DE4038217A1 - Differential amplifier with multiple differential stages - uses cross connection of inputs with voltage offsets to provide large linear characteristic - Google Patents

Differential amplifier with multiple differential stages - uses cross connection of inputs with voltage offsets to provide large linear characteristic

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Abstract

The differential amplifier has.. a number of differential stages (F1,F2....Fn) each with first inputs (A1,A2...An), second inputs (B1,B2,..Bn), two outputs (D1,D2..Dn) and connection (E1,E2...En) to current sources. In particle, the first output(C) of the differential amplifier is connected to first outputs (C1....Cn) of differential stages (F1...Fn), the second output (D) of the differential amplifier is connected to second outputs (D1..N) of differential stages (F1..Fn), the first input (n) of differential amplifier is connected to first inputs (A1..An) of differential stages via offset voltage sources (V1a, V2a...Vna) and the second input (B) of differential amplifier is connected to the second input (B1..Bn) of differential stage via offset voltage sources (V1b,V2b..Vnb). USE/ADVANTAGE - Differential amplifier for amplifiers, mixers, multipliers etc. larger linear region.

Description

Die Erfindung betrifft einen Differenzverstärker mit erweitertem Aussteuerbereich für Verstärker, Mischer, Multiplizierer, Regelschaltungen usw.The invention relates to a differential amplifier Extended control range for amplifiers, mixers, Multipliers, control circuits, etc.

Da Verstärker grundsätzlich nichtlineare Elemente sind, ist der Bereich der Eingangsspannung, für die eine hin­ reichend lineare Charakteristik gilt, beschränkt.Since amplifiers are basically non-linear elements, is the range of input voltage for which one is going sufficient linear characteristic applies, limited.

So beträgt z. B. der Linearitätsbereich der Eingangsspan­ nung für die Differenzstufe aus bipolaren Silizium- Transistoren nur etwa 10 bis 15 mV. Zwar kann der Li­ nearitätsbereich durch Stromgegenkopplung mit Reihenwi­ derständen vergrößert werden, doch ergibt eine solche Lösung geringere Verstärkung, Nachteile im Rauschver­ halten und die Fähigkeit zur Verstärkungsregelung geht drastisch zurück.So is z. B. the linearity range of the input span for the differential stage made of bipolar silicon Transistors only about 10 to 15 mV. The Li nearity range through negative current feedback with series wi can be enlarged, but such results Solution lower gain, disadvantages in noise reduction hold and the ability to control gain goes drastically back.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Diffe­ renzverstärker anzugeben, dessen Eingangsspannungsbe­ reich vergrößert werden kann, ohne durch Stromgegen­ kopplung an Verstärkung einzubüßen und ohne die Fähig­ keit zur Verstärkungsregelung zu verlieren. Diese Auf­ gabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst.The invention has for its object a diff to specify the limit amplifier whose input voltage range can be enlarged without counter current loss of coupling to gain and without the ability loss of gain control. This on gift is according to the invention by the features of the spell 1 solved.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungs­ beispielen erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zei­ genThe invention is based on execution examples explained. In the accompanying drawing gene

Fig. 1 die prinzipielle Schaltungsanordnung zum er­ sten Anspruch; Figure 1 shows the basic circuit arrangement for he most claim.

Fig. 2 zwei Differenzstufen mit entgegengesetzt gleichen Offset-Spannungen; FIG. 2 shows two differential stages with equal and opposite offset voltages;

Fig. 3 einen Differenzverstärker mit 5 Transistor- Differenzstufen und Offset-Spannungserzeugung über Widerständen; Fig. 3 is a differential amplifier with transistor differential stage 5 and the offset voltage generation via resistors;

Fig. 4 den Verlauf der Ausgangsströme für das letzt­ genannte Beispiel. Fig. 4 shows the course of the output currents for the latter example.

