AT 392 709 BAT 392 709 B
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Multiplizierschaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches.The invention relates to an electronic multiplier circuit according to the preamble of the claim.
Ein großer Teil der heute verwendeten elektronischen Multipliziererschaltungen basieren im Prinzip auf der Funktion eines Differenzverstärkers mit zwei Transistoren, dessen Größe der Verstärkung theoretisch proportional der Summe der Kollektorströme ist (siehe TIETZE und SCHENK: HALBLEITERSCHALTUNGSTECHNIK, Springer Verlag 6. Auflage Abb. 4.41 "1"). Der offensichtlichste Nachteil dieser Schaltung ist die Nichtlinearität der Übertragungskennlinie (Abb. 4.44 in "1"). Diese Fehlerquelle kann behoben werden, wenn ein in die Gegenkopplung eines Verstärkers eingebrachter Differenzverstärker dazu verwendet wird, die Übertragungskennlinie eines zweiten, gleichartigen Differenzverstärkers zu kompensieren, indem der Eingang jenes zweiten Differenzverstärkers mit dem Eingang des ersten Differenzverstärkers parallelgeschalten ist und das an den Kollektoren des zweiten Differenzverstärkers anliegende Signal mittels eines Ausgangsverstärkers aufbereitet wird. Diese Lösung wurde z. B. im LINEAR DATABOOK 1982 von NATIONAL SEMICONDUCTOR in Abschnitt 3 (Operationsverstärker) auf Seite 3-170 ("2") veröffentlicht. Bei einer nach "2" ausgeführten Schaltung ist die Nichtlinearität bereits sehr klein, allerdings nur, wenn entweder die Steuerströme für die beiden Differenzverstärker sehr klein gehalten werden oder die Steuerströme gleich groß sind (Als Steuerströme sind hier die jeweils durch die gemeinsamen Emitteranschlüsse abfließenden und damit die Verstärkung bestimmenden Ströme bezeichnet). Bei größer werdender Abweichung steigt bei höheren Werten für die Steuerströme die Nichtlinearität auf ein Vielfaches an. In der US-PS 4 586 155 ("3") schließlich wird eine gegenüber ,,2" erweiterte, bzw. für 4-Quadrantenmodulation erweiterte, Anordnung beschrieben. Auch für diese Schaltung gilt bezüglich der Größe der Steuerströme dasselbe, wie bereits in "2" erwähnt. Die Ursache für dieses Fehlverhalten wurde in "3" nicht erkannt und daher wurden auch dort keine Maßnahmen zur Beseitigung dieser Unzulänglichkeit getroffen.A large part of the electronic multiplier circuits used today are based in principle on the function of a differential amplifier with two transistors, the magnitude of the amplification is theoretically proportional to the sum of the collector currents (see TIETZE and SCHENK: HALBLEITERSCHALTUNGSTECHNIK, Springer Verlag, 6th edition, Fig. 4.41 " 1 ";). The most obvious disadvantage of this circuit is the non-linearity of the transmission characteristic (Fig. 4.44 in " 1 "). This source of error can be remedied if a differential amplifier inserted into the negative feedback of an amplifier is used to compensate for the transmission characteristic of a second differential amplifier of the same type, in that the input of that second differential amplifier is connected in parallel with the input of the first differential amplifier and that at the collectors of the second Differential amplifier applied signal is processed by means of an output amplifier. This solution was e.g. B. in the LINEAR DATABOOK 1982 by NATIONAL SEMICONDUCTOR in section 3 (operational amplifier) on page 3-170 (" 2 ") published. With a " 2 " circuit, the non-linearity is already very small, but only if either the control currents for the two differential amplifiers are kept very small or the control currents are of the same size (the control currents here are the currents flowing through the common emitter connections and thus determining the gain). . As the deviation increases, the non-linearity increases many times with higher values for the control currents. Finally, in U.S. Patent 4,586,155 (" 3 "), one is compared to " 2 " extended, or expanded for 4-quadrant modulation, described arrangement. The same applies to this circuit with regard to the size of the control currents, as already described in " 2 " mentioned. The cause of this misconduct was identified in " 3 " were not recognized and therefore no measures to remedy this deficiency were taken there either.
Die Ursache für diesen störenden Effekt ist der bei realen Transistoren auftretende innere Widerstand im Emitter, der sogenannte Emitterbahnwiderstand (in der englischsprachigen Literatur als Emitter Bulk Resistance bezeichnet). Dieser Widerstand R-Eb wirkt im Prinzip wie ein Emitterwiderstand und bewirkt eine vom Produkt aus Steuerstrom mal R-Eb abhängige Gegenkopplung innerhalb der beiden Differenzverstärker aus "2" und damit davon abhängige Übertragungskennlinien. Dies bedeutet, daß sich die Übertragunskennlinien nur dann kompensieren, wenn das Produkt aus Steuerstrom mal R-Eb für beide Differenzverstärker aus "2" gleich groß ist. Andernfalls entsteht eine, von der Größe der Abweichung abhängige Nichtlinearität, die bei Wechselspannungen als Eingangssignal die Entstehung kubischer Verzerrungen bewirkt.The cause of this disruptive effect is the internal resistance in the emitter that occurs in real transistors, the so-called emitter path resistance (referred to in the English-language literature as emitter bulk resistance). In principle, this resistor R-Eb acts like an emitter resistor and effects a negative feedback depending on the product of control current times R-Eb within the two differential amplifiers from " 2 " and thus dependent transmission characteristics. This means that the transmission characteristics only compensate each other if the product of control current times R-Eb for both differential amplifiers is " 2 " is the same size. Otherwise, a non-linearity depends on the size of the deviation, which causes cubic distortions to occur when AC voltages are used as the input signal.
