DE2549667C3 - Integrierter gegengekoppelter Verstärker - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen integrierten gegengekoppelten Verstärker, insbesondere Stromverstärker mit wenigstens zwei Verstärkerstufen, wobei ein Gegenkopplungszweig vom Verstärkerausgang auf den Verstärkereingang geführt ist

Analogverstärker, welche zur Verstärkung von Detektorausgangssignalen verwendet werden, müssen so aus Stabilitätsgründen eine Gegenkopplung aufweisen Beispielsweise wirken Fotodetektoren als Stromquelle, so daß der Verstärker zusätzlich auch als Stromverstärker ausgebildet werden muß.

Werden derartige Verstärker als integrierte Schaltungen ausgebildet, so wäre es zweckmäßig, die Schaltung möglichst ganz ohne Widerstände, insbesondere ohne Gegenkopplungswiderstände auszubilden, weil speziell Widerstände mit großem Widerstandswert in integrierter Technik schwer realisierbar sind. Integrierte Widerstände benötigen eine relativ große Fläche in der integrierten Schaltung, so daß keine großen Packungsdichten in der integrierten Schaltung zu erreichen sind. Weil die Größe des realisierbaren Widerstandswertes in der integrierten Schaltung begrenzt ist, lassen sich in vollintegrierten Verstärkern nur mäßige Stromempfindlichkeiten erzielen.

Aber auch bei Verwendung externer Gegenkopp

lungswiderstände gibt es bei hochempfindlichen Stromverstärkern Probleme. Beispielsweise bei Fotodioden in Belichtungsautomaten für fotografische Kameras liegt der Fotostrom im empfindlichsten Bereich bei wenigen Picoampere. Die Gegenkopplungswiderstände müßten dann größer als 10'° Ohm sein. Derartige Widerstände haben aber für Belichtungsautomaten zu große Abmessungen und sind auch zu teuer.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verstärker der in Rede stehenden Art ohne Gegenkopplungswiderstände anzugeben.

Diese Aufgabe wird bei einem Verstärker der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das aktive Element der letzten Verstärkerstufe in seinem Ausgangskreis derart aufgeteilt ist daß «ich eine derartige Aufteilung des Ausgangsstromes ergibt, daß ein Teilstrom in den Gegenkopplungszweig und ein Teilstrom in den Verstärkerausgang geführt ist

Ist das aktive Element der letzten Verstärke-stufe ein bipolarer Transistor, so ist er zum Zweck der vorstehend definierten Stromteilung mit zwei Kollektoren versehen.

Der erfindungsgemäße Verstärker besitzt weiterhin den Vorteil, daß das aktive Element der ersten Verstärkerstufe gleichzeitig als Fotodetektor ausgebildet werden kann.

Weiterhin kann die Arbeitspunkteinstellung der aktiven Verstärkere'xmente durch Ladungsträgerinjektion oder durch Lichtbestrahlung erfolgen, so daß auch gegebenenfalls notwendige Widerstände zur Arbeitspunkteinstellung entfallen können.

Die Erfindung wird folgenden Folgenden anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 ein Schahbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verstärkers,

F i g. 2 eine Ausbildung des Verstärkers nach F i g. 1 als integrierte Schaltung,

F i g. 3 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verstärken und

Fig.4 eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verstärkers in integrierter Technik.

Gemäß dem Schaltbild nach Fig. 1 enthält ein erfindungsgemäßer Verstärker zwei Verstärkerstufen, mit Transistoren 71 und Ti, die als Darlington-Stufe geschaltet sind. An einer Klemme 1 wird dem Verstärker ein Eingangsstrom /, eingespeist Der Darlingtonstufe ist ein Transistor T] nachgeschaltet welcher in Weiterbildung des Erfindungsgedankens mit zwei Kollektoren B und b versehen ist Die durch den Kollektor b und den Emitter dieses Transistors gebildete Strecke stellt den Ausgangskreis des Verstärkers dar, an dem an einer Klemme 3 ein Ausgangsstrom /0 abnehmbar ist Der weitere Kollektor a ist auf den Eingang t des Verstärkers zurückgeführt wodurch ein Gegenkopplungszweig gebildet wird. An einer Klemme 2 wird die Betriebsspannung zugeführt

Von dem zu verstärkenden Eingangsstrom /,· wird ein zum Stromteilertransistor Tj fließender Strom /_c abgezweigt Der Rest dieses Stromes wird in den als Darlington-Verstärker geschalteten Transistoren T\ und T₂ verstärkt Der Ausgangsstrom des Darlington-Verstärkers fließt in die Basis des Stromteilertransistors Ty. Das Vorziehen der Stromrückführung vom Kollektor a entspricht einer Gegenkopplung, während der Kollektor b den verstärkten Ausgangsstrom /0 liefert Das Stromverhältnis wird durch die Stromübertragungsfaktoren der beiden Kollektoren festgelegt Dieses

Verhältnis ist mit. gu.«.; Näherung konstant, d. h„ der gegengekoppelte Verstärker besitzt in einem groBen Bereich des Eingangsstromes der Temperatur und der Frequenz eine nahezu konstante Verstärkung, ohne daß ein aktives Bauelement verwendet werden muß.

