AT392710B - Schaltkreis mit hoher eingangsimpedanz - Google Patents
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Description
AT 392 710 B
Die Erfindung betrifft einen Schaltkreis mit hoher Eingangsimpedanz, mit einer ersten Differenzschaltung mit zwei NPN-Transistoren sowie einem ersten und einem zweiten Eingang, einer zweiten Differenzschaltung mit zwei PNP-Transistoren sowie einem ersten und einem zweiten Eingang, wobei die ersten Eingänge der ersten und der zweiten Differenzschaltung mit zwei PNP-Transistoren sowie einem ersten und einem zweiten Eingang, wobei die ersten Eingänge der ersten und der zweiten Differenzschaltung miteinander verbunden sind und die zweiten Eingänge der ersten und der zweiten Differenzschaltung miteinander verbunden sind, einer ersten Stromquelle im Emitterkreis, die mit der ersten Differenzschaltung verbunden ist und die erste Differenzschaltung ansteuert, einer zweiten Stromquelle, die mit der zweiten Differenzschaltung verbunden ist und die zweite Differenzschaltung ansteuert, einem Signaleingang, welcher mit den ersten Eingängen der ersten und der zweiten Differenzschaltung verbunden ist, um der ersten und der zweiten Differenzschaltung ein Signal zuzuführen, und einer Gleichspannungs-Vorspannungsquelle, die mit den zweiten Eingangsanschlüssen der ersten und der zweiten Differenzschaltung verbunden ist, um die erste und zweite Differenzschaltung anzulegen.
Pufferstufen der oben beschriebenen Art gibt es bekanntlich als Emitterfolger-Stufen (siehe Fig. 1), die aus npn-Transistoren (1) und (2) bestehen, sowie als Emitterfolger-Stufen (siehe Fig. 2), die aus einem Feldeffekttransistor (3) und Widerständen (RI) und (R2) bestehen. Bei diesen Pufferstufen gemäß dem Stand der Technik fließt jedoch ein Teil des Eingangssignals hauptsächlich als Basisstrom zu einem Basiswiderstand. Dadurch kann die Eingangsimpedanz des Schaltkreises nicht beliebig erhöht werden. Wenn die Pufferstufe in einer * Klemmschaltung, einer Abtast/Halte-Stufe oder einer Treiberstufe verwendet wird, um eine kapazitive Last anzusteuem, können Schwingungsverzemmgen dadurch entstehen, daß die Eingangsimpedanz nicht beliebig erhöht werden kann. Fig. 3 zeigt einen Schaltkreis, der in "IEEE Journal of Solid-State Circuit", Band SC-16, Nr. 6, Dezember 1981, Seite 748-749 geoffenbart ist. Dieser Schaltkreis verwendet Transistoren (11) bis (14), die jeweils über große Strom Verstärkungsfaktoren hfel, hfe2> hfe3 und hfe4 verfügen. Wenn hfel = hfe2 = h^ = = h^ ist, sind die Basisströme (ißj) = (iß2^ *n ^en entsprechenden Transistoren (11) und (12) gleich ÖBl)SÖB2>· Dies bedeutet, daß die Basisströme zum Ansteuern der Transistoren (11) und (12) nicht von einer Signalquelle geliefert werden müssen. Genauer gesagt: Im Schaltkreis von Fig. 3 wird ein Eingangssignal (Vjhj) von einem Eingangssignalanschluß (10) an die miteinander verbundenen Basisanschlüsse von ersten pnp-und npn-Transistoren (11) und (12) gelegt. Der erste pnp-Transistor (11) liegt mit seinem Kollektor an Masse, sein Emitter ist mit dem Kollektor eines zweiten pnp-Transistors (14) verbunden. Der npn-Transistor (12) liegt mit seinem Emitter an einem Signalausgang (18) und an einer Konstantstromquelle (15), sein Kollektor ist mit dem Emitter eines zweiten npn-Transistors (13) verbunden. Die zweiten pnp- und npn-Transistoren (14) und (13) sind mit ihren Basisanschlüssen verbunden. Der Emitter des zweiten pnp-Transistors (14) und der Kollektor des zweiten npn-Transistors (13) sind gemeinsam mit einem Stromversorgungsanschluß (17) verbunden.
