DK142438B - Strømforstærker. - Google Patents

Description

π& (11) FREMUE66ELSESSKRIFT 142438 DANMARK (51) lnt CI·3 Η 03 F 3^347 // G 05 F 3/10 §(21) Ansøgning nr. 3922/74 (22) Indleveret den 19· Jul. 1974 (24) Lebedag 19 . Jul. 1974 (44) Ansøgningen fremlagt og .

fremlæggelsesskriftet offentliggjort den 27» Okt. I98O

DIREKTORATET FOR

PATENT-OG VAREMÆRKEVÆSENET <30> Prioritet begær« fra den

20. Jul. 1975a 581175, US

(71) RCA CORPORATION, Roqkefeller Plaza 30, New York, N.Y. 10020, US.

(72) Opfinder: Adel Abdel Aziz Ahmed, Cedar Grove Road, R.D. 1, Annandale,

New Jersey 08801, US.

(74) Fuldmægtig under sagens behandling:

Ingeniørfirmaet Budde, Schou & Co.

(54) Strømforstærker.

Opfindelsen angår en strømforstærker af den i krav 1's indledning angivne art.

Strømforstærkere til Integrerede kredsløb anvender ifølge den kendte teknik en først og anden emitterJordet forstærkertransistor, hvor den første ligger forud for den anden i en jævnspændingskoblet kaskadekobling, og har kollektor-basismodkobling til regulering af dens kollektorstrøm til at være lig med en påført indgangsstrøm. Udgangsstrømmen, der løber i den anden transistors kollektor-emitter-vej, er proportional med den påførte indgangsstrøm i et forhold, der er lig med det effektive basis-emitterovergangsareal for den anden transistor i forhold til den første transistors. En sådan strømforstærkers forstærkning er veldefineret og er i hovedsagen uafhængig af den første og anden transistors emitterjordede strømforstærkning i lederretningen.

2 142438

Det er opfindelsens formål at anvise udformningen af en strømforstærker af den angivne art, som ved en forstærkningsfaktor på væsentligt mere end eller væsentligt mindre end én kan anbringes på et mindre areal i et monolitisk integreret kredsløb, end det har været muligt med den hidtil kendte teknik.

Det angivne formål opnås ved en forstærker, som tillige udviser de i krav 1's kendetegnende del angivne træk.

Dioderne i kollektor-basis-tilbagekoblingen sørger for, at den spænding, der optræder mellem den første transistor kol-lektor og basis, ændrer sig proportionalt med den første og. anden transistors absolutte temperatur.

Opfindelsen forklares 1 det følgende nærmere under henvisning til tegningen, på hvilken fig. 1 viser et skematisk diagram for en opstilling ifølge den kendte teknik til realisering af en strømforstærkning, der er en brøkdel af en, og fig. 2, 3 og 4 skematiske diagrammer af forskellige udførelseseksempler på forstærkere ifølge opfindelsen.

I fig. 1 antages transistorer 101, 102 og 103 at have identiske geometrier og samme arbejdskarakteristikker og at være anbragt i nærheden af hinanden inden for samme integrerede kredsløbs grænser. Hver af transistorerne 101 og 102 er koblet som en halvlederdiode, idet deres sammenkoblede kollektor- og basiselektrode danner diodens anode,.og emitterelektroden danner diodens katode.

De parallelkoblede transistorer 101 og 102 er som bekendt ækvivalent med en enkelt transistor, der har et effektivt basis-emit-terovergangsareal lig med summen af deres effektive basis-emitter-overgangsarealer. Hvor en enkelt transistor er vist i de efterfølgende figurer 2, 3 og 4, er det underforstået, at et konventionelt transistorsymbol kan repræsentere en sådan sammensat transistor, der omfatter parallelle komponenttransistorer.

Transistorerne 101 og 102's kollektor-basisforbindelser er degenerative eller negative tilbagekoblingsforbindelser, der regulerer deres basis-emitterpotentialer, henholdsvis vbe^qi °s ^BEK^* til værdier, der understøtter kollektorstrømme i hovedsagen lig med det halve af 1^.^, der er strømmen der tilføres over terminalen IND til deres sammenkoblede kollektorelektroder.

En lille brøkdel af strømmen anvendes til levering af basisstrømme til transistorerne 101, 102 og 103· De emitterjordede strømforstærkninger i lederetningen, eller hfe'erne, for disse transistorer overskrider almindeligvis 30, og der kan ses bort fra basis- 5 142438 strømmene i sammenligning med transistorerne 101 Og 102's kollektor-. strømme. Basisstrømmenes virkninger på de heri beskrevne strømfor*' ... stærkeres forstærkning vil lade basisstrømmen; ude af betragtning, og fremgangsmåderne til beregning af deres virkninger er kendt af fag·* folk inden for transistorelektronikplanlægningsteknikken.

