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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Stromverstärkeranordnung gemäß der Merkmale
des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Eine
derartige Stromverstärkeranordnung funktioniert
nach dem Stromspiegelprinzip und basiert darauf, einen den ersten
Transistor durchfließenden
Eingangsstrom auf einen den zweiten Transistor durchfließenden Ausgangsstrom
abzubilden, wobei der Betrag des Ausgangsstromes dem Betrag des
Eingangsstromes multipliziert mit einem Verstärkungsfaktor entspricht.
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1 zeigt eine herkömmliche,
als Stromverstärker
einsetzbare Stromspiegelanordnung, die beispielsweise in Tietze,
U.; Schenk, Ch.: "Halbleiterschaltungstechnik", 9. Auflage, Springer-Verlag, 1991,
Seite 63, beschrieben ist. Die Anordnung umfasst eine Eingangsklemme
IN zum Zuführen
eines Eingangsstromes Iin, eine Ausgangsklemme OUT zum Bereitstellen
eines Ausgangsstromes Iout sowie einen ersten und zweiten Transistor
T10, T20, die in dem Beispiel als Bipolartransistoren realisiert
sind. Die Basis-Anschlüsse
der beiden Transistoren T10, T20, die deren Ansteueranschlüsse bilden
sind dabei miteinander verbunden und die Emitter-Anschlüsse, die
jeweils einen der Laststreckenanschlüsse der Transistoren T10, T20
bilden, sind gemeinsam an eine Klemme für Bezugspotential GND angeschlossen.
Der erste Transistor T10 ist als Diode verschaltet indem sein Kollektor-
mit seinem Basis-Anschluss verbunden
ist.
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Wie
schematisch dargestellt ist, wird der Eingangsstrom durch eine beliebige
Stromquelle Iq bereitgestellt, die zwischen eine Klemme für Versorgungspotential
V+ und den Eingang IN geschaltet ist. Diese Stromquelle Iq kann
insbesondere ein Sensorelement sein, das einen Ausgangsstrom liefert,
der von einer zu beobachtenden physikalischen Größe abhängig ist. Ein Beispiel für solche
Sensorelemente sind Photodioden, die einen von einer Beleuchtungsstärke abhängigen Ausgangsstrom
liefern.
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Die
beiden Transistoren T10, T20 werden im statischen Betrieb stets
im selben Arbeitspunkt betrieben, da deren Basisanschluss jeweils
miteinander verbunden sind und deren Emitteranschlüsse jeweils miteinander
verbunden sind. Der Verstärkungsfaktor, also
das Verhältnis
zwischen Ausgangs- und Eingangsstrom ergibt sich dabei in hinlänglich bekannter Weise
aus dem Verhältnis
der Transistorflächen
der beiden Transistoren. Die Verstärkung der Anordnung kann beispielsweise
durch wahlweises Parallelschalten eines weiteren Transistors T30
parallel zu dem zweiten Transistor T2 verändert werden. Eine feine Abstufung
unterschiedlicher Verstärkungsfaktoren
ist allerdings nur mit erheblichem Aufwand unter Verwendung einer
Vielzahl unterschiedlicher Transistoren möglich.
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Unvermeidlich
ist bei derartigen Anordnungen eine parasitäre Eingangskapazität Cin vorhanden,
die in 1 gestrichelt
eingezeichnet ist. Diese Eingangskapazität, wird bei Änderungen
des Eingangsstromes In umgeladen, und bewirkt dadurch, dass Änderungen
des Eingangsstromes Iin erst zeitverzögert Änderungen des Ausgangsstromes
Iout hervorrufen. Änderungen
des Eingangsstromes mit einer Frequenz, die oberhalb einer durch
die Eingangskapazität
vorgegebenen Frequenz liegen, werden somit nicht mehr auf Änderungen
des Ausgangsstromes abgebildet. Die Eingangskapazität stellt
somit einen limitierenden Faktor bezüglich der maximalen Frequenz
zu verstärkender
Eingangströme,
d.h. bezüglich
der Verstärkungsbandbreite
dar.
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In
der
FR 2 726 137 A1 ist
eine auf dem Stromspiegelprinzip basierende Stromverstärkungsanordnung
mit einstellbarer Stromverstärkung
beschrieben. Die Anordnung umfasst zwei npn-Bipolartransistoren, von denen einer
als Diode verschaltet ist und deren Basisanschlüsse miteinander verbunden sind.
