DE1808888C3

DE1808888C3 - Differenzverstärker

Info

Publication number: DE1808888C3
Application number: DE19681808888
Authority: DE
Inventors: Henning Richardt Langesoe Hennksen (Danemark)
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Filing date: 1968-11-14
Publication date: 1977-09-29

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Differenzverstärker mit zwei je einen Transistor und einen Belastungswiderstand aufweisenden Zweigen, wobei die Basen der Transistoren den Signaleingang bilden und drei in einem Knotenpunkt zusammentreffende Strompfade vorgesehen sind, von denen der erste Strompfad einen dem Strom im ersten Transistor entsprechenden Strom führt, der insbesondere mit Hilfe eines als Emitterfolger geschalteten dritten Transistors im den Belastungswiderstand aufweisenden Teil des zweiten Zweiges nachgebildet ist, der zweite Strompfad einen dem Strom im zweiten Transistor entsprechenden Strom führt und insbesondere durch den den Transistor aufweisenden Teil des zweiten Zweiges selbst gebildet ist und der dritte Strompfad einen vierten Transistor und einen Widerstand aufweist.

Differenzverstärker haben den Vorteil, daß sie Gleichtaktsignale, also auf beide Transistoren gleichsinnig wirkende Einflüsse, z. B. die der Umgebungstemperatur, unterdrücken. In der Hauptsache werden Differenzverstärker verwendet, bei denen auch das Ausgangssignal symmetrisch als Differenzsignal, z.B. zwischen den Kollektoren der Transistoren beider Zweige, abgenommen wird. Diese Schaltung ermöglicht z.war sehr genaue Ergebnisse innerhalb eines großen Arbeitsbereichs. Das Ausgangssignal ist aber an zwei schwebenden Punkten abzunehmen und kann daher nicht unmittelbar in einer unsymmetrischen Schaltung, z.B. einem nachgeschalteten Einkanalverstärker, weiterverarbeitet werden.

Den letzgenannten Nachteil vermeidet zwar ein Differenzverstärker mit Einzeiausgang, bei dem das Ausgangssignal unsymmetrisch abgenommen wird. Dies geschieht insbesondere dadurch, daß das Ausgangssigna! am Belastungswiderstand des einen Zweiges abgegriffen wird.

Bei solchen Diftereraverstärkern ist es auch bekannt, zwischen dem Belastungswiderstand und dem Transistor des einen Zweiges einen dritten Transistor einzuschalten, dessen Basis in Abhängigkeit vom Kollektorstrom des Transistors des anderen Zweiges gesteuert wird. Der dritte Transistor ist hierbei vom gleichen Typ wie die beiden anderen Transistoren.

Es gibt auch einen Differenzverstärker, bei dem im ersten Zweig eine Temperatur-Kompensation-Diode mit dem Belastungswiderstand in Reihe Hegt, während im zweiter Zweig die Emitter-Kollektor-Strecke eines zu den beiden anderen Transistoren komplementären Transistors mit dem Belastungswiderstand in Reihe liegt, dessen Basis in Abhängigkeit vom Strom im ersten Zweig gesteuert wird. Der Verbindungspunkt zwischen den Kollektoren des zweiten und dritten Transistors ist über einen hochohmigen Widerstand mit einer festen Spannung verbunden. An diesem Verbindungspunkt wird eine Spannung als Ausgangssignal abgegriffen.

Bei einem Differenzverstärker der zuletzt betrachteten Art ist es auch bekannt, den hochohmigen Widerstand durch einen vierten Transistor zu ersetzen, dessen Kollektor-Emitter-Strecke mit Widerständen in Reihe an einer Spannung liegt, wobei das Ausgangssignal als Spannung am Emitter abgegriffen wird.

Bei diesen Schaltungen liegt der eine Abgriffspunkt für das Ausgangssignal spannungsmäßig fest, während nur der andere Punkt sich mit dem Eingangssignal ändert. Ein solcher »single-endedw-Differenzverstärker ist wegen der unlinearen und temperaturabhängigen Basis-Emitter-Spannung im vierten Transistor temperaturabhängig und bei kleinen Eingangssignalen sehr unlinear.

Ferner ist ein Differenzverstärker mit einem dritten Transistor bekannt, dessen Basis mit dem einen Zweig verbunden ist, dessen Emitter an den anderen Zweig angeschlossen ist und an dessen Kollektor ein Ausgangssignal abgegriffen werden kann. Hier gelten ähnliche Verhältnisse wie bei den zuvor beschriebenen Differenzverstärkern.

