DE1267255B - Schaltungsanordnung zur Unterdrueckung der Gleichtaktdrift in Differentialverstaerkern - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES MTWWl· PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

H03f

Deutsche Kl.: 21 a2-18/02

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

1267 255
P 12 67 255.8-31
25. Januar 1966
2. Mai 1968

Ein für die Beurteilung von Gleichspannungs-Differentialverstärkern wesentliches Merkmal ist neben der Verstärkung die Stabilität des Ausgangspotentials bei Temperaturänderungen und Alterung der Bauteile. Ein typisches Verhalten eines symmetrischen Differentialverstärkers, nämlich die Kennlinie seiner Ausgangsspannungen U_Al und U_A2 in Abhängigkeit vom EingangsstromI_E ist in Fig. 1 dargestellt. Im Schnittpunkt der beiden Kennlinien ist U_Al = U_Ar Bei einem idealen Differentialverstärker liegt dieser Schnittpunkt im Ursprung des Koordinatensystems. In der Praxis sind diese idealen Verhältnisse, insbesondere bei Alterung der Bauteile und bei Temperaturänderungen, nicht zu verwirklichen. Der Schnittpunkt liegt dann, wie in F i g. 1 dargestellt, in einem der vier Quadranten. Sein horizontaler Abstand I_Eaeq ist ein Maß für die Gegentaktverschiebung und wird gewöhnlich durch den sogenannten äquivalenten Eingangsdriftstrom I_Eaeq gekennzeichnet. Der vertikale Abstand U_Ao von der Abszisse ist ein Maß für die Gleichtaktverschiebung der Ausgangsspannung. Sie stört vor allen Dingen bei Anwendungen, bei denen nur ein Ausgangssignal verwendet wird, insbesondere bei Integratoren, Digital-Analog-Umsetzern usw. Man ist deshalb bestrebt, diese Gleichtaktdrift U_Ao bei allen Betriebsbedingungen möglichst auf den Wert Null zu reduzieren.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1 202 835 ist ein Gleichspannungs-Differenzverstärker bekannt, bei dem eine zusätzliche Differenzverstärkerstufe das arithmetische Mittel aus den beiden Ausgangsspannungen des Hauptverstärkers mit dem Massepotential vergleicht und mittels der verstärkten Spannungsdifferenz einen im Stromversorgungskreis der ersten Stufe des Hauptverstärkers liegenden Transistor im Sinne einer Differenzverminderung beeinflußt.

Diese Methode zur Unterdrückung der Gleichtaktdrift wirkt sich ungünstig auf die bei einem Differentialverstärker gleichzeitig stets zu beachtende Gegentaktverschiebung oder Differenzdrift aus, weil das für die Differenzdrift maßgebende Eingangstransistorpaar in den Gleichtaktregelkreis einbezogen ist. Im Laufe des Regelvorganges ändert sich dabei der Kollektorstrom und damit die auf einen konstanten Kollektorstrom bezogenen Eingangsdifferenz-Fehlspannungen und -ströme.

Dieser Nachteil wird gemäß der Erfindung dadurch vermieden, daß das Ausgangssignal der zusätzlichen Differenzverstärkerstufe den Arbeitspunkt der Ausgangsstufe oder im Falle eines mehr als zweistufigen Differentialverstärkers den Arbeitspunkt einer der Ausgangsstufe vorgeschalteten, hinter der Eingangs-

Schaltungsanordnung zur Unterdrückung der
Gleichtaktdrift in Differentialverstärkern

Anmelder:

Honeywell G. m. b. H.,

6000 Frankfurt, Theodor-Heuss-Allee 112

Als Erfinder benannt:

Karl Heinz Müller, 6078 Neu-Isenburg

stufe liegenden Differentialverstärkerstufe steuert.

Hierbei ist außerdem von Vorteil, daß die Anzahl der im Gleichtaktregelkreis befindlichen phasendrehenden Verstärkerstufen vermindert und damit die Gefahr von Gleichtaktschwingungen verringert ist. Dies ergibt die Möglichkeit, den Gleichtaktregelvorgang zu

ao beschleunigen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist bei einem transistorisierten Differentialverstärker die Kollektor-Emitter-Strecke des einen Transistors der zusätzlichen Differentialverstärkerstufe unmittelbar zwischen die miteinander verbundenen Elektroden der Kollektor-Emitter-Strecke der zu steuernden Differentialverstärkerstufe und die zugehörige Stromversorgungsklemme eingeschaltet. Diese Schaltungsanordnung zeichnet sich gegenüber der bekannten zusätzlich durch einen verringerten Schaltungsaufwand aus.

Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet und werden im folgenden an Hand eines in F i g. 2 dargestellten Ausführungsbeispiels eines dreistufigen Differentialverstärkers erläutert.

Sowohl die beiden ersten Stufen Ql, Ql und Q3, β 4 als auch die Ausgangsstufe Q S; Q 6 werden in Emitterschaltung betrieben. Die Transistoren QS, β 6 der Ausgangsstufe sind im Vergleich zu den anderen Stufen von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp. Im vorliegenden Fall ist die Ausgangsstufe β 5, β 6 mit pnp-Transistoren bestückt, während die Transistoren ßl bis β 4 npn-Transistoren sind. Die Basiselektroden der beiden Eingangstransistoren β 1 und β 2 sind einerseits unmittelbar an die beiden Eingangsklemmen El und El angeschlossen und stehen andererseits über je einen WiderstandR1 bzw. Rl mit dem gemeinsamen Massepotential O in Verbindung.

An die beiden Eingangsklemmen El und El ist ferner die Antiparallelschaltung zweier Dioden Dl und Dl angeschlossen, mit deren Hilfe Stör- und

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Überspannungen abgeleitet werden, die für die Transistoren schädlich sein könnten. Zwischen die beiden Emitterelektroden der beiden Eingangstransistoren ist ein Widerstand R 5 mit einem Abgriff eingeschaltet, der über einen Widerstand R 6 an die beispielsweise auf einer Spannung von —24 V liegende Minusklemme der Speisespannung angeschlossen ist. Über je einen Widerstand R 3 bzw. R 4 sind die Kollektorelektroden der beiden Eingangstransistoren Q1 bzw. β 2 an die positive Klemme der Speisegleichspannung, also im vorliegenden Fall beispielsweise an eine Spannung von +24 V, angeschlossen. Der zwischen die beiden Kollektorelektroden der Eingangstransistoren eingeschaltete Kondensator Cl stellt eine frequenzabhängige Belastung dar und verhindert die Eigenerregung des Verstärkers.

Die Kollektorelektroden der Transistoren β 3 und Q 4 der zweiten Stufe sind über je einen Widerstand R7 bzw. R8 ebenfalls an die Plusklemme der Betriebsgleichspannung angeschlossen. Das gleiche gilt für die miteinander verbundenen Emitterelektroden der beiden Ausgangstransistoren β5 und β 6, die über einen Widerstand R12 am Pluspotential liegen. Die Signalweitergabe von der ersten auf die zweite und von dieser auf die dritte Stufe erfolgt jeweils von den Kollektoren der vorangehenden an die Basiselektroden der nachfolgenden Stufe. An die Kollektoren der beiden Ausgangstransistoren β 5 und β 6 sind die beiden Ausgangsklemmen A1 und A 2 des Differentialverstärkers angeschlossen. Gleichzeitig sind zwischen die Kollektorelektroden der beiden Ausgangstransistoren und die Minusklemme der Speisegleichspannung Widerstände R13 bzw. Ä14 eingeschaltet.

Bei dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine zusätzliche, aus den beiden npn-Transistorenß7 und β 8 bestehende Differentialverstärkerstufe vorgesehen. Die miteinander verbundenen Emitterelektroden sind über einen Widerstand R10 an die Minusklemme der Spedsegleichspannung angeschlossen. Zwischen die beiden Ausgangsklemmen A1 und A 2 des Verstärkers ist die Reihenschaltung zweier gleicher und hochkonstanter Summierwiderstände R15 und R16 eingeschaltet. Der Verbindungspunkt beider Widerstände liegt an der Basiselektrode des Transistors β 8. Die Basiselektrode des anderen Transistors β 7 ist über einen Widerstand R 9 an das gemeinsame Massepotential angeschlossen. Hierdurch wird der durch die Gegeneinanderschaltung der beiden Ausgangsspannungen am Verbindungspunkt der beiden Widerstände R15 und R16 siehende Potentialwert ständigmitdemNullpotential verglichen. Der Transistor Ql liegt im Emitterkreis der zweiten Differential verstärkerstufe β 3, β 4. Der Kollektor des anderen Transistors β 8 hingegen ist über einen Widerstand R11 unmittelbar an den Phispol der Betriebsspannungsquelle angeschlossen. Tritt am Ausgang des Verstärkers irgendeine Änderung des am Verbindungspunkt der beiden Widerstände R15 und R16 abgegriffenen Gleichtaktpotentials (künstlicher Nullpunkt) auf, so wird einer der beiden Transistoren β 7 oder β 8 mehr Strom führen als der andere. Nimmt man z. B. an, daß die Abweichung des Differenzpotentials zwischen den beiden Ausgangsspanmingen U_Al und EZ₄₂ zu positiven Werten hin gegenüber dem Massepotential verschoben ist, so daß der Transistor β 8 mehr und der Transistor β 7 weniger Strom führt, so ist ohne weiteres ersichtlich, daß infolgedessen auch die Transistoien β 3 und β 4 weniger Kollektorstrom führen werden als bei Normalbetrieb. Hierdurch werden die Basispotentiale der Transistoren β 5 und β 6 positiver. Dies wiederum hat zur Folge, daß diese beiden Transistoren weniger Strom führen und demzufolge die Spannungsabfälle an den beiden Kollektorwiderständen R13 und R14 verringert werden. Die Potentiale der beiden Ausgangsklemmen A1 und A 2 werden also in negativer Richtung verschoben, wodurch die ursprüngliche positive Verschiebung des Gleichtaktpotentials aufgehoben wird. Da das Bezugspotential, welches erfindungsgemäß durch das Massepotential gegeben ist, von jeglichen Temperaturänderungen oder sonstigen Einflüssen unabhängig ist, kann die bleibende Regelabweichung beliebig klein gemacht werden.

