DE1762222A1 - Operationsverstaerker - Google Patents

Description

ν. γ. Philips' Gloeilampenfabrieken

Akte No. pHN- 2441 Anmeldung vom ι 26. April 1968

N.V.Philips' Gloeilampenfabrieken, Eindhoven / Holland

"Operationsveratärker" ä

Die Erfindung bezieht sich auf einen Operationsverstärker, der einen ersten Differenzverstärker mit zwei Ausgängen enthält, von denen wenigstens einer auch mit dem Ausgang des Operationsverstärkers verbunden ist, wobei diesem Verstärker ein Eingangssignal zugeführt wird. Bei Operationsverstärkern soll eine Übertragungsfunktion (d.h. das Verhältnis zwischen der Ausgangsspannung oder dem -strom und der Eingangsspannung oder dem -strom) erzielt werden, die über einen sehr breiten Frequenzbereich einen vorgeschriebenen, vorzugsweise durch passive Schaltelemente bestimmten Verlauf aufweisen. Bei Operationsverstärkern ist es im Zusammenhang mit der Stabilität oft erwünscht, daß die !"requenzkennlinie in der Umgebung derjenigen frequenz, bei der die Übertragungsfunktion nahezu gleich 1 ist, (vorzugsweise 6 dB pro Oktave) abfällt.

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Wenn z.B. zwei Verstärkerstufen In Kaskade geschaltet werden, bringt diese Anforderung Probleme mit sich, die z.B. dadurch gelöst werden, daß das Eingangssignal auch unmittelbar dem Eingang der zweiten dieser Verstärkerstufen zugeführt wird, so daß die Frequenzkennlinie des Operationsverstärkers gleich dem Produkt der Frequenzkennlinien der beiden gesonderten StufenyzuzUg-Iich der Frequenzkennlinie der zweiten Stufe ist. Sobald die erste Verstärkerstufe abgefallen ist, ist der Ausgang des Operationsverstärkers nur mit der zweiten Verstärkerstufe verknüpft und ist die Frequenzkennlinie des Operationsverstärkers gleich der Frequenzkennlinie der zweiten Verstärkerstufe.

Es ist bei Operationsverstärkern oft erwünscht, daß die Frequenzkennlinie einen waagerechten Verlauf von der Frequenz O bis zu einer bestimmten gewählten Frequenz f aufweist. Im Zusammenhang mit den dann benötigten Gleichstromkopplungen und den dabei auftretenden Drifterscheinungen ist es erwünscht, die erste Verstärkerstufe als Differenzverstärker auszubilden. Auf diese Weise wird ein Operationsverstärker mit zwei Eingängen erhalten, die in Abhängigkeit von der Phase der Eingangsspannung in bezug auf die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers einen "+"-Eingang (nicht-invertierenden Eingang) und einen "-"«»Eingang (invertierenden Eingang) bilden.

Die Erfindung hat zum Zweck, eine besondere Ausführungsform der oben beschriebenen Art Operationsverstärker zu schaffen, die sich in bezug auf Drift und/oder Stabilität günstig von den bekannten Operationsverstärkern unterscheidet, welche Vorteile nachstehend anhand der Figuren näher beschrieben werden.

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Derartige Operationsverstärker laseen eich sehr vorteilhaft in einem Halbleiterelement integrieren.

Der Operationsverstärker nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge dee ersten Differenzverstärkers mit den Singingen tinea «weiten DifferenBveretärkers verbunden eind, und daS ein Auegang des «weiten DifferenBveretärkers Über eine Impedanz mit einer Kiene der Speieequelle verbunden ist, über welcher Impedan« eine Spannung erzeugt wird, die Über Widerstände den beiden Eingängen dee «weiten Differenzveretärkers zugeführt wird.

Die Erfindung wird nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. ■a aeigenι

Flg. 1 eine erete Auaftihrungaform des Operationsverstärkers nach der Erfindung,

Fig. 2 eine «weite AuafUhrungsform dee Operationsverstärkers nach der Erfindung,

Fig. 3 eine dritte Auaftthrungaform des Operationsverstärkers nach der Erfindung.

Der Operationsverstärker nach Fig. 1 enthält einen ersten durch die Transistoren T₁ und T₂ gebildeten Differenzverstärker und einen «weiten durch die Tranaletoren T, und T. gebildeten Differenz verstärker. Der Kollektor dee Transistors T₂ ist mit dem Ausgang dee Operationsverstärkers verbunden. Die Basen der beiden Transistoren T₁ und T₂ sind mit den beiden Eingängen des Operationsverstärkers verbunden, wobei die Basle des Transistors T₁ den (nicht-invertlerenden) "+"-Eingang und die Basis des Transistors T₂ den (invertierenden)"-"-Eingang bildet. Die Kollektorer.