Bei der obigen Schaltung ergeben sich die Kollektorströme (Ij) bis (I4) über die entsprechenden Transistoren (11) bis (14) zu: ^bfel-tel T2 = bfe2 · *B2 I3 = hfe3-|B3 und I4 = hfe4. iB4 wobei (ißf, iß2> >53) und (iß4) jeweils die Basisströme durch die Transistoren (11) bis (14) bedeuten und hfel» hfe2> hfe3 un(i hfe4 entsPrechenden Stromverstärkungsfaktoren der Transistoren (11) bis (14) sind. Der Basisstrom (iß 2) im ersten npn-Transistor (12), dessen Emitter mit der Konstantstromquelle (15) verbunden ist, ergibt sich zu:
I iB2 =- 1 + hfe2
Dabei ist (I) der Strom der Konstantstromquelle (15).
Der Basisstrom (iß-j) des zweiten npn-Transistors (13), dessen Emitter mit dem Kollektor des ersten npn-Transistors (12) verbunden ist, ergibt sich zu: -2-
AT 392 710 B h *Β3 =- 1 + hfe3 hfe2 · *n2 1 + hfe3
Das bedeutet, daß sich der Basisstrom (134), der im zweiten pnp-Transistor (14) fließt, dessen Basis mit der Basis des zweiten npn-Transistors (13) verbunden ist, ergibt zu *B4 = iB3 hfe2 · iß 2 1 + hfe3
Der Kollektorstrom (I4) des Transistors (14) ergibt sich somit zu: I4 = αΒ4 · hfe4 = _hfe2 AB2 ___ = . 1 + hfe3
Der Basisstrom (igj) des ersten pnp-Transistors (11), dessen Emitter mit dem Kollektor des zweiten pnp-Transistors (14) verbunden ist, wird somit: 14 ^1=- 1 + hfel hfe2 · hfe4 · *B2 (1+hfel> · ^1+hfe3^
Die Transistoren (11) bis (14) können auf der selben Trägerschicht integriert werden, so daß sie die gleichen Arbeitskennlinien und einen gleichen Stromverstärkungsfaktor hfß (hfe > 1) besitzen. In diesem Fall wird der Basisstrom (igj) im ersten pnp-Transistor (11) gleich: -3-
AT 392 710 B ^1 =-JB2 (l-h,/ =f XB2
Dies bedeutet, daß er im wesentlichen gleich dem Basisstrom (iB2) durch den ersten npn-Transistor (12) ist. Theoretisch bedeutet das, daß die Eingangsimpedanz (Zj„) des Schaltkreises von Fig. 3 unendlich groß ist Der Schaltkreis von Fig. 3 stellt somit einen Schaltkreis mit hoher Eingangsimpedanz dar. Dieser Schaltkreis erfordert jedoch eine Vorspannungsstufe, um eine Vorspannung für die Transistoren (11) und (12) zu liefern. Die Vorspannungsstufe besteht üblicherweise aus den Widerständen (RI) und (R2), wie dies Fig. 3 zeigt so daß die Eingangsimpedanz herabgesetzt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Schaltkreis der eingangs angeführten Art zu schaffen, welcher die oben beschriebenen Nachteile bekannter Schaltungen vermeidet. Die Eingangsimpedanz soll dabei durch das Beifügen einer Vorspannungsstufe nicht herabgesetzt werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der erste Eingangsanschluß mit einem Kondensator verbunden ist und das Signal ohne eine Gleichstromkomponente empfängt daß das Verhältnis der von der ersten und der zweiten Stromquelle gelieferten Ströme in Abhängigkeit von den Stromverstärkungsfaktoren der PNP- und NPN-Transistoren so bestimmt ist, daß der Basisstrom der PNP-Transistoren dem Basisstrom der NPN-Transistoren entspricht, und daß an den ersten Eingängen eine Gleichspannung von der Gleichspannungs-Vorspannungsquelle anliegt.
