DE2903668A1

DE2903668A1 - Impulssignalverstaerker

Info

Publication number: DE2903668A1
Application number: DE19792903668
Authority: DE
Inventors: Tadao Yoshida
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1978-01-31
Filing date: 1979-01-31
Publication date: 1979-08-02
Also published as: FR2416587B1; DE2903668C2; AU522539B2; NL7900727A; AU4379279A; US4266149A; GB2015287B; FR2416587A1; JPS54102956A; GB2015287A

Description

Die Erfindung betrifft allgemein einen Impulssignalverstärker und insbesondere einen solchen, bei dem der Spannungsversorgungskreis für eine Treiberstufe vereinfacht ist.

Es ist bekannt, bei einem Impulssignalverstärker mit einem FET als Endstufenverstärkungselement zur Ansteuerung des FET mit hoher Geschwindigkeit einen Treiberkreis vorzusehen, der aus zwei komplementären Transistoren besteht, die in Emitterfolgerschaltung angeordnet sind. Dabei ist ein Spannungsversorgungskreis für den Treiberkreis gesondert von dem Spannungsversorgungskreis des Endstufenverstärkungselements vorgesehen, um zu vermeiden, daß eine Änderung der Spannungsquelie an der Endstufe die Treiberstufe beeinträchtigt.

Wenn die Spannungsversorgungskreise für die Endstufe und die Treiberstufe wie beim Stand der Technik gesondert vorgesehen sind, wird der Schaltungsaufbau kompliziert und die Schaltung wird teuer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der Nachteile des Standes der Technik einen Impulssignalverstärker zu schaffen, bei dem ein Teil des Impulssignalstroms, der den Treiberkreis ansteuert, einen Kondensator lädt, und die Spannung über diesem als Gleichspannungsquelle für die Treiberstufe verwendet wird.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einem Impulssignaverstärker entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Fig. 1 bis 4 beispielsweise erläutert. Es zeigt:

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Figur 1 ein Schaltbild eines bekannten Impulssignalverstärkers,

Figur 2 ein Schaltbild eines Beispiels des Impulssignalverstärkers der Erfindung,

Figur 3A bis 3D den Verlauf von Signalen zur Erläuterung der Arbeitsweise des Impulssignalverstärkers in Fig. 2, und

Figur 4 ein Schaltbild eines weiteren Beispiels der Erfindung.

Anhand der Fig. 1 wird zunächst ein bekannter Impulssignalverstärker beschrieben. Bei dem bekannten Verstärker ist z.B. ein Sperrschicht-FET Qia (bei diesem Beispiel ein N-Kanal-Anreicherungs-Isolierschicht-FET) vorgesehen, der einen Verstärker in Sourceschaltung bildet. Die Sourceelektrode des Transistors Qia ist geerdet und seine Drainelektrode ist mit einer Spannungsquelle +B über einen Lastwiderstand R2a und einem Ausgang t verbunden.

Außerdem ist ein Impedanzwandler 3a,, bestehend aus Transistoren» vorgesehen. Der Impedanzwandler 3a besteht aus einem komplementären Emitterfolger-Gegentaktkreis mit einem NPN-Bipolartransistor Q2a und einem PNP-Bipolartransistor Q3a. Anstelle der Bipolartransistoren können auch FETs verwendet werden. Der Impedanzwandler 3a erhält von einer Gleichspannungsquelle Ea eine Betriebsspannung. Der Kollektor des Transistors Q3a ist mit dem positiven Anschluß der Spannungsquelle Ea verbunden, deren negativer Anschluß geerdet ist. Der Emitter des Transistors Q3a ist mit dem Emitter des Transistors Q2a verbunden,, dessen Kollektor geerdet ist. Die Ausgangsseite des Impedanzwandlers 3a„ d.h. der Verbindungspunkt zwischen den Emittern der Transistoren Q2a und Q3a ist

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mit der Steuerelektrode des Transistors Q1a verbunden.

Weiterhin ist eine Impulsstromsignalquelle 2a vorgesehen, die auf einem PNP-Bipolartransistor Q4a, dessen Emitter über einen Widerstand R2 mit der Spannungsquelle +B verbunden ist, und einer Impulsquelle 1 besteht, deren einer Anschluß mit der Basis des Transistors Q4a und deren anderer Anschluß mit der Spannungsquelle +B verbunden ist. Der Kollektor des Transistors Q4a in der Impulsstromsignalquelle 2a ist über einen Widerstand Ria geerdet und auch gemeinsam mit den Basen der Transistoren Q2a und Q3a in dem Impedanzwandler 3a verbunden.

