DE2951161C2

DE2951161C2 - Verstärkeranordnung mit einem ersten und zweiten Transistor sowie mit einer Stromzuführungsschaltung

Info

Publication number: DE2951161C2
Application number: DE19792951161
Authority: DE
Inventors: Kikuo Tokyo Ishikawa; Susumu Sueyoshi
Original assignee: Pioneer Electronic Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 1978-12-27
Filing date: 1979-12-19
Publication date: 1983-01-13
Also published as: GB2039184A; JPS5592006A; JPS5590110A; DE2951161A1; GB2039184B

Description

Die Erfindung betrifft eine Verstäfkeranordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Für einen Vcistätkei, der zum Verstärken einer großen Bandbreite dienen soll, etwa eines Videosignais ist es notwendig, die Verzerrung des Verstärkers möglichst klein zu machen. Zu diesem Zweck wird ein Verfahren zum Unterdrücken der Verzerrung mittels einer negativen Rückkoppelung in großem Umfang verwendet. Die nenative Rückkopneluns kann jedoch nicht angewandt werden, ohne den Verstärkungsfaktor herabzusetzen. Um den gewünschten Verstärkungsfaktor zu erzielen, ist es deshalb notwendig, mehrere Verstärkungsglieder oder Verstärkerkreise zu verwenden. In diesem Fall wird die Stabilität der gesamten Verstärkerschaltung vermindert, was zu einer Schwingung führen kann.

Bei üblichen Transistorverstärkern in Emitterschaltung ist das Ausgangssignal verzerrt, da eine Nichtlinearität zwischen der Basis/Emitterspannung und dem Kollektorstrom des Transistors besteht. Eine weitere Nichtlinearität in der Eingangs/Ausgangs-Kennlinie ergibt sich aufgrund des Diodenübergangs zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors.

Aus der DE-AS 19 08 753 ist eine Verstärkerschaltung nach dem OberbegrifF des Anspruchs 1 bekannt mit zwei Verstärkertransistoren komplementärer Leitfähigkeit, wobei der Emitter des ersten Transistors mit der Basis des zweiten Transistors verbunden ist; der beschriebene Verstärker ist ein Gleichstromverstärker für Regelungszwecke. Bewirkt ein zwischen Basis und Kollektor des ersten Transistors angelegtes Signal eine Erhöhung des Emitterkollektorstromes, dann verringert sich das Basispotential des zweiten Transistors, so daß dieser weniger leitend wird, d. h. der Kollektoremitterstrom verringert wird. Es zeigt sich .,omit, daß die durch die Hauptstrecken der beiden Transistoren fließenden Ströme zueinander außerordentlich schwanken.

Aus den DE-CS 24 32 867 und 25 13 906 sind Verstärkerschaltungen bekannt, die als Stromzuführungsschaltung eine Stromspiegelschaltung verwenden, die mit einem ersten und einem zweiten Transistor verbunden ist. Die beiden Transistoren sind als Differenzpaar geschaltet, wobei zwei Eingangssignaie an ihre Basen angelegt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verstärkerschaltung der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß ohne Verwendung einer negativen Rückkoppelung nichtlineare Verzerrungen praktisch ganz aufgehoben werden.

Diese Aufgabe wird durch die Kombination der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Elementenschutz wird nicht beansprucht.

pnp- und npn-Transistoren besitzen bei entgegengesetzter Polarität der Ströme und Spannungen identische Nichtlinearitätcn in ihrer Eingangs/Ausgangs-Kennlinie insbesondere dann, wenn Komplementärtransistoren verwendet werden. Da den beiden Transistoren gleiche Ströme zugeführt werden, d. h. daß sie unter gleichen Betriebsbedingungen arbeiten, und die beiden Komple mtntänransistoren entgegengesetzt geschaltet sind, heben sich die Nichtlinearitäten der beiden Transistoren vollständig auf. Es ergibt sich somit eine Verstärkeran-Ordnung, die iiber einen großen Frequenzbereich linear ist

Auch die DF-AS 15 37 701 beschreibt die Hinterein anderschaltune zweier komplementärer Transistoren, wobei die Basis des zweiten an den Emitter des ersten Transistors angeschlossen ist, Die bekannte Schaltungsanordnung dient zur Verwendung in Kettenschaltungen mit besonders großer Stufenzahl, zum Beispiel für Laufzeitentzerrer und Verzögerungsschaltungcn. Jedoch auch bei dieser bekannten Schaltung haben die den beiden Transistoren zugeführten Emitterkollektorslröme voneinander wesentlich abweichende Werte, so daß das erfindungsgemäße Prinzip ebenfalls nicht verwirklicht wird.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Darin zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild, das ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verstärkers zeigt,

Fig.2 ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verstärkers,

Fig.3 ein Schaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verstärkers,

Fig.4 ein Schaltbild eines vierten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemä.ßen Verstärkers.

