DE1921936A1

DE1921936A1 - Elektrischer Schaltkreis,insbesondere Differentialverstaerkerstufe

Info

Publication number: DE1921936A1
Application number: DE19691921936
Authority: DE
Inventors: Heuner Robert Charles; Iroin Ostroff
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1968-05-03
Filing date: 1969-04-29
Publication date: 1969-11-20
Also published as: FR2007793A1; DE1921936B2; JPS5538844B1; GB1262783A; DE1921936C3; US3522548A

Description

6763-69/H

HCA 59,4-ό1

U.S. aerial No. 726,3.23

i'iled May 5, 1968

Kadi ο ^orporatio;. of America, New York, N. Ύ., USa

Elektrischer Schaltkreis, insbesondere Differentialverstärkerstufe .

Die Lrfindung betrifft einen elektrischen bchaltkreis mit einer Vorrichtung zum Erzeugen eines im wesentlichen konstanten Stromes, die zwischen zwei Verbindungspunkten des Schaltkreises einen ersten fcstrompfad schafft, dessen Leitfähigkeit sich mit der Temperatur ändert. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Differentialverstärkerstufe.

Die Verwendung einer Differentialverstärkerstufe, die entweder mit einer Transistorstromabflußvorrichtung oder mit einem gemeinsamen Emitterwiderstand bestückt ist, ist bekannt. Die Konstantstromsenke (etwa gemäß der USA-Patentschrift 3 290 520) gewährleistet die für eine gute Gleichtaktunterdrückung erforderliche hohe Impedanz und verhält sich außerdem wie eine Vorricntung zum Erzeugen eines im wesentlichen konstanten Stromes, die praktisch unempfindlich gegen Schwankungen des Netzteiles bzw. der Stromversorgung ist. Der Schaltkreis ist aber wegen der 'i'emperaturabhängigkeit des in Durchlaßrichtung vorgespannten Basis-Emitter-übergangs in hohem Maße anfällig gegen Semperaturänderungen. Zusätzlich bereitet die an sich erwünschte hohe Emiüterimpedanz bei hohen Frequenzen Schwierigkeiten, denn sie macht den Schaltkreis unstabil, was sich durch Schwingungen in der Verstärkerstufe bemerkbar macht. Wenn man statt dessen einen gemeinsamen Emitterwiderstand verwendet, so hat dies den Nachteil, daß der durch den Emitterwiderstand fließende Strom eine Punktion der Versorgungsspannung ist und sich in direkter Abhängigkeit von dieser ändert. Damit man eine hochohmige Eingangs-.impedanz erhält, muß der Emitterwiderstand außerdem groß ge-

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wählt werden, und um in der Verstärkerstufe einen hininialstroinpegel aufrecht zuhalten, jguß man eine höhere Versorgungssparmung verwenden. Der Schaltkreis mit einem gemeinsamen jMnitterwiderstand ist also spannungsabhängig und besitzt einen schlechten Wirkungsgrad, denn er verbraucht mehr Leistung als es bei Alternativmethoden erforderlich ist. Die Erfindung bezweckt, einen Schaltkreis anzugeben, der die oben angeführten Nachteile auf ein Minimum herabsetzt, und bei dem die temperaturabhän.ifjen Parameter beseitigt werden.

Bei einem bevorzugten (weiter unten anhand der Zeichnung erläuterten) Ausführungsbeispiel einer emit,ergekoppelten Differentialverstärkerstufe gemäß der Erfindung besteht der Emitterkreis aus der Parallelschaltung aus einer Vorrichtung für praktisch konstanten Stromabfluß und einem gemeinsamen Emitterwiderstand. Diese Schaltungskombination gewährleistet insofern eine temperaturkompensation, als sie den Strom des Differentialverstärkers trotz änderungen der Temperatur konstant hält. Die Differentialverstärkerstufe gemäß der Erfindung besitzt außerdem die vorteilhaften Eigenschaften sowohl der Konstantstromsenke als auch des remeinsamen Emitterwiderstandes, was sich durch ihre verminderte abhängigkeit von Schwankungen der Versorgun.^sspannung und durch ihre erhöhte Stabilität über einen breiten Frequenzbereich bemerkbar macht.