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform dieser Erfindung. Bei diesem Schaltkreis wird ein Eingangssignal (Vjn) von einem Signaleingang (20) an die gemeinsame Basis der ersten pnp- und npn-Transistoren (21A) und (22A) gelegt. Die zweiten pnp- und npn-Transistoren (21B) und (22B) sind mit ihren Basisanschlüssen verbunden, die an einer Vorspannungsquelle (26) liegen. Der erste und zweite pnp-Transistor (21A) und (21B) liegt mit seinem Kollektor an Masse, ihre Emitter sind miteinander und mit dem Kollektor eines dritten pnp-Transistors (24) verbunden. Dieser Transistor (24) besitzt einen Emitter, der mit einem Versorgungsspannungsanschluß (-V^) verbunden ist, seine Basis liegt an der Basis eines dritten npn-Transistors (23). Der dritte npn-Transistor liegt mit seinem Kollektor am +V^(->-Spannungsversorgungs-anschluß; sein Emitter ist mit dem Kollektor eines vierten npn-Transistors (29B) verbunden. Die Basis des vierten npn-Transistors (29B) liegt an der Basis eines fünften npn-Transistors (29A). Diese miteinander verbundenen Basisanschlüsse liegen am Verhindnngspnnkr zwisrhp.n den Widerstanden (RI) und (R2) JDer-andere Anschluß des Widerstands (RI) liegt am +VQ-.-Spannungsversorgungsanschluß und der andere Anschluß des Widerstands (R2) an Masse. Die Emitter des vierten und fünften npn-Transistors liegen über entsprechende Widerstände (R3) und (R4) an Masse. Die Emitter des ersten und zweiten npn-Transistors (22A) und (22B) sind miteinander verbunden und liegen am Kollektor des fünften npn-Transistors (29A). Die Basis des vierten pnp-Transistors (27) ist mit seinem Kollektor verbunden, so daß dieser Transistor als Diode arbeitet. Der Verbindungspunkt zwischen der Basis und dem Kollektor liegt am Kollektor des eisten npn-Transistors (22A) und an der Basis des fünften pnp-Transistors (28). Der Emitter des Transistors (28) ist mit dem +Vcc~Spannungsversorgungsanschlue verbunden, sein Kollektor liegt am Kollektor des zweiten npn-Transistors (22B) und weiters an einem Ausgang (Vq^jj).
Die Widerstände (RI) bis (R4) und die Transistoren (29A) und (29B) bilden eine Stromspiegelschaltung. Wenn man den Strom im Kollektor des Transistors (29B) mit (I) bezeichnet, bedeutet dies, daß der gleiche Strom (I) im Kollektor des Transistors (29A) fließt. Der Kollektorstrom (I) durch den Transistor (29A) steuert eine Differenzverstärkerstufe an, die von den Transistoren (22A) und (22B) gebildet wird.
Die Arbeitsweise des Schaltkreises von Fig. 4, der den oben beschriebenen Aufbau besitzt, wird nunmehr beschrieben. Wenn der Strom (I) durch den Transistor (29B) fließt, fließt dieser Strom (I) auch durch den Transistor (23). Dadurch fließt wieder ein Strom (I) durch den Transistor (24). Da der Transistor (21B) mit einer Vorspannung von der Vorspannungsquelle (26) angesteuert wird, ist der Transistor (21B) geöffnet und führt einen Kollektorstrom, der vom Transistor (24) geliefert wird. Die Basisvorspannung für den Transistor (21A), der mit dem Transistor (21B) in Differenzverstärkerschaltung liegt, ist nicht festgelegt. Der Transistor (21A) führt daher keinen Strom, d. h. er ist gesperrt Anders ausgedrückt: Für das Differenzpaar der Transistoren (21A) und (21B) stehen die Basisspannungen (Vg^lAp un^ (Vß(21Bp *m Verhältnis:
VB(21A)-VB(21B)................W -4-
AT 392 710 B
Zwischenzeitlich wird im anderen Differenzpaar der Transistoren (22A) und (22B) der Transistor (22B) von der Spannungsquelle vorgespannt. Der Transistor (22B) ist somit geöffnet, wobei sein Emitterstrom in die Stromquelle für den Transistor (29A) abgezogen wird. Da der Transistor (22A) gesperrt ist, stehen die Basisspannungen (Vg^2A)^ un<^ (^B(22B)) tei diesen Transistoren (22A) und (22B) im Verhältnis: 5 VB(22A) ^ VB(22B)................® 10 Da (Vß(21A)) = ^B(22Ap un<* (vß(21B)^ = ^B(22B)^ *st> miissen di® Basisspannungen der Transistoren (21A) und (21B) gleich den Basisspannungen der Transistoren (21B) und (22B) gemacht werden, um die Gleichungen (1) und (2) zu erfüllen. Infolgedessen wird der Eingang (20) auf das gleiche Potential vorgespannt, wie die Spannung der Vorspannungsquelle (26). Der Transistor (21A) wird somit geöffnet, so daß der gleiche Kollektorstrom (1/2) wie im Transistor (21B) geführt wird. Weiters wild der gleiche Kollektorstrom IS (1/2) im Transistor (22A) geführt
Da der Basisstrom im Transistor (22A) gleich dem Basisstrom im Transistor (21A) ist, ist der vom Eingang (20) aus gesehene Basisstrom etwa gleich Null, d. h. es kann ein Schaltkreis mit hoher Eingangsimpedanz realisiert werden.
