DE1537590C - Differentialverstarkerschaltung - Google Patents

Description

1 2 . ·

Die Erfindung betrifft eine Differentialverstärker- kein Gleichtaktstrom von dem ersten Punkt zu den

Schaltung. beiden weiteren Punkten durch den Differentialver-

Die beiden Eingangsanschlüsse des Differential- stärker. So kann beispielsweise bei den erwähnten

Verstärkers sind symmetrisch zu einem gemeinsamen Rechenverstärkern dafür gesorgt werden, daß über

Punkt, der zum Verstärker gehört. Dieser gemeinsame 5 die Eingangswiderstände keine unsymmetrischen

Punkt ist häufig Erde oder Masse. Das zu verstär- Ströme mehr fließen.

kende Signal wird zwischen den Eingangseinschlüssen Praktisch erscheint das Gleichtaktsignal jetzt am angelegt. Wenn zwei verschiedene Signale miteinander Verstärkerausgang, da das Ausgleichsignal den Ausverglichen werden sollen, werden sie zwischen dem ge- gangsanschlüssen zugeführt wird, jedoch ist das Vermeinsamen Punkt und einem der Eingangsanschlüsse io hältnis des verstärkten Nutzsignals zum Gleichtaktgetrennt angelegt. signal jetzt um einen Faktor verbessert, der gleich der

Wenn ein Signal zwischen dem gemeinsamen Punkt Verstärkung des Verstärkers ist. Außerdem läßt sich und jedem der Eingangsanschlüsse gleichzeitig ange- die Ausgangsimpedanz des Verstärkers sehr niedrig legt wird, dann wird dieses Signal Gleichtaktsignal ausbilden, z. B. 1 Ω, und die Eingangswiderstände genannt. Ein Gleichtaktsignal kann in einer Quelle 15 eines nachgeschalteten Differentialrechenverstärkers eines zwischen den Eingangsanschlüssen angelegten können entsprechend hochohmig gewählt werden, so Signals entstehen, wenn die Innenimpedanz der daß jede Unsymmetrie praktisch vernachlässigbar ist Quelle nicht relativ zum gemeinsamen Punkt sym- und das Gleichtaktsignal am Ausgang dieses nachmetrisch ist. Wenn ein Differentialverstärker ferner geschalteten Verstärkers leicht unterdrückt werden nicht völlig sysmmetrisch in bezug auf den gemein- 20 kann.

samen Punkt (erdsymmetrisch) ausgebildet ist, er- Wie bereits erwähnt wurde, kann es sich bei dem

scheint ein gedämpftes Gleichtakteingangssignal am Verstärker um einen Rechenverstärker handeln, und

Ausgang des Verstärkers, selbst wenn die Eingangs- außerdem kann er mehrere Stromübernahmestufen

signalquelle symmetrisch ist. (auch emittergekoppelte oder kollektorgekoppelte

Wenn es sich bei dem Differentialverstärker bei- 25 Gegentaktstufen genannt) mit Feld-Effekt-Transistospielsweise um einen Rechenverstärker mit jeweils ren oder herkömmlichen Transistoren, weiterhin einem Eingangswiderstand in jedem Eingangskreis »Transistoren« genannt, enthalten,
und zweii Rückkopplungswiderständen handelt, und Die Ausdrücke »Katode«, »Anode« und »Steuerder Verstärker eine hohe Eingangsimpedanz haben anschluß« werden hier generell jeweils an Stelle von soll, können die Eingangswiderstände beispielsweise 30 Stromabgabeanschluß (Quelle) und Emitteranschluß, einen Nennwert von 1 ΜΩ haben. Der Wert dieser Saugelektrodenanschluß (Senke) und Kollektoran-Widerstände kann sich um etwa 10 kQ unterschei- Schluß und Tor- und Basisanschluß von Feld-Effektden, so daß vom Gleichtaktsignal hervorgerufene Transistoren und Transistoren verwendet. Die Transi- und über diese Widerstände fließende Ströme ein stören und Feld-Effekt-Transistoren werden weiterhin unerwünschtes Eingangssignal erzeugen können, das 35 auch als aktive Bauelemente bezeichnet,
in der gleichen Größenanordnung wie das Nutzsignal Bei dem Umleitungsverstärker kann es sich um liegt, das verstärkt werden soll. Da sich eine völlige einen Trennverstärker mit Verstärkungsfaktor han-Symmetrie in der Praxis nicht ausbilden läßt, ist ein dein, der zwischen die Katoden einer ersten Strom-Gleichtaktstörsignal am Ausgang unvermeidlich. übernahmestufe und die Anoden einer zweiten Strom-

