DE2146418A1 - Verstärkerschaltungsanordnung - Google Patents

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. F. Weickmann, 2146418

Dipl.-Ing. H.Weickmann, D1PL.-PHYS. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

DXIII 8 MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 48 39 21/22

<983921/22>

Tektronix, Inc., 14150 S.W. Karl Braun Drive, Beaverton, Oregon, 97005, USA

VERSTÄRKEf&C! iALTUNGSANORDNUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verstärkerschaltungsanordnung mit verbesserter Stromverstärkung bei hohen Frequenzen.

Transistorverstärker mit einer vorgegebenen Stromverstärkung bei tiefen Frequenzen zeigen oft als Funktion der Frequenz ein Weglaufen der Verstärkung, das gewöhnlich 6Db pro Oktave beträgt. Wenn die Frequenz erhöht wird, nimmt die Verstärkung auf eins und Bruchteile von eins ab. Daher wird eine Frequenz f definiert, bei der die Kurzschluß-Stromverstärkung eines Transistorverstärkers in Emitterschaltung gleich eins wird. In Kaskade geschaltete Transistoren liefern bei Frequenzen, welche gleich dem Wert f oder über diesen Wert liegen, keine zusätzliche Verstärkung, da Kaskadenstufen, welche jeweils eine Verstärkung von eins oder eine noch kleinere Verstärkung be sitzen, offensichtlich insgesamt keine höhere Verstärkung liefern können.

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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verstärker mit verbesserter Stromverstärkung anzugeben. Insbesondere soll es sich dabei um einen Verstärker handeln, bei dem die Stromverstärkung bei hohen Frequenzen gegeben ist; d.h., die Stromverstärkung soll sich erst bei höheren Frequenzen auf eins reduzieren. Schließlich soll bei dem Verstärker gleichzeitig mit der Verbesserung der Stromverstärkung bei hohen Frequenzen der richtige Phasenabgleich erhalten bleiben.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Verstärkeranordnung der eingangs genannten Art durch folgende Merkmale gekennzeichnet:

ein erstes Paar von Transistoren, deren Emitter Über einen Koppelzweig miteinander und deren Kollektor an jeweils eine Klemme eines Ausgangsklemmenpaars angekoppelt sind, ein zweites Paar von Transistoren, deren Emitter Über einen Koppelzweig miteinander und deren Kollektor an das Ausgangsklemmenpaar gekoppelt sind, derart, daß der Ausgangsstrom des zweiten Transistorpaars phasengleich und parallel zum Ausgangsstrom des ersten Transistorpaars ist, und einen Kreis zur Einspeisung eines gemeinsamen Serieneingangsstroms in die vier Transistoren der Transistorpaare.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird die Frequenz f_ bei Emitterschaltung der Transistoren verdoppelt, was mit anderen Worten heißt, daß die Verstärkung bei dem gewöhnlichen Frequenzwert f_ verdoppelt wird. Daher wird die Frequenz-

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grenze heraufgeschoben, bis zu der noch eine Verstärkerwirkung erreichbar ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung koppelt ein erster Widerstand die Emitter des ersten Transistorspaars, wenn ein zweiter Widerstand die Emitter des zweiten Transistorpaars miteinander koppelt. Dter Eingangsstrom wird zwischen einer Basis des ersten Transistorpaars und einer Basis des zweiten Transistorpaars eingespeist. Die verbleibenden Basen sind zusaamengekoppelt, um den Eingangs-Serienstrompfad zu schließen. Jedes Transistorpaar liefert dabei einen Ausgangsstrom als Funktion des Eingangsstroms; da jedoch die Ausgänge der Transistorpaare parallelgeschaltet sind, wird der Strom um den Faktor zwei vergrößert. Weiterhin werden gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die resultierenden parallelen Ausgangsstroms auf einen Gegentakt-Transistorverstärker in Basisschaltung gegeben, um die Stromverstärkung der vorgenannten Transistorpaare so groß wie möglich zu machen.

Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausfuhrungsbeispiels anhand der einzigen Figur der Zeichnung.

Üiese Figur zeigt ein Schaltbild der Verstärkerschaltungsanordnung gemäß der Erfindung.

Die in der Figur dargestellte Verstärkerschaltungsanordnung gemäß der Erfindung besitzt ein Paar von Stron-Eingangsklenaen 10 und 12, Über die ein Eingangsstrom I. fließt. Ein erster

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Widerstnd 14 koppelt die Klemme 10 an eine Bezugsspannungsquelle, welche eine kleine positive Spannung liefert. Entsprechend ist die Klemme 12 Über einen Widerstand 16 an die gleiche Vorspannungsquelle angekoppelt. Die Klemme 10 ist weiterhin auf die Basis npn-Transistors 18 gefuhrt, welcher zusammen mit einen npn-Transistor 20 ein erstes Transistorpaar im Sinne der Erfindung bildet. Die Eingangsklemme 12 ist an die Basis eines npn-Transistors 22 angekoppelt, welcher mit einem npn-Transistor 24 ein zweites Transistorpaar im Sinne der Erfindung bildet. Die Basis der Transistoren 20 und 24 liegt zusammen an einem Bezugspotentialpunkt (Erde) an.

Die Emitter der Transistoren 1$ und 20 sind Über einen Widerstand 30 gekoppelt, dem seinerseits zur Verbesserung der Hochfrequenzeigenschaften eine Kapazität 32 parallelgeschaltet ist. Der Emitter des Transistors 18 liegt Über einen Widerstand 26 an einer negativen Vorspannung, während der Emitter des Transistors 20 Über einen Widerstand 28 ebenfalls an dieser negativen Vorspannung liegt. Zur Kopplung der Emitter des Transistors 22 und des Transistors 24 ist ein Widerstand 38 vorgesehen, dem zur Verbesserung der Hochfrequenzeigenschaften eine Kapazität 40 parallelgeschaltet ist. Die Emitter der Transistoren 22 und 24 sind Über Widerstände 34 bzw. 36 an die negative Vorspannung geführt.

Die Kollektoren der Transistorpaare sind an Ausgangsklemmen 42 und 44 angeschaltet. Dabei liegen die Kollektoren der Transisto-

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ren 18 und 24 an der Klemme 42, während die Kollektoren der Transistoren 20 und 22 an der Klemme 44 liegen.

Ein Gegentaktverstärker in Basisschaltung mit npn-Transistoren 46 und 43 liegt an den vorgenannten Ausgangsklemmen 42 und 44 und liefert ein Ausgangssignal an Klemmen 50 und 52. Zwischen diese Klemmen 50 und 52 ist eine Stromquelle gekoppelt. Der Emitter desTransistors 46 liegt an der Klemme 42, während sein Kollektor an der Klemme 50 liegt. Entsprechend liegt der Emitter des Transistors 48 an der Klemme 44 und sein Kollektor an der Klemme 52. Die Basen der Transistoren 46 und 48 liegen gemeinsam am Mittelabtrenngriff eines Spannungsteilers aus Widerständen 54 und 56, welche in dieser Reihenfolge zwischen einer positiven Spannung und Erde liegen. Dieser Spannungsteiler liefert die geeignete Vorspannung fUr die Transistoren 46 und 43. Der aus diesen Transistoren 46 und 48 aufgebaute Gegentaktverstärker bildet eine Last kleiner Impedanz an den Klemmen 42 und 44, wodurch die Stromverstärkung des aus den Transistoren 18, 20, 22 und 24 gebildeten Kreises so groß wie möglich gemacht wird. Es kann daher nahezu die volle maximale Kurzschluß-Stromverstärkung der letztgenannten Transistoren ausgenutzt werden.