In dem Ausführungsbeispiel der Fig.; wird ein Eingangssignal Vw an die Basis eines pnp-Transistors Qi gelegt, der als Emitterfolger geschaltet ist. und der Emitterfolgerausgang des Transistors Qi ist an die Basis eines npn-Transistors Qj in der Foigestufe gelegt Eine Stromspiegelschaltung 1 ist als Emitterlast des Transi- »tors Qi und als Kollektorlast des Transistors Qi vorgesehen, so daß ein gleicher Strom zu den beiden Transistoren geleitet wird. Die Stromspiegelschaltung 1 besteht aus pnp-Transistoren Qi und Q₄, deren Basen miteinander verbunden sind, und Emittervorwiderständen Ri und A₃, die mit den Emittern der Transistoren Qi bzw. Q₄ verbunden sind. Der Transistor Qi ist als Diode geschaltet, d.h. seine Basis ist mit seinem Kollektor verbunden. Wenn demnach die Widerstände der Vorwiderstände Ri und Rj gleich gewählt werden, dann werden praktisch gleiche Ströme von den Kollektoren der Transistoren Qj und Q₄ zu dem Emitterfolger-Transistor Qt und dem zu verstärkenden Transistor Qj geschickt

Ein Emitterwiderstand R\ liegt zwischen dem Emitter des verstärkenden Transistors Qi und der Erde des Bezugspotentials und der verstärkte Ausgang erscheint zwischen einer Klemme des Widerstandes /?? und Erde.

Wenn in dieser Schaltung die Basis-Emitterspannungen der Transistoren Qi und φπΜ Vbe\ bzw. Vbe2. die Spannung am Emitter des Transistors Qi mit V_A und der in den Transistoren Qi und Qi fließende Strom mit /ei bzw. Ia bezeichnet werden (wobei /ci*-=/c2). dann können folgende Gleichungen aufgestellt werden:

45 Va = V_1n + V_BEl (1)

(2)

Die Ausgangsspannung V_01n wird durch die folgende Gleichung (3) wiedergegeben:

x/ — J/" — / -Af (W

worin Vcc die Speisespannung ist.

Durch Substitution der Gleichung (2) in die Gleichung (3) erhält man die folgende Gleichung (4)

^rOVT '

(4)

60

Unter Verwendung von Gleichung (1) kann die Gleichung (4) wie folgt umgeschrieben werden:

V₀UT

V_BEl- V_BE ₂).

(5)

₆₅

Wie schon erwähnt, wird durch die Stromspiegelschaltung 1 der Strom J_C\ gleich dem Strom /_r; gemacht. Man kann daher berücksichtigen, daß die Basis· Emitterspannung des Transistors Q\ gleich derjenigen des Transistors Q₂ ist Folglich läßt sich die Gleichung (5) weiter umschreiben zu der folgenden Gleichung (6)

Wie aus der Gleichung (6) hervorgeht, ist der Ausgang Voi/r unabhängig von der Basis-Emitterspannung Vbe jedes Transistors. Der Eingang V_w wird um einen Verstärkungsfaktor angehoben, der von dem Verhältnis des Widerstandes R₃ zum Widerstand /?i abhängt Dies ist der Tatsache zuzuschreiben, daß die Auswirkungen der Nichtlinearität der Transistoren Q₁ und Q2 aufgrund ihrer Basis-Emitterspannungen dadurch beseitigt werden, daß die in den Transistoren Qi und Q₂ fließenden Ströme gleich gemacht werden.

Nunmehr werden die in den verschiedenen Elementen der in. 7 i g. 1 gezeigten Schaltung fließenden Ströme im einzelnen beschrieben. Wenn nr ; annimmt, daß die in den Widerständen n; und R> fließes.den Ströme gleich sind und sich jeweils als /f—2/sdarstellen, wobei lader Basisstrom jedes Transistors ist, dann sind die Kollektorströme der Transistoren Qj und Q₄ einander gleich ind jeweils Ie-Hb- Der Kollektorstrom h-M_n des Transistors Q₄ wird den Basisströmen 2/gder beiden Transistoren hinzugefügt und der resultierende Strom Ie— Ib wird an den Kollektor des Transistors Q₂ angelegt. Folglich kann der Emitters'.rom des Transistors Qi durch Ie ausgedrückt werden. Andererseits wird aus dem Kollektorstrom /f-3/s der Strom h als Basisstrom des Transistors Qi verwendet, während der verbleibende Strom /t-4/s als Emitterstrom des Transistors Q\ fließt.