Bei dem obigen bekannten Impulssignalverstärker ist die Gleichspannungsquelle Ea, die dem Impedanzwandler 3a eine Gleichspannung als Betriebsspannung zuführt, gesondert von der Spannungsquelle +B für den Transistor Q1a vorgesehen, so daß dieser bekannte Impulssignalverstärker einen komplizierten Aufbau hat und daher teuer ist.

Anhand der Fig. 2 wird nun der ImpulsSignalverstärker der Erfindung, der von den Nachteilen des Standes der Technik frei ist, beschrieben. In Pig. 2 sind Elemente entsprechend Fig. 1 mit den gleichen Bezugsziffern versehen und werden nicht mehr beschrieben.

Bei dem Beispiel der Fig. 2 ist eine Spannungsquelle 4a, die eine Parallelschaltung aus einem Kondensator Ca (z.B. mit einer Kapazität von 10 uF) und einer Zenerdiode Dza als Konstantspannungselement mit der Impulsstromsignalquelle 2a in dem Impulssignalverstärker anstelle der Spannungsquelle Ea beim Stand der Technik verwendet, und das Ausgangssignal der Spannungsquelle 4a wird auf den Impedanzwandler 3a als Betriebsspannung gegeben. Der Kollektor des Transistors Q3a ist über den

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Kondensator Ca geerdet und mit der Kathode der Zenerdiode Dza verbunden, deren Anode geerdet ist. Per Kollektor des Transistors Q3a ist mit dem Transistor Q4a über eine Diode D2a verbunden.

Der Betrieb des Impulssignalverstärkers in Fig. 2 wird nun anhand der Signalverläufe in den Fig. 3A bis 3D erläutert. Ein Impulsstrom bzw. ein Rechteckstrom 11, der von der Impulsstromsignalquelle 2a erzeugt wird und den in Fig. 3A gezeigten Verlauf und eine Frequenz von z.B. 500 kHz hat, wird in einen Strom 12 geteilt, der zu dem Widerstand R1a und zu den Basen der Transistoren Q2a und Q3a, und sein Verlauf ist in Fig. 3B gezeigt, sowie in einen Strom 13 geteilt, der durch die Diode D2a hauptsächlich zur Spannungsquelle-4a fließt und dessen Verlauf in Fig. 3C gezeigt ist. Ein Strom IG, der zur Gateelektrode G des Transistors Qia fließt, hat einen Verlauf, der sich durch Differentiation des Rechteckstroms 11 in Fig. 3A ergibt, wie Fig. 4D zeigt. Dieser Verlauf wird durch die Eingangskapazitäten (z.B. etwa 1000 pF) hervorgerufen, die zwischen der Gate- und Drainelektrode und zwischen der Gate- und Sourceelektrode des Transistors Q1a bestehen. Da der Strom IG den obigen Verlauf hat, ist der Verlauf der Ströme 12 und 13 nicht rechteckig wie der des Stroms 11, sondern wie in den Fig. 3B und 3C. Die Größe des Stroms 12 in seinem

flachen Teil wird ausgedrückt durch —3 , wenn

κ. ι a

angenommen wird, daß die Gleichspannung der Spannungsquelle 4a Vx ist, der Durchlaßspannungsabfall der Diode D2a Vd und der Widerstandswert des Widerstands Ria Ria ist.

Wenn der Transistor Q4a geöffnet und der Transistor Q3a während der Periode Tc in Fig. 3D gesperrt ist, wird der Kondensator Ca von dem Strom 13 (=11 - 12) geladen. Die Spannung über dem Kondensator Ca kann als Spannungs-

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- ίο -

quelle des Impedanzwandlers 3a verwendet werden. Wenn der Mittelwert des Teilstroms des Stroms 13, der zur Ladung des Kondensators Ca verwendet wird, größer als der Mittelwert des positiven Teils des Stroms IG gewählt wird, kann das Potential am Kollektor des Transistors Q3aim wesentlichen konstant gehalten werden. Bei dem Beispiel in Fig. 2 ist die Zenerdiode Dza vorgesehen, um zu verhindern, daß die Spannung über dem Kondensator Ca unnötig erhöht wird.

