CN1052230A

CN1052230A - 跨导放大器

Info

Publication number: CN1052230A
Application number: CN90109544A
Authority: CN
Inventors: 乌尔里希·特尤斯
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1989-12-01
Filing date: 1990-11-28
Publication date: 1991-06-12
Also published as: EP0429717A1; JPH03190308A; DE58909170D1; KR910013689A; US5047729A; EP0429717B1

Abstract

跨导放大器由差分电压(ds)驱动，它通过第一输入端子(K₁)连接到第一电压—电流转换器(Ui1)而通过第二输入端子(K₂)连接到具有相同设计的第二电压—电流转换器(Ui2)。一个相同的第三电压— 电流转换器(Ui3)以其输入端连接到插在第一和第二输入端子(K₁，K₂)之间的一个电阻分压器(r₁，r₂) 的节点上。跨导放大器的输出信号可以从第一和第二电压—电流转换器(Ui1，Ui2)的电流输出中取出，它的差分电流(dI)正比于差分电压(ds)值。

Description

跨导放大器

跨导放大器将电压信号转换为线性度尽可能好的电流信号，用以形成尽可能理想的电流源输出。这种跨导放大器用来代替在模拟信号放大或衰减，例如，用于连续的或步进式增益控制的，电压放大器的场合是有利的。另一个应用是实现转换和切断功能，这些功能用电流要比用电压容易实现。在这种情况中，在跨导放大器的前面装有模拟放大器，它具有一个电流分流网络并受一个控制信号的控制，在极端情况下，该控制信号成为一个转换信号。

跨导放大器的进一步应用在于实现积分器。通常，电流的积分借助于电容器，即要积分的电压信号首先必须转换成电流信号。

传统跨导放大器的动态量程是由通常处在动态量程中部的静态电流值确定的。在过载情况下，输出电流限制在两倍于静态电流的过载水平以及电流已经为零时的最小允许信号电平之内。这种限定导致由奇次谐波引起的非线性失真。

因此，本发明的目的如同所提出的一样，为提供一个用于差分信号的跨导放大器，它的动态量程不为所建立的工作点限制，而且尽管有少量的内部负反馈，它的谐波失真还是很低的。

本发明及其优点随同参考附图将比较详细地加以介绍，其中：

图1是本发明的一个简单实施例的示意电路图；

图2表示出一个改进的实施例，以及

图3示出作为静态电流的函数的电压——电流转换器的跨导的变化。

图1示出一个根据本发明的跨导放大器的简单实施例。电路主要包括相同的三个电压——电流转换器Ui₁，Ui₂，Ui₃，它们中的第一个Ui₁其输入端连接到第一输入引线端K₁上，而其中的第二个Ui₂具输入端连接到第二输入引线端K₂上。两个输入引线端子K₁，K₂作为加到跨导放大器上的差分电压ds的输入。

三个电压——电流转换器Ui₁，Ui₂，Ui₃作为双极性电流集成在单一的基片上，因单个电路元件的优良的匹配特性而具有良好效果。只包括NPN晶体管和衬底——PNP晶体管而不包括低截止频率的横向PNP晶体管的动态子电路是高频响应的一个有利条件。

所有电压——电流转换器Ui₁，Ui₂，Ui₃在它们的输入部分都有一个衬底——PNP晶体管，参看图1中第一，第二和第三晶体管t₁，t₂，t₃。它们的集电极由衬底形成，而它们的发射极则分别通过第三，第四和第五电阻r₃，r₄，r₅连接到第四，第五和第六NPN型的晶体管t₄，t₅，t₆的发射极上。这三个NPN晶体管的基极引线是在一个公共参考电势Ub上，它是由第三电压——电流转换器Ui₃和一个恒流源K_q确定的。

第四和第五晶体管t₄，t₅的集电极构成跨导放大器的高阻抗差分输出。因为第一和第二晶体管t₁，t₂的基极分别连接到第一和第二输入端子K₁，K₂，所以第四和第五晶体管t₄，t₅的集电极电流分别取决于第一和第二输入端子K₁，K₂的电势，两个电压——电流转换器的每一个输出电流跟踪着相关输入引线的电势。电流的上升分别由第一和第二电压——电流转换器Ui₂，Ui₂中的第三和第四电阻r₃，r₄所限定。输出电流值也是由在每个电压——电流转换器中两个串接的基极——发射极通路的微分跨导I/U_T确定的。跨导放大器的第一输出电流I₁是第四晶体管t₄的集电极电流，而第二输出电流I₂则是第五晶体管t₅的集电极电流。

参考电势U_b由第三电压——电流转换器Ui₃认定，它的电流输出端连接到三个NPN晶体管的公共基极引线上。第六晶体管t₆的基极——集电极间的连接引线以恒流源Kq提供电流Iq。这个电流必确定着第一和第二电压——电流转换器Ui₁，Ui₂的静态电流I_q。

第一电阻r₁和第二电阻r₂组成的电压分压器连接在第一和第二输入引线端子K₁，K₂之间。这个分压器节点连接到第三电压—电流转换器Ui₃的输入端，即第三晶体管t₃的基极。

如果两个输入端子K₁，K₂有同一电势，那么电压分压器r₁，r₂的节点上将也是这个电势。在那种情况下，所有三个电压——电流转换器Ui₁，Ui₂，Ui₃都流过相同的电流I_q，即静态电流。如果将差分电压ds加在两个输入端子K₁，K₂之间，则两个输出电流I₁，I₂将发生变化：它们中的一个将增加，而另一个将减小。

如果两个输出电流I₁，I₂严格地随输入电势线性地变化的话；那么，其中之一将增大一个差分电流dI，而另一个则将减少相同的差分电流dI，但这将会引起如上所述的不希望的苛刻的限定。

但是，作为本发明的基础的电路概念，甚至在两个电压——电流转换器Ui₁，Ui₂的其中一个接近无电流的那个量程中，也允许其工作的受限制。在这个量程中，差分电压ds的变化主要只影响输出电流I₁，I₂的其中一个，即比I₁＝I₂的没有完全驱动的情况下具有更陡峭的斜率的那一个。其结果是，差分电流dI的斜率仍然接近电流的斜率。

根据本发明，电路的工作是基于这样的事实上，经过反馈电阻r₃，r₄，r₅以及静态电流Iq，将三个电压——电流转换器Ui₁，Ui₂，Ui₃的跨导设置在使三个电阻r₃，r₄，r₅的负反馈作用近似地等于基极——发射极通路的微分跨导I/U_T。当差分电压ds增加时，电压——电流转换器Ui₁，Ui₂的其中之一的输出电流I₁，I₂以及相关联的跨导也增加，而另一输出电流I₂，I₁及相关联的跨导则减小。两种作用相互抵消，因此，在第一和第二输出电流I₁，I₂之间的差分电流dI仍然与差分电压ds值成比例。

恒流源的电流I_q，从而三个电压——电流转换器Ui₁，Ui₂，Ui₃的静态电流I_q和三个反馈电阻r₃，r₄，r₅必须按下列规定选择：

U_T＜I_qxr(r＝r₃＝r₄＝r₅)＜2U_T

这里，U_T是热电压，在理论上，是26毫伏。这就使三个电阻r₃，r₄，r₅的负反馈作用保持在一个低电平上。低值反馈电阻r₃，r₄，r₅对跨导放大器的噪声性能亦有有利的作用。

图2示出图1的跨导放大器的一种改进的实施例。用图所描绘的图2电路大部分与图1相对应，类似的部分用类似的参考符号标明。工作原理亦相同，因此无需再加以说明。

图1电路装置的一个缺点在于，承载两个输入引线端子K₁，K₂和电压分压器r₁，r₂的节点的第一，第二和第三晶体管t₁，t₂，t₃的基极电流。差分电压ds可能经由电源阻抗和分压器r₁，r₂的电阻而被歪曲，但最主要的是，在分压器节点上的负载使三个输出电流I₁，I₂，Iq的比例受到破坏。当然，这会影响(模拟的)差分电流dI的幅值和精度。例如，通过将第一和第二输出电流I₁，I₂分别加到PNP电流反射镜(在图1及图2中未示出)的输入和输出端来实现对精度的提高。

在本发明的改进的实施例中(参看图2)通过由NPN电流组(bank)nk的输出电流去补偿三个NPN晶体管t₁，t₂，t₃的基极电流来消除这些缺点。电流组nk的电流由模拟电路n设置。这个模拟电路用与恒流源K_q的电流I_q等值的电流I_q来驱动。

模拟电路n包括一个第七晶体管t₇，它完全是三个NPN晶体管t₁，t₂，t₃的复制品并且跟后者一样，它是一个纵向PNP晶体管。第七晶体管t₇的基极电流供给一个三级NPN电流组的输入端，它的三个输出连接到三个PNP晶体管t₁，t₂，t₃的基极引线端子上。第三电压——电流转换器Ui₃和模拟电路n每个供以恒电流I_q。这些电流I_q，例如，由一个二级PNP电流组PK发送，它的输入端与第八NPN型晶体管的集电极相连，它的发射级通过第六电阻r₆接地。经过加到第八晶体管t₈的基极上的电压，PNP电流组PK的电流，因而跨导放大器的静态电流被设置。

图3中，绘出了作为电流I的函数的三个电压——电流转换器Ui₁，Ui₂，Ui₃的跨导i/u。根据以上设计原则，假定r＝U_T/I_q，则下面的关系对跨导i/u成立：

i/u＝1/(2U_T/I+r)

对大电流I，跨导i/u＝I/r。即仅取决于各自的反馈电阻r的一个常量值。对小电流I，跨导i/u＝I/2U_T，即仅取决于两个基极发射极通路的微分跨导I/U_T而与反馈电阻r无关。对于静态电流I_q来说，跨导i/u＝1/3r。动态量程A′可扩展到进入任意远的大电流量程内，因为在那里跨导i/u保持常数。这样一来，差分电流dI也仍然保持着对差分电压ds的比例关系。相对低的静态电流也会导致低功耗。点划线代表具有一个对称动态量程A′和较高的静态电流I_q′的常见的恒跨导特性i/u′。

Claims

1.跨导放大器其特征在于下列特性：

由差分电压(ds)驱动的一个输入——差分级具有两个输入端，其中第一输入端(K₁)连接到第一电压——电流转换器(Ui1)上，而其中第二输入端(K₂)则接到与第一电压——电流转换器(Ui1)相同的第二电压——电流转换器(Ui2)；

与第一和第二电压——电流转换器(Ui1，Ui2)相同的第三电压——电流转换器(Ui3)，其输入端连接到插入在第一和第二输入端子之间的电阻分压器(r₁，r₂)的节点上：

第一，第二和第三电压——电流转换器(Ui1，Ui₂，Ui₃)的跨导特性是相同的，并且借助于反馈电阻(r₃，r₄，r₅ r)和静态电流(I_q)使每个都设置在一个特定的低值。

所有三个电压——电流转换器(Ui₁，Ui₂，Ui₃)的参考电势引线是在一个公用参考电势Ub上。它是通过第三电压——电流转换器(Ui₃)实现的，它的电流由恒流源(Kq)确定，以及

作为跨导放大器的输出信号，第一和第二电压——电流转换器(Ui₁，Ui₂)的电流源输出传送第一输出电流(I₁)和第二输出电流(I₂)，它的差分电流与差分电压(ds)值成比例。

2.权利要求1所提出的跨导放大器其特征在于第一、第二和第三电压——电流转换器(Ui₁，Ui₂，Ui₃)在它们的控制输入端分别有一个第一晶体管(t₁)，一个第二晶体管(t₂)和一个第三晶体管(t₃)，它们的基极引线组成对应的控制输入。

3.权利要求2所提出的跨导放大器，其特征在于模拟电路(n)产生三个相等的电流，其电流值等于第一，第二和第三晶体管(t₁，t₂，t₃)的基极电流而符号则分别与它们相反，并将其加到第一，第二和第三晶体管(t₁，t₂，t₃)的基极引线上，以补偿基极电流。

4.权利要求3所提出的跨导放大器，其特征是第一、第二和第三电压电流转换器(Ui₁，Ui₂，Ui₃)分别包括一个第四晶体管(t₄)，一个第五晶体管(t₅)和一个第六晶体管(t₆)，它们的极性与第一，第二和第三晶体管(t₁，t₂，t₃)相反，第四，第五和第六晶体管(t₄，t₅，t₆)的发射极通过第三，第四和第五电阻(r₃，r₄，r₅)分别连接到第一，第二和第三晶体管(t₁，t₂，t₃)的发射极上，而第四，第五和第六晶体管(t₄，t₅，t₆)的基极引线则连接到公共参考电势(Ub)上。

5.权利要求4所提出的跨导放大器，其特征是恒流源(Kq)由一个PNP电流组(PK)的第一输出组成，它的第二输出馈给模拟电路(n)的输入，模拟电路(n)包括一个与第一，第二和第三晶体管(t₁，t₂，t₃)型号相同的第七晶体管(t₇)，并且第七晶体管(t₇)的基极电流加到具有三个分别连接在第一，第二和第三晶体管(t₁，t₂，t₃)基极引线的输出端的一个PNP电流组(nk)的输入端，第一，第二，第三，以及第七晶体管(t₁，t₂，t₃，t₇)是衬底——PNP型晶体管，而第四，第五以及第六晶体管(t₄，t₅，t₅)则是NPN晶体管。

6.权利要求7所提出的跨导放大器，其特征是反馈电阻(r₃，r₄，r₅，r)和静态电流(Iq)的值按下式选取：

U_T＜I_qxr(r＝r₃＝r₄＝r₅)＜2U_T

7.权利要求1-6中的任一要求所提出的跨导放大器，其特征是，第一和第二输入端子(K₁，K₂)的每一个端子通过一个阻抗变压器(i)从输入差分级进行缓冲。