Temperature stabilized transistor direct current amplifier

113 Pages·2017·9.53 MB·English

SScchhoollaarrss'' MMiinnee
Masters Theses Student Theses and Dissertations
1957
TTeemmppeerraattuurree ssttaabbiilliizzeedd ttrraannssiissttoorr ddiirreecctt ccuurrrreenntt aammpplliififieerr
William Lewis Metcalf Jr.
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DDeeppaarrttmmeenntt::
RReeccoommmmeennddeedd CCiittaattiioonn
Metcalf, William Lewis Jr., "Temperature stabilized transistor direct current amplifier" (1957). Masters
Theses. 2182.
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TEMPERATURE STABILIZED TRANSISTOR
D:CRECT .. CURREN1' AMPLIFIER
BY
WILLIAM LEWIS METCALF, JR.
A
THESIS
submitted to the faculty of the
SCHOOL OF MINES· AND METALLURGY. OF. THE .. UNIVERSITY .OF MISSOURI
in partial fulfillment of the work required for the
Degree of
MASTER OF SCIENCE IN ELECTRICAL ENGINEERING
Rolla, Missouri
1957
ii
ACKNOWLEDGMENT
The author wishes to acknowledge.the cooperation of the
Emerson Electric Manufacturing ..C ompany for. supp1ying. the com­
ponents, of Donald.G.,Bardon f'or assistance.in the construc­
tion of-the ampl.if'i�r and £or.aid in making.the.necessary
G.•
tests, and 0£ Professor. G. Skitek for his gu�dance and
helpful .. suggestions.
iii
TABLE OF CONTENTS
Page
Acknowledgments ••••••••••••••••••••••o••••••••••••••• ii
List of illustratio'ris ••••• .• •••••• •.................. iv
List of tables ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• vii
List of Symbols ••••••••••••••••••e•••••••••••••••••••viii
Introduction ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 1
Review of literature ••••o•••••••••••••••••••••••••••• 3
Specifications �or the amplifier ••••••••••••••••••••• 47
Description 0£ the amplifier ••••••••••••••••••••••••• 48
Development of amplifier ••••••••••••••••••o•••••••••• 48
Input stage •••••••••••••••••••• •.•• • • •• • • •• • •• •• • 48
Second stage •••••••••••••••••••••••••••••••••••• 60
Output stage •••••••••••••••••••••••••••••••••••• 63
Measurements and test data ••••••••••••••••••••••••••• 69
8.5
Conclusions ••••••••••••••••••••••••••o•••••••••••••••
Summary •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 87
Appendix I ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 88
Appendix II •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 90
Appendix III ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 96
101
Bibliography •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••
Vita •••••••o••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 103
iv
LIST OF ILLUSTRATIONS
Figure Page
1. Basic transistor stage ••••••••••••••••••••••••••• 5
2. Co11ector current versus.temperature for the basic
6
stage ·····························••o•••••••
3. Transistor characteristic relating voltage base
to emitter to temperature ••••••••••••••••••• 7
4. Base emitter bias £or constant emitter current as
a function 0£ temperature .•• o•••••••••••••••• 8
5. Saturation current versus temperature for ger-
11
manium units ••••••••••••••••••••••••••••••••
6. Saturation current versus temperature for silicon
12
units ·················�••o••················
;. (a). Parameters r8, r and r0 versus temperature
b
for germanium ••••••••••••••••••••••••••••••• 14
f
(b) o Para�etor oCversus temperaturt -:for germanium. 1.5
,
a. (a).·Parameter re, rb_and r0 versus temperature
for silicon ••••••••••••••••••••••••••••••••• 16
17
(b). Parameter� versus temperature :for silicon ••
_
9. Fixed bias operation
(a). Circ�it •••••ee••••oe•�. � •• �;.�•o•••••••••••• 20
(b). Transistor characteristic ••••••••••••••••••• 20
10. Sel£ bias circuit ••••o•••••••••••••• •••• ••••••••• 22
11. Circuit providing_ separate control of stabiliza-
tion and bias • o•• •• ························· 23
2.5
12. Current feodback stabilization •••••••••••••••••••
1J. Combination 0£ current and voltage feedback self
bias •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 27
v
LIST OF ILLUSTRATIONS (CONT.)