Dabei sei darauf hingewiesen, daß ein Schaltkreis mit hoher Eingangsimpedanz realisiert werden kann, der 20 keinerlei Basiswiderstand benötigt
Fig. S zeigt eine Anwendung des Schaltkreises mit hoher Eingangsimpedanz gemäß dieser Erfindung auf eine Impulsabtaststufe. Bei dieser Figur sind gleiche Bauteile wie in Fig. 4 mit den gleichen Bezugsziffern und Symbolen bezeichnet
Bei diesem Schaltkreis wird eine Basisspannung an die Basis der Transistoren (22B) und (21B) von einem 25 Verbindungspunkt (D) in einer Serienschaltung gelegt, die aus den Widerständen (RI, R2) und (R5) sowie einer Diode (Dl) besteht Diese Vorspannung wird genauso auch an die Basis der Transistoren (21A) und (22A) gelegt, wie dies oben im Zusammenhang mit Fig. 4 beschrieben wurde. Weiters ist die Basis der Transistoren (29A) und (29B) mit der Anode der Diode (Dl) verbunden, um eine Stromquelle zu bilden. Die Transistoren (30A, 31A) und (32A) bilden eine Stromquelle, die Transistoren (30B, 31B) und (32B) eine 30 andere Stromquelle. Nunmehr wird angenommen, daß am Eingang (20) kein Signal anliegt Wenn der Kollektorstrom (Ij) über den Transistor (29B) fließt, fließt der gleiche Strom (Ij) über den Kollektor des Transistors (24). Dieser Strom (Ij) fließt weiters als Kollektorstrom (I2) und (I3) ((I2) = (I3)) in den Transistoren (21A) und (21B). Der Kollektorstrom (I2) im Transistor (21A) steuert die Stromquelle an, die von den Transistoren (30A, 31A) und (32A) gebildet wird. Genauer gesagt: Der Strom (¾) fließt über den -35-Xransistoc-(30A), während der-Strom (I2') über die-Transistoren (31A)-und (32A) fließt Dcr-Strom-(1^),-der Über den Transistor (30A) fließt, steuert die Transistoren (27A) und (28A) an. Auf ähnliche Weise fließt der Strom (I3) über den Transistor (30B), während der Strom (I3‘) über die Transistoren (31B) und (32B) fließt.