Also ist der Emitterstrom der beiden Transistoren Q, und Qi durch /e-4/b bzw. Ie angegeben. Das bedeutet, die Differenz zwischen dem Emitterstrom ist 4/» Demzufolge sind die Basis-Emitterspannung?n der beiden Transistoren nicht vollständig gleich und die Auswirkungen ihrer Nichtlinearität sind nicht vollständ.^ eliminiert. Doch in der Praxis kann dies vernachlässigt werden.

In F i g. 2 ist eine Schaltung zur vollständigen Aufhebung der Nichtlinearitäten gezeigt, in der diejenigen Teile, die schon anhand der F i g. 1 beschrieben wurden, die gleichen Bezugsziffern tragen. Nachfolgend werden nur die von F i g. 1 verschiedenen Bestandteile beschrieben. In Fig. 1 ist der Transistor Q, als Diode geschaltet. In der in Fig.2 gezeigten Schaltung dagegen ist zusätzlich ein pnp-Transistor Q--, vorgesehen und die Basis und der Kollektor des Transistors Qt sind mit dem Emitter bzw. der Basis des Transistors Qi verbunden. Außerdem ist der Kollektor des Transistors Qs mit dem Kollektor des Transistors Q) verbunden. Mit Hi'fe des Transistors Q₅ worden also die Basisströme 2/s der Transistoren Qi und Q₄ dem Kollektorstrom des Transistors Q] hinzugefügt, so daß am Kollektor des Transistors Qj ein Strom Ie-Ib vorhanden ist. V< .1 dem Strom Ie - Ib wird der Strom la als Basiss'rom des Transistors Qi verwendet, während der restliche Strom Ie-ΪΙβ als Emittersirom des Transistors Qi fließt.

Wenn der Stromverstärkungsfakior des Transistors Q; groß ist. ist der Basisstrom des Transistors entsprechend klein, so daß er vernachlässigt werden kann. Folglich fließt in diesem Fall der Kollektorstrom /f-3/π des Transistors Qi praktisch vollständig in den

Kollektor des Transistors Q_;. Daher ist der Emittersirom des Transistors Q· /f -2//?. was exakt gleich dem des Transistors Oi ist, und demgemäß sind die Basis-Emittcrspannungen der beiden Transistoren gleich. Somit werden mit Hilfe des Transistors Q-, die Basisströme der Transistoren in der Stromspiegelschaltung, deren Basen miteinander verbunden sind, an den Kollektor des Transistors Oj und demgemäß an den Emitter des Transistors (?i angelegt, so daß die Effekte der Nichtlineiiritätcn aufgrund der Basis-Emitterspannungen Vfif; des Emitterfolger Oi und des verstärkenden Transistors Q> vollständig eliminiert werden.

Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßeti Verstärkers. Ein Eingangssigna! \)\. das verstärkt werden soll, wird an die Basis eines pnp-Transistors Q\, der als Emitterfolger geschaltet ist. angelegt. Der Emitterfolgerausgang des Transistors ist

Verstärkenden ripri

der Folgestufe angelegt. Eine Stromspiegelschaltung I ist als Emitterlast des Transistors Oi und als Kollektorlast des Transistors O? vorgesehen, um zu diesen Transistoren gleiche Strome zu schicken. Die in Fig. 3 gezeigte Stromspiegelschaltung 1 weist pnp-Transistoren Oj- 0' und Oo sowie Widerstände R₂. R₁ und R*, auf. die jeweils mit den Emittern der Transistoren Oj· Oj und Or verbunden sind. Die Basen der Transistoren Oj- O- und Oe sind zusammengeschaltet. Der Transistor 0* i^st ;:ls Diode geschaltet, das heißt, seine Basis ist mit seinem Kollektor \erbunden. In dieser Schalunordnung werden durch Wahl der Widerstände R;. Ri und Ri so. daß diese gleiche Widerstandswerte haben, \on den genannten Transistoren Os. Q' und 0t> praktisch gleiche Ströme geliefert.

Der Koilektorstrom des Transistors Oi "iro an den Emitterfolger-Transistor Q, angelegt, der Kollektorström des Transistors Qi wird an den verstärkenden Transistor 0? angelegt und der Kollektorstrom des Transistors Oo wird an den Ausgangswiderstand R± angelegt. Der Ausgangswiderstand /?» liegt zwischen der Ausgangsklenime der Schaltung und Erde. Der Ausgang der Schaltung erscheint somit über dem Ausgangswiderstand.