Es gibt auch Differenzverstärker mit einem völlig anderen Aufbau. Zum Beispiel liegt der erste Eingang am Emitter des ersten Transistors und der zweite Eingang an der Basis des gleichen Transistors bzw. über einen Widerstand am Emitter des zweiten Transistors. Diese Transistoren werden über Spannungsgeneratoren gespeist. Auch diese Schaltung ist temperaturabhängig und führt zu Unlinearitäten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Differenzverstärker der eingangs beschriebenen Art anzugeben, der eine bessere Linearität und eine geringere Temperaturabhängigkeit hat

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst.

daß in dem dritten Strompfad die Emitter-Kollektor-Strecke des vierten Transistors angeordnet ist, dessen Emitter mit dem Knotenpunkt und dessen Basis mit Mitteln zum Festlegen des Arbeitspunktes verbunden ist, und daß als Ausgangssignal J er über die Kollektor-Emitter-Strecke des vierten Transistors fließende Strom, der gleich der Differenz der Ströme in den beiden anderen Strompfaden ist, bzw. die an einem mit dieser Strecke in Reihe liegenden Widerstand abfallende Spannung dient.

Der vierte Transistor arbeitet in Basisschaltung und hat daher — vom Knotenpunkt her gesehen — eine sehr niedrige Eingangsimpedanz, auch wenn ein hochohmiger Widerstand im dritten Strompfad gewählt wird. Infolgedessen ergibt sich ein idealer Knotenpunkt, bei dem sich die Ströme in den beiden ersten Strompfaden unbehindert nach Maßgabe der Ströme im ersten und zweiten Zweig ausbilden können und der im dritten Strompiad fließende Differenzstrom dem Eingangssignal direkt entspricht. Es ergibt sich ein linearer Zusammenhang zwischen einer Änderung in einem der beiden Zweige des Differenzverstärkers und der Ausgangsgröße. Infolge der symmetrischen Belastung der beiden Zweige und infolge der speziellen Schaltungsart des vierten Transistors ergibt sich eine hohe Linearität und eine vernachlässigbar kleine Temperaturabhängigkeit.

Der Arbeitspunkt der Basis des vierten Transistors kann von vornherein fest eingestellt sein; die Einstellmittel können aber auch regelbar sein und daher für eine nachträgliche Anpassung benutzt werden. Beispielsweise können die Einstellmittel aus einem Potentiometer oder aus einem Spannungsteiler bestehen, der eine Zener-Diode und einen ohmschen Widerstand aufweist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind der vierte Trinsistor, die Mittel zum Festlegen des Arbeitpunktes zusammen mit dem Emitterfolger, den Belastungswiderständen der beiden Zweige und einer im ersten Zweig angeordneten Temperatur-Kompensations-Diode in einer integrierten Schaltung zusammengefaßt.

Der Emitterfolger und gegebenenfalls die Diode können je durch zwei Transistoren in Darlington-Schaltung gebildet sein. Eine solche Darlington-Schaltung führt zu einer Multiplikation der Verstärkungsfaktoren, so daß man auch bei großen Toleranzunterschieden, wie sie bei integrierten Schaltungen nicht zu vermeiden sind, noch sehr gute Ergebnisse erzielt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausfuhrungsbeispiels näher so erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen erfindungsgemäßen Differenzverstärker, bei dem wesentliche Teile im Rahmen einer integrierten Schaltung zusammengefaßt sind, und

F i g. 2 einen Ausschnitt aus F i g. 1 mit einem abgewandelten Schaltungsaufbau.

Im Ausführungsbeispiel hat ein Differenzverstärker zwei Zweige I und H, die jeweils in Reihe die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors Γι bzw. T₂ und einen Belastungswiderstand Ri bzw. A₂ aufweisen Beide Reihenschaltungen sind gemeinsam unter Vorschaltung eines Vorwiderstandes Rj zwischen die Spannungen U₊ und LL gelegt. Das Eingangssignal wird symmetrisch an die Klemmen 3 und 4 angelegt, die jeweils mit der Basis des Transistors Ti bzw. T₃ verbunden sind. In Abhängigkeit von diesem Eingangssignal fließt über die Kollektor-Emitter-Strecken des Transistors Ti und T₂ je ein bestimmter Strom.

Ferner ist ein als Emitterfolger geschalteter dritter Transistor T3 vorgesehen, dessen Basis mit dem Punkt 5 des ersten Zweiges I verbunden ist. Infolgedessen folgt der Strom durch die Emitter-Kollektor-Strecke dieses Transistors T₃ genau den Schwankungen des Punktes 5, d. h. dem Strom im ersten Zweig. In den ersten Zweig 1 ist noch eine Diode D gelegt, deren Durchlaßrichtung und Spannungsabfall den Werten der Emitter-Basis-Strecke des Transistors T₃ entspricht. Dieser Transistor ist vom pnp-Typ, während die Transistoren Ti und T₂ vom npn-Typ sind; Emitterfolger und Verstärkertransistoren sind demnach vom umgekehrten Leitungstyp.

Es ist ein Knotenpunkt K vorgesehen, an welchem drei Strompfade A, Bund Czusammentreffen. Mit Hilfe des Emitterfolgers wird im Strompfad A ein Strom erzwungen, der dem Strom in der Kollektor-Emitter-Strecke des ersten Transistors Ti gleich ist. Der Strom im zweiten Strompfad B ist der gleiche Strom, der die Emitter-Kollektor-Strecke des zweiten Transistors T₂ durchfließt. Wenn der Strompfad C — vom Knotenpunkt K her gesehen — eine niedrige Eingangsimpedanz hat, muß in ihm die Differenz der in den Strompfaden A und B fließenden Ströme fließen. Diese Stromdifferenz ist das dem Eingangssignal entsprechende und verstärkte Ausgangssignal. Man kann daher an einem Widerstand A4, also an den Klemmen 11 und 12, eine Ausgangsspannung Ua abgreifen.

Der Widerstand R* liegt mit einem Transistor T4 in Basisschaltung in Reihe, so daß, vom Knotenpunkt K her gesehen, dieser Strompfad C einen sehr geringen Innenwiderstand hat. Die Basis des Transistors T₄ liegt an einem Punkt 13 eines Spannungsteilers, der aus einem Widerstand /?s und einer Zener-Diode Z besteht und den Arbeitspunkt des Transistors T₄ auf einen vorgegebenen Wert einstellt. Das eine Ende des Spannungsteilers, ist mit den Punkten 7 und 8 verbunden, an denen die beiden Belastungswiderstände Ri und A₂ mit der positiven Versorgungsspannung U₊ verbunden sind; das andere Ende des Spannungsteilers liegt an Erde. Die in dem gestrichelten Kasten 14 eingeschlossenen Schaltungskomponenten können Bestandteile einer integrierten Schaltung sein, so daß sich eine weitere Vereinfachung des Aufbaues ergibt.

Um die bei integrierten Schaltung unvermeidlichen Toleranzen auszugleichen, kann man die Diode D und den Emitterfolger durch Darlington-Schaltungen ersetzen, wie es F i g. 2 veranschaulicht. Hiernach sind zwei Transistoren T3 und T5 in Darlington einander derart zugeordnet, daß die Reihenschaltung als Emitterfolger arbeitet. Die Diode ist aus zwei Transistoren % und Tj in Darlington- Dioden-Schaltung zusammengesetzt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Differenzverstärker mit zwei je einen Transistor und einen Belastungswiderstand aufweisenden Zweigen, wobei die Basen der Transistoren den Signaleingang bilden und drei in einem Knotenpunkt zusammentreffende Strompfade vorgesehen sind, von denen der erste Strompfad einen dem Strom im ersten Transistor entsprechenden Strom führt, der insbesondere mit Hilfe eines als Emitterfolger geschalteten dritten Transistors im den Belastungswiderstand aufweisenden Teil des zweiten Zweiges nachgebildet ist, der zweite Strompfad einen dem Strom im zweiten Transistor entsprechenden Strom führt und insbesondere durch den den Transistor aufweisenden Teil des zweiten Zweiges selbst gebildet ist und der dritte Strompfad einen vierten Transistor und einen Widerstand aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem dritten Strompfad (C) die Emitter-Kollektor-Strecke des vierten Transistors (T*) angeordnet ist, dessen Emitter mit dem Knotenpunkt (K) und dessen Basis mit Mitteln (A₅, Z) zum Festlegen des Arbeitspunktes verbunden ist, und daß als Ausgangssignal der über die Kollektor-Emitter-Strecke des vierten Transistors fließende Strom, der gleich der Differenz der Ströme in den beiden anderen Strompfaden (A, B) ist, bzw. die an einem mit dieser Strecke in Reihe liegenden Widerstand (Ra) abfallende Spannung (U,) dient

2. Differenzverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vierte Transistor (Ta), die Mittel (Rs, Z) zum Festlegen des Arbeitspunktes zusammen mit dem Emitterfolger (7*3), den BeIastungswiderständen (R\, R2) der beiden Zweige und einer im ersten Zweig angeordneten Temperatur-Kompensations-Diode (D) in einer integrierten Schaltung zusammengefaßt sind.

3. Differenzverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitterfolger und gegebenenfalls die Diode durch je zwei Transistoren (T3, Ts; T₆, Tj) in Darlington-Schaltung gebildet sind.