Ein solcher Verstärker nach F i g. 1 kann beispielsweise direkt zur Lichtmessung verwendet werden, vsnn aar Transistor 71 als Fotodetektor benutzt wird. Die Lichteinstrahiung ist dabei schematisch durch Pfeile 10 angedeutet In diesem Fall entfällt eine Signaleinspeisung am Eingang 1.

Fig.2 iSijfi «κι« Ausführungsform des Verstärkers nach F i g. 1 in integrierter Technik.

In einem Halbleiterkörper 20 sind zunächst in konventioneller Planartechnik die zwei Transistoren 7Ί und Ti hergestellt, deren Basen durch zwei Zonen 21 und 22 und deren Emitter durch zwei Zonen 23 und 24 gebildet werden. Eine weitere Zone 25 bildet die Basis des TronUsilertransistors 73, während eine Zone 26 den Emitter dieses Transistors bildet Der Halbleiterkörper 20 bildet dabei einen Kollektor nämlich den Kollektor b während eine weitere Zone 27 einen weiteren Kollektor, nämlich den Kollektor a bildet Durch nicht näher bezeichnete, schematisch dargestellte Kontaktierungen und Verbindungsleitungen ergibt sich insgesamt die Schaltung nach F i g. 1.

Wie F i g. 2 zeigt, wird der Stromteilertransistor durch einen Vertikalteiltransistor (Zonen 20,25 und 26) sowie einen Lateraltransistor (Zonen 25, 26, 27) gebildet Insbesondere bei einem Darlington-Verstärker als Vorstufe und bei Fotodetektoren ist diese Anordnung zweckmäßig, wenn der den Ausgangsstrom liefernde Teiltransis-.or eine vertikale Transisiorstruktur und der das Gegenkopplungssigna! liefernde Teiltransistor eine Lateralstruktur besitit.

Bei der Ausführungsform nach Fig.3 i.-i der gleicht; ti-men'c wie in Fig. 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, entfällt eine Spannungsversorgung und •vv;:-d durch Lichtbestrahlung der aktiven Baueierrwite ersetzt

Bei einer weiteren, in der Fig.4 dargestellten Ausführungsform bildet ein pn-übergang zwischen zwei Zonen 40 und 41 einen injizierenden pn-übergang, welcher die notwendigen Ladungsträger für die Spannungsversorgung bereitstellt Die Zone 40 ist dabei ganzflächig mit einer Elektrode 50 versehen. In einer auf der Zone 41 vorgesehenen Zone 49 mit gegenüber der Zone 41 geringer Leitfähigkeit, jedoch gleichem Leitungstyp sind Basiszonen 42, 43 und 44 vorgesehen, während Zonen 45,46,47 und 48 Kollektorzonen bilden.

Die Zone 41 bildet die Emitter für die so gebildeten Transistoren 71, T₂, T₃. Diese Ausführungsform entspricht der Schaltung nach F i g. 3, wobei die zusätzlich notwendigen Verbindungen nicht eigens dargestellt sind.

Das erfindungsgemäße Prinzip der Stromteilung ist nicht auf bipolare Transistoren beschränkt Es tann vielmehr entsprechend beispielsweise durch Kanalteilung aucii bei Feldeffekttransistoren verwendet werden.

Ein weiterer Vorteil beim erfindungsgemäßen Verstärker ist darin zu .sehen, daß zwischen den einzelnen Stufen in der integrierten Schaltung keine gesonderten Isolationsmaßnahmen, wie beispielsweise Isolationsdiffusionen erforderlich sind (s. beispielsweise F i g. 2).

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

1. Patentansprüche:

   J. Integrierter gegengekoppelter Verstärker, insbesondere Stromverstärker mit wenigstens zwei Verstärkerstufen, wobei ein Gegenkopplungszweig vom Veretärkerausgang auf den Verstärkereingang geführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Element der letzten Verstärkerstufe in seinem Ausgangskreis derart aufgeteilt ist, daß ein Teilstrom des Ausgangsstromes in den Gegenkopphingszweig und ein Teilstrom m den Verstärkerausgang geführt ist.
2. 2. Verstärker nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Element der letzten Verstärkerstufe ein bipolarer Transistor mit mindestens zwei Kollektoren ist
3. 3. Verstärker nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Aufteilung des Ausgangskreises des bipolaren Transistors derart vorgenommen ist, daß sich eine vertikale und eine laterale Transistor» .uktur ergibt
4. 4. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Element der ersten Verstärkerstufe als Fotodetektor ausgebildet ist
5. 5. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieversorgung der aktiven Verstärkerelemente durch Ladungsträgerinjektion oder durch Lichtbestrahlung erfolgt
6. 6. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die der letzten Verstärkerstvfc vorgeschalteten Verstärkerstufen als Darlington-Verstärker ausgebildet sind.
7. 7. Verstärker nach dnem c«sr Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des Transistors der letzten Verstär-erstufe, der den in den Gegenkopplungszweig eingespeisten Teilstrom liefert mit der Basis des Transistors der ersten Verstärkerstufe gekoppelt ist

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