DE1909721B2

DE1909721B2 - Schaltungsanordnung zur gleichspannungsteilung

Info

Publication number: DE1909721B2
Application number: DE19691909721
Authority: DE
Inventors: Jack Princeton NJ. Avins (V.St. A.)
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1968-02-29
Filing date: 1969-02-26
Publication date: 1976-07-22
Also published as: ES364170A1; DE1909721A1; BE728932A; FR2002936A1; DE1909721C3; AT303813B; US3577167A; GB1263322A

Description

Wert -j?- des Wertes des ersten Widerstandes be- '⁵

trägt, und mit einer an die Basis des Transistors angeschlossenen Ausgangsklemme, dadurch gekennzeichnet, daß im Kollektor- und Emitterkreis des Transistors (10) in Reihe mit dem ersten und zweiten Widerstand (16, 20) jeweils eine oder mehrere Dioden (17. 21) geschaltet sind und daß die Anzahl der mit dem ersten Widerstand (16) in Reihe geschalteten Dioden JV-mal so groß wie die Anzahl der mit dem zweiten Widerstand (20) in Reihe geschalteten Dioden ist.

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Gleichspannungsteilung, wie sie im Anspruch 1 vorausgesetzt ist. Eine solche Schaltung ist aus der FR-PS 15 02 390 bekannt und eignet sich zur Erzeugung einer temperaturstabilisierten Gleichspannung, vorzugsweise für die Speisung integrierter Verstärker mit stabilem Arbeitspunkt.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung soll insbesondere für integrierte Schaltungen geeignet sein. Unter der Bezeichnung »integrierte Schaltung« sei im folgenden ein monolithisches Halbleiterbauelement oder -plättchen verstanden, welches einer ganzen Schaltung miteinander verbundener aktiver und passiver Schaltungselemente entspricht. Beim Entwurf solcher integrierter Schaltungen treten zahlreiche Probleme auf. beispielsweise hinsichtlich der Widerstands-Kondensator-Kopplung zwischen hintereinandergeschalteten Verstärkerstufen, weil Kondensatoren in integrierten Schaltungen einen beträchtlichen Raum des Halbleiterplättchens einnehmen, selbst wenn es sich nur um kleine Kapazitäten handelt. Da die Abmessungen des Plältchens begrenzt sind, ist auch die Größe der Kapazität begrenzt, und daher muß auch der zur Stufenkopplung bestimmte Kapazitätswert beschränkt sein.

Eine Begrenzung der Größe des Kondensators begrenzt jedoch den Frequenzgang des Verstärkers nicht nur am unteren Knde, sondern ebenso am oberen Ende und damit auch die Verstärkung bei der gewünschten Signalfrequenz. Wegen der parasitären Kapazitäten über dem integriert aufgebauten Kondensator wird die Frequenzgrenze des Verstärkers noch weiter herabgesetzt. Daher wählt man eine Gleichstromkopplung zwischen den Verstärkerstufen, wo dies möglich ist.

Aus der DT-AS 1113 507 ist eine elektrische Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Gleichvorspannung aus einer Speisegleichspannung mit einem zwischen die Gleichspannungsklemme und die Bezugsspannungsklemme de» Speisegleichspannungsquelle geschalteten Spannungsteiler aus einem ersten und einem zweiten Widerstand und mit mindestens zwei Transistoren, deren erster, in Kollektorgrundschaltung arbeitender, mit seinem Kollektor an die Gleichspannungsquelle, mit seiner Basis an einen Abgriff des Spannungsteilers und mit seinem Emitter an eine Ausgangsklemme für die erzeugte Gleichspannung angeschlossen ist, bekannt. Diese Schaltung ermöglicht es, aus einer vorgegebenen Gleichspannung durch Spannungsteilung kleinere Spannungen abzuleiten, deren Höhe auch bei schwankender Belastung konstant bleibt, ohne daß dazu große Spannungsteilerquerströme erforderlich wären, wie es bei üblichen Spannungsteilern der Fall ist. Bei der bekannten Schaltung bestimmt sich das Teilerverhältnis für die Ausgangsspannung durch das Widerstandsverhältnis des Spannungsteilers, und bei Schwankungen der Speisegleichspannung oder bei Schwankungen der Schaltungsparameter ändert sich entsprechend auch die Ausgangsspannung, die nur gegen Lastspannungen innerhalb eines bestimmten Bereiches stabilisier ist. Aus der bereits erwähnten FR-PS 15 02 390 ist eine Schaltungsanordnung zur Gleichspannungsteilung mit einem Transistor bekannt, dessen Kollektor mit seiner Basis über eine galvanische Koppelschaltung mit N im Durchlaß betriebenen Busis-Emitter-Strekken von N Transistoren verbunden ist, wobei N eine ganze Zahl größer oder gleich Eins ist, dessen Kollektor ferner über einen ersten Widerstand mit einer Speisegleichspannung verbunden ist und dessen Emitter über einen zweiten Widerstand mit dem anderen Pol der Speisegleichspannuna verbunden ist, dessen