Die Einstellung der Stromverstärkung
erfolgt über
zwei pnp-Bipolartransistoren,
von denen jeweils einer zwischen einen der npn-Transistoren und
ein Bezugspotential geschaltet ist, wobei zwischen den Basisanschlüssen dieser
pnp-Transistoren eine Steuerspannung anlegbar ist, über welche die
Emitterpotentiale der npn-Transistoren eingestellt werden.
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Stromverstärkeranordnung
zur Verfügung
zu stellen, die eine hohe Verstärkungsbandbreite
besitzt und die einfach realisierbar ist.
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Dieses
Ziel wir durch eine Stromverstärkungsanordnung
gemäß der Merkmale
des Anspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
Stromverstärkeranordnung
umfasst einen Eingang zum Zuführen
eines Eingangsstromes und einen Ausgang zum Bereitstellen eines
Ausgangsstromes, ein erstes und zweites Transistorelement die jeweils
einen Ansteueranschluss und einen ersten und zweiten Laststreckenanschluss
aufweisen, wobei der erste Laststreckenanschluss des ersten Transistorelements
an den Eingang und der erste Laststreckenanschluss des zweiten Transistorelements
an den Ausgang gekoppelt ist und wobei die zweiten Laststreckenanschlüsse des
ersten und zweiten Transistorelements an einen gemeinsamen ersten
Knoten gekoppelt sind. Außerdem
sind die Ansteueranschlüsse
des ersten und zweiten Transistorelements miteinander gekoppelt.
Weiterhin ist eine Transkonduktanzverstärkeranordnung vorgesehen, die
einen Eingang aufweist, der an den Eingang der Stromverstärkeranordnung
angeschlossen ist, und die einen Ausgang aufweist, der an den ersten
Knoten angeschlossen ist. Zudem ist eine Reihenschaltung eines kapazitiven
Speicherelements und einer Potentialpufferschaltung zwischen den
Ausgang und den ersten Knoten geschaltet.
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Der
erste und zweite Transistor sind bei der Stromverstärkeranordnung
als Stromspiegel verschaltet, wobei der Transkonduktanzverstärker als gemeinsame
Last für
das erste und zweite Transistorelement dient. Dieser Transkonduktanzverstärker, dessen
Eingang an den Eingang des Stromverstärkers angeschlossen ist, bewirkt
durch Einstellung des Potentials an dem ersten Knoten, dass ein
Potential an dem Eingang unabhängig
von dem Eingangsstrom wenigstens annäherungsweise einen konstanten
Wert annimmt. Eine unvermeidlich am Eingang vorhandenen parasitäre Kapazität wird dadurch
bei Änderungen
des Eingangsstromes nicht umgeladen, so dass Änderungen des Eingangsstromes
rasch zu Änderungen
des Ausgangsstromes führen.
Der Transkonduktanzverstärker
bewirkt somit eine Geschwindigkeitssteigerung, und damit eine Erhöhung der
Verstärkungsbandbreite
der Verstärkeranordnung
gegenüber
herkömmlichen
Stromverstärkeranordnungen.
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Neben
der Eingangskapazität
ist bei dem Stromverstärker
unvermeidlich eine parasitäre
Kapazität
an dem ersten Knoten, an den die zweiten Laststreckenanschlüsse der
Transistorelemente gemeinsam angeschlossen sind, vorhanden. Diese
Kapazität
muss umgeladen, das heißt
geladen oder entladen werden, um eine Änderung des Potentials an dem
ersten Knoten, und damit der am Ansteueranschluss anliegenden Ansteuerspannung
des zweiten Transistors zu bewirken.
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Diese
parasitäre
Kapazität
würde die
Reaktionsgeschwindigkeit der Stromverstärkeranordnung auf Änderungen
des Eingangsstroms, insbesondere bei sehr kleinen Eingangsströmen erheblich
beschränken,
da bei diesem kleinen Eingangsströmen ein Umladen dieser parasitären Kapazität sehr lange dauern
würde.
Zur Vermeidung dieses nachteiligen Effektes ist die Reihenschaltung
des kapazitiven Speicherelements und der Potentialpufferschaltung zwischen
dem Ausgang und dem ersten Knoten vorhanden. Aufgabe der Potentialpufferschaltung
ist es dabei, den dem Ausgang abgewandten Anschluss des Kondensators
auf dem Potential des ersten Knotens zu halten, ohne dabei den ersten
Knoten spannungsmäßig zu belasten.