In logischen 'x'orschaltungen, in denen die -orfirxhmp; realisiert ist, wird die Störspanne konstant gehalten, so daß der Schaltkreis besser für einen Betrieb in einem größeren temperatur- und Versorgungsspannune-sbereich geeignet ist«,

Im folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutere werden. Die Zeichnung zeigt in:

Pig.1 ein schematisches Schaltbild einer emittergekoppelten Differentialverstärkörstufe gemäß der Erfindung;

Fig.2 ein schematisches Schaltbild einer Ausführungsform einer Vorspannungsschaltung für eine Transistorstromsenke; und

Fig.3 ein schematisches Schaltbild einer emittergekoppelten logischen Stromsteuerschaltung gemäß der Erfindung.

Emittergekoppelte Differentialvepstärkerstufen werden in weitem Maße in Verstärkerschaltungen, insbesondere in Hechenverstärkern und in schnellen logischen Stromsteuertorschaltungen

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verwendet, wo eine galvanische Kopplung der Stufen erwünscht und notwendig ist. Lei dieser Betriebsweise wird jedoch stark die zulässige Drift des Ausgangsspannunp:spegels der Verstärkerstufe eingeschränkt.

Der Ausgangsspannungspegel wird durch den Spannungsabfall · am Lastwiderstand bestimn.t. Dieser Spannungsabfall ist direkt proportional zum viert des im Lastwiderstand fließenden Kollektorstroms (!«). Offensichtlich führt jede Änderung des KollektorStroms zu einer Änderung der Ausgaagsspannung. Jede Drift oder änderung des Ivollektorstroms, wo sie auch immer herrühren mag, ist also gleichbedeutend mit einem fehlerhaften rdngangssignal.

In einer logischen torschaltung können Kollektorstromän-rderungen, die eine Verschiebung der logischen Pegel verursachen, die Störfestigkeit so stark herabsetzen^, daß die Torschaltung anfällig dafür wird, durch Störimpulse niedriger .amplitude L;etriggert au werden« Eine hinreichend große änderung kann dazu führen, daß statt einer logischen "Ό" eine logische "1" (oder umgekehrt) dargestellt und dadurch eine Fehlauslösung bewirkt wird«

Eine Regelung des Kollektorstroms erhält man gemäß dem dargestellten .ausführungsbei spiel der Erfindung durch die in den Emitterkreis der Difχerentialverstärkerstufe geschaltete l-'arallelschaltung aus einem Stomerzeuger und einem gemeinsamen Emitterwiderstand» kenn die Temperatur ansteigt, dient ein wachsender Strom durch den gemeinsamen Emitterwiderstand als Ausgleich für eine Abnahme des durch den Stromerzeuger fließenden Stromes» Das Problem und seine Lösung soll nun anhand von B'igβ 1- erläutert werden« Die dort dargestellte Differentialverstärkerstufe mit zusammengeschalteten Emittern enthält einen ersten Transistor 10 von bestimmtem Leitfähigkeitstyp, beim dargestellten Ausführungsbeispiel vom npn-Typ, der in einen ersten Zweig des Kreises geschaltet ist, und einen zweiten transistor 12 vom gleichen Leitfähigkeitstyp, der parallel in einen zweiten Schaltkreiszweig geschaltet ist. Die Emitter der beiden Transistoren 10 und 12 sind gemeinsam an den Verbiudungspunkt 14 anp-jeschlossen. Der Kollektor d-s Transistors 10 ist mit einem

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Widerstand 16 und der Kollektor des Transistors 12 mit einem Widerstand 18 verbunden. Die jeweils anderen x,nden der Widerstände 16 und 18 liegen an einem Punkt mit weitgehend fester Spannung, gemäß der Darstellung an Masse. Zum Anschluß von zusätzlichen Schaltkreisen an den Differentialverstärker dienen Ausgangsklemmen 20 und 22. Die Basen der iransistoren 10 bzw* 12 sind mit Signalquellen 24 bzw. 26 gekoppelt. Die Signalquellen können unabhängig voneinander sein, oder die eine kann eit;e Bezugsquelle sein, während die andere veränderlich sein kann. Der gemeinsame Verbindungspunkt 14- ist mit dem Kollektor eines Transistors 28 und dem einen Ende eines Widerstands 30 verbunden. Das andere i^nde dieses Widerstands 30 liegt an der .negativen Klemme 32 einer geeigneten Spannungsquelle 34. Ein Widerstand 36 ist mit einem Ende an die Klemme 32 und mit dem anderen Ende an den Emitter des Transistors 28 angeschlossen. Die Basis 38 des xransistors 28 liegt an einem I-uukt relativ festen Potentials, das von einer Vorspannungsquelle 40 geliefert wird. Eine besonders bei integrierten Schaltungen zweckmäßige Möglichkeit zur Schaffung der Vorspannung ist in Figo2 dargestellt, wo man die feste Vorspannung mittels zweier Dioden 52 und 54 erhält, die an einen Stromversorgungswiderstand 56 angeschlossen sind, der seinerseits an Masse liegt. "

Die Betriebsweise der Differentialstufe ist an sich bekannt. Es sollen deshalb nur die die Erfindung betreffenden Hauptgesichtspunkte erläutert werden.

Der in den Transistoren 10 und 12 fließende Strom wird im wesentlichen durch den Emitterkreis bestimmt, der aus dem äferomabflußtransistor 28 und dem gemeinsamen Emitterwiderstand 30 besteht. Unter der "Voraussetzung, daß die Transistoren 10 und 12 relativ hohe Stromverstärkungsfaktoren (B ⁵^" 50) besitzen, ist die Vereinfachung zulässig, daß der Kollektorstrom gleich dem Emitterstfcom ist. Der von einem oder beiden Transistoren 10 und 12 gelieferte Gesamtemitterstrom I fließt dann in den gemeinsamen Emitterkreis, welcher zwei Strompfade enthält. Ein erster Strom I^ fließt längs eines Strompfades, der aus dem "Kollektor-Emitter-übergang des Transistors 28 und dem Widerstand 36 besteht, in den Stromabflußkreis. Dieser erste Strom Iyj ist virtuell unabhängig von Änderungen der Versorgungsspanaung,

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da er durch einen Wert der an die Basis des Transistors 28 angelegten Vorspannung e, abzüglich des Basis-Emitter-Spannungsabfalls V_ßE des Transistors 28, dividiert durch den Viert des Widerstands 36, bestimmt ist und somit durch die folgende Gleichung dargestellt werden kann:

ρ " — V
_β _^eb ^VBE

^R36

Durch den gemiensamen Emitt erwiderst and ~$O fließt ein zweiter Strom Ip. Dieser Strom IU wird durch die Spannung bestimmt, die zwischen dem Verbindungspunkt 14-, wo die gemeinsame Emitterspannung der Verstärkerstufe herrscht, und dem Verbindungspunkt 32, der die negative Klemme der Spannungsquelle 34- ist und auf einem Potential wert von -V-gg gehalten wird, liegt, Die Spannung am Verbindungspunkt 14- wird immer gleich dem höchsten Wert der Einganpsspannung e. abzüglich des Basis-EmitterSpannung s ab falls in Durchlaßrichtung V-gr» eines oder beider Transistoren 1ü und 12 sein. Der Strom I₂ ist daher eine funktion der Eingangsspannung, der Netz- oder Versorgungsspannung, des Spannungsabfalls V^ eines oder beider Differentxaltransistoren, und des Wertes des Widerstands 30· Er kann durch folgenden Ausdruck widergegeben werden:

""■ + e - V
^{+ e}in BE

Es wturde schon erwähnt, daß die Summe aus I.- und Ip gleich dem Emitterstrom ist, der wiederum den in den Kollektoren der Transistoren 10 und/oder 12 fließenden Strom repräsentiert. Bei der Betrachtung der Gleichungen für I- und Ip sieht man, daß beide einen Ausdruck enthalten, der einem in Durchlaßrichtung vorgespannten Basis-Emitter-Übergang (V-g-c·) entspricht. Der Basis-Emitter-Spannungsabfall Vtj_E ist sowohl von der Temperatur als auch von der Stromamplitude abhängig. Außerdem ist der Temperaturkoeffizient der Änderung von V_gXi durch die -i-emperatur von der jEjtromamplitude abhängig. Bei einem Transistor einer bestimmten Geometrie hat sich z.B. herausgestellt, daß der Temperaturkoeffizient von V_BE sich von -1,6 mV/⁸O. bei niedrigen

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ümitterströmen (0,1 mA oder weniger) bis zu -1,5 mV/ G bei einem Emitterstrom von 5 mA ändert.

Wenn gemäß Fig.2 die Vorspannung e, für den Stromabflußkreis von zwei Transistoren abgeleitet wird, die als Dioden geschaltet sind (durch einen Kurzschluß zwischen der Lasis und dem Kollektor oder einfaches "Schwimrenlassen" des Kollektors und alleinige Verwendung der Basis-Emitter-ubergänge), wie es häufig im Falle von integrierten Schaltungen geschieht', ist der Wert der Vorspannung die Summe aus den jeweiligen abfällen. In dem beschriebenen Fall würde e, gleich zwei Spannungsabfallen sein (e, = 2V_x,.-.). Wenn man diesen Wert für e, in die Gleichung für Iy, einsetzt, sieht man, daß dieser er= ste Strom I^ gleich einem Spannungsabfall V-„ ,. dividiert durch den Viert des Widerstands 36 ist (X₁ = V_T,.,/IU_r). Da V₁₁,,. einen

I IjXi yd JDXi

negativen -emperaturkoeffizienten hat, nimmt Iy. mit steigender Temperatur ab. Betrachtet man die Gleichung für Ip, so sieht man, daß ein 'Temperaturanstieg zu einem Absinken von V„ ,. führt, was einen Gesamtanstieg des Potentiales am festgelegten Widerstand R^₀ und somit ein Ansteigen von Ip zur Folge hat. Durch die richtige -lUswahl des Verhältnisses von It₂Q und R^g kann man einen nahezu vollkommenen Ausgleich oder Gleichgewichtszustand erreichen. Auf diese Weise wird eine Temperaturkompensation ohne die Verwendung von speziellen Materialien bev/irkt. Dieses Verfahren eignet sich insbesondere für die Technik der integrierten Schaltungen, ist aber nicht auf diese beschränkt.

In Fig.3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der iiirfindung dargestellt, bei welchem die Differentialstufe ein Teil einer logischen Stromsteuertorschaltung ist. Die Ausgangsklemmen 20 bzw. 22 des Differentialverstärkers sind an die Basen der Transistoren 60 bzw. 62, die als Emitterfolger geschaltet sind, angeschlossen. Die Ausgangssignale dieser Emitterfolger sind das "NOE"- und "ODER"-Signal zum Ansteuern nachgeschalteter Torschaltungen. Ein Transistor 64, dessen Basis über einen Widerstand 65 an Masse liegt, bildet den Emitterfolgerausgang einer vorgeschalteten Stufe und ist gemäß der Darstellung an die Basis des Transistors 12 angeschlossen. Eb sei angenommen, daß das Ausgangssignal dieses Transistors ein Signal mit hohem Pegel oder eine logische "1" ist. Die Basis des Transistors 10

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ist mit dem emitter eines Transistors 66 verbunden, der den ^eferenzpefcjel für die Differentialstufe liefert und als Stromversorgungsquelle für den Vorspannungskreis für die Stromsenke wirkt. Dieser Vorspannungskreis besteht aus uem Widerstand 56 und Dioden 52 und 5^» bei denen es sich beispielsweise um Tran- · sistoren mit einem Kurzschluß zwischen Basis und Kollektor handelt. Die Basis des Transistors 66 ist an einen Spannungsteiler aus den Widerständen 6b und 70 angeschlossen. Das Verhältnis dieser beiden Widerstände stellt den gewünschten Referenzpegel ein.

Eine Analyse der Schaltung zeigt, daß der Spannungspegel am f.emeinsamen Emitter der Transistoren 10 und 12, also am Verbindungspunkt 14, jeweils einen von zwei Vierten besitzt. Der erste Wert, den man erhält, wenn der Ausgang der vorgeschalteten Stufe sich im Zustand "Hi" ("hoch") befindet,'ist ungefähr gleich hasse].otential abzüglich der Summe der Dur chi aßspannungsabf alle der Basis-iMiiitter-Übergänge der Transistoren b4 und 12. Der zweite Wert, der sich ergibt, wenn der Ausgang der vorgeschalteten Stufe den Zustand "Lo" ("tief") aufweist," ist ungefähr gleich der durch die Widerstände 68 und 70 eingestellten Referenzspannung abzüglich der Summe der Durchlaßspannungsabfälle der Basis- -unitter-ubergänge der Transistoren 66 und 10. Somit ist die Spannung am Verbiiadungspunkt 14 immer um zwei Vg-^=Spannungsabfalle (2V_T.-_L,) tiefer als entweder Massepotentiäl oder das durch die Widerstände 68 und 70 eingestellte Referenzpotential. Wie oben erläutert wurde, wird infolgedessen die Spannung am Verbiudungspunkt 14 bei einem Ansteigen der Temperatür mit der doppelten durch den negativen Temperaturkoöffizienten eines einzigen Basis-Emitter-übergangs gegebenen Rate ansteigen. Wenn man lediglich beispielsweise einen negativen Temperaturkoeffizienten von 1,6 mV/°G annimmt_s wird das Botential am Verbindungspunkt 14 um 3>2 mV/°G angehoben werden, was einen Anstieg des Stromes I₀ durch den gemeinsamen Emitterwiderstand 30 um

mA/ 0 zur Folge hat. Der Stromerzeugerkreis ist identisch

30
mit demjenigen, den man bei einer Kombination der Figuren 1 und 2 erhält, und wie oben beschrieben wurde, wird die Spannung am Widerstand 36 mit einer Rate von 1,6 mV/°G sinken, was zu einer Abnahme des Stromes 1_Λ mit einer Rate von J-^⁶- mA/°C führt „

^{1 R}36

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Durch richtige Wahl der Widerstandsverhältnisse kann die Stromabnahme im ersten Strompfad durch die Stromzunahme im zweiten Strompfad ausgeglichen oder aufgehoben werden. Obwohl gemäß dem oben dargelegten Beispiel R™ doppelt so groß wie R-. gewählt werden sollte, zeigen Laboruntersuchungen, daß wegen sekundärer Effekte wie z.B. der Änderung des Temperaturkoeffizienten des in Durchlaßrichtung vorgespannten Basis-Emitterübergangs mit der Stromamplitude für einen optimalen Ausgleich ein anderes Verhältnis als 2:1 erforderlich sein kann. Bei einem bestimmten Schaltkreis gemäß der Erfindung ergab z.B. ein Verhältnis von 3:1 einen optimalen Ausgleich.

Dadurch, daß man die Emitterströme gleichmäßig zwischen den beiden durch den gemeinsamen Emitterwiderstand und die Konstantstromsenke gebildeten Leitungs- oder Strompfaden aufteilt, erhält man einen nahezu vollkommenen 'i'emperaturgleichlauf. Dies hat zur Felge, daß über den gesamten Bereich der Ternperaturänderungen eine konstante Störspanne erhalten bleibt.

Die Transistorstromsenke wird vorgespannt, damit der hindurchfließende Strom unabhängig von Schwankungen der Netz- oder Versorgungsspannung ist. Wenn also der.Emitterstrom gleichmäßig in I^ und I₂ aufgeteilt wird, wird er nur halb so empfindlich gegen eine Stromversorgungsregelung als im Falle einer Schaltung, die nur aus einem gemeinsamen Emitterwiderstand besteht.

Wenn man nur eine Stromquelle mit hoher Impedanz benutzt, so hat dies einen nachteiligen Einfluß auf die Schaltungsstabilität,, Durch eine Leitungsinduktivität (im Basiskreis des Differentialverstärkers) und durch eine Parallel- oder Querkapazität an der Emitterverbindung der beiden Differentialtransistoren wird wirkungsmäßig ein LC-Kreis gebildet_? der die Verstärkerstufe zum Schwingen bringen kann. V/enn man aber die Ausgangsimpedanz der Stromquelle mittels des gemeinsamen Emitterwiderstands herabsetzt, so wirkt dies als Nebenschluß für die Kapazität, so daß der Bereich der FrequenzStabilität vergrößert wird.

Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen wird ein gemeinsamer Emitterwiderstand parallel zu einer Transistorstromsenke verwendet, wodurch eine J-'emperaturkompensation, Unempfindlichkeit gegen Schwankungen der Energieversorgung und eine gute Frequenzstabilität erzielt werden. Zur Erläuterung der Erfindung

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wurde eine 'i'ransistorstromsenke gewählt, weÜiXL sie sich ausgezeichnet für integrierte Schaltungen eignet. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß man gleiche oder ähnliche Ergebnisse erzielt, wenn man zu irgend einem in den Emitterkreis der Differentialstufe geschalteten temperaturempfindlichen Stromerzeuger "einen gemeinsamen ümitterwiderstand parallel schaltet.

Die Verwendung des Emitterwiderstands kann dadurch erweitert werden, daß man mit dem Emitterwiderstand 30 der Differentialstufe nur den Kollektor-Emitter-übergang des Stromabflußtransistors 28 überbrückt und den Widerstand 36 als gemeinsame Rückleitung für beide Strompfade benutzt. Eine solche Anordnung weist zwar einen schlechteren 'temperaturgleichlauf auf, erhöht aber die Umempfindlichkeit gegen Energieversorgungsschwankungen und gegen ein Rauschen des Pegels des Eingangssignals "1" und verringert die Schwinganfälligkeit. Außerdem kann man bei dieser Anordnung die beiden Widerstände wesentlich kleiner wählen, ohne die Verlustleistung zu erhöhen, was insbesondere bei integrierten Schaltungen ein sehr erwünschtes Endziel ist.

Obwohl die beschriebenen Schaltkreise mit npn-'iransistören bestückt sind, würden sie selbstverstädndlich auch mit pnp-Transistoren arbeiten, wenn man die Anschlüsse an die Spannungsquelle umkehrt.

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Claims

Patentansprüche

1.) Elektrischer üchaltkreis mit einer Vorrichtung zum Lrzeugen eines im wesentlichen konstanten Stromes, die zwischen zwei Verbindungspunkten des Schaltkreises einen ersten Strompfad schafft, dessen Leitfähigkeit sich mit der ^xemperatur ändert, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kompensationsvorrichtung mit einem ersten Widerstand (30) vorgesehen ist, die zwischen den beiden Verbindungspunkten (14, 32) einen zweiten üurompfad bildet, dessen Strompegel sich derart ändert, daß er änderungen im ersten Strompfad (28, 36) aufgrund von 'i'emperaturschwankungen ausgleicht.

2.) Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromerzeugungsvorrichtung einen zweiten Widerstand (36) und einen i'ransistor (28), dessen Basis an einen Punkt (38) praktisch festen Potentiales angeschlossen ist, aufweist, und daß dieser zweite Widerstand zwischen den lanitter des Transistors und den einen Verbindungspunkt (32) geschaltet und der Kollektor des 'fransistors mit dem anderen Verbindungspunkt (14) gekoppelt ist.

3.) Schaltkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Punkt (38) festen Potentiales an eine Spannungsquelle (40; 52, 54) angeschlossen ist, dessen Potential einen solchen Wert besitzt, daß der ümitter-Basis-Übergang des Transistors (28) in Durchlaßrichtung vorgespannt ist.

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