DE1944075A1

DE1944075A1 - Integrierter Operationsverstaerker

Info

Publication number: DE1944075A1
Application number: DE19691944075
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl-Ing Gehring; Wilfried Hammelchle
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-08-29
Filing date: 1969-08-29
Publication date: 1971-03-11
Also published as: SE351062B; NL7009967A; CH509629A; US3684972A; DE1944075B2; FR2059738A1; FR2059738B1; GB1253939A; AT297098B

Description

SIEMENS AKTIENGESELISCHAi¹T München 2, 29.AUG.19F9 Berlin und München Witteisbacherplatz 2

69/2800 **

Integrierte^ Operatijjnsyer^stärker

Die Erfindung "bezieht sich auf einen integrierten Operationsverstärker vom Typ eines Gleichspannungsverstärkers mit einem Differenzverstärker-Eingang und mit einem unsymmetrischen Ausgang.

Ein solcher Verstärker wird von der Differenz zweier Spannungen gesteuert. Wenn diese Differenz den Wert Null hat, dann soll die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers ebenfalls den Wert Null haben-(Nullpunkt des Operationsverstärkers). Der Absolutwert der Eingangsspannung gegen' ein festes Bezugspotential, beispielsweise gegen Masse, soll in einem weiten Bereich (Gleichtaktbereich) ohne Wirkung bleiben (Gleichtaktunterdrückung) , damit mehrere Operationsverstärker ohne besondere Maßnahmen direkt Ishintereinand ergeschaltet werden können. Für eine möglichst hohe Genauigkeit einer mit einem Operationsverstärker durchgeführten Rechenoperation sind als weitere Grundanforderungen möglichsb hohe Verstärkung, hoher Eingangswiderstand, niedriger Ausgangswiderstand und hoher Äussteuerbereich zu nennen. Ferner sind an die Konstanz der die Rechenoperation bestimmenden Werte, insbesondere im Hinblick auf die Temperatur hohe Genauigkeiteforderungen zu stellen. Die Temperaturabhängigkeit kann weitgehend dadurch klein gehalten werden, daß man die Bauelemente nach dem Prinzip der Paarung anordnet und dadurch mit verhältnismäßig geringem Aufwand erreicht, daß sich einzelne Temperaturabhängigkeiten kompensieren. .

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RH/Au

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Beispielsweise besteht ein auf dem Markt erhältlicher Operationsverstärker, mit dem die genannten Forderungen erfüllt werden sollen, aus einem Differenzverstärker am Eingang des Operationsverstärkers, aus einer Entsymmetrierst ufe, die das dem Differenzverstärker entnommene symmetrische Signal unsymmetrisch macht, d.h. eine Potentialverschiebung durchführt, und aus einer Eintakt-Endstufe in Darlington-Schaltung am Ausgang des Operationsverstärkers. Für den Differenzverstärker bildet ein mit einer Referenz-spannung gesteuerter Transistor mit Emitterwiderstand einen dynamischen Gegenkopplungswiderstand und liefert beiden Zweigen des Differenzverstärkers einen eingeprägten StromV-DieiJReferenzspannung wird mit Hilfe einer Diode mit ohmschem Reihenwiderstand gewonnen. Die Darlington-Endstufe benötigt ■ebenfalls eine durch einen Transistor verwirklichte.Stromquelle mit eingeprägtem Strom. _; . . ,.:'-.

Mit Hilfe dieses Operationsverstärkers lassen sich die genannten Forderungen zwar ^weitgehend erfüllen. Der Aufwand dazu ist jedoch noch verhältnismäßig groß. Angesichts der Wichtigkeit, für die Anwendung in der industriellen Elektronik einen Operationsverstärker äußerster Wirtschaftlichkeit zu bieten,-besteht die Aufgäbe, die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegt, darin, einen Operationsverstärker anzugeben, der ausgehend von dem geschilderten Operationsverstärker nicht nur die Anforderungen bes-serr erfüllt, sondern auch den Aufwand dazu verrrLngert.

Dementsprechend betrifft die vorliegende Erfindung einen integrierten Operationsverstärker mit einem am Eingang liegenden Differenzverstärker, mit einer darauffolgenden Entsymmetrier stufe und mit einer Endstufe in Darlington-Schaltung, wobei der Differenzverstärker aus zwei Iransistoren vom npn-Typ/besteht, an ieren Basen die Eingänge für ein inver-

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tiertes und für ein nicht invertiertes Eingangssignal angeschlossen sind, deren Kollektoren über jeweils einen ohmschen Kollelctorwiderstand an der Versorgungsspannung liegen und deren Emitter einen gemeinsamen Emitterwiderstand "besitzen, der aus der Reihenschaltung eines ohmschen Widerstandes und der Kollektor-Emitter-Strecke eines Stromeinprägetransistors vom npn-Typ besteht, zwischen dessen Basis und dem Bezugspotential, d.i. über der Reihenschaltung der Basis-Emitter-Strecke und des ohmschen Widerstandes eine Referenzspannung steht; wobei weiterhin die Entsymmetrierstufe aus zwei Transistoren von verschiedenem Leitungstyp besteht und der Emitter des pnp—Transistors mit dem Kollektor des einen Differenzverstärkertransistors und die Basis einerseits mit dem Emitter des npn-Transistors, dessen Basis am Kollektor des anderen Differenzverstärkertransistors und dessen Kollektor an der Versorgungsspannung liegt, andererseits über einen ohmschen Widerstand mit der Basis des Stromeinprägetransistors verbunden ist; wobei ferner die Endstufe aus zwei Transistoren vom npn-Typ besteht und die Basis des einen Endstufentransistors mit mit dem Kollektor des pnp-Transistors direkt und über einen ohmschen Widerstand mit der Basis des anderen Endstufentransistors verbunden ist, die ihrerseits mit dem Emitter
des einen Endstufentransistors direkt und über einen ohmschen Widerstand mit dem Emitter des anderen Endstufentransistors verbunden ist, und weiterhin beide Kollektoren zusammengeschaltet sind.

