoren überwiegen und die pnp-Transistoren wegen ihrer Lateralstruktur ein niedriges hu haben. Es ist ferner eine Anordnung dargestellt, die die Ausbildung des Transistors 101 als Verbundtransistor ermöglicht, der eine Anzahl m von Einzeltransistoren 301, 302... umfaßt, die, wie dargestellt, eine Darlington-Kaskadenschaltung bilden.

Der Stromverstärkungsfaktor hu des als Verbundtransistor ausgebildeten Transistors 101 ist ziemlich genau gleich dem Produkt der Stromverstärkungsfaktoren hfc der Einzeltransistoren 301,302. Nimmt man an, daß die Stromverstärkungsfaktoren Λωοι und hr_r]o2 der Einzeltransistoren 301 und 302 gleich sind, was in einem gewissen Strombereich zulässig ist, so ist der Stromversorgungsfaktor hfc des Verbundtransistors ziemlich genau /Ρ/αοι·

Die in Fig.3 dargestellte Schaltungsanordnung enthält ferner Transistoren 310, 311 und 312, deren Basis-Emitter-Übergänge in Flußrichtung vorgespannt sind, so daß zwischen der Emitterelektrode des Transistors 310 und einen Schaltungsknoten 315 ein Spannungsunterschied gleich der Summe der Basis-Emitter-Offsetspannungen Vflcder einzelnen Transistoren herrscht In entsprechender Weise erzeugen die in Flußrichtung vorgespannten Basis-Emitter-Übergänge von Transistoren 320, 321 und 322 das zwischen der Emitterelektrode des Transistors 320 und dem Schaltungsknoten 315 ein Potentialunterschied gleich der Summe der einzelnen Offsetspannungen Vbe herrscht Da die individuelle Offset-Spannungen der Transistoren 310,311,312,320,321 und 322 ungefähr gleich sind, ist auch der Potentialunterschied zwischen dem Spannungsknoten 315 einerseits und dem Emitterelektroden der Transistoren 310 und 320 andererseits im wesentlichen gleich, und die Potentiale dieser Emitterelektroden stimmen daher im wesentlichen überein. Diese gleichen Spannungen werden an Widerstände 331 bzw. 332 gleichen Widerstandswerts angelegt und bewirken, daB in den Transistoren 310 und 320 Emitterströme gleicher Größe fließen.

Die Basis- und Kollektorelektroden der Transistoren 311, 312, 320, 321 und j322 sind jeweils miteinander verbunden, so daß diese Transistoren als Halbleiterdioden arbeiten. Da die als Dioden geschalteten Transistoren 320,321 und 322 in Reihe liegen, sind ihre Emitterströme gleich und gleich dem des Transistors 310; daher sind auch die Basis-Emitterspannungen V_Be der Transistoren 310, 320, 321 und 322 gleich. Der

Basisstrom des Transistors 310 ist um den Stromverstärkungsfaktor h_fe 310 kleiner als sein Emitterstrom. Der Basisstrom des Transistors 310 ist der Emitterstrom der als Dioden geschalteten Transistoren 311 und 312.

Um der Gleichung (1) zu geügen, wird also jeder der Transistoren 311, 312 ein um den in der Gleichung (2) angegebenen Betrag kleineres V_Be haben als der Transistor 3H< (und 320,321 und 322):

(2)

Zwischen den Basiselektroden zweier als Differenzverstärker geschalteter und mit ihren Emittern gekoppelter pnp-Transistoren 333 und 334 liegt eine Spannung

2 IK,

-> ^kT 1
= 2 In

310 = In h% .„„

(3)

Da sich die Emitterelektroden der Transistoren 333 und 334 auf demselben Potenial befinden, unterscheiden sich ihre Basis-Emitterspannungen Vbe um einen Betrag

kT , _L2 ²^

I K₈E JM-333 = 2.lK_B£J,o-311 = In /I/..J10

Gemäß Gleichung (1) ist das Verhältnis der Kollektorströme /ι und I₂ der Transistoren 333 bzw. 334

V'310

Da I₀ = I₁ + I₁ ist, folgt

und

I₂ = /₀ **

(5)

(6 a)

(6 b)

.15

40

Führt man den Strom /1 dem Verbund-Transistor 101, dessen Stromverstärkungsfallctor mit Λ²/,,*» angenommen worden war, als Basisruhestrom zu, so ergibt sich ein Kollektorruhestrom des Wertes I₂, wenn A/aoi gleich /fen) ist Dies kann dadurch erreicht werden, daß man die Ruheströme der Transistoren 301 und 310 gleich macht