Der in Reihe zu der Potentialpufferschaltung geschaltete und an
den Ausgang angeschlossene Kondensator dient dazu, einen Strom von
der Ausgangsklemme aufzunehmen oder an die Ausgangsklemme abzugeben,
noch bevor das zweite Transistorelement auf Potentialänderungen an
dem ersten Knoten mit einer geänderten
Stromaufnahme reagieren kann. Die Reihenschaltung mit der Potentialpufferschaltung
und dem kapazitiven Speicherelement dient somit neben der Transkonduktanzverstärkeranordnung
zur Erhöhung
der Geschwindigkeit der Stromverstärkeranordnung, das heißt zur Verkürzung von
Reaktionszeiten zwischen Änderungen
des Eingangsstromes und entsprechenden Änderungen des Ausgangsstromes,
also zur Erhöhung
der Verstärkungsbandbreite
der Stromverstärkeranordnung.
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Die
Ansteueranschlüsse
des ersten und zweiten Transistorelements sind vorzugsweise an eine
gemeinsame Vorspannungsquelle gekoppelt, die das Potential an den
Ansteueranschlüssen
dieser beiden Transistorelemente bestimmt. Der Verstärkungsfaktor
ist ohne zusätzliche
weitere Beschaltung der Ansteueranschlüsse der beiden Transistoren dann
abhängig
vom Flächenverhältnis des
ersten und zweiten Transistors.
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Vorzugsweise
ist neben der Vorspannungsquelle eine Verstärkerspannungsquelle vorhanden, die
zwischen die Ansteueranschlüsse
des ersten und zweiten Transistors geschaltet ist und die eine die Verstärkung der
Stromverstärkeranordnung
beeinflussende Verstärkungsspannung
bereitstellt. Das Potential am Basisanschluss eines der beiden Transistoren,
vorzugsweise des als Ausgangstransistor dienenden zweiten Transistors,
ist bei dieser Ausführungsform
stets um den Wert dieser Verstärkungsspannung
größer als
das Potential des Anderen der beiden Transistoren. Bei gleichen
Transistorflächen des
ersten und zweiten Transistors ist bei Verwendung von Bipolartransistoren
für den
ersten und zweiten Transistor die Stromverstärkung dann exponentiell abhängig von
dieser Verstärkerspannung.
Bei Verwendung von Feldeffekttransistoren, insbesondere MOSFET,
für den
ersten und zweiten Transistor ist die Stromverstärkung quadratisch abhängig von
dieser Verstärkungsspannung,
wobei die Stromverstärkung
darüber
hinaus auch vom Betrag des Eingangsstromes abhängig ist Bei Verwendung von
Bipolartransistoren als erste und zweite Transistoren ist die Verstärkung exponentiell
von der Verstärkungsspannung
abhängig,
die Stromverstärkung
ist jedoch nicht abhängig
vom Betrag des Eingangstromes.
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Die
Verstärkungsspannung
dieser Verstärkungsspannungsquelle
ist vorzugsweise einstellbar, um die Stromverstärkung bedarfgerecht einstellen
zu können.
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Bei
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die Verstärkungsspannung
dieser Verstärkungsspannungsquelle
von dem Eingangsstrom abhängig
ist. Die Verstärkungsspannung
kann dabei so gewählt
werden, dass sie mit steigendem Eingangsstrom abnimmt, um mit steigendem
Eingangsstrom die Stromverstärkung
zu reduzieren. Die Verstärkungsspannung
kann auch so gewählt
werden, dass die Stromverstärkung
erst bei Überschreiten
eines definierten Maximalwertes des Eingangsstromes reduziert wird.
Durch Verringerung der Verstärkung
bei Eingangsströmen
die über
einen vorgegebenen maximalen Betriebsbereich hinaus gehen, auf diese Weise
die Stromaufnahme der Schaltung reduziert werden.
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Die
Transkonduktanzverstärkeranordnung umfasst
beispielsweise ein Transistorelement mit einem Ansteueranschluss
und einer Laststrecke, wobei die Laststrecke zwischen den ersten
Knoten, an den zweiten Laststreckenanschlüsse des ersten und zweiten
Transistors gemeinsam angeschlossen sind, und ein Bezugspotential
geschaltet sind, und wobei der Ansteueranschluss dieses Transistorelements
an den Eingang der Stromverstärkeranordnung
angeschlossen ist. Zur Einstellung eines Arbeitspunktes dieses Transistorelementes
ist eine Stromquelle vorhanden, die an einen dem ersten Knoten und
der Last strecke dieses Transistorelementes gemeinsamen Knoten angeschlossen
ist.