Die Widerstände (R6) und (R7) sind zwischen den Kollektoren der Transistoren (30A) und (30B) in Serie geschaltet. Eine Vorspannungsquelle (Vjj) ist mit dem Verbindungspunkt zwischen den in Serie liegenden 40 Widerständen (R6) und (R7) verbunden. Da (I2) # O^') und (I3) = (I^1) ist, fließt über die Widerstände (R6) und (R7) kein Strom. Es werden somit der Ausgang dieses Schaltkreises, d. h. der Kollektor (Punkt (B)) des Transistors (30A) und der Kollektor (Punkt (C)) des Transistors (30B) von der Vorspannungsquelle (Vjj) vorgespannt und auf dem gleichen Potential gehalten. Nunmehr wird die Arbeitsweise dieses Schaltkreises beschrieben, wenn ein Impulssignal (siehe Fig. 6A) von einem Generator (Ge) über einen Kondensator (C) an 45 den Eingang (20) gelegt wird. Die Spannungsänderung des Eingangsimpulssignals wird über den Kondensator (C) zur Basis der Transistoren (21A) und (22A) übertragen. Dadurch geraten die Spannungen an den Punkten (D) und (E) aus dem Gleichgewicht, so daß beide Transistoren (21A) und (22B) gesperrt werden. Wenn der Transistor (21A) gesperrt ist, wird sein Kollektorstrom (I2) abgeschaltet. Damit wird die Stromquelle, die aus den Transistoren (30A, 31A) und (32A) besteht, abgeschaltet. Zu diesem Zeitpunkt ist der Transistor (21B) 50 geöffnet und die Stromquelle, die von den Transistoren (30B, 31B) und (32B) gebildet wird, ist eingeschaltet. Da der Transistor (22A) geöffnet ist, sind zwischenzeitlich die Transistoren (27A) und (28A) geöffnet und der Kollektorstrom (I2') wird vom Transistor (28A) geführt. Weiters sind die Transistoren (27B) und (28B) gesperrt, da der Transistor (22B) gesperrt ist. Der Kollektorstrom (I2') des Transistors (28A) fließt über die
Widerstände (R6) und (R7) in die Transistoren (30B) und (31B). Bei den oben beschriebenen Strompfaden 55 wird das Potential am Punkt (B) zum Zeitpunkt (tj) auf ^Rö+V^ angehoben, wie dies in Fig. 6 bei (B) dargestellt ist. Andererseits fällt in diesem Augenblick das Potential am Punkt (C) auf V^-^R?, wie dies Fig. 6 bei (C) zeigt. Da der Transistor (21A) gesperrt ist, während der Transistor (22A) geöffnet ist, ist zu diesem -5-
AT 392 710 B
Zeitpunkt die Eingangsimpedanz vom Eingang (20) aus gesehen niedrig im Vergleich zur Eingangsimpedanz, wenn beide Transistoren (21A) und (22A) geöffnet sind. Dies erfolgt deshalb, da der Basisstrom im Transistor (22A), der geöffnet ist, nicht vollständig zum Eingang (20) geliefert wird. Die Quelle dieses Basisstroms ist die im Kondensator (C) gespeicherte Ladung. Wenn daher der Basisstrom für ein festes Zeitintervall geliefert wurde, 5 wird das Potential am Eingang (20) gleich dem Potential am Punkt (D). Dieser Zustand ist mit jenem Zustand ident, bei dem kein Eingangssignal anliegt und der oben beschrieben wurde. Der Basisstrom wird vom Kondensator (C) zum Transistor (22A) für ein Intervall vom Zeitpunkt (tj) bis zum Zeitpunkt (t2) von
Fig. 6 geliefert. Wenn das Potential am Eingang (20) sich dem Potential am Punkt (D) nähert, steigt der Kollektorstrom im Transistor (21A) an und die Transistoren (3ΘΑ) und (31A) öffnen schließlich, um Strom 10 zu führen, um den Strom über die Widerstände (R6) und (R7) herabzusetzen. Die Potentiale an den Punkten (B) und (C) nähern sich somit der Spannung (Vjj) nach unten bzw. nach oben. Diese Situation ist in Fig. 6 vom Zeitpunkt (tj) zum Zeitpunkt (t2) bei (B) und (C) dargestellt. Vom Zeitpunkt (t2) zum Zeitpunkt (t2) dauert der gleiche Zustand an, wie er am Anfang geherrscht hat Zum Zeitpunkt (tj) fällt die Spannung am Eingang (20), um die Transistoren (22A) und (21B) zu sperren und dann den Anschluß (28A) abzuschalten. Da der 15 Transistor (21A) zu diesem Zeitpunkt geöffnet ist, wird die Stromquelle, die aus den Transistoren (30A, 31A) und (32A) besteht, in Betrieb gesetzt, während die aus den Transistoren (30B, 31B) und (32B) bestehende Stromquelle äbgeschaltet wird. Dadurch fließt der Kollektorstrom (Lj) im Transistor (27B) über die Widerstände (R7) und (R8) in die Transistoren (30A) und (31A). Die Potentiale an den Punkten (B) und (C) sind zu dieser Zeit, d. h. zum Zeitpunkt (tß), gleich Vjj-IgRö bzw. V^-IßR7, wie dies in Fig. 6 bei (B) und (C) 20 dargestellt ist
Mit dem oben beschriebenen Schaltkreis kann man ein Signal, das mit der Schwingungsform synchronisiert ist die Fig. 6. bei (A) zeigt, dadurch erhalten, daß man die Spannung am Punkt (B) in einer geeigneten Vergleicherstufe vergleicht Der Schaltkreis kann somit als Impulsabtaststufe verwendet werden.
Fig. 7 zeigt eine weitere Anwendung des Schaltkreises gemäß dieser Erfindung. Bei diesem Schaltkreis wird 25 an Stelle des Widerstands (27) von Fig. 4 ein Widerstand (Rj^j) und an Stelle des Transistors (28) ein
Widerstand (RL2) verwendet Die Eingangsimpedanz dieses Schaltkreises ist vom Anschluß des Kondensators (C) aus gesehen die Impedanz der Parallelschaltung einer Emitterfolgerstufe, die aus einem Transistor (22A) und den dazu in Serie liegenden Widerständen (Rgjqj) und (Rgj^) besteht mit einer Emitterfolgerstufe, die von einem Transistor (21A) und den dazu in Serie liegenden Widerständen (Rgpj) und (RgP2) gebildet wird. 30 Wenn die oben erwähnte Eingangsimpedanz mit (Z^) bezeichnet wird, so ist 1 1 1
zin SS ' -1— hFEN · 0^Ν1+Ι^Ν2) hFEp(RgPl+RgP2) Wenn RgNl = RgN2 = RgN und RgPl = RgP2 ~ RgP* dann ist 1 1 1 hFENRgN + bpEI^gP zin 2hFENRgN 2hFENRgP 2hFENhFEPRgNRgP somit ist
2hFENhFEPRgNRgP
Zfa--
hFENRgN + hFEPRgP -6-
Claims (1)
- AT 392 710 B Dies bedeutet, daß man mit diesem Schaltkreis die hfe-fache Eingangsimpedanz der Schaitungsanordnung erhalten kann, wobei die Widerstände (RgN) und (Rgp) zur Vorspannung verwendet werden, wie dies auch in Fig. 3 1 beschrieben wurde. Dieser Schaltkreis kann eine sinusartige Verstärkung in einem Bereich von fj >- 2jtCjZjn liefern, wobei (Cj) die Kapazität eines Kondensators (C) und (fj) die Frequenz sind. PATENTANSPRUCH Schaltkreis mit hoher Eingangsimpedanz, mit einer ersten Differenzschaltung mit zwei NPN-Transistoien sowie einem ersten und einem zweiten Eingang, einer zweiten Differenzschaltung mit zwei PNP-Transistoren sowie einem ersten und einem zweiten Eingang, wobei die ersten Eingänge der ersten und der zweiten Diffeienzschaltung miteinander verbunden sind und die zweiten Eingänge der ersten und der zweiten Stromquellen im Emitterkreis, die mit der ersten Differenzschaltung verbunden ist und die erste Differenzschaltung ansteuert, einer zweiten Stromquelle, die mit der zweiten Differenzschaltung verbunden ist und die zweite Differenzschaltung ansteuert, einem Signaleingang, welcher mit den ersten Eingängen der ersten und der zweiten Differenzschaltung verbunden ist, um der ersten und der zweiten Differenzschaltung ein Signal zuzuf&hren, und einer Gleichspannungs-Vorspannungsquelle, die mit den zweiten Eingangsanschlüssen der ersten und der zweiten Differenzschaltung verbunden ist, um eine Vorspannung an die erste und die zweite Differenzschaltung anzulegen, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Eingang mit einem Kondensator verbunden ist und das Signal vorspannungsfrei anliegt, daß das Verhältnis der von der ersten und der zweiten Stromquelle (29A, R4, 24) gelieferten Ströme in Abhängigkeit von den Stromverstärkungsfaktoren der PNP- und NPN-Transistoren so bestimmt ist, daß der Basisstrom der PNP-Transistoren (21A, 21B) dem Basisstrom der NPN-Transistoren (22A, 22B) entspricht, und daß an den ersten Eingängen eine Gleichspannung von der Gleichspannungs-Vorspannungsquelle (26) anliegt. Hiezu 4 Blatt Zeichnungen -7-
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