In der Verstärkerschaltungsanordnung nach der Figur fließt ein beträchtliches Teil des Eingangstroms I. Über die Basis-Emitterstrecken der in Serie geschalteten Transistoren 18, 20, 24 und 22, während der verbleibende Teil des Eingangssts ns Über die Widerstände 14 und 16 fließt. Normalerweise sind die Widerstandswerte der Widerstände 26 und 28 gleich und weit

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größer, als der Wideristandswert des Widerstandes 30. Ebenso sind die Widerstandswerte der Widerstände 34 und 36 einander gleich und gleich den Werten der Widerstände 26 und 28. Der Wert des Widerstandes 38 ist zweckmäßigerweise gleich dem Widerstandswert des Widerstandes 30. Daraus folgt, daß ein Über den Emitter des Transistors 18 fließendes zunehmendes Stromsignal etwa gleich dem Über den Emitter des Transistors 20 und den zwischen diesen beiden Emittern liegenden Widerstand 30 fließenden zunehmenden Stromsignals ist. Weiterhin ergibt sich das gleiche zunnmende Stromsignal an den Emittern der Transistoren 22 und 24 und im Widerstand 38 zwischen diesen Emittern. Die Transistorpaare 18, 10 bzw. 22, 24 wirken als Gegentaktstufen und liefern ausgangsströme, welche Über die Verstärkung der jeweiligenStufe mit dem Eingangsstrom zusammenhängen. Beispielsweise ist der Kollektorstrom I. des Tranistors 18 bei tiefen Frequenzen etwa gleich I. R /R., worin R_Q gleich dem Widerstandswert der Widerstände 14 und 16,R. gleich dem Widerstandswert der Widerstände 30 und 38 ist. Bei tiefen Frequenzen hängt die Verstärkung der Stufe 18, 20 vom Wert des Widerstandes 30 ab, da dieser eine merkliche Rückkopplung im Emitterzweig darstellt. Der Transistor 18 verhält sich beispielsweise nahezu so, als ob die rechte Seite des Widerstandes 30 geerdet wäre. Da der Transistor 20 weiterhin den gleichen Eingangsstrom erhält, ist der Wert des Stromes I» etwa gleich I . R_n / R-. Die Ausgangsströme

I und I₀ sind gleich, jedoch um 180 in der Phase verschoben, da

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die Transistoren 18 und 20 eine Gegentaktstufe bilden.

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Entsprechend ist der Kollektorstrom I₇ des Transistors 22 etwa gleich I. R / R._f während der Kollektorstrom I. des Transistors 24 den gleichen Wert besitzt, aber um 180 in der Phase verschoben ist. Durch Kreuzung der Ausgangsleitungen der Gegentaktverstärker in der in der Figur dargestellten Weise werden\die Ausgangsströme phasenrichtig addiert. Die zu einem gegebenen Zeitpunkt in einer ersten Richtung fließenden Strö-me I. und I. addieren sich an der Klemme 42 und bilden den Strom I_. Die zu diesem Zeitpunkt in einer zweiten Richtung fließenden Ströme

und I_Q addieren sich an der Klemme 44 und bilden einen gemein- «5

samen Strom I,. Diese Ströme I₅ und 1, sind jeweils doppelt so groß als der durch ein Transistorpaar allein gelieferte Strom.

Die Ausgangsströme werden also phasnrichtig addiert und liefern einen doppelten Ausgangsstrom. Auch bei der Frequenz f, bei der die Stromverstärkung eines Transistors in Emitterschaltung gleich eins ist, liefert die Verstärkerschaltung gemäß der Erfindung eine Verstärkung von zwei. Unter der normalen Annahme, daß die Stromverstärkung bei hohen Frequenzen umgekehrt proportional zur Frequenz ist, ist die Verstärkung bei der Frequenz 2f_ gleich 1, da die Verstärkung der Schaltung bei der Frequenz f_ gleich zwei ist. Daher vermag die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung noch bei höheren Frequenzen als Verstärker zu arbeiten, als dies bei bisher bekannten Verstärkern der Fall ist.