In Fig. 1 ist eine Verknüpfung von n Differenzstufen F1, F2, ... Fn dargestellt. Der erste Eingangsanschluß A des Differenzverstärkers ist über je eine Offset-Span­ nungsquelle V1a, V2a, ... Vna mit je einem ersten Ein­ gangsanschluß A1, A2, .... An einer Differenzstufe F1, F2, ... Fn verbunden. Der zweite Eingangsanschluß B ist entsprechend über je eine zweite Offset-Spannungsquelle V1b, V2b, ... Vnb mit je einem zweiten Eingangsanschluß B1, B2, ... Bn verbunden. Die ersten Ausgangsanschlüsse C1, C2, ... Cn der Differenzstufen sind zum Ausgangsan­ schluß C des Differenzverstärkers zusammengefügt. Ebenso sind die zweiten Ausgangsanschlüsse D1, D2, ... Dn zum gemeinsamen, zweiten Ausgangsanschluß D verbun­ den. Ferner besitzen die Differenzstufen F1, F2, ... Fn je einen Versorgungseingang E1, E2, ... En zur Stromeinspeisung, der von je einer Stromquelle I1, I2, ... In oder stromliefernden Schaltung gespeist wird. In Fig. 1 is a combination of n differential stages F 1, F 2, ... Fn shown. The first input connection A of the differential amplifier is via an offset voltage source V 1 a, V 2 a, ... Vna, each with a first input connection A 1 , A 2 , .... At a differential stage F 1 , F 2 , ... Fn connected. Correspondingly, the second input connection B is connected to a second input connection B 1 , B 2 , ... Bn via a second offset voltage source V 1 b, V 2 b, ... Vnb. The first output connections C 1 , C 2 , ... Cn of the differential stages are connected to the output connection C of the differential amplifier. Likewise, the second output connections D 1 , D 2 ,... Dn are connected to the common, second output connection D. Furthermore, the differential stages F 1 , F 2 , ... Fn each have a supply input E 1 , E 2 , ... En for current feed, which is fed by a current source I 1 , I 2 , ... In or current-supplying circuit .

Die Haupteigenschaft einer Differenzstufe Fi besteht darin, den Strom Ii, der dem Versorgungsanschluß Ei zu­ geführt wird, in Abhängigkeit von der an die Eingangs­ anschlüsse Ai, Bi angelegten Eingangsspannung auf die beiden Ausgangsanschlüsse Ci und Di zu verteilen. Dabei wird eine symmetrische Kennlinie vorausgesetzt, d. h., daß bei Eingangsspannung null beide Ausgangsströme untereinander gleich sind. Durch die zugefügten Offset- Spannungen Via, Vib wird diese Symmetrie gestört. Trägt man die Ausgangsströme einer Differenzstufe über der Spannung zwischen den gemeinsamen Eingangsanschlüssen A, B auf, so befindet sich der Punkt der Strom­ gleichheit an der Stelle der Summe der zugefügten Off­ set-Spannungen. Dabei spielt es an sich keine Rolle, ob die Offset-Spannung einseitig in Form einer einzigen Spannungsquelle Via oder Vib oder in Form zweier Kompo­ nenten auf beiden Seiten der Differenzstufe zugefügt wird, wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt. Die in Fig. 3 näher ausgeführte Schaltung beschränkt sich auf ein­ seitig zugefügte Offset-Spannungen. Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß zu jeder Differenzstufe Fi mit einer Offset-Spannung Vi eine Differenzstufe Fj mit der Offset-Spannung Vj = -Vi vorgesehen ist, wie es auch in Fig. 2 schematisch dargestellt ist. Nur wenn die Anzahl der Differenzstufen ungerade ist, verbleibt eine ohne Partner. Diese muß dann die Offset-Spannung null haben, d. h. es dürfen keine Offset-Spannungen eingefügt werden oder sie müssen entgegengesetzt gleich sein. Wählt man für die Differenzstufen mit entgegenge­ setzt gleicher Offset-Spannung gleiche Arbeitsströme Ii = Ij, dann muß die Kennlinie der beiden Gesamt-Aus­ gangsströme, die die Ausgangsanschlüsse C und D durch­ fließen, symmetrisch sein. The main property of a differential stage Fi is to distribute the current Ii, which is fed to the supply connection Ei, as a function of the input voltage applied to the input connections Ai, Bi, over the two output connections Ci and Di. A symmetrical characteristic curve is assumed, that is, with zero input voltage, both output currents are identical to one another. This symmetry is disturbed by the added offset voltages Via, Vib. If you apply the output currents of a differential stage above the voltage between the common input connections A, B, then the point of current equality is at the point of the sum of the offset voltages added. It does not matter whether the offset voltage is added on one side in the form of a single voltage source Via or Vib or in the form of two components on both sides of the differential stage, as shown in FIGS . 1 and 2. The circuit detailed in FIG. 3 is limited to offset voltages added on one side. It is provided according to the invention that a differential stage Fj with the offset voltage Vj = -Vi is provided for each differential stage Fi with an offset voltage Vi, as is also shown schematically in FIG. 2. Only if the number of difference levels is odd does one remain without a partner. This must then have the offset voltage zero, ie no offset voltages may be inserted or they must be opposite in the same way. If one chooses the same working currents Ii = Ij for the differential stages with the same offset voltage, the characteristic curve of the two total output currents flowing through the output connections C and D must be symmetrical.