Der KoHektorstrom des Verbundtransistors 101 und der KoHektorstrom I₂ des Transistors 334 bilden gleiche Eingangs- und Ausgangs-Ruheströme für denn Schaltungsknoten 105. Durch den Kollektor-Lastwiderstand 107 fließt kein Ruhestrom zum Schaltungsknoten 105 und dieser nimmt daher gemäß dem ersten Kirschoffschen Satz das dem Schaltungsknoten 109 aufgedrückte Potential an, das von Schwankungen des Stromverstärkungsfaktor Λ/j. des Verbund-Transistors 101 praktisch nicht beeinflußt wird. Der Potentialunterschied zwischen den miteinander verbundenen Emitterelektroden der Transistoren 333, 334 und dem Schaltungsknoten 315 beträgt 2 V be, wie man aus den Basis-Emitter-Offsetspannungen Vbf. die die Transistoren 312. <·.;» 311, 310, 333 und 322, 321, 320 und 334 beitragen, errechnen kann. Diese Potentialdifferenz wird einem Widerstand 335 aufgedrückt und be-

stimmt den diesen durchfließenden Strom /0 ■ Ai kann gleich Ia gemacht werden, indem man unter Anwendung des Ohmschen Gesetzes die Widerstandswerte der Widerstände 331 und 332, den Widerstandswert des Widerstandes 335, die an ihm liegende Spannung von 2 Vbe und die durch die Gleichspannungsquellen 119a und b gelieferte Spannung in richtige Verhältnisse zueinander bringt.

Da I₂ (gemäß Gleichungen 6b) den Hauptteil von I₀ bildet, ist /₂ mit ziemlich guter Näherung /0 = Ia- Der Emitterruhestrom des Transistors 301 stimmt sehr weitgehend mit seinem Kollektorruhestrom überein, welcher praktisch den ganzen Kollektorruhestrom des Verbund-Transistors 101 bildet und gleich /2 ist. Der Emitterruhestrom des Verbund-Transistors 101 ist also gleich I_A, und daher ist hf_C 301 gleich ht_e 310, wenn nie Transistoren gleichartig sind.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig.3 ist m gieich 2. m kann jedoch auch irgend eine andere positive ganze Zahl sein. Es gilt ganz allgemein:

f'

/VJIO

(7)

In F i g. 4 ist das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung dargestellt, das anstelle des Ausführungsbeispiels gemäß Fig.3 hinsichtlich der Vorspannung eines Verbund-Transistors 101 verwendet werden kann, wenn die Stromverstärkungsfaktoren ht_t der Einzeltransistoren 301 und 302 verschieden sind, weil der Emitterstrom des Transistors 301 das (Afrjoi-l-i)-fache desjenigen des Transistors 302 ist.

Das Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 4 enthält eine Schaltungsanordnung 430, die gleiche Ströme Ia, Ib sowie /0 liefert und gleichartige npn-Transistoren 431, 432 und 433, gleichartige pnp-Transistoren 434 und 435, angepaßte bzw. aneinander angeglichene Widerstände 436, 437 und 438 sowie abgeglichene Widerstände 439 und 440 enthält. Da die Emitterströme I_A und /_B der Transistoren 410 bzw. 420 gleich sind, sind ihre Basis-Emitterspannung Vbe gleich, und da Jer Emitterstrom Ib auch durch den Transistor 421 fließt, ist dessen Vbe gleich dem von Transistoren 410 und 420. Die Transistoren 410,420 und ein Transistor 421 haben alle den gleichen Stromverstärkungsfaktor Λ/^ιο wie der Transistor 410. Die Emitterströme von Transistoren 411 und 422, deren Schaltung aus F i g. 4 ersichtlich ist, sind um den Faktor Λ«ιο kleiner als die der Transistoren 410, 420 und 421. Der Emitterstrom eines Transistors 412 ist nochmals um einen Faktor Am₁ 1, den Stromverstärkungsfaktor des Transistors 411 kleinen Der Emitterstrom des Transistors 412 ist um das (Afc4io A_fc4ii)-fache kleiner als der der Transistoren 410,420 und 421, so daß sein Vbe gemäß Gleichung (1) um den folgenden Betrag kleiner ist als das Vee dieser Transistoren:

kT

In h_feil0 h_feMl (8)

Die durch die Transistoren 410 und 420 erzeugten Basis-Emitter-Offsetspannungen sind gleich, dasselbe gilt für die der Transistoren 411 und 422. Der Unterschied der Basis-Emitterspannungen der Transistoren 412 und 421, der gleich dem der Transistoren 412 und 410 ist, wird den Basiselektroden den einen Differenzverstärker bildenden Transistoren 433 und 434 zugeführt, um Kollektorströme I₂ und /1 zu erzeugen, die im Verhältnis Λ^4ΐο hf_cW ■ 1 stehen. Da I₀ = I\ + I₂ ist

müssen die folgenden Gleichungen erfüllt sein:

\ I + h_fe4._l0 hf_tAn J

(9 a)

+ 1/e410 "Λ-4ΙΙ

Der Strom Iy, der dem Verbund-Transistor 101 als Basisruhestrom zugeführt wird, erzeugt den Kollektorruhestrom

ιοί —

"Je 301 "JeIOl

+ Π/, 410 "/>411

(10)

Der Kollektorruhestrom Α-ιοι ist gleich /2, wenn Afrjoi Λ/·,302 gleich Λή.410 Λλ·4ιι ist. Dies ist der Fall, da die Ruheströme in den Transistoren 301 und 410 ebenso gleich sind wie die Ruheströme der Transistoren M2 und 411, die ihnen Basisstrom liefern.

Aufgrund des ersten Kirchoffschen Satzes fließt kein nennenswerter Ruhestrom durch den Kollektor-Last-

widerstand 107, so dall der Schaltungsknoten 105 das Potential des Schaltungsknotens 109 annimmt, das von Schwankungen des Stromverstärkungsfaktors hr_e des Verbund-Transistors 101 im wesentlichen unabhängig ist.

In der vorliegenden Beschreibung und den zugehörigen Ansprüchen ist die für bipolare Transistoren übliche Terminologie verwendet worden, da die durch die vorliegende Erfindung behobenen Probleme hinsichtlich der thermischen Stabilität bei diesen Transistoren ausgeprägter sind als bei anderen Transistortypen, die Erfindung läßt sich jedoch auch bei anderen Transistortypen anwenden. Die Begriffe »Basiselektrode«, »Emitterelektrode« und »Kollektorelektrode« sind also nicht einschränkend auszulegen, sondern sollen die Eingangseleketrode, Ausgangselektrode und gemeinsame Elektrode von Transistoren anderer Typen mit umfassen. Der Begriff »Transistor« soll auch Verbundtransistoren umfassen, z.B. Darlington-Verbundtransistoren oder solche, bei denen einem Ausgangstransistor Transistorverstärker in Kollektorschaltung vorgeschaltet sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