Der FET Q1a wird somit in Abhängigkeit von der Polarität der Impulsquelle 1 der Impulsstromsignalquelle 2a ein- und ausgeschaltet, und ein verstärkter Ausgangsimpuls wird an den Ausgang t abgegeben.

Bei dem Beispiel in Fig. 2 ist als FET Q1a ein Anreicherungs-MOS-FET verwendet, jedoch kann stattdessen ein Depression-MOS-FET oder ein FET mit Triodencharakteristik verwendet werden.

Anhand der Fig. 4 wird nun ein weiteres Beispiel der Erfindung beschrieben, bei dem Elemente entsprechend Fig. 2 mit den gleichen Bezugsziffern und -buchstaben versehen sind unß nicht mehr beschrieben werden.

Das Beispiel der Fig. 4 stellt den Fall der Anwendung auf einen komplementären Gegentakt-MOS-FET-Impulssignalverstärker dar, so daß zwei Verstärkerkreise verwendet sind, von denen jeder im wesentlichen gleich dem der Fig. 2 ist. Dabei ist als Impulssignalquelle eine Impulsbreitenmodulationsquelle verwendet.

In Fig. 4 sind die Transistoren Q1a und Q2b N- bzw. P-Kanal-Sperrschicht-FETs (bei dem gezeigten Beispiel Anreicherungs-MOS-FETs) und die MOS-FETs sind jeweils in Sonrceschaltung angeordnet. Dies bedeutet, daß die

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Sourceelektroden der Transistoren Q1a und Q2b mit den Spannungsquellen -B und +B und deren Drainelektroden zusammen mit dem Ausgang t verbunden sind, an den eine Last 6 angeschlossen ist.

Der Impedanzwandler 3a und die Spannungsquelle 4a für den Transistor Qia sind ähnlich denen der Fig. 2. Anstelle des Widerstandes Ria in Fig. 2 ist ein SRPP (durch Nebenschluß geregelter Gegentakt)-Kreis 5a als aktive Last vorgesehen, die später beschrieben wird. Der SRPP-Kreis 5a besteht aus einem PNP-Bipolartransistor Q5a_f einer Diode Dia, die zwischen die Basis und den Emitter des Transistors Q5a geschaltet ist, und einem Widerstand R3a, der zwischen die Basis und den Kollektor des Transistors Q5a geschaltet ist. Die Basis des Transistors Q5a ist außerdem mit dem Kollektor des Transistors Q4a, der Kollektor des Transistors Q5a ist mit der Spannungsquelle -B und dessen Emitter ist gemeinsam mit den Basen der Transistoren Q2a und Q3a verbunden.

Da die Impulsstromsignalquelle, der Impedanzwandler, die Spannungsquelle und der SRPP-Kreis für den anderen Transistor QIb im wesentlichen gleich denen für den Transistor Q1a sind, sind sie mit der entsprechenden Bezugsziffer und dem Zusatz b anstelle von a versehen und werden daher nicht mehr näher erläutert. Die Leitfähigkeit und die Anschlußpolarität der Transistoren und die Anschlußpolarität* der Dioden in den beiden Verstärkerkreisen sind entgegengesetzt. Die Impulsquelle 1 (die eine Impulsquelle ist, deren Impulsbreite moduliert werden soll und die eine Trägerfrequenz von z.B. 500 kHz hat) ist zwischen die miteinander verbundenen Basen der Transistoren Q4a und Q4b und Masse geschaltet.

Bei dem Beispiel der Figur ist es möglich, daß auf der Basisseite der Transistoren Q3a und Q2a und in ähnlicher

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Weise auf der Basisseite der Transistoren Q3b und Q2b zusätzlich eine Diode in der gleichen Richtung wie die DiodeD1 a bzw. D1b vorgesehen ist.

Es wird nun die Arbeitsweise der Schaltung der Fig. 4 beschrieben. Während der negativen Halbperiode der Impulsquelle 1 öffnet der Transistor Q4a und damit fließt der Strom 11 vom Kollektor des Transistors Q4a aus. Der Strom 11 wird in den Strom 13 zur Diode D2a und den Strom 12 zum Widerstand R3a geteilt, wie zuvor erläutert. Ein Teil des Stroms 12 fließt durch die Diode Dia zur Basis des Transistors Q3a im Impedanzwandler 3a, so daß der Transistor Q3a öffnet. Wenn die Diode Dia öffnet, wird die Basis-Emitter-Strecke des Transistors Q5a, der den SRPP-Kreis 4a zusammen mit der Diode Dia und dem Widerstand R3a bildet, in Sperrichtung vorgespannt und damit wird der Transistor Q5a gesperrt. Infolge der Leitung des Transistors Q3a wird die Eingangskapazität des FET Q1a vom Strom IG (dessen positiver Anteil) in Fig. 3D geladen und dann öffnet der FET Q1a. Am Ausgang t wird daher die Spannung -B erzeugt. Während des Intervalls Tc in Fig. 3D wird der Kondensator Ca vom Strom geladen und dient daher als Spannungsquelle für den Impedanzwandler 3a.

Wenn der Transistor Q4a gesperrt ist, wird die Basis-Emitter-Strecke des Transistors Q5a in Durchlaßrichtung vorgespannt und der Transistor Q5a öffnet (die Diode Dia sperrt). Zu diesem Zeitpunkt wird daher der Transistor Q2a geöffnet, so daß die Eingangskapazitat des FETs Q1a entladen wird und der FET Qia gesperrt wird.

Während der positiven Halbperiode der Impulsquelle 1 wird von dem anderen Verstärkerkreis eine Arbeitsweise gleich der zuvor beschriebenen durchgeführt und damit öffnet der andere FET Q1b, so daß am Ausgang t die Spannung +B erzeugt wird.

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Die Ausgangsseite des Impedanzwandlers, der aus Transistoren besteht, ist mit der Steuerelektrode des Sperrschicht-FET verbunden, der den Verstärker in Sourceschaltung bildet, und die Impulsstromsignalquelle ist mit der Eingangsseite des Impedanzwandlers verbunden. Es besteht somit nicht die Notwendigkeit, eine gesonderte Spannungsquelle vom FET aus für den Impedanzwandler vorzusehen. Der Impulssignalverstärker ist daher einfach im Schaltungsaufbau und billig.

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Claims

Ansprüche

1. Impulssignalverstärker, bestehend aus einer Impulsstromsignalquelle, einem Impedanzwandler aus einem ersten und einem zweiten Transistor, deren erste Elektroden miteinander verbunden sind und denen das Ausgangssignal der Impulsstromsignalquelle zugeführt wird, und deren zweite Elektroden miteinander verbunden sind, einem FET, dessen Steuerelektrode mit dem Verbindungspunkt der zweiten Elektroden des ersten und zweiten Transistors verbunden sind und deren Drain- und Sourcelektroden zwischen eine Gleichspannungsquelle und einen Bezugspunkt über eine Last geschaltet sind, gekennzeichnet durch eine kapazitive Einrichtung, deren erster Anschluß mit der dritten Elektrode des ersten Transistors und deren zweiter Anschluß mit der dritten Elektrode des zweiten Transistors und dem Bezugspunkt verbunden ist, und eine Schalteinrichtung, die zwischen den Ausgang der Impulsstromsignalquelle und die dritte Elektrode des ersten Transistors geschaltet ist, so daß ein Teil des AusgangsStroms der Impulsstromsignalquelle zu der

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kapazitiven Einrichtung fließt, um diese zu laden, wenn der Steuerelektrodenstrom des FET nicht über die zweite und dritte Elektrode des ersten Transistors fließt.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitive Einrichtung aus einem Kondensator und die Schalteinrichtung aus einer Diode besteht.

3. Verstärker nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine KonstantspannungsqueHe, die zu dem Kondensator parallelgeschaltet ist.

4. Verstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Transistor ein NPN- bzw. ein PNP-Transistor ist, daß der erste und zweite Transistor in Kollektorschaltung angeordnet sind, und daß der FET ein N-Kanal-Anreicherungs-MOS-FET ist, der in Sourceschaltung angeordnet ist.

5. Verstärker nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die ImpulsStromsignalquelle aus einem dritten Transistor besteht, dessen Kollektor als Ausgang der Impulsstromsignalquelle dient und dessen Basis-Emitter-Kreis ein zu verstärkendes Impulssignal zugeführt wird, um ihn ein- und auszuschalten.