Die Aufgabe der Erfindung wird daher darin ge- 40 übernahmestufe geschaltet ist. Die Steueranschlüsse

sehen, die Gleichtaktsignalunterdrückung bei Diffe- einer dritten Stromübernahmestufe, deren aktive Bau-

rentialverstärkern zu verbessern. elemente als Katodenfolger geschaltet sind, und die

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch die Verstärkerausgangsstufe bildet, können mit den gelöst, daß eine in Verstärkungsrichtung durchlässige Anoden der aktiven Bauelemente der zweiten Strom-Trennschaltung eingangsseitig mit einem ersten Punkt 45 Übernahmeschaltung verbunden sein,
der Differentialverstärkerschaltung, an dem während Das Gleichtaktsignal wird dem Ausgang also prakdes Betriebs nur Gleichtaktsignale auftreten, und aus- tisch über die Katodenfolger in der ersten Stromübergangsseitig mit zwei weiteren Punkten der Schaltung nahmeschaltung, über den Verstärker mit Verstärverbunden ist, zwischen denen während des Betriebs kungsfaktor und über die Katodenfolger in der ein Differenzausgangssignal auftritt, und daß die Ver- 50 dritten Stromübernahmestufe zugeführt.
Stärkung vom ersten Punkt zu den zwei weiteren Eine vierte Stromübernahmestufe mit zwei aktiven Punkten über die .Trennschaltung gleich Eins ist. Bauelementen kann in die Anodenkreise der aktiven

Damit das Ausgangssignal weitgehend identisch mit Bauelemente der ersten Stromübernahmestufe geeinem Gleichtaktsignal ist, muß das Ausgleichsignal, schaltet sein, um eine Differenz zwischen der Ampliwenn das Gleichtaktsignal eine Gleichstromkompo- 55 tude des Gleichtaktsignals an den Steueranschlüssen nente enthält, ebenfalls eine Gleichstromkomponente und Katoden der aktiven Bauelemente der ersten enthalten, die in Betrag und Vorzeichen weitgehend Stromübernahmestufe zu verringern. Die Steuergleich der Gleichstromkomponente des Gleichtakt- anschlüsse dieser vierten Stromübernahmestufe sind signals ist, und wenn das Gleichtaktsignal eine Wech- miteinander und über einen weiteren Trennverstärker selstromkomponente enthält, muß das Ausgleichsignal 60 mit Verstärkung mit den Katoden der aktiven Bauebenfalls eine Wechselstromkomponente enthalten, elemente in der ersten Stromübernahmestufe verbunderen Amplitude . weitgehend gleich der Amplitude den, um die Gleichtaktsignalunterdrückung weiter zu der Wechselstromkomponente des Gleichtaktsignals verbessern.

und die weitgehend in Phase mit der Wechselstrom- Die beiden Trennverstärker können in Reihe ge-

komponente des Gleichtaktsignals ist. 65 schaltet sein, wobei der zuerst erwähnte Trenn-

Da die durch ein Gleichtaktsignal und das Aus- verstärker zwischen dem Ausgang des anderen Trenngleichsignal hervorgerufenen Potentiale der Eingangs- Verstärkers und den Anoden der beiden aktiven Bau- und Ausgangsanschlüsse weitgehend gleich sind, fließt elemente der zweiten Stromübernahmestufe liegt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun an Hand der Zeichnungen näher beschrieben.

In den Zeichnungen ist:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Schaltung mit einem Differentialverstärker,

Fig. 2 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Differentialverstärkers und

Fig. 3 ein Schaltbild einer weiteren Ausführung eines erfindungsgemäßen Differentialverstärkers.