Die durch die neue Schaltungsanordnung erzielte Stabilität macht nachträglich Eingriffe und Abgleicharbeiten am Verstärker überflüssig. Deshalb eignet sich die Schaltungsanordnung besonders zur Ausbildung als sogenannter Verstärkermodul, d. h. als in Kunststoff eingegossene und/oder in Stapeltechnik aufgebaute Verstärkerbaugruppe, oder zur Herstellung in integrierter Schaltungstechnik, bei der bekanntlich durch unterschiedliche Dotierung von Halbleitermaterial die unterschiedliche Wirkung und die schaltungstechnische Verknüpfung der Schaltungsbestandteile erzielt wird.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Unterdrückung der Gleichtaktdrift in Differentialverstärkern unter Verwendung einer zusätzlichen Differentialverstärkerstufe, deren einem Eingang die am Verbindungspunkt zweier hochkonstanter Widerstände abgegriffene Differenz der Ausgangsspannungen zugeführt wird, deren anderer Eingang mit Massepotential verbunden ist und deren Ausgangssignal auf den Arbeitspunkt einer Stufe des Differentialverstärkers einwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal der zusätzlichen Differentialverstärkerstufe (ß 7, β 8) den Arbeitspunkt der Ausgangsstufe (Q S, β 6) oder im Falle eines mehr als zweistufigen Differentialverstärkers den Arbeitspunkt einer der Ausgangsstufe vorgeschalteten, hinter der Eingangsstufe (Ql, β2) liegenden Differentialverstärkerstufe (ß3, β 4) steuert.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptelektrodenstrecke (Kollektor-Emitter-Strecke) des einen Verstärkerelements (QT) der zusätzlichen Differentialverstärkerstufe (ß7, β 8) unmittelbar zwischen die miteinander verbundenen Elektroden (Emitter) der Hauptelektrodenstrecke der zu steuernden Differentialverstärkersrufe (Q 3, β 4) und die zugehörige Stromversorgungsklemme (—24 V) eingeschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2 für transistorisierte Differentialverstärker, dadurch gekennzeichnet, daß die zu steuernde Differentialverstärkerstufe (ß3, ß4) zwei in Emitterschaltung betriebene Transistoren enthält, deren Basis (b3, 64) das vorverstärkte Differentialeingangssignal zugeführt wird, während ihre miteinander verbundenen Emitterelektroden (<r3, <?4) am Steuerausgang (c7) der zusätzlichen Differentialverstärkerstufe (ß 7, β 8) liegen.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zu steuernde Differentialverstärkerstufe (ß 3, β 4) an die Ausgänge einer ebenfalls in Emitterschaltung betriebenen Differentialverstärker-Eingangsstufe(Ql, Ql) angeschlossen ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsstufe (Ql, Ql) zwei symmetrische Eingänge (E 1, El) aufweist, zwischen denen die Antiparallelschaltung zweier Dioden (Dl, Dl) angeschlossen ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (Q7, QS) der zusätzlichen Differentialverstärkerstufe vom gleichen Leitfähigkeitstyp (npn oder pnp) sind wie die Transistoren (ß3, QA) der zu steuernden Differentialverstärkerstufe.

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7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitfähigkeitstyp (pnp) der Transistoren (Q 5, β 6) der Ausgangsstufe dem Leitfähigkeitstyp (npn) der Transistoren (Q 1 bis β 4) der Vorstuf e(n) entgegengesetzt ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsstufe (Q 5, β 6) in Emitterschaltung arbeitet.

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Verstärker in an sich bekannter Weise in Stapeltechnik aufgebaut und/oder zu einem Kunststoffblock (Modul) vergossen oder in integrierter Schaltungstechnik hergestellt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 202 835.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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