Transistoren 105 har et basis-emitterpotential, lig med VBE101 og VBE102* Det er også et velkendt faktum, at en transistors basis-emitteroffsetpotentia 1 VBE er en logaritmisk funktion af den gennemsnitlige strømtæthed i basis-emitterovergangen. Dette ' forhold udtrykkes oftest på følgende form: VBE q ln lg (I) hvor k er Boltzmann's konstant, T er den absolutte temperatur, q er en elektrons ladning, lp er transistorens kollektorstrøm, og Ig er transistorens mætningsstrøm.

En anden velkent ligning udtrykker forholdet mellem Vg^.og. for en første og anden transistor, der hver især har samme nhtd diffusionsprofili for samme kollektorstrøraværdi, hvor den første transistors effektive basis-emitterovergangsareal er m gange så stort som den andens, dvs.: - VBE1 = VBE2 " ln ® ^ q

Af denne ligning kan forholdet mellem I -værdien for forskellige

O

transistorer beregnes. Hvis transistorerne har samme geometri og har samme temperatur, er deres Ig-værdier ens. Transistorerne 101 og 102's kollektorstrømme, IC101 °s ^CIOS' er hver isa9r Hs med .,1/2 IjND· Dette må være tilfældet, eftersom deres VBE'er, °g Vbe102' er ens, fordi deres basis-emitterovergange er parallelkpblet, deres temperaturer er ens på grund af den umiddelbare nærhed i det integrerede kredsløb, og deres mætningsstrømme er ens på grund af deres ens geometrier. Transistoren 105's kollektorstrøm må af samme grunde være lig med 1/2 ΪΤΝΙ)·

Den i fig. 1 viste strømforstærkers forstærkning er depfor l/m, hvor m er forholdet mellem antallet af parallelle.diodekoblede transistorer i indgangskredsløbet og antallet af parallelkoblede transistorer i udgangskredsløbet, idet det antages at alle transis-r 4 142438 rerne har samme geometri. Mere generelt er strømforstærkerens forstærkning 1/m, hvor m er forholdet mellem summen af de effektive basis-emitterovergangsarealer for de diodekoblede transistorer i dens indgangskredsløb og summen af de effektive basis-emitterovergangsarealer for transistorerne i dens udgangskredsløb.

Det er bekvemt at sammenligne arealerne på det integrerede kredsløb for de alternative kredsløb, der kræves til realisering af en bestemt strømforstærkning, ved at angive antallet af transistorer med samme geometri, der kræves for at realisere den pågældende forstærkning. Strømforstærkeren ifølge fig. 1 kræver m + 1 transistorer med samme geometri for at opnå en strømforstærkning på l/m, hvor m er et positivt tal. Der kendes strømforstærkere, der tilvejebringer en strømforstærkning på m, og som omfatter en enkelt diodekoblet transistor i sit indgangskredsløb og ro parallelkoblede transistorer i sit udgangskredsløb.

Fig. 2 viser en strømforstærker, i hvilken en regulerings-transistor 201 styrer potentialet, der påføres på udgangstransistoren 202's basis-emitterovergang. Imidlertid opretholdes en potentialforskel mellem VgE201 og VpEpnp, deres basis-emitterpotentlaler, ved virkningen af diodekoblede transistorer 203, 204 og 205- Der kan almindeligvis ses bort fra basisstrømmenes virkning på de samlede strømme, der løber i netværkets forskellige grene, eftersom komponenttransistorernes hf normalt er større end 30* Virkningerne af disse basisstrømme kan imidlertid om ønsket beregnes ifølge velkendte principper.

I den efterfølgende undersøgelse af, hvorledes opbygningen ifølge fig. 2 kan anvendes, antages transistorerne 201 og 203's geometrier at være ens, og transistorerne 202, 204 og 205*S geometrier antages ligeledes at være ens. Det effektive basis-emitterovergangs-areal for hver af transistorerne 201 og 203 antages at være m gange så stort som det effektive basis-emitterovergangsareal for hver af transistorerne 202, 204 og 205·

Strømmen, der føres til IND-terminalen, IIND, deles i en I^-komponent, der løber igennem de diodekoblede transistorer 203 og 204’s seriekoblede kollektor-emitterveje, og en I^-komponent, der løber igennem de seriekoblede kollektor-emitterveje for den diodekoblede transistor 205 og transistoren 201. Eftersom transistoren 201 har et effektivt basis-overgangsareal, der er m gange så stort som transistoren 204’s: 5 142438 I2 = h.^ (3)

Dette er en følge af, at parallelkoblingen af transistorerne 201 og 204's basis-emitterovergange tvinger potentialerne VRRpn-] og VBE204* der fremkaldes over dem, til at være ens og således bringer strømtæthederne i deres basis-emitterovergange til at være ens.