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Die
Potentialpufferschaltung ist beispielsweise als Emitterfolger realisiert
und umfasst ein viertes Transistorelement mit einem Ansteueranschluss
und einer Laststrecke, wobei der Ansteueranschluss an den ersten
Knoten angeschlossen ist und die Laststrecke in Reihe zu einer Stromquelle
geschaltet ist. Das kapazitive Speicherelement ist dabei an einen der
Laststrecke und der Stromquelle gemeinsamen Knoten angeschlossen
und zwischen den Ausgang und diesen Laststreckenanschluss des vierten
Transistorelements geschaltet.
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Die
erfindungsgemäße Stromverstärkerschaltung
ist sowohl in Bipolartechnologie als auch in MOS-Technologie realisierbar,
das heißt,
alle in der Schaltung vorkommenden Transistoren sind sowohl als
Bipolartransistoren als auch als MOS-Transistoren realisierbar. Vorzugsweise
werden das erste und zweite Transistorelement als Bipolartransistor
ausgeführt,
da die Stromverstärkung
der Anordnung dann, wie oben bereits erwähnt, unabhängig vom Eingangsstrom ist.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand von
Figuren näher erläutert.
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1 zeigt
eine als Stromspiegel ausgebildete Stromverstärkeranordnung nach dem Stand
der Technik.
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2 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Stromverstärkeranordnung.
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3 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Stromverstärkeranordnung
mit einstellbarer Stromverstärkung.
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4 zeigt
die Stromverstärkeranordnung gemäß 3 mit
einer im Detail dargestellten Potentialpufferschaltung.
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5 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäße Stromverstärkeranordnung.
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6 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Stromverstärkeranordnung
mit einer von dem Eingangsstrom abhängigen Stromverstärkung.
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In
den Figuren bezeichnen, sofern sie nicht anders angegeben, gleiche
Bezugszeichen gleiche Schaltungskomponenten und Signale mit gleicher Bedeutung.
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Die
in 2 dargestellte erfindungsgemäße Stromverstärkeranordnung
umfasst ein erstes und zweites Transistorelement T1, T2, die jeweils
einen Ansteueranschluss und einen ersten und zweiten Laststreckenanschluss
aufweisen. Die Transistorelemente T1, T2 sind in dem Ausführungsbeispiel
als npn-Bipolartransistoren
ausgebildet. Bei solchen Bipolartransistoren bildet der Basisanschluss
einen Ansteueranschluss und die Kollektor- und Emitter-Anschlüsse K, E
bilden erste und zweite Laststreckenanschlüsse der Bauelemente. Der Kollektoranschluss
K des ersten Transistors T1 ist dabei an einen Eingang IN, dem ein
Eingangsstrom Iin zugeführt ist,
angeschlossen, und der Kollektoranschluss K des zweiten Transistors
T2 ist an einen Ausgang OUT, an dem der Ausgangsstrom Iout zur Verfügung steht, angeschlossen.
Die Basisanschlüsse
der beiden Transistoren T1, T2 sind miteinander verbunden und gemeinsam
an eine Vorspannungsquelle Vq1 angeschlossen, die eine Vorspannung
Vbias für
die Transistoren T1, T2 zur Verfügung
stellt.
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Der
an der Eingangsklemme IN anliegende, zu verstärkende Eingangsstrom Iin kann
von einer beliebigen Stromquelle, insbesondere einem Sensorelement,
beispielsweise einer Fotodiode PD erzeugt werden. Sofern dieser
von der Stromquelle PD erzeugte Eingangsstrom Iin auf ein Bezugspotential GND
bezogen ist, kann dieser Eingangsstrom Iin in der dargestellten
Weise mittels eines Stromspiegels 10 mit Stromspiegeltransistoren 11, 12 an
den Eingang IN der zwischen diesen Eingang IN und ein Bezugspotential
GND geschalteten Stromverstärkeranordnung übertragen
werden. In entsprechender Weise kann der Ausgangsstrom Iout mittels
eines weiteren, nicht näher
dargestellten Stromspiegels auf einen auf Bezugspotential GND bezogenen
Ausgangsstrom Iout umgesetzt werden. Es sei darauf hingewiesen,
dass der dargestellte Stromspiegel 10 sowie die Stromquelle
PD nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung sind, und lediglich
zum besseren Verständnis
der Funktionsweise der Stromverstärkeranordnung dargestellt sind.