Es sei angenommen, daß die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung und eine zu ihr in Vergleich gesetzteikonventionelle Schaltungsanordnung die gleiche Verstärkung bei tiefen Frequenzen haben. Weiterhin sei angenommen, daß die konventionelle Schaltungsan-

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Ordnung einem Paar der oben beschriebenen Gegentaktpaare, wie beispielsweise die Stufe 18, 20 entspricht. Um bei diesen Frequenzen eine Stromverstärkung von beispielsweise vier zu reaisieren, muß die konventionelle Schaltung ein Widerstandsverhältnis R / R- von 4 besitzen, während die erfindungsgemäße Verstärkerschaltungsanordnung lediglich ein Widerstandsverhältnis R_n / R. von 2 besitzen muß. Dies ergibt sich aufgrund des Stromverdopplereffektes. Die Frequenz für einen Verstärker, bei der das Weglaufen beginnt, beispielsweise die Frequenz, bei der das Ausgangssignal um 3 Db vermindert ist,

kann dem Wert f _ / ο gleichgesetzt werden. Für den vorge-

nannten konventionellen Verstärker muß das Verhältnis R„ / R. für eine Verstärkung von 4 gleich 4 sein, während für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung lediglich das halbe Widerstandsverhältnis erforderlich ist, um die gleiche Verstärkung bei tiefen Frequenzen zu erhalten. Da das Widerstandsverhältnis lediglich halb so groß ist, ist die Frequenz, bei der das Weglaufen beginnt, doppelt so groß als die entsprechende Frequenz bei dem konventionellen Verstärker.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßenVerstärkerschaltungsanordnung liegt darin, daß der erforderliche dynamische Stromaussteuerbereich für jedes Transistorpaar nur halb so groß wie für einen einzigen Transistor sein muß. Darüber hinaus gewährleistet der doppelte Gegentakt-Parallelausgangskreis den richtigen Phasenabgleich in der Schaltung. Aufgrund dieses Abgleiche sind daher keine zu Verzerrungen führende Phasendifferentiale zwischen dem Eingangskreis und Teilen des Ausgangskreises vorhanden.

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Wie oben ausgeführt, bildet der aus den Transistoren 46 und 48 gebildete Gegentaktverstärker eine Last kleiner Impedanz an den Ausgangsklemmen 42 und 44. Der Ausgangsteilstrom I₇ an der Klemme 50 ist nichtsdestoweniger etwa gleich dem Teilstrom I₁.*

Ebenso ist der Ausgangsteilstrom I₀ an der Klemme ö2 im wesei ίο

1 ichen gleichen dem Teilstrom I,.

Das Konzept der SerienzufUhrung des Eingangsstroms und der Erzeugung eines parallelen Ausgangsstroms kann auf Stromvervielfachungen ausgedehnt werden, welche größer als 2 sind. Beispielsweise kann der Ausgangsstrom vervierfacht werden. Anstelle der SerienzufUhrung des Eingangsstroms zu lediglich einem Paar von Transistoren 18 und 20 zwischen der Klemme 10 und Erde kann diesem Paar ein entsprechend geschaltetes weiteres Paar in Serie geschaltet werden, wobei die Basen zwischen die Basis des Transistors 20 und Erde geschaltet sind. Die Ausgangssignale an den Kollektoren eines derartigen zusätzlichen Transistorpaars werden dann im Sinne einer Phasenaddition auf die Klemmen 42 und 44 gekoppelt. Entsprechend kann ein weiteres Transistorpaar zwischen die Basis des Transistors 24 und Erde geschaltet werden, wodurch sich eine resultierende Vervierfachung des Ausgangsstroms bzw. eine weitere Erhöhung der Betriebsfrequenz fUr eine gegebene Verstärkung ergibt.

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Schaltungsanordnungen dieser Art zur Erzielung einer weiteren Stroravervielfachung s ind in der Zeichnung nicht eigens dargestellt, da diese im wesentlichen lediglich eine Verdpplung der dargestelltenSchaltung sind.