Wert -w- des Wertes des ersten Widerstandes beträgt,

und mit einer an die Basis des Transistors angeschlossenen Ausgangsklemme.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Verbesserung einer derartigen Schaltung im Sinne einer Verringerung der Ausgangsimpedanz.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Darstellungen von Ausführungsbeispielen näher er'iiutert. Es zeigt

F i g. 1 das Schaltbild einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung.

F i g. 2 das Schallbild einer abgewandelten Schaltungsanordnung nach der Erfindung und

F i g. 3 das Schaltbild einer Verstärkerstufe, deren Vorspannung von einer erfindungsgemaßen Schaltungsanordnung geliefert wird.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorspannungsschaltung enthält zwei Transistoren 10 und 12. Der eine Transistor 10 ist in gegengekoppelter Emittergrundschaltung geschaltet, wobei sein Kollektor über die Reihenschaltung eines ersten Widerstandes 16 und einer ersten Halbleiterdiode 17 an der Gleichspannungsklemme 14 einer Speisespannungsquclle liegt und sein Emitter über die Reihenschaltung eines zweiten Widerstandes 20 und einer zweiten Halbleiterdiode 21 an der Bezugsspannungsklemmc 18 liegt, welche die zweite Klemme der Speisespannungsquellc darstellt. Die Anode der Diode 17 ist unmittelbar mit der Klemme 14 verbunden, während die Kathode der Diode 21 direkt an der Klemme 18 liegt.

Der andere Transistor ist in Kollektorgrundschaltung geschaltet, wobei sein Kollektor unmittelbar an

der Klemme 14 und sein Emitter über einen dritten Widerstand 22 an der Bezugsspannungsklemme 18 liegt. Der Emitter des Transistors 12 ist ferner mit der Basis des Transistors 10 und mit einer Ausgangsklemme 24 verbunden. Der Kol'ektor des Transistors 10 ist zusätzlich mit der Basis des Transistors 12 verbunden.

Zwischen die Ausgangsklemme 24 und die Bi zugsspannungsklemme 18 ist eine Last 26 geschaltet. Die Gleichspanoungsklemme 14 und die Bezugsspannungsklemme 18 sind mit einer Speisegleichspannungsquelle geeigneter Polarität verbunden, welche jedoch nicht dargestellt ist. Bei der veranschaulichten Ausführungsform ist der Widerstand 16 so bemessen, daß er praktisch den gleichen Wert wie der Widerstand 20 hat.

Wenn der durch die Last 26 fließende Strom groß genug ist, um einen ausreichenden 'Spannungsabfall V_he über dem Basis-Emitter-Ubergang des Transistors 12 zu erzeugen, dann kann der Widerstand 22 in der Schaltung nach F i g. 1 auch entfallen. Unter der Größe V_be sei die mittlere Basis-Emitter-Spannung eines Transistors verstanden, der als aktives Bauelement in einer Verstärkerschaltung od. dgl. arbeitet. Für Siliziumtransistoren beträgt diese Spannung V_b€ etwa 0,7 V und liegt in einem geeigneten Bereich der Basis-Emitter-Spannungen für A-Verstärker.