Wenn in der oben beschriebenen Schaltung die Basis-Emitterspannungen der Transistoren Oi- 0?· 0< und Ot sich als V'bei. Vbe:· Vpe* und Vbev darstellen und die Spannung des Emitters des Transistors Oi mit K, bezeichnet ist und die in den Transistoren Oi und O?^un^ dem Ausgangswiderstand Rt fließenden Ströme mit /ei. Ic₂ bzw. Ia bezeichnet sind, dann können die folgenden Gleichungen aufgestellt werden:

»7v

Ic: = V'b~ V_BEi)fR_x.

(8)

Die Spannung V_B an der gemeinsamen Basisleitung der Transistoren in der Stromspiegelschaltung ist:

Vb= ^vcc- VsEi-

Die unter Verwendung der Gleichungen (7) und (8; umgeformte Gleichung (9) lautet dann:

-V_BEt- ψ- (Γ,ν + V_BE , - V_BE1).

(10)

chung dargestellt werden:

Ic:· = Cir - Vßff - Vg)ZR,. (11)

¹S Daher ist der Ausgang P'„_tT der Schaltung:

Wenn die Gleichung (10) in die Gleichung (12) eingesetzt wird, dann:

BE₁)^.

(13)

Da die in den Transistoren Q, und Q₂ fließenden Ströme einander gleich sind und die in den Transisto-2n ^ren Qi ^ur|d Qi. fließenden Ströme ebenfalls einander gleich sind, sind die Basis-Emttterspannungen dieser Transistoren einander gleich. Daher kann die Gleichung (13) folgendermaßen umgeschrieben werden:

R.

(14)

Femer kann der Strom l_c-, durch die folgende GleiAus Gleichung (14) wird deutlich, daß der Ausgang V',5,-.,'unabhängig von der Basis·Emitterspannung Vg₁ OCi Tranaiiitoion ist. Außerdem erhält man den Ausgang V(IiT durch Anheben cies Eingangs V'/\ um einer, Verstärkungsfaktor, der durch das Verhältnis der Widerstände Rt und R: und der Widerstände /?a und R-definiert ist.

Nunmehr werden die Ströme an verschiedenen Punkten in der Schaltung der F i g. 3 genauer beschrieben. Nimmt man an. daß der in den Widerständen R: und Ri fließende Strom gleich ist und jeweils sich als /ϊ-2/π darsteii;. worin In der Basisstrom jedes Transistors ist. dann sind die Kollekiorströme der beiden Transistoren Oj und Qi einander gleich und stellen sich als /f-3/sdar. Der Kollektorstrom /c-3/«des Transistors Q, wird den Basisströmen 3/«·der drei Transistoren Qs, 0> ^und 0- ^anl Kollektor des Transistors 0: hinzugefügt. Das heißt, an

₄. den Kollektor des Transistors 0? ^w>rd ein Kollektorstrom /,-angelegt. Demgemäß ist der Emitterstrorn des Transistors Q₂ gleich U+If- Vom Kollektorstrom //Γ-3/fi wird der Strom /sals Basisstrom des Transistors Q2 verwendet, während der verbleibende Strom /,--4Ib als Emitterstrom des Transistors 0; Hießt.

Die Emitterströme der beiden Transistoren Oi und 0: sind also Ii-Mb bzw. Ir+lg- Folglich sind die Basis-Emitterspannungen Vbe dieser beiden Transistoren nicht vollständig gleich, wie in dem Ausführungsbei-

-. spiel der Fig. 1. und demgemäß sind die Auswirkungen der Nichtiinearität dieser Transistoren nicht vollständig beseitigt, in der Praxis kann dies jeooch vernachlässigt werden.

um die Nichtlinearitäien vollständiger zu eliminieren.

kann gemäß der Erfindung eine Schaltung vorgeseher, werden, wie sie in F i g. 4 gezeigt ist. in F i g. 4 haben die schon im Zusammenhang mit den F'.sr.l bis 3 beschriebenen Komponenten die^gieichen öezugszifierr>. Nachstehend ν,-srden -ur die Teiie beschrieben, die

sich von denen in F i g. 3 unterscheiden.