- Patentansprüche -

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Claims (8)

1. 2146448

   • - li -

   PATENTANSPRÜCHE

   y Verstärkerschaltungsanordnung mit verbesserter Stromverstärkung bei hohen Frequenzen, gekennzeichnet durchwein erstes Paar von Transistoren (18, 20), deren Emitter Über einen Koppelzweig (30, 32) miteinander und deren Kollektoren an jeweils eine Klemme eines Ausgangsklemmenpaars (42, 44) gekoppelt sind, ein zweites Paar von Transistoren (22, 24), deren Emitter Über einen Koppelzweig (38, 40) miteinander und deren Kollektoren an das Ausgangsklemmenpaar (42, 44) gekoppelt sind, derart, daß der Ausgangsstrom des zweiten Transistorpaars phasengleich und parallel zum Ausgangsstrom des ersten Transistorpaars ist, und durch einen Kreis zur Einspeisung eines gemeinsamen Serieneingangsstroms in die vier Transistoren der Transistorpaare.
2. 2. Schaltungsanordnung nachAnspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreis zur Einspeisung eines gemeinsamen Serieneingangsstromms durch Ankopplung einer Eingangsklemme (lO) an die Basis des einen Transistors (18) des ersten Transistorpaars (18, 20), einer Ankopplung einer weiteren Eingangsklemme (21) an die Basis des einen Transistors (22) des zweiten Transistorpaars (22, 24), und durch Ankopplung der Basis des anderen Transistors (20) des ersten Transistorspaars an die Basis des anderen Transistors (24) des zweiten Transistorpaars gebildet ist.

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3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Emitter der Transistoren des ersten und zweiten Transistorpaars (18, 20) koppelnden Zweige (30, 32/ 28, 40) jeweils einen Widerstand (30; 38) enthalten.
4. 4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung der Emitterkopplung der Transistoren der Transistorpaare (18, 20; 22, 24) bei hohen Frequenzen dem jeweils koppelnden Widerstand (30 bzw. 38) eine Kapazität (32 bzw. 40) parallelgeschaltet ist.
5. 5. Schaltungsanodnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein Paar von in Gegentakt gekoppelten Transistoren (46, 48) in Basisschaltung, deren Emitter zur Bildung einer Last kleiner Impedanz jeweils an eine Ausgangsklemme (42, 44) angekoppelt sind und deren Kollektoren die Verstärkerausgangsklemmen (50, 52) bilden.
6. 6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des einen Transistors (18) des ersten Transistorpaars (18, 20) mit dem Kollektor des anderen Transistors des zweiten Transistorpaars (22, 24) und der Kollektor des anderen Transistors (20) des ersten Transistorpaars mit dem Kollektor des einen Transistors (22) des zweiten Transistorpaars gekoppelt ist und daß der Serieneingangsstrom über die Basis-Emitterstrecke des einen Transistors (18) des ersten Transistorpaars und des einen Transistors (22) des zweiten Transistorpaars in einer ersten Richtung und über die Basis-Emitterstrecke des anderen

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   Transistors (20) des ersten Transistorpaars und des anderen Transistors (24) des zweiten Transistorpaars in einer zweiten Richtung fließt.
7. 7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Basen des einen Transistors (13) des ersten Transistorpaars (18, 20) und des einen Transistors (22) des zweiten Transistorpaars (22, 24) über jeweils einen Widerstand (14 bzw. 16) an einen Bezugsspan- Λ nungspunkt angekoppelt sind und dass die Basen des anderen Transistors (20) des ersten Transistorpaars und des anderen Transistors (24) des zweiten Transistorpaars miteinander gekoppelt sind.
8. 8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter eines Transistors (46) der in Gegentakt gekoppelten Transistoren (46, 48) in Basisschaltung an die Kollektoren des einen Transistors (18) des ersten Transeistorpaars (18, 20) und des anderen Transistors (24) des zweiten Transistorpaars (22, 24) und der \ Emitter des zweiten Transistors (48) der in Gegentakt gekoppelten Transistoren an die Kollektoren des anderen Transistors (20) des ersten Transistorpaars und des einen Transistors (22) des zweiten Transistorspaars angekoppelt ist.

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