In Fig. 3 ist eine Anordnung mit fünf Differenzstufen F1, F2, ... F5 aus bipolaren Transistoren dargestellt. Die Eingangsanschlüsse A, B sind an Emitterfolger V1, V2 angeschlossen, die von einer Signalquelle Si ge­ speist werden. Zwei Reihenschaltungen von je zwei Wi­ derständen Ra1, Ra2 bzw. Rb1, Rb2 sind am Anschluß A bzw. B angeschlossen. Eine Stromquelle Ia bzw. Ib lei­ tet Strom in die zugeordnete Reihenschaltung, erzeugt somit Spannungsabfälle über deren Widerständen und lie­ fert gleichzeitig den Arbeitsstrom für den Emitter­ folger V1 bzw. V2. Fünf weitere Stromquellen I1, I2, ... I5 versorgen die Differenzstufen F1, F2, ... F5 mit Arbeitsstrom. Der zweite Eingangsanschluß B1 bzw. B2 der Differenzstufen F1, F2 ist mit dem Eingangsanschluß B verbunden, während der erste Eingangsanschluß A1 bzw. A2 an Anzapfungen der ersten Reihenschaltung Ra1, Ra2 gelegt ist. Der erste Eingangsanschluß A4 bzw. A5 der vierten bzw. fünften Differenzstufe F4, F5 ist mit dem Eingangsanschluß A verbunden, während der zweite Ein­ gangsanschluß B4 bzw. B5 an Anzapfungen der zweiten Reihenschaltung Rb1, Rb2 gelegt ist. Die Eingangsan­ schlüsse A3, B3 der dritten Differenzstufe F3 sind di­ rekt mit den Eingangsanschlüssen A, B verbunden.In Fig. 3 is an arrangement with five differential stages F 1, F 2, ... F shown for bipolar transistors 5. The input connections A, B are connected to emitter followers V 1 , V 2 , which are fed by a signal source Si. Two series connections of two Wi resistors Ra 1 , Ra 2 and Rb 1 , Rb 2 are connected to connection A and B, respectively. A current source Ia or Ib conducts current into the associated series circuit, thus generating voltage drops across its resistors and at the same time delivering the working current for the emitter follower V 1 or V 2 . Five further current sources I 1 , I 2 , ... I 5 supply the differential stages F 1 , F 2 , ... F 5 with working current. The second input connection B 1 or B 2 of the differential stages F 1 , F 2 is connected to the input connection B, while the first input connection A 1 or A 2 is connected to taps of the first series circuit Ra 1 , Ra 2 . The first input connection A 4 or A 5 of the fourth or fifth differential stage F 4 , F 5 is connected to the input connection A, while the second input connection B 4 or B 5 is connected to taps of the second series circuit Rb 1 , Rb 2 . The input connections A 3 , B 3 of the third differential stage F 3 are di rectly connected to the input connections A, B.

Für die Symmetrie der Anordnung ist es erforderlich, daß Ra1 = Rb1, Ra2 = Rb2, Ia = Ib, I1 = I5, I2 = I4 ist. Fig. 4 zeigt an einem Beispiel die Abhängigkeit der Ströme IC, IC1, IC2, ... IC5 von der Eingangsspan­ nung VAB, wobei der Index den Anschluß bezeichnet, durch den der betreffende Strom fließt. Für die Berech­ nung wurden folgende Werte angenommen: Ia = Ib = 6 µA, I1 = I5 = 8,64 µA, I2 = I4 = 6,55 µA, I3 = 6,34 µA, Ra1 = Rb1 = 10570 Ω, Ra2 = Rb2 = 11 660 Ω. Die Steilheit d(IC)/d(VAB) der Kennlinie weicht in diesem Beispiel maximal um ±1% vom Nennwert ab. Gegenüber der einfa­ chen Differenzstufe ergibt sich eine 17,9fache Ver­ größerung des zulässigen Eingangsspannungsbereiches.For the symmetry of the arrangement it is necessary that Ra 1 = Rb 1 , Ra 2 = Rb 2 , Ia = Ib, I 1 = I 5 , I 2 = I 4 . Fig. 4 shows an example of the dependence of the currents IC, IC 1 , IC 2 , ... IC 5 on the input voltage VAB, the index designating the terminal through which the current in question flows. The following values were assumed for the calculation: Ia = Ib = 6 µA, I 1 = I 5 = 8.64 µA, I 2 = I 4 = 6.55 µA, I 3 = 6.34 µA, Ra 1 = Rb 1 = 10570 Ω, Ra 2 = Rb 2 = 11 660 Ω. In this example, the slope d (IC) / d (VAB) of the characteristic curve deviates by a maximum of ± 1% from the nominal value. Compared to the simple differential level, there is a 17.9-fold increase in the permissible input voltage range.