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der beiden Transistoren T₁ und Tg bilden zugleich die Ausgänge des ersten Differenzverstärker. Die Basen der beiden Transistoren T, und .1, bilden zugleich die Eingänge des zweiten Differenzverstärkers, während die Kollektoren dieser Transistoren zugleich die Ausgänge des zweiten Differenzverstärkers bilden. Die beiden Emitter der Transistoren T₁ und Tg sind über die gemeinsame Stromquelle S₁ mit Erde verbunden, während die Kollektoren dieser Transistoren über die Widerstände R₄ und R₀ mit

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dem Anechlußpunkt A der Impedanz Z verbunden sind, welche Impedanz mit ihrem von diesem Anechlußpunkt A abgekehrten Ende mit einem Punkt E konstanten Potentials verbunden ist.

Es sei angenommen, daß der Operationsverstärker am "+"-Eingang von der Spannungsquelle V₁ gesteuert wird und daß der"-"-Eingang über eine Impedanz Z₁ mit Erde verbunden ist. Die Verbindungen der Impedanz Z₁ mit dem "-"-Eingang und mit Erde sind in Fig. 1 gestrichelt dargestellt. Wenn nun die Spannung V₁ gegen Erde zunimmt, fließt ein Wechselstrom I₁ durch die beiden Transistoren T₁ und Tp in der in Fig. 1 angegebenen Richtung. Dieser Strom verringert während seiner einen Phase die Spannung am Wideretand R₂ und steigert die Spannung am Widerstand R₁. Dies bedeutet, daß die Basisspannung des Transistors T* zunimmt und die Basiβspannung des Transistors T, abnimmt, wodurch ein Strom i₂ durch die Transistoren T, und T, in der in Fig. 1 angegebenen Richtung flieflen wird. Dieser Strom ig fließt durch die Impedanz Z und setzt die Spannung über dieser Impedanz herab. Sowohl die Spannung über dem Widerstand Rp als auch die Spannung über der Impedanz Z nehmen ab, wenn die Eingangsspannung V₁ zunimmt. Dies bedeutet, daß die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers gleich der Summe der Ausgangsspannungen des ersten und des zweiten Differenzverstärker ist.

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In der Schaltungsanordnung nach Pig. 1 variieren der »+"- und der "-"-Eingang zu gleicher Zeit. Soll diese Schaltungsanordnung völlig ausgenutzt werden, so ist es erwünscht, daß diese Variation("common mode" Spannung) nahezu gleich den Aussteuergrenzen der Endstufe ist, ohne daß eine Stromeättigung ("bottoming") der Eingangsstufe auftritt. Dadurch wechseln nämlich der "+"- und der "-"-Eingang ihr Vorzeichen, was Unstabilitätserscheingungen mit sich bringt. Dadurch, daß in der Schaltungsanordnung nach Pig. 1 die Spannung am Kopplungspunkt A mit der Spannung am "+"-Eingang in Phase ist und außerdem der Kollektor des Transistors T, unmittelbar mit der Spöiseepannungsklemme E verbunden ist, wird erreicht, daß die höchstzuläeeige Spannung am "+"-Eingang gleich der am Ausgang des Operationsverstärkers auftretenden Hochstspannung ist.

Bekanntlich ist es bei Operationsverstärkern der beschriebenen Art erwünscht, daß die Ausgangsspannung sich infolge gleichzeitig sowohl am "+"-Eingang als auch am "-"-Eingang auftretender Spannungen nahezu nicht ändert. Der Verstärker muß für Inphaee-Spannungen ("common mode voltages") unempfindlich sein. Ein Maß für diese Unempfindlichkeit ist der Rejektlonsfaktor, d.h. das Verhältnis zwischen der Differenzverstärkung und der Verstärkung, bei der der "+"- und der "-"-Eingang miteinander verbunden sind. Dieser Rejektionsfaktor wird beim Verstärker nach Pig. 1 auch durch die Basis-Kollektor-Stromverstärkungsfaktoren der Transistoren T₁ - T. und die Innenwiderstände der beiden Stromquellen S₁ und S₂ bestimmt. Der Rejektionsfaktor wird bei der Schaltungsanordnung nach Pig. 1 aber zusätzlich vergrößert, weil die Impedanz Z im Kollektorkreis des Transistors T^ die vom ersten Differenzverstärker T₁, Tg verstärkte Inphase-Spannung ("common mode voltage") gegenkoppelt, was auf folgende Weise veranschaulicht wird;

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Bs sei angenommen, daß die Spannungen an dem "+"- und an dem ⁿ-"-Eingang zunehmen, so daß die Kollektorspannungen der Transistoren T₁ und T₂ gegen Erde abnehmen. Dadurch nehmen die durch die Transistoren T, und T, fließenden Ströme ab, wodurch die Spannung am Anschlußpunkt A der Impedanz Z ansteigt. Die Abnahme der Kollektorspannung des Transistors T« (= Ausgangsspannung) wird somit durch die Spannungszunahme am Anschlußpunkt A der Impedanz Z ausgeglichen.

Wenn beim Operationsverstärker nach Fig. 1 die Impedanz Z im Kollektorkreis des Transistors T, durch eine Parallelschaltung eines.Widerstandes R und eines Kondensators C gebildet wird, läßt sich auf einfache Weise eine Frequenzkennlinie verwirklichen, die von der Frequenz O bis zu einer bestimmten Frequenz f einen linearen Verlauf hat und dann mit einer Neigung von 6 dB pro Oktave abfällt. Durch passende Wahl der Zeitkonstante τ s RC läßt sich der in Fig. 4 dargestellte gewünschte Verlauf der Frequenzkennlinie erhalten. In dieser Figur ist die Frequenz f als Abszisse und die Verstärkung A in dB als Ordinate aufgetragen. Der Knick der Frequenzkennlinie liegt bei der Frequenz f, für die gilt 2 rr.f.RC = 1.

Die oben beschriebene Anordnung des frequenzkorrigierenden Gliedes (des Kondensators C) hat den Vorteil, daß dieses Glied nicht in dem Rückkopplungsweg angebracht ist, wie dies häufig der Fall ist. Dadurch wird erreicht, daß bei Anwendung des Operationsverstärkers die Rückkopplungsglieder, die auch die gewünschte Übertragungsfunktion bestimmen, völlig frei gewählt werden können.

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In Pig. 2 ist eine zweite AusfUhrungsform des Operationsverstärkers nach der Erfindung dargestellt. Bei dieser Schaltungsanordnung wird die über der Impedanz Z erzeugte Spannung nicht unmittelbar, aber über den Basis-Emitter-Übergang des als ein Emitterfolger geschalteten Transistors T₅ dem Kopplungspunkt A der Wide'rstttnde R₁ und R₂ zugeführt. Die Basis des Transistors Tc ist mit dem Kollektor dee Transistors T, verbunden, während der Emitter des Transistors T₁- mit dem erwähnten Kopplungspunkt A verbunden ist. Durch die Verwendung des Transistors T₁- ist erreicht, daB die Kollektorströme der beiden Transistoren T₁ und T₂ von dem Kollektorstrom des Transistors T, getrennt sind, wodurch der Spannungsabfall über dem Widerstand R verringert wird, so daß der Wert dee Widerstandes R und somit die Verstärkung größer gewählt werden können.

Pig. 3 zeigt eine dritte AusfUhrungsform des Operationsverstärkers nach der Erfindung. Bei dieser Schaltungsanordnung ist der Anschluflpunkt A der Impedanz Z unmittelbar mit der Basis des Transistors T₁- und über den Widerstand R₁ mit der Basis des Transistors T- verbunden. Der Emitter des Transistors T,- ist einerseits mit dem Kollektor dee Transistors T, und andererseits über den Wideretand R₂ mit der Basis des Transistors T_A verbunden. Der Kollektor des Transistors Tc i Speisespannungsklemme E verbunden.

Der Kollektor des Transistors Tc ist mit der Plusklemme der Patentansprüche:

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Claims (6)

1. Patentansprüche:

   Operationsverstärker, der einen ersten Differenzverstärker mit zwei Ausgängen enthält, von denen wenigstens einer auch mit dem Ausgang des Operationsverstärkers verbunden ist, wobei diesem Verstärker ein Eingangssignal zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet. daß die Ausgänge des ersten Differenz Verstärkers (I₁, Ip) ⁰^* ^den Eingängen eines zweiten Differenzverstärkers (T₅, T.) über eine Impedanz (Z) mit einer Klemme (E) der SpejLsequelle verbunden ist, über welcher Impedanz eine Spannung erzeugt wird, die über Widerstände (R₁, Rp) den beiden Eingängen des zweiten Differenzverstärkere zugeführt wird (Fig. 1).
2. 2. Operationsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichneti daß das mit dem Ausgang des zweiten Differenzverstärker verbundene Ende (A) der erwähnten Impedanz (Z) über zwei Widerstände (R₁, R₂) mit den beiden Eingängen des zweiten Differenzverstärker verbunden 1st.
3. 3. Operationsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mit dem Ausgang des zweiten Operationsverstärkers verbundene Ende (A) der erwähnten Impedanz mit der Basis eines Hilfstransistors (Ic) verbunden ist, dessen Kollektor mit der Speiseklemme (B) und dessen Emitter über zwei Widerstände (R₁, R₂) Bit den beiden Eingängen dee^ zweiten Differenzverstärker verbunden ist (Fig. 2).

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4. 4. Operationsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mit einem Ausgang des zweiten Differenzverstärkerβ verbundene Ende (A) der Impedanz einerseits über einen Widerstand (R₁) mit einem Eingang des zweiten Differenzverstärker und andererseits mit der Basis eines Hilfstransistors (T₅) verbunden ist, dessen Emitter einerseits über einen weiteren Widerstand (R«) mit dem anderen Eingang des zweiten Differenzverstärkers und andererseits mit dem anderen Ausgang des zweiten Differenzverstärkers verbunden ist, während der Kollektor des Hilfstransistors (T₁-) mit der Speiseklemme (E) verbunden ist (Pig. 3).
5. 5. Operationsverstärker nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Ausgang des zweiten Differenzverstärkers mit einer Klemme der Speisequelle verbunden ist.
6. 6. Operationsverstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er in einem Halbleiterelement integriert ist.

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