Ifølge ligningen (1) er νβΕ20^ givet ved udtrykket VBE204 = ln (4) q IS204

Strømmen 1^ løber også igennem den diodekoblede transistor 203 og bringer den til at have et basis-emitterpotential VgE20^· Af ligningen (2) fås: VBE203 = VBE204 cf" ln m ^

Transistoren 205' s basis-emitterpotential VpEpr)^ er givet ved udtrykket: kT ^2 VBE205 = q~ ln Ig205 (6)

Eftersom de diodekoblede transistorer 204 og 205 har samme geometri, IS205 = IS204 ^

Substituering af ligningerne (3) og (7) i (6) VBE205 ” q ln m - iS204 kT X1 . kT _ /on - — ln =- + — In m (o) q IS204 q

Potentialet, der påføres mellem transistoren 202's basis- og emitter-elektrode, vg£202' er besten]t ved de diodekoblede transistorer 203, 204 og 205's regulerepde virkning som udtrykt i ligningerne (4), (5) og (8).

β 1*2438 VBE202 = VBE203 + VBE204 ~ VBE205 = (VBE204 " q~ ln “) + VBE204

(kT 'N

VBE204 + q~ ln mJ

VBE204 " 2q ln m VBE202 = VBE204 “ ln in2. (10)

Ved henvisning til ligningen (2), ses det, at transistoren 202 må have en kollektorstrøm -I^, der er lig med strømmen i en transistor, der har samme V™ som transistoren 204, men et effek- BE. 2 tivt basis-emitterovergangsareal, der er nr gange mindre end transistoren 204's. Dvs., at strømtætheden i transistoren 202's basis--emitterovergang kun er l/m gange så stor som strømtætheden i transistoren 204’s basis-emitterovergang, hvorfor -IUD = ~k~ m

Eftersom er lig med summen af 1^ og I2 fås ^ = (12)

Ved substituering af ligningen (3) i ligningen (12) og omordning fås h XIND - -h - i® U3) ro+1

Indsættelse af 1^ fra ligningen (13) i ligningen (11) giver IIND , ,, -½} = -p-Γ (l4) UD m2 (m+1) 142438 7

Transistorerne 201 og 203 kan være opbygget af m parallelkoblede transistorer med samme geometri som transistorerne 202, 204 og 205, hvis m er et positivt helt tal. Transistorerne 202, 204 og 205 kan opbygges af m parallelkoblede transistorer med samme geometri som transistorerne 201 og 20J, hvis m er lig med én divideret med et positivt helt tal. Undersøgelse af et ækvivalentkredsløb bestående af transistorer med standardgeometri tillader sammenligning af de integrerede kredsløbschiparealer, der kræves til forskellige forstærkere, der har en bestemt strømforstærkning. Den efterfølgende tabel sammenligner de relative arealkrav for strømforstærkere med en given strømforstærkning og med de i henholdsvis fig. 1 og 2 viste opbygninger. Arealkravene udtrykkes i antallet af transistorer med en standardgeometri eller, "enhedstransistorer", der kræves for at opnå det ønskede forhold mellem 1^ og for de respektive ud formninger.

Tabel 1

Arealkrav for IC-strømforstærkere.

IUD//IIND Antal nødvendige enhedstransistorer

Forstærker ifølge fig. 1 Forstærker ifølge fig. 2 1210 1211 25 900 901 23 810 811 21 576 577 19 252 253 15 _1_ 150 151 13 1_ 81 11 ~W 37 9 _1_ 12 13 7 _1_ 235 8 142438

Som det ses af tabellen, giver udformningen ifølge fig. 2 små Ijjp strømme i sammenligning med Ijjjp strømmen med et væsentligt mindre arealkrav end opstillingen ifølge fig. 1, når I /1^.^ er væsentligt mindre end en.

Pig. 3 viser hvorledes en transistor 206 kan kobles som basisjordet forstærker for transistoren 202's kollektorstrøm til tilvejebringelse af som sin kollektorstrøm. Den basisjordede forstærkers strømforstærkning er i hovedsagen én. Transistoren 206's basis-emitteroffsetpotential forspænder kollektorelektroden på transistoren 202 således, at dens kollektor-emitterspænding er i hovedsagen en spænding med værdien 1 magen til transistorerne

DL

201, 203, 204 og 205's. Dette søger at få det pågældende kredsløb til at opføre sig på en måde, der tættere nærmer sig de tidligere beskrevne teoretiske egenskaber, eftersom mindre strømforstærkningsvariationer mellem transistorerne som følge af afvigende kollektor-emmitterpotentialer reduceres stærkt.