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Neben
den beiden Transistorelementen T1, T2 umfasst die Stromverstärkeranordnung
eine Transkonduktanzverstärkeranordnung 30 mit
einem Eingang 31, der an den Eingang IN der Stromverstärkeranordnung
gekoppelt ist und mit Ausgängen 32, 33,
die zwischen einen ersten Knoten N1, an den die Emitter-Anschlüsse der
Transistoren T1, T2 gemeinsam angeschlossen sind, und Bezugspotential
GND geschaltet sind.
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Die
Transkonduktanzverstärkeranordnung 30 umfasst
in dem Ausführungsbeispiel
ein drittes Transistorelement T3, das als npn-Bipolartransistor ausgebildet
ist. Die Kollektor-Emitter-Strecke
dieses Transistors T3 ist zwischen die Ausgänge 32, 33,
und damit zwischen den ersten Knoten N1 und Bezugspotential GND
geschaltet. Außerdem
ist eine Stromquelle Iq3 als Last für den Transistor T3 vorhanden,
die einen Strom I3 liefert und die an den Kollektoranschluss des
Transistors T3 angeschlossen ist.
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Zwischen
den Ausgang OUT und den ersten Knoten N1 ist außerdem eine Reihenschaltung
mit einem kapazitiven Speicherelementes C2, in dem dargestellten
einem Kondensator, und einer Potentialpufferschaltung B2 geschaltet,
wobei der Kondensator C2 dabei zwischen den Ausgang OUT und die
Potentialpufferschaltung B2 geschaltet ist. Die Potentialpufferschaltung
B2 ist dazu ausgebildet, das Potential an dem Knoten N1 auf den
dem Ausgang OUT abgewandten Anschluss des Kondensators C2 abzubilden,
ohne dabei den ersten Knoten N1 zu belasten. Die Verstärkung dieser
Potentialpufferschaltung B2 beträgt
beispielsweise 1, so dass der Wert des Potentials am Knoten N1 dem
Wert des Potentials an dem den Ausgang OUT abgewandten Anschluss
des Kondensators C2 entspricht. Die Potentialspufferschaltung B2
kann jedoch auch einen Verstärkungsfaktor
ungleich 1 besitzen, um an den Kondensator C2 ein Potential anzulegen,
dessen Potentialwert proportional ist zum Wert des Potentials am
Knoten N1.
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Unvermeidlich
vorhanden sind bei der Stromverstärkeranordnung parasitäre Kapazitäten. In 2 ist
eine zwischen dem Eingang IN und Bezugspotential GND liegende erste
parasitäre
Kapazität
Cp1, die nachfolgend als Eingangskapazität bezeichnet ist, sowie eine
zwischen dem ersten Knoten N1 und Bezugspotential GND liegende zweite
parasitäre
Kapazität
Cp2. Diese parasitären
Kapazitäten beeinflussen
das Verhalten der Stromverstärkeranordnung,
wie nachfolgend erläutert
ist.
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Zur
Erläuterung
der Funktionsweise wird zunächst
ein statischer Betriebszustand betrachtet, also ein Betriebszustand,
bei dem ein konstanter Eingangsstrom Iin für eine im Vergleich zu den
Zeitkonstanten der parasitären
Kapazitäten
Cp1, Cp2 langen Zeitdauer anliegt. In diesem Betriebszustand ist
die parasitäre
Eingangskapazität
Cp1 auf den Wert der zwischen dem Eingang IN und Bezugspotential
GND anliegenden Spannung aufgeladen, und die zweite parasitäre Kapazität Cp2 ist
auf den Wert der zwischen dem ersten Knoten N1 und Bezugspotential GND
anliegenden Spannung aufgeladen, die der Spannung über der
Kollektor-Emitter-Strecke des dritten Transistors T3 entspricht.
Während
dieses statischen Betriebszustandes fließen somit keine Ströme in die
parasitären
Kapazitäten
Cp1, Cp2 und in den Kondensator C2. Die Basis-Emitter- Spannungen Vbe der
beiden Transistoren T1, T2 stellen sich auf den selben Wert ein,
so dass die beiden Transistoren T1, T2 im selben Arbeitspunkt betrieben
werden. Unter den Annahme, dass der Basisstrom Ib3 des dritten Transistors
T3 vernachlässigbar
klein ist im Vergleich zum Kollektorstrom Ik1 des ersten Transistors
T1 ist der Ausgangsstrom Iout unmittelbar proportional zum Eingangsstrom
Iin, wobei der Proportionalitätsfaktor,
also die Stromverstärkung,
dem Quotienten aus der Emitterfläche
des zweiten Transistors T2 und der Emitterfläche des ersten Transistors
T1 entspricht.