Der in Fig. 1 dargestellte Differential-Rechenverstärker enthält ein oder mehrere Verstärkerstufen 10, Eingangswiderstände R₁ und R₂, Rückkopplungswiderstände R₂ und R₂' und Eingangsanschlüsse 11 und 12. Das zu verstärkende Signal wird aus einer Quelle 13, die zwischen den Eingangsanschlüssen liegt, und ein Gleichtakteingangssignal aus einer Quelle 14 dem Eingangsanschluß 11 und über die Quelle 13 dem Eingangsanschluß 11 zugeführt. Am Ausgang des Verstärkers liegt ein Verbraucher 15. Für den Ausgangsstrom der Stromquelle 14 gibt es vier Stromkreise:

1. über die Widerstände .R₁ und R₂ und den Verbraucher 15 nach Masse

2. über die Widerstände R₁ und R₂ und den Verbraucher 15 nach Masse

3. über den Widerstand R₁ und die Verstärkerstufen 10 zum Ausgangsanschluß 16 und

4. über den Widerstand A₁' und die Verstärkerstufen 10 zum Ausgangsanschluß 17.

Der aus der Stromquelle 14 über die Widerstände R₁ und R₁ fließende Strom ruft eine Spannung am Eingang der Verstärkerstufen 10 hervor, wenn diese Widerstände nicht genau gleich sind. Diese zusätzliche Eingangsspannung kann groß im Verhältnis zum Signal aus der Quelle 13 sein, wenn es sich beispielsweise bei den Widerständen R₁ und R₁ um 1-ΜΩ-Widerstände und bei den Widerständen R₂ und R₂ um ΙΟΟ-ΜΩ-Widerstände handelt, da eine Unsymmetrie von beispielsweise 10 kQ zwischen den Widerständen R₁ und R₁ wahrscheinlich ist und eine Gleichtaktspannung von nur 10 mmV eine Eingangsspannung von Mikrovolt hervorruft.

Ein aus der Quelle 14 über die Widerstände R₁ und N A₁' fließender Strom kann dadurch unterdrückt wer- -^y den, daß an die Ausgangsanschlüsse 16 und 17 des Verstärkers ein Ausgleichsignal angelegt wird, das mit dem Gleichtaktsignal identisch ist. Wenn es sich beispielsweise bei dem Gleichtaktsignal um ein Gleichstromsignal handelt, entsteht keine Spannung, die einen Strom durch die Widerstände R₁ treiben würde, da das Ausgleichsignal an den Anschlüssen 16 und 17 nach Betrag und Vorzeichen gleich dem Gleichtaktsignal an den Anschlüssen 11 und 12 ist.

Das Gleichtaktsignal wird zwar den Eingangsanschlüssen des Verbrauchers 15 zugeführt, jedoch ist das Verhältnis des verstärkten Ausgangssignals der Verstärkerstufen 10 zum Gleichtaktsignal verbessert. Da dieses Verhältnis außerdem um einen Faktor verbessert ist, der gleich der Verstärkung des Verstärkers ist, und da die Ausgangsimpedanz der Verstärkerstufen 10 niedrig gehalten werden kann, z. B. auf 1 Ω, ist die Gleichtaktunterdrückung am Verbraucher 15 unter der Annahme, daß es sich bei diesem Verbraucher um einen weiteren Verstärker handelt, verhältnismäßig einfach.

Eine Möglichkeit, den Ausgangsanschlüssen Ausgleichsignale zuzuführen, um die Unterdrückung von Gleichtaktsignalen zu verbessern, die in demjenigen Teil des Verstärkers entstehen, der von den Eingangswiderständen R₁ und R₁ gebildet wird, infolge einer Ungleichheit von R₁ und R₁ oder einer Unsymmetrie in einer an die Eingangsanschlüsse 11 und 12 angeschlossenen Quelle, ist in F i g. 2 gezeigt. Hier sind die Verstärkerstufen 10 zusammen mit den Widerständen R₁, R₁, R₂ und R₂' sowie den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen 11, 12, 16 und 17 gezeigt.

ίο Der Verstärker wird zuerst beschrieben. Eine erste Stromübernahmestufe enthält zwei Feld-Effekt-Transistoren 18 und 19, deren Katodenanschlüsse S mit einer Konstantstromquelle und deren Anodenanschlüsse D mit zwei Verbrauchern 21 und 22 verbunden sind.