Die Transistoren 10 und 12 bestehen aus dem gleichen Halbleitermaterial, wie es bei monolithischen integrierten Siliziumschaltungen der Fall ist, so daß ihre Basis-Emitter-Spannungen V_hl. gleich sind. Ebenso besteht die Diode 17 aus dem gleichen Material wie die Diode 21, so daß ihre Durchlaßspannungsabfälle ebenfalls gleich sind. Bekannterweise liegen diese Durchlaßspannungsabfälle in der gleichen Größenordnung wie die Basis-Emitter-Spannung eines Transistors, der aus demselben Halbleitermaterial hergestellt ist, und können daher ebenfalls durch die Spannung V_hl. dargestellt werden.

Bei Anschluß einer geeigneten Speisespannungsquellc zwischen die Klemmen 14 und 18 erzeugt die Schaltung nach F i g. 1 zwischen ihren Anschlüssen 24 und 18 eine Ausgangsspannung, die halb so groß wie die Speisespannung ist, wie aus der folgenden Beschreibung hervorgeht.

Im Gleichgewichtszustand ist die Ausgangsspannung (I„„,), welche zwischen den Klemmen 24 und 18 entsteht, gleich der angelegten Speisespannung (V_1n) abzüglich des Durchlaßspannungsabfalls über der Diode Π (K_h(._|7), des Spannungsabfalls am Widerstand 16 (Vr₁₆) und der Basis-Emitter-Spani:ung V_hl, des Transistors 12:

Ku, -

K- ^h,- ₁₇ - I'*,«, - l'lv,,·

abfall am Widerstand 20 (V_R ) gleich dem am Widerstand 16 (V_R ), und Gleichung(2) kann für Fr₁₆ in Gleichung (1) eingesetzt werden:

V = V. — V — V

^r ou, 'in ^'17 ^oli

^₁, - ¹W

(3)

Der Spannungsabfall am Widerstand 20 (V_R ) ist im Gleichgewichtszustand gleich der Ausgangsspan-IHUIg(Vi,,,,), welche zwischen den Klemmen 24 und 18 entsteht, abzüglich der Basis-Emitler-Spannung V_ht. des Transistors 10 und des Durchlaßspannungsabfalls an der Diode 21 (V_hl, ):

^Λ20 ~ ""'

Da die Widerstände 16 und 20 gleich sind und da durch sie derselbe Strom fließt, ist der Spanmmgs-Da die Basis-Emitter-Spannungen V_hc der Transistoren 10 und 12 gleich sind, wenn diese Transistoren aus demselben Halbleitermaterial bestehen, und da die Spannungsabfälle V_hi. an den Dioden 17 und 21 auch gleich sind, wenn sie in gleicher Weise hergestellt werden, reduziert sich Gleichung (3) zu

V = -υ-

OJi! *)

Hieraus ergibt sich, daß die von der Vorspannungs-

xo schaltung an die Last 26 abgegebene Spannung gleich der Hälfte der angelegten Speisespannung ist. Gleichung (3) läßt auch erkennen, daß die durch die Vorspannungsschaltung erzeugte Spannung unabhängig von Temperaturänderungen ist.

F i j; 2 zeigt eine abgewandelte Vorspannungsschaltung nach der Erfindung. Wie bei der Schaltung nach Fig. 1 weist auch diese Schaltung einen ersten Transistor auf, der in Kollektorgrundschaltung geschaltet ist. und einen zweiten Transistor, der in gegengekoppelter Fmittergrundschaltung geschaltet ist. Im Gegensatz zur Schaltung nach F i g. 1 wird bei der Schaltung nach F i g. 2 jedoch eine Transistorkopplung zur Ve^rbindung der Eingangselektrode des ersten Transistors mit der Ausgangselektrode des zweiten Transistors anstalt einer unmittelbaren Kopplung verwendet.

Die Schaltung nach F i g. 2 enthält vier Transistoren 30. 32, 34 und 36. Der Transistor 30 ist in gegengekoppclter Emittergrundschaltung geschaltet, sein Kollektor liegt über einen ersten Widerstand 44 und drei in R.?ihe geschaltete Dioden 45, 47 und 49 an der Gleichspannungsklemme 42, sein Emitter liegt über einen zweiten Widerstand 48 und eine vierte Halbleiterdiode 51 an der Bezugsspannungsklemme 46. Ein weiterer Transistor 32 ist in Kollektorgrundschaltung mit seinem Kollektor unmittelbar an die Gleichspannungsklemme 42 und mit seinem Emitter über einen dritten Widerstand 50 an die Bezugsspannungsklemme 46 geschaltet. Der Emitter des Transistors 32 ist ferner mit der Basis des Transistors 30 und mit der Ausgangsklemme 52 verbunden, an den eine nicht dargestellte Last angeschlossen werden kann.

Der Kollektor des Transistors 30 ist zusätzlich über die Transistoren 34 und 36, welche zusammen mit dem Transistor 32 jls Darlington-Schaltung in Kollektorgrundschaltung wirken, mit der Basis des Transistors 32 verbunden. Insbesondere sind der Kollektor des Transistors 30 mit der Basis des Transistors 34, der Emitter des Transistors 34 mit der Basis des Transistors 36, der Emitter des Transistors 36 mit der Basis des Transistors 32 und die Kollektoren der Transistoren 34 und 36 mit der Spcisespannungsklemmc 42 verbunden. Wci dieser Art von Transistorkopplung ist der an den Kollektor des Transistors 30 angeschlossene Widerstand 44 dreimal so groß wie der Widerstand 48. welcher mit dem Emitter dieses Transistors verbunden ist.

Bei Anlegen einer geeigneten Spannung zwischen die Klemmen 42 und 46 stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein, bei dem die Ausgangsspannung (V*_m), welche zwischen den Klemmen 52 und 46 entsteht, gleich der angelegten Speisespannung!^,,) abzüglich der Durchlaßspannungsabfälle an den Halbleiterdioden 45, 47 und 49 (K₁₁₁₁₄₅, K„,₄₇, V_h,J, des Spannungsabfalls am Widerstand 44 (K^₄₄) und der Spannungsabfallc V_ht. an den Transistoren 32,34 und 36 ist:

v_mil = v_m-

' I)C₄₅ 'N₄₇ ' hi-

- ¹V₃₂

¹V₃₄ - >■'*,,

Der Spannungsabfall am Widerstand 48 (K_R ) ist im Gleichgewichtszustand gleich der Ausgangsspannung (K₀₁J, welche zwischen den Klemmen 52 und 46 entsteht, abzüglich des Durchlaßspannungsabfalls an der Halbleiterdiode 51 (V_bi._AI)) und des Spannungsabfalls K,,.. am Transistor30:

V — V — V — V

' R₄₈ ~ 'oui ' bc_5| ^vb,

"■jo ■

Da der Widerstand 44 dreimal so groß wie der Widerstand 48 ist und da in beiden Widerständen derselbe Strom fließt, ist der Spannungsabfall am Widerstand 44 dreimal so groß wie am Widerstand 48, und Gleichung (6) kann mit drei multipliziert werden und für K_Rm in Gleichung (5) eingesetzt werden:

V — V — V — ΙΛ. — V - II/

ouf ^r in &C₄5 ">¹'47 ^^e49 ^oul

3K_fcc,₀ - V_bC}2 - V_beu - K

Unter der Annahme, daß die Transistoren 30, 32, 34 und 36 aus demselben Halbleitermaterial bestehen ebenso wie Dioden 45, 47, 49 und 51, was bei einer monolithischen integrierten Siliziumschaltung der Fall ist, sind die Spannungsabfälle V_be für die Transistoren und Dioden alle gleich, und Gleichung (7) reduziert sich auf

Gleichung (8) läßt so erkennen, daß die von der Vorspannungsschaltung nach F i g. 2 an eine an die Ausgangsklemme 52 angeschlossen ε, nicht dargestellte Last abgegebene Spannung gleich einem Viertel der zugeführten Speisespannung ist

Andere ganze Bruchteile der Speisespannung lassen sich als Ausgangsspannung erzeugen, wenn man die Transistorkopplung zwischen der gegengekoppelten Emittergrundschaltungsstdfe und der Kollektorgrundschaltungsstufe ändert und das Verhältnis der Halbleiterdioden und Widerstände in der gegengekoppelten Emittergrundschaltungsstufe entsprechend verändert.

Es läßt sich allgemein leicht zeigen, daß, wenn N die Zahl der Koppeltransistoren zwischen den Stufen 30

und 32 ist, die Ausgangsspannung gleich ~^ma* der Speisespannung beträgt, wenn man den Kollektorwiderstand in der gegengekoppelten Emittergrundschaltungsstufe (N + l)-mal so groß wie den Emitterwiderstand dieser Stufe macht urtd die Anzahl der Kollektordioden N + 1-mal so groß wie die Anzahl der Emitterdioden dieser Stufe macht. Ein Bruchteil

von einem Drittel erfordert daher einen einstufigen Koppeltransistor und ein Verhältnis von 2:1 für die Widerstände und Dioden, ein Bruchteil von einem Fünftel erfordert drei Transistorkoppelstufen und ein Verhältnis von 4: 1 für Widerstände und Dioden usw. In der oben angeführten Ableitung war angenommen worden, daß die Ausgangsspannung der Vorspannungsschaltung nach F i g. 2 zwischen den Klemmen 52 und 46 abgenommen wird. Nimmt man die Ausgangsspannung statt dessen zwischen den Anschlüssen 52 und 42 ab, dann zeigt eine Untersuchung.

daß die Ausgangsspannung sich zu

^---j -mal der

angelegten Speisespannung ergibt. So gilt tür die an ■5 der Ausgangsklemme 52 gegenüber der Klemme 42 entstehende Spannung nach F i g. 2, wo N gleich 2 ist, der Ausdruck

Man sieht, daß diese allgemeinen Ausdrücke

(9)

und Γ?—γ für die Ausgangsspannung ebenso für die Vorspannungsschaltung nach F i g. 1 gelten, welche den speziellen Fall N gleich Null realisiert.

F i g. 3 zeigt ein Beispiel, wie die Vorspannungsschaltung nach F i g. 1 in einer typischen Verstärkerstufe eines mehrstufigen gleichspannungsgekoppclten Verstärkers den Arbeitspunkt erzeugt und aufrechterhält. Aus der folgenden Beschreibung ergibt sich. daß sowohl die Vorspannungsschaltung als auch der Verstärker auf einem einzigen Halbleiterkörper ausgebildet sind und mindestens einen Teil eines integrierten Schaltungsplättchens bilden. Die Bezugsziffern sind entsprechend F i g. 1 gewählt. Außerdem ist der Anschluß 18 mit Masse verbunden.

Der Verstärker nach F i g. 3 enthält drei Transistoren 60, 62 und 64. Ein Transistor 60 ist in Kollektorgrundschaltung geschaltet, wobei sein Kollektor unmittelbar an der Gleichspannungsklemme 14 liegt und sein Emitter über einen Widerstand 66 an Masse liegt. Ein zweiter Transistor 62 ist in Basisgrundschaltung geschaltet, sein Kollektor liegt über einen Widerstand 68 an der Gleichspannungsklemme 14 und sein Emitter über den Widerstand 66 an Masse.

Der dritte Transistor 64 ist in Kollektorgrund-

schaitung geschaltet, sein Kollektor liegt unmittelbar an der Gleichspannungsklemme 14, sein Emitter hegt über einen Widerstand 70 an Masse. Die Basis des Transistors 60 ist über eine Leitung 72 an die Ausgangsschaltung der vorhergehenden, nicht dargestellten Stufe angeschlossen. Der Kollektor des Tran- sistors 62 ist mit der Basis des Transistors 64 verbunden, der Emitter des Transistors 64 ist über eine Leitung 78 zur Ansteuerungeines weiteren Verstärkers der vorbeschriebenen Art geschaltet Der soweit beschriebene Verstärker enthält prak tisch eine emittergekoppelte Verstärkerstufe, welche eine Kollektorstufe ansteuert Bei Anschluß einer richtig gepolten Spannungsquelle zwischen die Klemmen 14 und Masse werden die über die Leitung 72 zugeführten Signale zunächst durch die zusammen geschalteten Transistoren 60 und 62 und dann durch den Transistor 64 verstärkt Die verstärkten Signale entstehen am Widerstand 70 der Kollektorstufe und _t erscheinen auf der Leitung 78 mit einem Gleich- <

spannungspegel,'der gleich dem der Basis des Eingangstransistors 60 zugeführten ist, unabhängig von Temperaturänderungen oder Betriebsspannungsschwankungen.