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Die
Transkonduktanzverstärkeranordnung 30 funktioniert
bei der Stromverstärkeranordnung
als gemeinsame Last für
den ersten und zweiten Transistor T1, T2 und dient zur Regelung
des Potentials an dem Eingang IN auf einen wenigstens annäherungsweise
konstanten Wert unabhängig
vom Eingangsstrom. Die Transkonduktanzverstärkeranordnung 30 regelt
dabei abhängig
von dem sie durchfließenden
Laststrom die zwischen den Anschlüssen 32, 33 anliegende
Spannung so ein, dass das Eingangspotential annähernd konstant bleibt. Die
Eingangskapazität
Cp1 wird auch bei Änderungen
des Eingangsstromes Iin dadurch nicht umgeladen, so dass sich Änderungen
des Eingangsstromes Iin unmittelbar auf Änderungen des Kollektorstromes
Ik1 des ersten Transistors T1 auswirken. Verzögerungen zwischen einer Änderung
des Eingangsstromes Iin und einer Änderung des Ausgangsstromes
Iout, die aus einer Umladung der Eingangskapazität Cp1 resultieren, treten bei
der erfindungsgemäßen Stromverstärkeranordnung
aufgrund der Transkonduktanzverstärkeranordnung 30 somit
wenigstens annäherungsweise nicht
auf.
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Wie
bereits erläutert,
erfolgt die Regelung des Ausgangsstromes Iout über die Regelung der Basis-Emitter-Spannung
des zweiten Transistors T2, wobei zur Änderung dieser Basis-Emitter-Spannung Vbe
das Potential an dem ersten Knoten N1 variiert. Eine Änderung
des Potentials an diesem Knoten N1 erfordert eine Umladung der zweiten
parasitären
Kapazität Cp2.
Diese Umladung der parasitären
Kapazität
Cp2 kann insbesondere bei kleinen Eingangsströmen Iin vergleichsweise lange
dauern, was zu einer nicht unerheblichen Verzögerungszeit zwischen Änderungen
der Eingangstromes Iin und korrespondierenden Änderungen des Ausgangsstromes
Iout führen
würde.
Zur Verkürzung
dieser Verzögerungszeiten
dient das kapazitive Speicherelement C2, das zwischen den Ausgang
OUT und ersten Knoten N1 geschaltet ist. Aufgabe des Potentialpuffers
B2 ist es dabei, den dem Ausgang OUT abgewandten Anschluss dieses
Kondensators C2 stets auf dem Potential des ersten Knoten N1 zu
halten, ohne diesen Knoten N1 zu belasten. Auf diesen Potentialpuffer B2,
der nur zur Entlastung des ersten Knotens N1 dient, kann gegebenenfalls
auch verzichtet werden. Vorzugsweise besitzt der Potentialpuffer
B1 eine Verstärkung
von 1, so dass das Potential an dem ersten Knoten N1 dem Potential
an dem Ausgang OUT abgewandten Anschluss des Kondensators C2 entspricht.
Es besteht jedoch auch die Möglichkeit,
einen anderen Verstärkungsfaktor
als 1 vorzusehen.
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Das
Potential am Ausgang OUT wird durch eine an den Ausgang angeschlossene
Schaltungsstufe, die beispielweise als Transimpedanzverstärker 20 realisiert
ist, auf einen wenigstens annähernd
konstanten Wert gehalten. In dem Beispiel vergleicht der Transimpedanzverstärker 20,
der schematisch als Operationsverstärker 22 mit Rückkopplungswiderstand 21 dargestellt
ist, das Potential an dem Ausgang OUT mit dem Referenzpotential
Vref, um das Ausgangspotential auf den Wert dieses Referenzpotentials
zu regeln.
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Ändert sich
nun das Potential an dem ersten Knoten N1 aufgrund einer Änderung
des Eingangsstromes Iin so fließt
von der Ausgangsklemme OUT ein Strom Ic2 in den Kondensator C2,
der proportional ist zur Änderung
des Potentials an dem ersten Knoten N1 über der Zeit, es gilt: Ic2 = –C2·dV1/dt, (1) wobei dV1/dt
die Änderung
des Potentials an dem Knoten N1 über
der Zeit bezeichnet.