Diese Stromübernahmestufe verstärkt den Anschlüssen 11 und 12 zugeführte Signale und führt sie einer zweiten Stromübernahmestufe zu, die die Transistoren 23 und 24, einen Konstantstromgenerator 25 und die Widerstände R₃ und R₃' enthält. Zwei weitere

mit Widerständen R_i und R_t' als Katodenfolger geschaltete Transistoren 26 und 27 verstärken das an den Kollektoren der Transistoren 23 und 24 erscheinende Signal und führen es den Anschlüssen 28 und 29 zu. Da zwischen den Anschlüssen 11 und 17 und zwischen den Anschlüssen 12 und 16 keine Umkehr erfolgt, müssen die Rückkopplungswiderstände R₂ und R₂ jeweils zwischen den Anschluß 16 und den Steueranschluß des Feld-Effekt-Transistors 18 und den Anschluß 17 und den Steueranschluß des Feld-Effekt-Transistors 19 geschaltet werden, um den Verstärker als Rechenverstärker wirken zu lassen.

Das Gleichtaktsignal wird den Eingangsanschlüssen 11 und 12 zugeführt und praktisch wie bei einem Katodenfolger ohne wesentliche Änderung der Amplitude und Phasenlage und Größe und Polarität von den Steueranschlüssen der Feld-Effekt-Transistoren 18 und 19 zu ihren Katodenanschlüssen übertragen. Ein Trennverstärker 30 mit Verstärkungsfaktor 1 überträgt das Gleichtaktsignal praktisch ebenfalls ohne wesentliche Änderung der Amplitude und Phase oder Größe und Polarität zu den Kollektoren der Transistoren 23 und 24. Auf diese Weise wird ein Ausgleichsignal, das im wesentlichen mit dem Gleichtaktsignal identisch ist, den Ausgangsanschlüssen zugeführt, die von den Kollektoren der Transistoren 23 und 24 gebildet werden, und der Verstärker 30 dient als Umleitungsvorrichtung, da er eine Umleitung für das Gleichtaktsignal in bezug auf einen Teil des Differentialverstärkers darstellt. Von dort erreicht es die Anschlüsse 16 und 17 durch die Katodenfolgerwirkung der Transistoren 26 und 27, wiederum weitgehend ohne Änderung der Amplitude und Phase oder Größe und Polarität. Der Trennverstärker 30 ermöglicht es, daß die Katodenanschlüsse der FeId-Effekt-Transistoren 18 und 19 an die Kollektoren der Transistoren 23 und 24 angeschlossen werden, ohne daß die hohe Impedanz der Konstantstromquelle 20 geshuntet wird. Der Innenwiderstand der Stromquelle 20 sollte so hochohmig wie möglich sein, so daß praktisch 100% des Gleichtaktsignals dem Trennverstärker 30 zugeführt werden.

Die Gleichtaktunterdrückung beim Verstärker nach F i g. 2 läßt sich noch weiter verbessern, wenn der Einfluß irgendeiner Unsymmetrie in der Steuerelektroden-Anoden-Kapazität der Feld-Effekt-Transistoren 18 und 19, der Einfluß irgendeiner Unsymmetrie in den Ausgangswiderständen und der Kapazitäten ihrer Steueranschlüsse nach Erde oder Masse ver-

ringert werden kann. Der infolge des Gleichtaktsignals über diese Kapazitäten fließende Strom kann durch Anlegen des Gleichtaktsignals an die Anodenanschlüsse dieser Feld-Effekt-Transistoren verringert werden. Beispielsweise kann ein Verstärker mit Verstärkungsfaktor 1 zwischen die verbundenen Anodenanschlüsse der Feld-Effekt-Transistoren 18 und 19 und die verbundenen Basisanschlüsse der beiden weiteren Transistoren geschaltet werden, wobei die Anodenverbindung jedes Feld-Effekt-Transistors die Emitter/Kollektor-Strecke eines der weiteren Transistoren enthält. Auf diese Weise wird das bereits an den Katodenanschlüssen der Feld-Effekt-Transistoren vorhandene Gleichtaktsignal ihren Anodenanschlüssen zugeführt.

Da die Gleichtaktunterdrückung bei dem Verstärker nach F i g. 2 und der erwähnten Abwandlung dieses Verstärkers davon abhängt, daß das Ausgleichsignal weitgehend gleich dem Gleichtaktsignal ist, können als Verstärker mit Verstärkungsfaktor 1 Katodenfolger verwendet werden.