Variiert man die Ströme I1 I2 ... I5 gleichsinnig, d. h. unter Wahrung ihrer Verhältnisse, so wird die Steilheit der Kennlinie ohne Verlust an Aussteuerbe­ reich in gleichem Maße variiert. Infolgedessen kann die erfindungsgemäße Schaltung im Gegensatz zu einer Differenzstufe, die durch Emitterwiderstände gegenge­ koppelt ist, für Aufgaben der Regelung, Multiplikation und Mischung ohne Einschränkungen verwendet werden.Varying the currents I 1 I 2 ... I 5 in the same direction, ie while maintaining their ratios, the steepness of the characteristic curve is varied to the same extent without loss of modulation range. As a result, the circuit according to the invention, in contrast to a differential stage which is coupled against one another by emitter resistors, can be used for tasks of regulation, multiplication and mixing without restrictions.

Claims (4)

1. Differenzverstärker mit mehreren Differenzstufen (F1, F2, ... Fn), die je einen ersten Eingangsanschluß (A1, A2, ... An), einen zweiten Eingangsanschluß (B1, B2, ... Bn), einen ersten Ausgangsanschluß (C1, C2, ... Cn), einen zweiten Ausgangsanschluß (D1, D2, ... Dn) und einen Anschluß (E1 E2, ... En) zur Stromeinspei­ sung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Ausgang (C) des Differenzverstärkers aus der Verbindung der ersten Ausgänge (C1, C2, ... Cn) der Differenzstu­ fen (F1, F2, ... Fn), der zweite Ausgang des Differenz­ verstärkers (D) aus der Verbindung der zweiten Ausgänge (D1, D2, ... Dn) der Differenzstufen (F1 F2, ... Fn) besteht, daß der erste Eingangsanschluß (A) des Diffe­ renzverstärkers mit dem ersten Eingangsanschluß (A1, A2, ... An) einer Differenzstufe (F1, F2 ... Fn) über eine erste Offset-Spannungsquelle (V1a, V2a, ... Vna) und/oder der zweite Eingangsanschluß (B1, B2, ... Bn) einer Differenzstufe (F1, F2, ... Fn) mit dem zweiten Eingangsanschluß (B) des Differenzverstärkers über eine zweite Offset-Spannungsquelle (V1b, V2b, ... Vnb) ver­ bunden ist, daß zu jeder Differenzstufe (Fi) eine Differenzstufe (Fj) vorhanden ist, deren Offset- Spannungsquelle(n) eine (Summen-)Spannung erzeug(t)en, die umgekehrt gleich ist der (Summen-)Spannung der der anderen Differenzstufe zugeordneten Offset- Spannungsquelle(n), wobei aber für den Fall, daß die Gesamtzahl der Differenzstufen ungerade ist, bei einer der Differenzstufen die (Summen-)Spannung der zugeordneten Offset-Spannungsquelle(n) Null ist bzw. keine Offset-Spannungsquelle(n) vorgesehen ist (sind).1. Differential amplifier with several differential stages (F 1 , F 2 , ... Fn), each with a first input connection (A 1 , A 2 , ... An), a second input connection (B 1 , B 2 , ... Bn), a first output connection (C 1 , C 2 , ... Cn), a second output connection (D 1 , D 2 , ... Dn) and a connection (E 1 E 2 , ... En) for current injection Solution, characterized in that the first output (C) of the differential amplifier from the connection of the first outputs (C 1 , C 2 , ... Cn) of the differential stages (F 1 , F 2 , ... Fn), the second output of the differential amplifier (D) from the connection of the second outputs (D 1 , D 2 , ... Dn) of the differential stages (F 1 F 2 , ... Fn) is that the first input connection (A) of the dif limit amplifier with the first input connection (A 1 , A 2 , ... An) of a differential stage (F 1 , F 2 ... Fn) via a first offset voltage source (V 1 a, V 2 a, ... Vna) and / or the second input connection (B 1 , B 2 , ... Bn) of a dif renzstufe (F 1 , F 2 , ... Fn) with the second input terminal (B) of the differential amplifier via a second offset voltage source (V 1 b, V 2 b, ... Vnb) is connected to that for each differential stage (Fi) there is a differential stage (Fj), the offset voltage source (s) of which generate (sum) voltage (t) which is conversely the same as the (sum) voltage of the offset voltage source (n ), but in the event that the total number of differential stages is odd, the (total) voltage of the assigned offset voltage source (s) is zero or no offset voltage source (s) is (are) provided for one of the differential stages. . 2. Differenzverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Erzeugung der Offset-Spannungen an die Eingangsanschlüsse (A, B) des Differenzverstärkers je eine Reihenschaltung von Widerständen (Ra1, Ra2, ... Ram; Rb1, Rb2, ... Rbm) oder wenigstens je ein Wider­ stand (Ra, Rb) angeschlossen ist, daß beide Reihen­ schaltungen von je einem Strom (Ia, Ib) durchflossen werden, daß der Eingangsanschluß (Ai) einer Differenz­ stufe (Fi) an den Eingangsanschluß (A) des Differenz­ verstärkers gelegt ist, während der andere Eingangsan­ schluß (Bi) an eine Anzapfung der Reihenschaltung der Widerstände (Rb1, Rb2, ... Rbm) gelegt ist und daß die Differenzstufe (Fj) mit entgegengesetzter Summenspan­ nung mit dem Eingangsanschluß (Bj) an den Eingangsan­ schluß (B) des Differenzverstärkers und der andere Ein­ gangsanschluß (Aj) an die entsprechende Anzapfung der Reihenschaltung der Widerstände (Ra1, Ra2, ... Ram) ge­ legt ist und daß, falls die Anzahl der Differenzstufen ungerade ist, die Eingangsanschlüsse (Ak, Bk) einer Differenzstufe (Fk) direkt mit den Eingangsanschlüssen (A, B) des Differenzverstärkers oder gleichrangigen An­ zapfungen der Reihenschaltungen von Widerständen ver­ bunden sind.2. Differential amplifier according to claim 1, characterized in that for generating the offset voltages to the input terminals (A, B) of the differential amplifier, a series connection of resistors (Ra 1 , Ra 2 , ... Ram; Rb 1 , Rb 2 , ... Rbm) or at least one opposing stand (Ra, Rb) is connected that both series circuits are flowed through by a current (Ia, Ib), that the input connection (Ai) a difference stage (Fi) to the Input terminal (A) of the differential amplifier is placed, while the other input terminal (Bi) is connected to a tap of the series connection of the resistors (Rb 1 , Rb 2 , ... Rbm) and that the differential stage (Fj) with opposite sum voltage with the input connection (Bj) to the input connection (B) of the differential amplifier and the other input connection (Aj) to the corresponding tap of the series connection of the resistors (Ra 1 , Ra 2 , ... Ram) is placed and that, if the number of difference stages is odd, the input connections (Ak, Bk) of a differential stage (Fk) are directly connected to the input connections (A, B) of the differential amplifier or equivalent taps to the series connections of resistors. 3. Differenzverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsströme (I1, I2, ... In) der Differenzstufen (F1, F2, ... Fn) in Abhängig­ keit von der Größe der Offset-Spannung gestaffelt sind. 3. Differential amplifier according to claim 1 or 2, characterized in that the supply currents (I 1 , I 2 , ... In) of the differential stages (F 1 , F 2 , ... Fn) depending on the size of the offset Tension are staggered. 4. Differenzverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsströme (I1, I2, ... In) unter Wahrung ihrer Größenverhältnisse variiert werden.4. Differential amplifier according to one of claims 1 to 3, characterized in that the supply currents (I 1 , I 2 , ... In) are varied while maintaining their size relationships.
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