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Der
Ausgangsstrom Iout ändert
sich somit bereits mit Beginn einer Änderung des Potentials an dem
ersten Knoten N1 um einen zur zeitlichen Änderung dieses Potentials proportionalen
Wert. Bei starken Änderungen
des Eingangsstromes Iin wird die parasitäre Kapazität Cp2 schneller aufgeladen
oder entladen, woraus eine große Änderung
des Potentials an dem Knoten N1 über
der Zeit und damit ein entsprechend großer Kondensatorstrom Ic2 resultiert.
Dieser Kondensatorstrom trägt
zu dem Ausgangsstrom Iout bei, bis sich das Potential an dem Knoten
N1 auf einen Wert eingeregelt hat, bei dem der Ausgangskondensator
T2 den gesamten zu dem Eingangsstrom Iin proportionalen Ausgangsstrom Iout übernimmt.
Die Anordnung mit dem Potentialpuffer B2 und dem Kondensator C2
wirkt als sogenannte Feed-Forward Schaltung.
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3 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Stromverstärkeranordnung,
bei der die Stromverstärkung
einstellbar ist. Bei dieser Stromverstärkeranordnung ist eine Verstärkungsspannungsquelle
Vq2, die eine Verstärkungsspannung
Vgain liefert, zwischen die Ansteueranschlüsse G der in dem dargestellten
Ausführungsbeispiel
als MOSFET ausgebildeten Transistorelemente geschaltet. Diese Verstärkungsspannungsquelle
Vgain bewirkt, dass das Ansteuerpotential an dem Ansteueranschluss
G des zweiten Transistors T2 stets um den Wert der Verstärkungsspannung
Vgain hoher ist als das Ansteuerpotential an dem Ansteueranschluss G
des ersten Transistors T1. Der erste Transistor T1 ist in diesem
Ausführungsbeispiel
unmittelbar an die Vorspannungsquelle Vq1 angeschlossen, und der zweite
Transistor T2 ist über
die Verstärkungsspannung
Vq2 an die Vorspannungsquelle Vq1 angeschlossen.
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Die
Verstärkung
V = Iout/Iin der Anordnung ist abhängig von der Spannung Vgain,
wobei bei Verwendung von MOS-Transistoren als erste und zweite Transistorelemente
T1, T2 diese Verstärkung
V auch vom Eingangsstrom Iin abhängig
ist.
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Bei
Verwendung von Bipolartransistoren als erste und zweite Transistoren
T1, T2 ist die Verstärkung
exponentiell von der Verstärkungsspannung abhängig und
unabhängig
vom Eingangsstrom Iin, hierbei gilt: Iout/Iin ~ eVgain/Vt, (2)wobei Vt
die Temperaturspannung bezeichnet, die bei Bipolartransistoren in
Siliziumtechnologie bei Raumtemperatur etwa 26 mV beträgt.
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Der
bereits zuvor erläuterte
Potentialpuffer B2 ist bezugnehmend auf 4 beispielsweise
als Emitterfolger ausgebildet und umfasst einen vierten Transistor
T4, der in dem Beispiel als npn-Bipolartransistor ausgebildet ist.
Die Basis dieses Bipolartransistors ist dabei an den ersten Knoten
N1 angeschlossen. Zwischen den Emitter dieses Transistors und Bezugspotential
GND ist eine Konstantstromquelle Iq4 geschaltet, wobei der dem Transistor
T4 und der Konstantstromquelle Iq4 gemeinsame Knoten an den dem
Ausgang OUT abgewandten Anschluss des Kondensators C2 angeschlossen
ist. Änderungen
des Basispotentials dieses vierten Transistors T4 führen unmittelbar
zu Änderungen
von dessen Emitterpotential, das dem Potential an dem dem Ausgang
OUT abgewandten Anschluss des Kondensators C2 entspricht. Da der
Basisstrom dieses Transistors T4 vernachlässigbar klein ist, belastet
dieser Emitterfolger das Potential an dem ersten Knoten N1 annäherungsweise
nicht.
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Neben
der in den 2 und 3 dargestellten
Transkonduktanzverstärkeranordnung
kann bezugnehmend auf 4 selbstverständlich jede
beliebige Transkonduktanzverstärkeranordnung 30 vorgesehen
werden, deren einem Eingang das Potential an der Eingangsklemme,
deren anderem Eingang ein Referenzpotential Vref zugeführt ist
und deren Ausgang an den Knoten N angeschlossen, um das Eingangspotential
auf das Referenzpotential zu regeln.