Die Katodenfolgerwirkung der Feld-Effekt-Transistoren 18 und 19 wird durch Einfügen weiterer Transistoren in ihre Anodenkreise weiter verbessert.

Die Verstärker mit Verstärkungsfaktor 1 können in Reihe geschaltet werden, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Hier verbindet ein Verstärker mit Verstärkungsfaktor 1, ein Feld-Effekt-Transistor 32 die Katoden der Feld-Effekt-Transistoren 18 und 19 mit den Basisanschlüssen zweier Transistoren 33 und 34, die mit den Anodenanschlüssen der Feld-Effekt-Transistoren 18 und 19 verbunden sind. Das am Katodenanschluß des Feld-Effekt-Transistors 32 erscheinende Gleichtaktsignal wird zum Verstärker 30 weitergeleitet, der durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist und zwei Transistoren enthält.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 30, der wie bereits erwähnt, einen Verstärkungsfaktor 1 hat, wird dann als Ausgleichsignal den Kollektoren der Transistoren 23 und 24 über eine Zenerdiode 35 zugeführt.

Eine weitere Verstärkerstufe zwischen den Transistoren 33 und 34 und den Transistoren 23 und 24 wird durch die Transistoren 36 und 37 gebildet.

Diejenigen Bauelemente in Fig. 3, die die gleichen Funktionen wie die Bauelemente nach F i g. 2 haben, sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Funktion und Wirkungsweise der anderen Bauteile nach F i g. 3 sind dem Fachmann geläufig.

Eine kapazitive Unsymmetrie im Eingangskreis des Verstärkers nach F i g. 3 läßt sich ferner durch Einstellung eines Differentialkondensators 38 verringern, der zwischen den Kollektoren der Transistoren 33 und 34 liegt.

Obwohl bei den an Hand der Fig. 2 und 3 beschriebenen Ausführungsbeispielen Festkörperbauelemente mit einem Katoden-, einem Anoden- und einem Steueranschluß verwendet werden, lassen sich auch Schaltungsanordnungen aufbauen, in denen thermionische Vakuumröhren verwendet werden, die alle einen Katoden-, einen Anoden- und einen Steueranschluß haben.

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   to 1. Differentialverstärkerschaltung, dadurch

   gekennzeichnet, daß eine in Verstärkungsrichtung durchlässige Trennschaltung (30) eingangsseitig mit einem ersten Punkt der Differentialverstärkerschaltung, an dem während des Betriebs nur Gleichtaktsignale auftreten, und ausgangsseitig mit zwei weiteren Punkten der Schaltung verbunden ist, zwischen denen während des Betriebs ein Differenzausgangssignal auftritt, und daß die Verstärkung vom ersten Punkt zu den zwei wfeiteren Punkten über die Trennschaltung (30) gleich Eins ist. ·
2. 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine erste Stromübernahme- ( , stufe mit aktiven Bauelementen (18, 19), die * jeweils mit den Eingangsanschlüssen (11 und 12) der Differential verstärkerschaltung verbunden sind, und eine zweite Stromübernahmestufe enthält, wobei die Trennschaltung (30) zwischen dem gemeinsamen Zweig (20) der ersten Stromübernahmestufe und den Ausgangsanschlüssen der aktiven Bauelemente (26 und 24) der zweiten Stromübernahmestufe liegt.
3. 3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei weitere aktive Bauelemente (23 und 24) jeweils mit den Anoden, Kollektoren oder Senken der aktiven Bauelemente (18 und 19) der ersten Stromübernahmestufe verbunden sind und von einem weiteren Verstärker (32) gesteuert werden, der mit dem gemeinsamen Zweig (20) der ersten Stromübernahmestufe verbunden ist. '
4. 4. Schaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Zwischenverstärkerstufen (36 und 37, 26 und 27) zwischen die beiden Strom- f i übernahmestufen und zwischen die zweite Stromübernahmestufe und zwei Ausgangsanschlüsse (28 und 29) geschaltet sind.
5. 5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Rückkopplungs-

   impedanzen die Eingangsanschlüsse (11 und 12) mit den Ausgangsanschlüssen (28 und 29) verbinden.
6. 6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven Bauelemente Festkörperbauelemente sind.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen