DE1905718C3 - Schaltungsanordnung zur Produkt- und/ oder Quotientenbildung - Google Patents
Schaltungsanordnung zur Produkt- und/ oder QuotientenbildungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Produkt- und/oder Quotientenbildung nach dem Oberbegriff
des Patentanspruches.
Derartige Schaltungen finden in erster Linie in der Analogschaltungstechnik Anwendung, z. B. bei Steuersystemen,
Analog- und Hybridrechnern, auf dem Gebiet der Zeichenerkennung und in Schaltungen zur automatischen
Verstärkungsregelung.
Während auf dem Gebiet der Digitaltechnik, wo von jeher nur wenige Standardschaltungen, aber in entsprechend
hoher Stückzahl anfallen, die Festkörpertechnik zur Integration bereits seit langem Anwendung findet,
werden zur Zeit große Anstrengungen unternommen, auch Schaltungen der Analog- und Linearverstärkertechnik
mit Festkörperschaltkreisen zu realisieren. Trägt man den besonderen Anforderungen dieser
Technologie Rechnung, so ergeben sich Schaltungen, die ausgesprochen kondensatorarm und bevorzugt mit
aktiven Elementen aufgebaut sind.
Dabei ist jedoch davon auszugehen, daß die verschiedenen Festkörperkomponenten, wie Transistoren,
Dioden, Widerstände usw. mit den gleichen Kosten hergestellt werden können, also kein unbedingter
Zwang für den aus Kostengründen bevorzugten Einsatz von passiven Elementen vorliegt, wie das bei der
herkömmlichen Schaltungstechnik der Fall ist
Analoge Multiplizierschaltungen, die mit den Anmeldungsgegenstand die im Oberbegriff des Patentanspruchs
1 angegebenen Merkmale gemeinsam haben, sind bereits aus der FR-PS 14 50 104 sowie aus dem
Aufsatz von R. R. A. M ο r t ο η, »A simple d. c. to 10 Mc/s analogue multiplier« im Journal Sei. Instrum.,
1966, Vol. 43, Seiten 165 bis 168, bekanntgeworden. Dabei kann die in der erstgenannten Literaturstelle
behandelte Multiplizierschaltung letztlich als auf Wechselspannungsverarbeitung erweiterte Version der in der
zweiten Literaturstelle für Gleichspannungen behandelten Schaltung angesehen werden. Beide Entgegenhaltungen
erlauben nicht eine zusätzlich oder alternativ zur Produktbildung durchführbare Quotientenbildung, weil
die Summenströme in den Emitterknoten nicht unabhängig voneinander wählbar sind, sondern durch
notwendigerweise vorzusehende weitere Transistorstufen streng voneinander abhängig sind. Ferner liegt dort
keine unmittelbare Darstellung der Funktionsgrößen in Form von Strömen vor, woran aber hinsichtlich der
Störsicherheit im Hinblick auf Spannungseinstreuungen in vielen Anwendungsfällen erhöhtes Interesse besteht.
Die Ableitung eines am Ausgang brauchbaren Signals erfordert demnach nach dem genannten Stand der
Technik noch einen erheblichen weiteren Schaltungsaufwand.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf dem Gebiet der Analog-Technik eine Schaltung zur Produkt-
und/oder Quotientenbildung anzugeben, die diesen besonderen Anforderungen im Rahmen der Realisierung
in Festkörpertechnik voll Rechnung trägt. Dabei sollen keine Nachteile hinsichtlich der Arbeitsgeschwindigkeit,
der Genauigkeit und des Aussteuerungsbereiches in Kauf genommen werden müssen.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung die im Patentanspruch gekennzeichneten Maßnahmen vor.
Durch die konsequente Darstellung der Eingangs- und Ausgangsgrößen als Einzelströme wird somit durch die
Erfindung eine gemessen an dem genannten Stand der Technik mit weniger Schaltungsaufwand durchzuführende
und besser für eine Integration in Festkörpertechnik geeignete Lösung für den Aufbau von Schaltungen
der eingangs genannten Art erzielt
In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß alle Transistoren der beiden in Differentialverstärkeranordnung
geschalteten Transistorpaare bezüglich ihrer KoUektor-Basisstrecken kurzgeschlossen
sind, wobei dann zwischen den Basisanschlüssen der mit
dem ersten Eingangsstrom beaufschlagten Transistoren ein Trennverstärker eingeschaltet ist
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist der Trennverstärker als ein Transistordifferentialverstärker
ausgeführt Die Basisanschlüsse der den Differentialverstärker bildenden Transistoren
sind mit den Basisanschlüssen der nicht auf der Bezugsspannung liegenden zu den beiden ersten
Transistorpaaren gehörenden Transistoren verbunden. Der Ausgangsstrom wird dabei vom Kollektorstrom
einer zum Trennverstärker in Kaskade geschalteten Transistorstufe gebildet Für diese Transistorstufe
eignet sich insbesondere eine Darlington-Schaltung.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die Schaltung in monolithischer
Technik auf einem einzigen Halbleiterplättchen ausgebildet ist Dieses gilt sowohl für die beiden Transistorpaare
in Differentialverstärkeranordnung als auch für den Trennverstärker.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung besteht darin, daß die Eingangsströme selber wieder
Funktionen weiterer veränderlicher Größen darstellen. Weiterhin kann, die Schaltungsanordnung vorteilhaft
zur Verstärkungsregelung verwendet werden, wenn eine Eingangssignalquelle direkt mit der den zweiten
Eingangsstrom liefernden Stromquelle und über eine Speichereinrichtung mit der den dritten Eingangsstrom
liefernden Stromquelle gekoppc'· ist. Der Ausgangsstrom stellt dabei die Regelgröße, der zweite Eingangsstrom die zu regelnde Größe und der dritte Eingangsstrom die Stellgröße dar.
Der erste Eingangsstrom wird in dieser besonderen Anwendung konstant gehalten.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausfuhrungsbeispielen unter Zuhilfenahme der Zeichnungen
näher erläutert
Es zeigt
F i g. 1 ein teilweise Schematisches Schaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung,
F i g. 2 eine geeignete Lastschaltung für die Schaltung nach F ig. 1,
F i g. 3 und 4 zusätzliche vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung und
F i g. 5 die Darstellung einer für die Schaltung nach F i g. 4 geeigneten Lastschaltung.
Die in F i g. 1 dargestellte erfindungsgemäße Schaltung besteht aus einem ersten Paar von Transistoren 1
und 2, die bezüglich ihrer Kollektor-Basisstrecken kurzgeschlossen und deren Emitteranschlüsse direkt
miteinander und mit einer Stromquelle 3 verbunden sind. Der Basis- bzw. Kollektoranschluß von Transistor
1 liegt auf Massepotential, während der Basis- bzw. Kollektoranschluß von Transistor 2 an eine weitere
Stromquelle 4 angeschlossen ist.
Ein zweites Transistor paar besteht aus den Transistoren 5 und 6, deren Emitteranschlüsse direkt miteinander
und mit der Stromquelle 7 verbunden sind. Der Basisbzw. Kollektoranschluß von Transistor 6 liegt auf
Massepotential. Der Basisanschluß von Transistor 5 ist an die Stromquelle 4 angeschlossen, während im
Kollektorkreis die Lastschaltung 10 liegt Die in der Schaltung fließenden Ströme sind mit x,y,z bezeichnet
und die Richtung des Stromflusses ist jeweils durch den
ίο Pfeil angegeben. Durch die Last fließt demnach der
Strom w. Eine geeignete Lastschaltung 10 ist in F i g. 2 dargestellt und besteht aus einem Umkehrverstärker 11
mit einem Rückkopplungselement 12.
Um die gewünschte Funktion der Schaltung nach
ιr) F i g. 1 zu erreichen, ist es notwendig, daß die
Transistoren 1 und 2 bezüglich ihrer Basis-Emittercharakteristiken möglichst identisch sind. Dasselbe gilt für
die Transistoren 5 und 6. Ferner muß jeder der Transistoren 1,2,5 und 6 im linearen Bereich betrieben
werden, d. h. der Kollektorstrom soll in linearer Weise abhängig sein vom Basisstrom.
Weiterhin sollte die Basis-Kollektorstrecke von Transistor 2 möglichst niederohmig kurzgeschlossen
sein, was bei einer Realisierung in integrierter Technik
_'j am besten durch eine Metallisierungsschicht zu
erreichen ist Obwohl dieses grundsätzlich auch für die Basis-Kollektorstrecken der Transistoren 1 und 6 gilt,
kann bezüglich dieser Transistoren eine ordnungsgemäße Funktion jedoch so lange erreicht werden, als die
jo Impedanz des jeweils zugehörigen Kollektorkreises und
die Kollektorspannung auf Massepotential bezogen genügend klein gehalten werden. Mit einem Anstieg der
Impedanz des Kollektorkreises nimmt zwangläufig die Arbeitsgeschwindigkeit ab. Weicht die Kollektorspan-
r> nung weiter vom Massepotential ab, nimmt auch die
Genauigkeit der Schaltung infolge der unterschiedlichen Verlustleistung der Transistoren 1 und 2 ab.
Entsprechendes gilt für die Transistoren 5 und 6. Die in F i g. 2 im Detail dargestellte Lastschaltung 10 liefert für
den Transistor 5 eine nur sehr gering vom Massepotential abweichende Kollektorspannung.
Für eine einwandfreie Funktion der Schaltung empfiehlt es sich ferner, die Transistoren 1 und 2 sowie 5
und 6 möglichst eng thermisch zu koppeln. Damit die
■i Schaltung mit der größtmöglichen Genauigkeit arbeitet,
muß gefordert werden, daß der Strom * wesentlich größer als der Basisstrom von Transistor 5 und der
Strom ζ größer als der Strom χ ist
Die in F i g. 1 dargestellte Schaltung arbeitet wie
w folgt: Der Strom χ ist im wesentlichen gleich dem
Emitterstrom von Transistor 2; der Basisstrom von Transistor 5 ist dabei vernachlässigbar klein.
Der Emitterstrom von Transistor 1 ist gleich der Differenz zwischen den Strömen ζ und x. Bei
v, konstantem Strom ζ verursacht eine Zunahme des
Stromes χ eine Zunahme des Emitterstromes und damit der Basis-Emitterspannung von Transistor 2 und
demzufolge eine Abnahme des Emiüerstromes bzw. der Basis-Emitterspannung von Transistor 1, woraus eine
bo Zunahme der Spannung am Basisanschluß von Transistor
2 resultiert.
Diese Zunahme der Spannung am Basisanschluß von
Transistor 2 hat einen entsprechenden Anstieg des Ausgangsstromes w zur Folge. Im einzelnen wird die
Spannung am Basisanschluß des Transistors 5 positiver, wodurch sich die Basis-Ernitterspannung von Transistor
5 erhöht bzw. die Basis-Emitterspannung von Transistor
6 erniedrigt, so daß ein größerer Anteil des Stromes y in
den Emitteranschluß von Transistor 5 und nur ein kleinerer Anteil des Stromes y in den Emitteranschluß
von Transistor 5 und nur ein kleinerer Anteil des Stromes y in den E-mueranschluß von Transistor 6
fließt. F'ir die Abhängigkeit der Basis-Emiuerspannung
ν vorn tmitterstrom /gilt:
f - V + ein / (!)
Es bedeutet:
Vdie Basis-Emitterspannung bei einem Emitterstrom
von einer Stromeinheit (i = I)-,
e den Kieinsignaiwidersiand der Basis-Emiüerdiode
bei einem Emitterstrom von einer Stromeinheit und In
den natürlichen Logarithmus.
Die Spannung am Verbindungspunkt a in F i g. 1 ergibt sich demnach zu:
\V\
\ el In (z - v|] + [ 1'2 + t<2 In U)]
= - f ^6 +■ 6 I ( )] [ VS
el In (z - v|] + [ 1'2 + t<2 In U)]
■ t'6 In (y - u)] + [ VS + vS !n (n|] .
Dabei stellen die Ausdrücke in den rechteckigen Klammern die Basis-Emitterspannungen der einzelnen
Transistoren in Abhängigkeit von jeweiligen Strom dar. Da infolge der Gleichheit der Charakteristiken der
Transistoren Vl und V 2 und V6 gleich V 5 sowie el
gleich e2 und e6 gleich e5 ist, kann Gleichung (2) wie
folgt umgeschrieben werden:
: - χ
γ - iv
In = In "
V IV
VV
Daraus wird deutlich, daß die Schaltung nach Fig. 1
zur Produkt- und/oder Quotientenbildung geeignet ist,
wobei der Strom w proportional dem Produkt der Ströme χ und ygeteilt durch den Wert des Stromes ζ ist
Wird der Strom ζ konstantgehalten, bildet die Schaltung das Produkt x, y. Hält man einen der Ströme χ oder y
konstant, bildet die Schaltung den Quotienten - bzw. ^.
Die erfindungsgemäße Schaltung nach F i g. 1 kann in vorteilhafter Weise als Schaltung zur automatischen
Verstärkungsregelung dienen, indem man eine Eingangssignalquelle 20 mit der Stromquelle 7 derart
verbindet, daß der Strom y sich in Abhängigkeit von der momentanen Eingangssignalspannung Ei ändert. Die
Eingangssignale Ei werden gleichzeitig auf eine Speichereinrichtung 21 geführt, aufgrund derer der
Wert des Stromes ζ der Stromquelle 3 eine bestimmte Abhängigkeit von Ei annimmt Beispielsweise kann die
in einem konventionellen Kondensatorspeicher gespeicherte Spannung den Amplitudenwert, den Spitzenwert
etc. der Eingangsspannung darstellen.
Es Eoll beispielsweise für diesen bestimmten Anwendungsfall
der automatischen Verstärkungsregelung einmal angenommen werden, daß sich der Verstärkungsfaktor
umgekehrt proportional zum Amplitudenmittelwert der Eingangssignale Ei ändert In einem
solchen Fall wird in der Speichereinrichtung 21 eint Spannung gespeichert, die eine direkte Funktion diese!
Amplitudenmittelwertes der Eingangssignale ist. Diest Spannung wird derart in Änderungen des Stromes dei
Stromquelle 3 umgeformt, daß der Strom ζ seinerseit!
direkt eine Funktion der in der Speichereinrichtung 21 gespeicherten Spannung ist Wie bereits oben geschii
dert, liefert die Spannung nach Fig. 1 einen Ausgangs
strom w, der gleich dem Produkt der Ströme χ und j
geieiii durch den Wert des Stromes zist Wenn sich dei
Wert des Stromes χ nicht ändert, wird der Strom w
dargestellt durch die Funktion y geteilt durch z. Mil zunehmendem Amplitudenmittelwert der Eingangssi
gnale nimmt auch der Strom zzu und die Eingangssignale
werden nur mit einem kleinen Faktor multipliziert. Ds der Wert ζ direkt vom Amplitudenmittelwert dei
Eingangssignale abhängig ist, wird auf diese Weise eine automatische Verstärkungsregelung erreicht.
Für Anwendungen mit größerer geforderter Genauigkeit kann in vorteilhafter Weise ein Spannungstrennverstärker
mit dem Verstärkungsfaktor 1, wie ζ. Β 25 in F i g. 3 zwischen die Stromquelle 4 und derr
Transistor 5 eingeschaltet werden. In diesem Fall wire
zusätzlich die Basis-Kollektorstrecke des Transistors 5 kurzgeschlossen.
Diese Zwischenschaltung gewährleistet, daß irr wesentlichen der gesamte von der Stromquelle A
bereitgestellte Strom der Basis bzw. dem Kollektor vor Transistor 2 zugeführt wird. Im übrigen ist die Schaltung
gemäß F i g. 3 mit der in F i g. 1 identisch und arbeitet irr wesentlichen genauso.
Eine vorteilhafte Realisierung der Schaltung vor F i g. 3 ist in F i g. 4 dargestellt Entsprechende Bauelemente
der Schaltungen in F i g. 4 und F i g. 1 sind gleich bezeichnet. Die Schaltung in Fig.4 enthält wiederurr
ein erstes Transistorpaar mit den Transistoren 1 und 2 die an die Stromquelle 3 angeschlossen sind, sowie eir
zweites an die Stromquelle 7 angeschlossenes Transistorpaar 5 und 6. Der Spannungstrennverstärker 25 mil
dem Verstärkungsfaktor i besteht einmal aus der Transistoren 26 und 27, deren Emitteranschlüsse
miteinander und mit einer Stromquelle 28 verbunder sind. Der Basisanschluß von Transistor 26 ist an die
Stromquelle 4 und der Kollektoranschluß an die Klemme 29 mit positiver Spannung angeschlossen. Dei
Kollektoranschluß des Transistors 27 ist einmal mit dei Stromquelle 30 und zum anderen mit dem BasisanschluC
von Transistor 31 verbunden. Die Transistoren 31 unc 32 bilden eine Darlington-Schaltung, in deren Kollek
torkreis die Lastschaltung 33 eingeschaltet ist. Die Gegenkopplung für den Trennverstärker 25 wird durch
die direkte Verbindung des Emitteranschlusses vor Transistor 32 mit dem Basisanschluß von Transistor 2Ί
bewerkstelligt
Am Emitteranschluß von Transistor 32 steht auch da; Ausgangssignal des Verstärkers 25 zur Verfugung
weshalb dieser Anschluß auch mit dem BasisanschluC des hinsichtlich seiner Basis-Kollektorstrecke kurzge
schlossenen Transistors 5 verbunden ist
Der Strompegel der Stromquelle 30 kann irr Verhältnis zum Pegel der Stromquelle 28 derar
eingestellt werden, daß eventuelle Ungleichhheiten ir
den Transistorcharakteristiken der Transistorpaare 1, ί und 5, 6 kompensiert werdea Eine für die Schaltung
nach Fig.4 geeignete Lastschaltung ist in Fig.f
dargestellt und besteht aus einem über ein Gegenkopp lungselement 36 rückgekoppelten Umkehrverstärkei
35.
Schließlich ist die Erfindung nicht auf die Verwen
dung von NPN-Trar^istoren bzw. -Transistorpaaren
beschränkt, sondern kann bei entsprechend umgekehrter Polarität der Versorgungsspannungen bzw. Aussteuersignale
auch mit PNP-Transistoren realisiert werden. Infolge der ausschließlichen Verwendung von
Transistoren gleichen Leitfähigkeitstyps eignet sich die erfindungsgemäße Schaltung vorzüglich für eine Realisierung
in monolithischer Schaltkreistechnik. In den Figuren sind die im Zuge der Integration auf einen
einzigen Halbleiterpiättchen realisierbaren Schaltungsteile gestrichelt umrahmt.
Hierzu 1 Blatt Zuichnuneen
Claims (7)
1. Schaltungsanordnung zur Produkt- und/oder Quotientenbildung, bei der die Funktionsgrößen
durch elektrische Ströme dargestellt werden, mit zwei jeweils in Differentialverstärkeranordnung
geschalteten und an den Emitterknotenpunkten funktionsgrößenunabhängig stromgespeisten Transistorpaaren,
deren einander entsprechende Basis- h> anschlüsse miteinander verbunden und an eine
Bezugsspannungsquelle bzw. einen ersten Eingang angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet,
daß mit dem Emitterknotenpunkt jedes der beiden Transistorpaare (5, 6; 1, 2) je eine einen i'>
zweiten bzw. dritten Eingangsstrom (y, z) liefernde Stromquelle zur Bereitstellung zweier weiterer
voneinander unabhängiger Funktionsgrößen verbunden ist,- und daß zur Darstellung der Funktion
(w = —), wonach der Ausgangsstrom (w) dem
Produkt des ersten fxjund zweiten (y) Eingangsstromes
direkt und dem dritten Eingangsstrom (z) umgekehrt proportional ist, der durch einen der
beiden mit dem ersten Eingangsstrom (x) beauf- 2r>
schlagten Transistoren (2,5) fließende Strom als das
Funktionsergebnis repräsentierender Ausgangsstrom (w) erfaßt wird, wobei die nicht den
Ausgangsstrom (w) liefernden Transistoren (1, 2, 6) der beiden in Differentialverstärkeranordnung ge- «ι
schalteten Transistorpaare (1,2; 5,6) bezüglich ihrer
Kollektor-Basisstrecken kurzgeschlossen sind.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Transistoren der beiden in
Differentialverstärkeranordnung geschalteten Tran- s'> sistorpaare (1,2; 5, S) bezüglich ihrer Kollektor·Basisstrecken
kurzgeschlossen sind und zwischen den Basisanschlüssen der mit dem ersten Eingangsstrom
(x) beaufschlagten Transistoren (2, 5) ein Trennverstärker (25) eingeschaltet ist. 4i>
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Trennverstärker (25) als ein
Transistor-Differentialverstärker (26,27) ausgeführt
ist, dessen Basisanschlüsse mit den nicht auf der Bezugsspannung (Masse) liegenden Basisanschlüs- 4~>
sen der zu den beiden ersten Transistorpaaren (11,2; 5, 6) gehörigen Transistoren (2, 5) verbunden sind,
und daß der Ausgangsstrom (w) vom Kollektorstrom einer zum Trennverstärker (25) in Kaskade
geschalteten Transistorstufe (31,32) gebildet wird. w
4. Schaltungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch deren
Ausbildung in monolithischer Technik auf einen einzigen Halbleiterplättchen.
5. Schaltungsanordnung nach mindestens einem π
der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsströme (x, y, z) Funktionen weiterer
veränderlicher Größen darstellen.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Eingangssignalquelle (20) w>
direkt mit der den zweiten Eingangsstrom (y) liefernden Stromquelle (7) und über eine Speicher leitung
(21) mit der den dritten Eingangsstrom (z) liefernden Stromquelle (3) gekoppelt ist.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, gekenn- *>■>
zeichnet durch deren Verwendung als Verstärkungsregelungsschaltung,
wobei der Ausgangsstrom (w) die Regelgröße der zweite Eingangsstrom (y) die zu
regelnde Größe und der dritte Eingangsstrom (z) die Stellgröße darstellt und der erste Eingangsstrom (x)
konstant gehalten wird.
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