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Zur
Steigerung der Geschwindigkeit der Stromverstärkungsanordnung ist bezugnehmend
auf 5 vorzugsweise eine weitere Stromquelle Iq1 vorgesehen,
die zwischen ein Versorgungspotential V+ und den Eingang IN der
Stromverstärkeranordnung
geschaltet ist. Diese Stromquelle Iq1 sorgt für einen Mindeststrom durch
den ersten Transistor T1 und bewirkt damit auch bei kleinen Eingangsströmen Iin
eine rasche Umladung der zweiten parasitären Kapazität Cp2. Dies führt zu einer
Steigerung der Geschwindigkeit, mit der das Potential an dem ersten Knoten
N1 auf Änderungen
des Eingangsstromes Iin reagiert.
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Die über die
Verstärkungsspannungsquelle Vq2
eingestellte Verstärkung
ist für
bestimmte Anwendungen vorzugsweise von dem Eingangsstrom Iin abhängig, um
bei großen
Eingangsströmen
Iin die Verstärkung
zu begrenzen, und dadurch den Ausgangsstrom Iout zu begrenzen.
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Eine
derartige Schaltungsanordnung zur Begrenzung der Verstärkung ist
in 6 schematisch dargestellt. Die Schaltungsanordnung
umfasst einen Transistor T5, der zur Ansteuerung der Verstärkungsspannungsquelle
Vq2 dient, und der in dem Ausführungsbeispiel
gemeinsam mit dem vierten Transistor T3 des Transkonduktanzverstärkers 30 angesteuert ist.
Der Transistor T3 wird bei großen
Eingangsströmen
Iin aufgesteuert, um diesen Eingangsstrom Iin und den daraus resultierenden
großen
Ausgangsstrom Iout aufzunehmen. Der Transistor T5 wird entsprechend
aufgesteuert, um mit zunehmendem Eingangsstrom Iin die Verstärkungsspannung
Vgain der Verstärkungsspannung
Vq2 zu reduzieren, und dadurch die zuvor erläuterte Stromverstärkung zu
reduzieren.
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In
nicht näher
dargestellter Weise besteht darüber
hinaus die Möglichkeit,
eine Vergleicheranordnung vorzusehen, die den Eingangsstrom oder ein
von dem Eingangsstrom abhängiges
Signal mit einem Grenzwert vergleicht und die die Verstärkungsspannungsquelle
Vq2 bei Überschreiten
des Grenzwertes ansteuert, um die Verstärkung zurückzuregeln und dadurch die
Stromaufnahme der Anordnung zu reduzieren.
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Die
Reduzierung der Verstärkung
kann somit kontinuierlich mit steigendem Eingangsstrom oder aber
sprungartig ab Überschreitung
eines definierten Eingangsstromwertes erfolgen.
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Selbstverständlich sind
anstelle des Transistors T5 beliebige weitere Strommessanordnungen einsetzbar,
die den Eingangsstrom Iin erfassen und die abhängig vom Eingangsstrom die
Verstärkungsspannungsquelle
Vq2 ansteuern.
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- B
- Basisanschluss
- B2
- Potentialpuffer
- C2
- kapazitives
Speicherelement, Kondensator
- Cp1,
Cp2
- parasitäre Kapazitäten
- E
- Emitteranschluss
- GND
- Bezugspotential
- GND
- Bezugspotential
- Iin
- Eingangsstrom
- IN
- Eingang
- Iout
- Ausgangsstrom
- Iq1,
Iq3,
- Iq4
Stromquellen
- K
- Kollektoranschluss
- N1
- Schaltungsknoten
- OUT
- Ausgang
- PD
- Fotodiode
- T1
- erster
Transistor
- T2
- zweiter
Transistor
- T3
- Transistor
- T4
- Transistor
- T5
- Transistor
- V+
- Versorgungspotential
- Vbe
- Basis-Emitter-Spannung
- Vbias
- Vorspannung
- Vgain
- Verstärkungsspannung
- Vq1
- Vorspannungsquelle
- Vq2
- Verstärkungsspannungsquelle
- 11,
12
- Stromspiegeltransistoren
- 10,
20
- Stromspiegel
- 30
- Transkonduktanzverstärkeranordnung
- 31
- Eingang
der Transkonduktanzverstärkeranordnung
- 21,
22
- Stromspiegeltransistoren
- 32,
33
- Ausgänge der
Transkonduktanzverstärkeranordnung