Nun geschieht die Kompensation einer unerwünschten Gegenkopplung logischerweise durch eine Mitkopplung mit gleicher Größe, womit das Wesentliche der vorüegenden Erfindung bereits angesprochen wäre.Now the compensation of an undesired negative feedback is logically done by a positive feedback of the same size, which would have already addressed the essence of the present invention.
Die Erfindung wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches beschrieben. Der Anmeldegegenstand wird durch die Fig. 1 näher erläutert. Es wird dort also mittels zweier Spannungsteiler, (Rbl, Rb2 und Rdl, Rd2), ein proportionaler Anteil des Einganssignals (uE) auf den zweiten Eingang (B) des ersten Differenzverstärkers (Dl) und ein proportionaler Anteil des Ausgangssignals (uA) auf den zweiten Eingang (D) des zweiten Differenzverstärkers (D2) gegeben. Beim zweiten Differenzverstärker erfolgt die Mitkopplung abhängig von der Größe des Ausgangssignals und damit vom Steuerstrom (ID2) über (A2), den zweiten Spannungsteiler (Rdl), (Rd2) und den Eingang (D) des Transistors (T4). Etwas anders sind die Verhältnisse beim ersten Differenzverstärker (Dl): Dort steigt mit größer werdendem Steuerstrom (ID1) die Gegenkopplung über den Eingangsverstärker (Al) an, sodaß die Ausgangsspannung von (Al) bei gleichbleibendem Eingangssignal (uE) sinkt, das am Eingang (B) des zugehörigen Transistors anlegende Signal jedoch gleich bleibt und somit steigt auch beim Differenzverstärker (Dl) das Signal am zweiten Eingang (B) relativ zum am Eingang (A) anliegenden Signal an, wenn (ID1) vergrößert wird. Es ist also für beide Differenzverstärker gewährleistet, daß die Größe der Kompensationsspannungen vom jeweiligen Steuerstrom (ID1) bzw. (ID2) abhängt. Da man auch annehmen kann, daß die Emitterbahnwiderstände weitgehend unabhängig von den Steuerströmen sind, kann bei richtiger Einstellung der beiden Spannungsteiler (Rbl, Rb2 und Rdl, Rd2), die durch den R-Eb verursachte und schädliche Gegenkopplung praktisch kompensiert werden.The invention is described by the characterizing features of the claim. The subject of the application is explained in more detail by FIG. 1. It is there by means of two voltage dividers (Rbl, Rb2 and Rdl, Rd2) that a proportional part of the input signal (uE) to the second input (B) of the first differential amplifier (Dl) and a proportional part of the output signal (uA) to the given second input (D) of the second differential amplifier (D2). With the second differential amplifier, the positive feedback takes place depending on the size of the output signal and thus on the control current (ID2) via (A2), the second voltage divider (Rdl), (Rd2) and the input (D) of the transistor (T4). The situation is somewhat different for the first differential amplifier (Dl): there, with increasing control current (ID1), the negative feedback via the input amplifier (Al) increases, so that the output voltage of (Al) drops with the input signal (uE) remaining the same, which at the input ( B) of the associated transistor applying signal, however, remains the same and thus the signal at the second input (B) also rises relative to the signal present at input (A) when the differential amplifier (DI) increases (ID1). It is therefore guaranteed for both differential amplifiers that the magnitude of the compensation voltages depends on the respective control current (ID1) or (ID2). Since one can also assume that the emitter path resistances are largely independent of the control currents, the correct setting of the two voltage dividers (Rbl, Rb2 and Rdl, Rd2) can practically compensate for the harmful negative feedback caused by the R-Eb.
Nicht erwähnt wurde bisher der gegenüber "2", zusätzlich in der Gegenkopplung des Verstärkers (Al) liegende Verstärker (A3). Dieser hat einerseits den Vorteil, die durch den Verstärker (Al) verursachte Phasenverschiebung bei hohen Frequenzen zu kompensieren, sodaß der Phasengang der ganzen Anordnung nach Fig. 1 praktisch nur noch vom Ausgangsverstärker (A2) bestimmt wird, da die Phasenverschiebung vom Differenzverstärker (D2) durch den ebenfalls in der Gegenkopplung des Eingangsverstärkers (Al) liegenden Differenzverstärker (Dl) weitgehend aufgehoben wird. Weiters wird durch den Verstärker (A3) bewirkt, daß für eine Änderung der Eingangsempfindlichkeit, im Gegensatz zu einer nach "2" ausgeführten Schaltung, nur einer statt zweier Widerstände geändert werden muß. -2-So far, no mention has been made of the amplifier (A3) lying in relation to " 2 " additionally in the negative feedback of the amplifier (A1). On the one hand, this has the advantage of compensating for the phase shift at high frequencies caused by the amplifier (A1), so that the phase response of the entire arrangement according to FIG. 1 is practically only determined by the output amplifier (A2), since the phase shift is caused by the differential amplifier (D2) is largely canceled by the differential amplifier (Dl), which is also in the negative feedback of the input amplifier (Al). Furthermore, the amplifier (A3) causes a change in the input sensitivity, in contrast to a change in " 2 " executed circuit, only one instead of two resistors must be changed. -2-