Pig. 4 viser en strømforstærker, der ligner den i fig. 3 viste med undtagelse af, at en seriekobling af N diodekoblede transistorer 303-1 til 303-n, der hver især har et effektivt basis-emitter-overgangsareal magen til transistoren 201’s, erstatter den diodekoblede transistor 203, og at en seriekombination af N-diodekoblede transistorer 305-1 til 305-n, der hver især har lige store effektive basis-emitterarealer, der er l/m gange transistoren 201's, erstatter den diodekoblede transistor 205. "Ved udviddelse af den til undersøgelse af strømforstærkeren ifølge fig. 1 anvendte teknik, kan strømforstærkningen for strømforstærkeren ifølge fig. 4 vises at være: t22- - ar— (is) 1IND m W(m+1) der for N=1 giver udtrykket i ligningen (14). I en udformning, hvor N=2, m=6, kan der fremkaldes en værdi for på 1/9072 ved an vendelse af kun 22 enhedstransistorer. Por en udformning, hvor N=3 og m=4 bliver I /1^.^ lig med 1/20480 og fremkaldes ved anvendelse af kun 21 transistorer med enhedsareal. For en udformning, hvor N=4 og m=3, er lyD^IND med 1/26244 og fremkaldes ved anvendelse af kun 21 transistorer med enhedsareal.

9 142438

Denne almindelige opbygning kan også anvendes til strøm- forstærkere, der har højere I end lT%TT* ved at fremstille transisto- UD INEr rerne 201, 202 og 303-1 til 303-n med samme geometri og ved at fremstille transistorerne 204 og 305-1 til 305-n med effektive basis--emitterovergangsarealer, der er m gange så stort. En sådan strømforstærker har teoretisk forstærkningen: TUD = M2N+^ (16) IIND (m+1)

Arealfordelen 1 forhold til konventionelle strømforstærkere er imidlertid ikke så stor, når forstærkningen overskrider én, som den er for forstærkninger mindre end én. Endvidere kan der ikke ses bort fra basisstrømmenes virkninger.

Andre inddelinger af de effektive basis-emitterovergangsarealer for transistorerne, der anvendes i de i fig. 2, 3 og 4 viste strømforstærker opbygninger, kan være fordelagtige i visse situationer. De diodekoblede transistorer kan også under passende omstændigheder erstattes af andre integrerede kredsløbsdiodeopbygninger. Betegnelsen "diode" i kravene betegner såvel en diodekoblet transistor som disse alternative diodeopbygninger.

Claims (2)

142438 xo Patentkrav .

1. Strømforstærker med tre transistorer, hvis emittere er forbundet med et til forstærkeren hørende fælles tilslutningspunkt (f.eks. jord), idet baserne i den første og den anden transistor er forbundet med hinanden og sammen med den første transistors kollektor er forbundet med et første kredsløbspunkt, idet den anden transistors kollektor og den tredje transistors basis er forbundet med et andet kredsløbspunkt, idet den tredje transistors kollektor er forbundet med strømforstærkerens udgangsklemme (UD), og idet forstærkerens ind-gangsklemme (IND) gennem en første henholdsvis en anden galvanisk forbindelsesgren er forbundet med det første henholdsvis det andet kredsløbspunkt, kendetegnet ved, a) at de to galvaniske forbindelsesgrene indeholder lige store antal på tilsammen 2N (hvor N er et positivt helt tal) halvlederdioder (303 hhv. 305), som er således polrettet, at den første forbindelsesgrens halvlederdioder (303) sammen med den første transistor (204) fører en del (1^) af den strøm / der tilføres indgangsklemmen (IND), og den anden forbindelsesgrens halvlederdioder (305) sammen med den anden transistor (201) fører den anden del (Ij) af indgangsstrømmen (iIND)> °9 b) at hvad basis-emitter-overgangsarealerne angår, er den første forbindelsesgrens halvlederdioder således dimensioneret i forhold til den anden forbindelsesgrens halvlederdioder, at det spændingsfald, der frembringes over den første forbindelsesgrens halvlederdioder (303) af den første strømandel (1^), har en anden værdi end det spændingsfald, der frembringes over den anden forbindelsesgrens halvlederdioder (305) af den anden strømandel (I2), så at der opretholdes en potentialforskel mellem basis-emitter--overgangene i den anden transistor (201) og den tredje transistor (202).

2. Strømforstærker ifølge krav 1, kendetegne t ved, a) at hver af de 2N halvlederdioder (303 hhv. 305) udgøres af en selv-forspændende transistor, og b) at basis-emitter-overgangsarealerne i den første galvaniske forbindelsesgrens transistorer (303-1...303-n) og ba-sis-emitter-overgangsarealer i den anden transistor (201)