Einen symmetrischen Verstärkerbetrieb erhält man mit der Schaltung nach F i g. 3, wenn die an der Klemme 24 der Vorspannungsschaltung entstehende Ausgangsspannung den Basen der Transistoren 60 und 62 durch zwei gleiche Widerstände 82 bzw. 84 zugeführt wird. Bei dieser Dreieranordnung können mehrere solche Verstärkerstufen hintereinander geschaltet werden, da, wenn das an der Klemme 24 der Vorspannungsschaltung erzeugte Gleichspannungspotential dem Eingangstransistor 60 zugeführt wird, dieses gleiche Potential auch wieder am Ausgangsleiter 78 erscheint.

Die Genauigkeit, mit der die Ausgangsspannung 1 N + \ ^

^so

~^ma' ^so

die Speisespannung ist, und damit die Stabilität und der Abgleich der durch die Vorspannung eingestellten Schaltung, hängt in erster Linie vom Verhältnis der Kollektor- und Emitterwiderstände des gegengekoppelten, in Emitterschaltung geschalteten Transistors ab und nicht so sehr von deren absoluten Werten. Dies ist bei integrierten Schaltungen von besonderer Bedeutung, da die beiden Widerstände gleichzeitig ausgebildet werden können und ihr Verhältnis sich leicht einstellen läßt, während die absoluten Widerstandswerte von den Veränderlichen des Herstellungsverfahrens abhängen. Bei einem gegebenen Herstellungsverfahren kann daher eine höhere Ausbeute gute Schaltungen erwartet werden, wenn die Verhältnisse zwischen den Schaltungselementen von größerer Be deutung als deren absolute Werte sind.
Die Verwendung der in Reihe geschalteten Di öden 17 und 21 in den F i g. 1 und 3 und der Dioden 45 47. 49 und 51 in F i g. 2 wirkt verringernd auf di< Ausgangsimpedanz der beschriebenen Vorspannungs schaltungen, da sie eine niedrigere Impedanzbelastuni

ίο Tür den Transistor 10 bzw. 30 und eine niedrigere An Steuerimpedanz für den Transistor 12 bzw" 32 er geben. Auf diese Weise wird die Ausgangsimpedan, weniger abhängig von Schwankungen der Tran sistor-Stromverstärkung //, so daß Phasenverschie

bungen im Transistor 10 bzw. 30 verringert werden welche ebenfalls die Ausgangsimpedanz der Vor Spannungsschaltung erhöhen könnten.

Wenn die Dioden 17 und 21 (oder 45, 47. 49 und 51 nicht vorgesehen wären, dann müßte man wesentlich größere Ströme zur Erzielung der gleichen niedriger Ausgangsimpedanz fließen lassen. Jedoch würde danr eine stärkere Speisegleichspannungsquelle erforderlich, und die Erwärmung des integrierten Schaltungsplättchens wäre größer. Durch die Verwendung der ir

Reihe geschalteten Dioden läßt sich die erwünschte niedrige Ansteuerimpedanz für den Transistor 12 (32 erreichen, während zur gleichen Zeit die Vorspannungsstabilität als fester Bruchteil der Speisegleichspannung bei Temperaturschwankungen erhalten

bleibt, welche nur die absoluten Werte von V_bl. und der integrierten Widerstände beeinflussen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Schaltungsanordnung zur Gleichspannungsteilung mit einem Transistor, dessen Kollektor mit seiner Basis über eine galvanische Koppelschaltung mit JV im Durchlaß betriebenen Basis-Emitter-Strecken von JV Transistoren verbunden ist, wobei JV eine ganze Zahl größer oder gleich Eins ist, dessen Kollektor ferner über einen ersten Wider- ₎₀ stand mit dem einen Pol einer Speisegleichspannung verbunden ist und dessen Emitter über einen zweiten Widerstand mit dem anderen Pol der Speisegleichspannung verbunden ist, dessen