t. Signal verstärker mit stabilisiertem Arbeitspunkt, mit einem ersten Transistor eines ersten Leitungstyps, der ein einfacher Transistor oder eine Darlington-Schaltung oder ähnliche Kaskadenschaltung aus einer Anzahl M einfacher Transistoren sei und der für Signale in Emitterverstärkerschaltung angeordnet ist, ferner mit einem zweiten Transistor eines zweiten dem ersten Leitungstyp komplementären Leitungstyps, dessen Kollektorelektrode mit der Basiselektrode des ersten Transistors verbunden ist und dessen Basis-Emitter-Kreis auf eine erste Vorspannung vorgespannt ist, um einen Kollektorstrom dem ersten Transistor als Basisruhestrom zuzuführen, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Transistor (211; 334) des zweiten Leitungstyps, der bei der gleichen Temperatur wie der zweite Transistor (207; 333) betrieben wird, mit seiner Kollektorelcktrode an die KoHektorelektrode des ersten Transistors (101; 301,302) angeschlossen ist und daß der Basis-Emitter-Kreis des dritten Transistors auf eine zweite Vorspannung vorgespannt ist, die sich von der ersten Vorspannung um eine Differenz unterscheidet die proportional ist dem Produkt der Betriebstemperatur des ersten Transistors mit dem Logarithmus seiner Vorwärtsstromverstärkung in Emitterschaltung, und zwar mit einem solchen Proportionalitätsfaktor, daß der Kollektorstr^m des dritten Transistors um einen der Vorwärtsstromverstärkung id Emitterschaltung des ersten Transistors im wesentlichen gleichen Faktor größer ist als der KoHcktorstrom des zweiten Transistors.
2. Signalverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein vierter Transistor (201) vorgesehen ist, der vom ersten Leitungstyp ist und die gleiche Vorwärtsstromverstärkung wie der erste Transistor 101 hat und auf der gleichen Temperatur wie der erste Transistor betrieben wird und in Kollektorschaltung angeordnet ist; daß zwischen die Emitterelektroden des dritten (211) und des vierten Transistors ein Widerstand (213) geschaltet ist; das sich der zweite Transistor (207) in einer Stromspiegelverstärkerschaltung (203) befindet, worin seine Basiselektrode mit der Eingangsklemme und seine Kollektorelektrode mit der Ausgangsklemme und seine Emitterelektrode mit der dem Eingangs- und Ausgangskreis gemeinsamen Klemme der Stromspiegelverstärkerschaltung verbunden ist; daß zwischen der Basiselektrode des vierten Transistors und der Eingangsklemme des Stromspiegelverstärkers (203) eine galvanische Verbindung besteht; daß zwischen die gemeinsame Klemme des Stromspie- 5; gelverstärkers und die Basiselektrode des dritten Transistors eine Vorspannungsquelle (119a) geschaltet ist.
3. Signalverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an einen Verbindungspunkt 6c zwischen der Emitterelektrode des zweiten (333) und des dritten Transistors (334) eine Quelle (310, 311,312,331,333,334, 329,321,322,332,335,119a, 119Ö) für einen Strom (h) angeschlossen ist; daß ein einfacher vierter Transistor (310) und ein einfacher ft? fünfter Transistor (320) jeweils vom ersten Leitungstyp vorgesehen sind, die bei der gleichen Temperatur wie der erste Transistor (101 bzw. 301 und 302) betrieben werden; daß die Emitterelektrode des vierten Transistors mit der Basiselektrode des zweiten Transistors und die Emitterelektrode des fünften Transistors mit der Basiselektrode des dritten Transistors verbunden ist; daß die Kollektor· elektrode des vierten Transistors mit einem ein drittes Vorspannungspotential führenden Punkt (315) verbunden ist; daß die Basis- unij Kollektorelektroden des fünften Transistors miteinander verbunden sind, um eine Halbleiterdiode zu bilden; daß eine Anzahl IM weiterer Halbleiterdioden vorgesehen ist, die bei der gleichen Temperatur wie der erste Transistor betrieben werden und zur einen Hälfte (311, 312) in Serie zueinander zwischen Kollektor- und Basiselektrode des vierten Transistors in einer derartigen Polung geschaltet sind, daß sie von seinem Basisstrom in Durchlaßrichtung vorgespannt werden, und die zur anderen Hälfte (321, 322) in Serie zueinander zwischen den Punkt des dritten Vorspannungspotentials und die Kollektorelektrode des fünften Transistors geschaltet sind; daß mit der Emitterelektrode des vierten Transistors eine Quelle für einen Strom (Ia) in einer den Basis-Emitter-Übergang dieses Transistors in Durchlaßrichtung vorspannenden Polung verbunden ist; daß eine andere Quelle für einen Strom (Ib) so angeschlossen ist, daß bie die durch den fünften Transistor gebildete Halbleiterdiode und die in Serie damit verbundenen Halbleiterdioden in Durchlaßrichtung vorspannt
4. Signalverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an einen Verbindungspunkt zwischen den Emitterelektroden des zweiten (333) und des dritten Transistors (334) eine Quelle (115, 432, 437, 434, 435, 439, 440) für einen Strom (I₀) angeschlossen ist; daß ein einfacher vierter Transistor (410) und ein einfacher fünfter Transistor (420) jeweils vom gleichen Leitungstyp wie der erste Transistor (101 bzw. 301 und 3?2) vorgesehen sind, die bei untereinander gleicher Temperatur betrieben werden; daß die Emitterelektrode des vierten Transistors mit der Basiselektrode des zweiten Transistors und die Emitterelektrode des fünften Transistors mit der Basiselektrode des dritten Transistors verbunden ist; daß Basis- und Kollektorelektroden des fünften Transistors miteinander verbunden sind, um eine Halbleiterdiode zu bilden; daß ein sechster (412,411) und ein siebter (422,421) Transistor jeweils vom gleichen Leitungstyp wie der erste Transistor vorgesehen sind, bei deren jedem die Eingangsbasiselektrode zusammen mit der Kollektorelektrode an einen ein drittes Vorspannungspotential führenden Punkt (315) angeschlossen ist; daß die Emitterelektrode des sechsten Transistors mit der Basiselektrode des vierten Transistors und die Emitterelektrode des siebten Transistors mit der Basiselektrode des fünften Transistors verbunden ist; daß mit der Emitterelektrode des vierten Transistors eine Quelle (115, 431, 436) für einen Strom (U) in einer den Basis-Emitter-Übergang dieses Transistors in Durchlaßrichtung vorspannenden Polung verbunden ist; daß mit der Emitterelektrode des fünften Transistors eine andere Quelle (115, 433, 438) für einen Strom (l_B) in einer den Basis-Emitter-Übergang dieses Transistors in Durchlaßrichtung vorspannenden Polung verbunden ist.