6. Impulssignalverstärker, bestehend aus einer Impulsstromsignalquelle, einem ersten Impedanzkreis aus einem ersten und einem zweiten Transistor, deren erste Elektroden miteinander verbunden sind und denen das Ausgangssignal der Impulsstromsignalquelle zugeführt wird, und deren zweite Elektroden miteinander verbunden sind, einem ersten FET, dessen Steuerelektrode mit dem Verbindungspunkt der zweiten Elektroden des ersten und zweiten Transistors verbunden sind, deren Drain- und. Sourceelektroden zwischen eine erste Gleichspannungsquelle

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und einem Bezugspunkt über eine Last geschaltet sind, einer zweiten Impedanzeinrichtung aus einem dritten und vierten Transistor, deren erste Elektroden miteinander verbunden sind und denen das Ausgangssignal der Impulsstromsignalquelle zugeführt wird und deren zweite Elektroden miteinander verbunden sind, einem zweiten FET₁, dessen Steuerelektrode mit dem Verbindungspunkt der zweiten Elektroden des dritten und vierten Transistors verbunden sind, und deren Drain- und Sourceelektroden zwischen eine zweite Gleichspannungsquelle und den Bezugspunkt über eine Last geschaltet sind, gekennzeichnet durch eine erste Kapazitive Einrichtung, deren erster Anschluß mit der dritten Elektrode des ersten Transistors und deren zweiter Anschluß mit der dritten Elektrode des zweiten Transistors und der Gleichspannungsquelle verbunden ist, eine erste Schalteinrichtung, die zwischen den Ausgang der Impulsstromsignalquelle und die dritte Elektrode des ersten Transistors geschaltet ist, so daß ein Teil des Ausgangsstroms der Impulsstromsignalquelle zu der ersten kapazitiven Einrichtung fließt, um diese zu laden, wenn der Steuerelektrodenstrom des ersten FET nicht über die zweite und dritte Elektrode des ersten Transistors fließt, eine zweite kapazitive Einrichtung, deren erster Anschluß mit der dritten Elektrode des dritten Transistors und der zweiten Gleichspannungsquelle und deren zweiter Anschluß mit der dritten Elektrode des vierten Transistors verbunden ist, und eine Schalteinrichtung, die . «wisehen den Ausgang der Impulsstromsignalquelle und die dritte Elektrode des vierten Transistors geschaltet ist, damit ein Teil des AusgangsStroms der Impulsstromsignalquelle zu der zweiten kapazitiven Einrichtung fließt, um diese zu laden, wenn der Steuerelektrodenstrom des zweiten FET nicht über die zweite und dritte Elektrode des vierten Transistors fließt.

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ORIGINAL INSPECTED

7. Verstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite kapazitive Einrichtung jeweils aus einem Kondensator besteht und daß die erste und zweite Schalteinrichtung jeweils aus einer Diode besteht.

8. Verstärker nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine erste Konstantspannungsquelle, die zu der ersten kapazitiven Einrichtung parallelgeschaltet ist, und eine zweite Konstantspannungsquelle, die zu der zweiten kapazitiven Einrichtung parallelgeschaltet ist.

9. Verstärker nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Transistor ein NPN- bzw. ein PNP-Transistor ist, daß der erste und zweite Transistor jeweils in Kollektorschaltung angeordnet sind, und daß der erste FET ein N-Kanal-Anreicherungs-MOS-FET ist," der in Sourceschaltung angeordnet ist, daß der dritte und vierte Transistor ein NPN- bzw. PNP-Transistor ist und in Kollektorschaltung angeordnet ist, und daß der zweite FET ein P-Kanal-Anreicherungs-MOS-FET in Sourceschaltung ist.

10. Verstärker nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen ersten und zweiten SRPP-Kreis (durch Nebenschluß geregelter Nebentaktkreis), die zwischen den Ausgang der Imptilsstromsignalquelle und die Eingänge des ersten und zweiten Impedanzwandlers geschaltet sind, um diese anzusteuern.

11. Verstärker nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite SEEP-Kreis jeweils aus einer Diode und einem weiteren Transistor besteht.

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12. Verstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsstromsignalquelle aus zwei Transistoren besteht, von denen jeder in Emitterschaltung angeordnet ist und die in Abhängigkeit von deren Eingangselektroden zugeführten Impulssignal ein- und ausgeschaltet werden.

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