In den Fig. 1 und 3 ist der Transistor 0- als Diode geschaltet. Statt dessen ist in der Schaltung der F i g. 4 ein pnp-Transistor 0? vorgeseher., dessen Emitter und

Basis mit der Basis bzw. dem Kollektor des Transistors Oj verbunden ist. Der Kollektor des Transistors (Λ ist mit dem Kollektor des Transistors Qt verbunden.

Mittels des Transistors Qi werden also die Basisströme 3/s der Transistoren Qi. Qi und Qh dem Kollektorstrom des Transistors Qi hinzugefügt, so daß man als Resultat einen Strom //.- erhalt. Vom Strom I·. wird der Stmtn Iu als Bastsstrom des Transistors Q; verwende!. während der restliche Strom If- /»als Emitterstrom des Transistors Q_t fließt.

Wenn der Stromverstärkungsfaktor <ji:s Transistors Q-, groß gewühlt wird, dann is: der Basiss;roni des Transistors ausreichend klein, um vernacr.iris^ig'. /ti werden. Daher fließt praktisch der gesamte Koliektcrstrom des Transistors Qi in den Koiiek;o;· des Transistors Q?. Der EmittersirorM des Transistors C: ist also I/-2Ih- Somit ist die Differenz zwischen dem Emiuerstrom des Transistors Q> und demjenigen des erwähnten Transistors Q\ nut U und daher 3;nd die Basis-Emitterspannungen V_m der beiden Transistoren mehr einander gleich als diejenigen in der Schaltung der F i g. I und 3.

Die Schaltung in Fig. 4 ist so konstruier;, daß mit Hilfe des Transistors Q^ die Basisströme der Transistoren, deren Basen miteinander in der Stromspiegelschal· tung verbunden sind, an den Kollektor des Transistors Qi und damit an den Emitter des Transistors C' angelegt werden. Folglich sind die Auswirkungen der Nichtiinearitäten des Emitterfolger-Transistors Q- und dos verstärkenden Transistors Q2 vollständig eliminiert.

aus vorstehender Beschreibung wird deutlich, dnii der erfiridungsgemäße Transistorverstärker einfach in seiner Konstruktion ist und die Verzerrung ohne negative Rückkopplung eliminiert ist und ein argestrioter Verstärkungsfaktor erzielt ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

15

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Claims

Patentansprüche:

1. Verstärkeranordnung mit einem ersten Verstärkertransistor, dessen Basis das Eingangssignal zugeführt ist, einem zweiten, zum ersten Verstärkertransistor komplementären Verstärkertransistor, dessen Basis mit dem Emitter des ersten Verstärkertransistors verbunden ist, und einer Stromzuführungsschaltung, die mit den Ausgängen der beiden Verstärkertransistoren verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzuiuhrungsschaltung (1) derart aufgebaut ist, daß die in den beiden Verstärkertransistoren (Q₁, Q₂) fließenden Ströme gleich sind.

Z Verstärkeranordnung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzuführungseinrichtung eine Stromspiegelschaltung (1) ist, die einen dritten und ierten Transistor (Qu Q») aufweist, deren Basen miteinander verbunden sind.

3. Verstärkeranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Basisstrom des dritten und vierten Transistors über einen fünften Transistor ) an den ersten Transistor angelegt wird.

4. Verstärkeranordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß uas Ausgangssignal am Emitter des vierten Transistors (Qa) abgenommen wird.

5. Verstärkeranordnung nach Anspruch 2 oder 3. dadurch gekernzeichnet, daß ein weiterer Transistor (Qb) in der Stromspiegelschaltung (1) vorgesehen ist. der mit einem Kollektor Widen .and (R*) verbunden ist. über dem das Aiisgang^signal abgenommen wird.

6. Verstärkeranordnung nach < iiem der Ansprüche 2 bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des einen Transistors (Qi) der Stromspiegelschaltung (1) mit dem Emitter des ersten Transistors (Q) und der Kollektor des anderen Transistors (Q_t) mit dem Kollektor des zweiten Transistors (Qz) verbunden sind und daß die Emitter der beiden Transistoren über jeweils einen Widerstand (R₂. Ri) an ein Bezugspotential gelegt sind.

7. Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6. dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter des fünften Transistors (Q,) mit den Basen des dritten und vierten Transistors, seine Basis mit dem Kollektor des vierten Transistors (Qi) und sein Kollektor mit dem Kollektor des dritten Transistors (Qi) verbunden sind.

8. Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7. dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des sechsten Transistors (Q_b) mit den Basen des dritten und vierten Transistors (Q₁. Qt). sein Emitter über einen Widerstand (R-,) mit Bezugspotential und sein Kollektor über einen Widerstand (Rt) mit Erde verbunden sind.