Fi.gure Page
14. Diode back resistance versus voltage � •• � •• �...... Jl
15. Temperature, compensated amplifier employing a 32
junction diode.as.a compensating element...... 32
. 16. Temperature sensitive.current generator compensated
aniplif'ier •• •••••••••••••••••••• · ••••••• ....... J4
1?. Di1'f'erential . amplifier •• o • •.•..................... 35
18. Input voltage,versus output voltages f'or a d1££er-
ential ampli£ier ••••••••••••••••••••••••••••• 39
19. Direct current feedback amplifier by .. Greatbatcb
and Hirtreiter •••••••••••••••••••••••••� ••• ��- 42
20. Direct current feedback· amplif'ie_ r .. by Storm •• • •• • • 1-4,J
21. Di:ff'erential direct current feedback. amplifier •• • 1.;,4
1-i,6
22 • Chopper. . stabilized direct current· amplifier • ;. �;...
23. Block diagram of direct current transistor
a.rnpli:Cior •••••••• 0 •••••• 0 ••• e................ L;,9
24. Schematic diagram of' ·direct current transistor
ampli:f.ier •••••••••••••••••••••• �..........• .•• 50
Phase relations in a differential.amplifier stage. 52
Schematic of input stage_•••••o••••••••••••••••••• 53
Schematic of second stago •••••••••••••••••••••••• 61
64
Schematic of' output stage ••••••••••••••••••••••••
Plot of' drift of output current versus time at
room temperature •••e•�···········o··········· 72
)O. P1ot.o:f dri:f't of battery voltage versus time at
.room temperature_••••••••••••••••••••••••o•••• 74
vi
LIST. OF :ILLUSTRATIONS (CONT.)
Figure Page
)1. Plot 0£ drift 0£ output current and unbalance
of' output currents versus. temperature ••••••• 77
· 32. Voltage gain versus temperature . •••• •. • • ••• o ••• •. 80
)). Frequency response with resistive load o••••••••• 81
)4. Frequency response w~th. resistive and induct~ve
load •••••••••••••••••••o••••~••••••••••••••• ~2
35. Input voltage versus output collector currents
o....... ... . . . . . . .
(load currents) ••••••• • ••••• 83
vii
LIST OF TABLES
Tab1e Page
:r.
Drift versus temperature for transistor.direct
current amplifiers •••••••••••••••••••••••• 37
zr. Drift of output.current versus timo at room
temperature for t.he stabilized amplifier • • 71
rt:r.
Battery voltage dri:ft versus time at room
temperature ••••••••••••••••••••••••••••••• 7J
IV. Drift of output current and unbalance of output
currents versus temperature ••••••••••••••• 76
v. Voltage gain versus temperature ••••••••••••••• 79
viii
LIST OF SYMBOLS
Symbol Description
E
Direct current supply voltage
Alternating�curr�n� output voltage
Direct current_ cinpµt conductance
Direct current
I Direct. current collector saturation. current
co
Direct current base current
Direct current collector current
Direct current emitter current
k Boltzmann constant
Currsnt gain
Power gain
Voltage gain
q Electronic charge
Equivalent base resistance
r Equivalent collector resistance
c
Equivalent emitter collector transresistanco
r Equivalent emitter resistance
e
1
r Base lead resistance
BB
Bias resistance
Base bias resistance
Collector bias resistance
Emitter bias resistance
Feedback resistance
l.X
Load resistance
Generator·intern�l resistance
Alternating current input resistance
Alternating current output resistance
T
Absolute Temperature
Altornating current base voltage
vb
coll.ec1
A1 ternating current tor voltage
Ve
Direct current bas a ·voltage
VB
v
Direct current collector�oltage
Direct current emitter voltage
VE
Direct current base to emitter voltage
VBE
v Direct current collector to base voltage
· CB
Feedback impedance
Alternating current load impedance
Greek Letter Symbols
Symbol Description
Short circuit current amplification �actor
Grounded emitter curr.ent ampli:fication :factor
Energy gap
q/kT
Conductivity o:f impure semiconductor used in base
Conductivity of pure semiconductor material