Zur Lösung der genannten Aufgabe wird bei einem solchen integrierten Operationsverstärker erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß an der Basis des Stromeinprägetransistors die Basis und der Kollektor eines Referenzspannungstransistors vom npn-Typ liegen, dessen Emitter am Bezugspotential angeschlossen ist, daß ferner der gemeinsame Kollektoranschluß der Endstufentransistoren den Ausgang des Operationsverstärkers bildet
uhd daß der Emitter des anderen Endstufentransistors., direkt auf dem Bezugspotential liegt.

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Mit Hilfe eines solchen erfindungsgemaßen integrierten Operationsverstärkers ist es möglich, die genannten Anforderungen in hohem Maße mit minimalem Aufwand zu erfüllen. Es werden dazu nur 6 ohmsche V/iderstände und 8 Transistoren, davon 7 vom npn-Typ und 1 vom pnp-Typ, von dem aber nur geringe Stromverstärkung verlangt wird, verwendet.

Nähere Erläuterungen sollen anhand eines in der Zeichnung dargestellten erfindungsgemaßen Operationsverstärkers gegeben werden.

Ein am Eingang des Operationsverstärkers liegender Differenzverstärker hat die Transistoren 1 und 2 vom npn-Typ. Deren Basen liegen jeweils an einem Eingang für ein invertiertes bzw. nicht invertiertes Eingangssignal. Die Kollektoren liegen jeweils über einen ohmschen Kollektorwiderstand 9 bzw. an der Versorgungsspannung. Ein den beiden Emittern gemeinsamer dynamischer Emitterwiderstand besteht aus der Reihenschaltung eines ohmschen Widerstandes 1V und der Emitter-Kollektor-Strecke eines Stromeinprägetransistors 3 vom npn-Typ, wobei~ der Kollektor des Str.omeinprägetransistors 3 mit den Emittern der Transistoren 1 und 2 verbunden ist und der ohmsche Widerstand 11 zum Bezugspotential führt. Zwei Transistoren 4 und 5 von verschiedenem Leitungstyp bilden eine Entsymmetrierstufe, wobei der Transistor 5 vom pnp-Typ ist. Sein Emitter ist mit dem Kollektor des Transistors 2 verbunden; seine Basis einerseits mit dem Emitter des Transistors 4, andererseits über einen ohmschen Widerstand 12 mit der Basis des Stromeinräge transistors 3. Die Basis des Transistors 4 liegt am Kollektor des Transistors 1, der Kollektor des Transistors 4 an der Versorgungsspannung.

An der Basis des Gegenkopplungstransistors 3 liegen außerdem die Basis und der Kollektor eines Referenzspannungstransidbors 8., dessen Emitter'Bezugspotential führt.

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Die Dar lington-Sndstufe besteht aus ,den Transistoren 6 und 7 vom npn-Typ. Die Basis des Transistors 6 ist einerseits mit dem Kollektor des Transistors 5, andererseits über einen ohmschen Widerstand 13 mit der Basis des Transistors 7 und mit dem Emitter des Transistors 6 verbunden. Die Basis des Transistors 7 liegt außerdem über einen ohmschan Widerstand 14» der Emitter des Transistors 7 direkt auf dem Bezugspotential. Die Kollektoren der Transistoren 6 und 7 sind zusammengeschaltet und führen zum Ausgang des Operationsverstärkers.

An die Basen dßr Transistoren 1 und 2 wird das zu verstärkende Eingangssignal, einmal invertiert und einmal nicht invertiert gegeben. Es besteht damit für den Differenzverstärker aus einem Gleichtaktanteil und aus einem Gegentaktanteil. Im Differenzverstärker wird der Gleichtaktanteil unterdrückt. Der Gegentaktanteil wird verstärkt zwischen den Kollektoren der beiden Transistoren 1 und 2 als Signal zur Steuerung der folgenden Entsymmetrierstufe abgenommen. Dieses Signal ist ein reines symmetrisches Gegentaktsignal. Zur Verstärkung in der im Eintakt arbeitenden Endstufe muß das symmetrische Gegentaktsignal wieder entsymmetriert werden. Das geschieht in der Entsymmetrierstufe durch eine Potentialverschiebung. Der Transistor 4 legt die Signalspannung, die am Kollektorwiderstand 9 abgenommen wird, niederohmig und dynamisch belastungslos - da er als Emitterfolger geschaltet ist - an die Basis des Transistors 5. Dadurch, daß der Emitter des Transistors 5 am Kollektor des Transistors 2 liegt, wird der Transistor 5 von der Differenz der an den Kollektorwiderständen 9 /und Io stehenden Signalspannungen gesteuert. Der ohmsche Widerstand 12 schließt über den Referenzspannungstransistor 8 den Gleichstrompfad für den Transistor 4.

Dieser Referenzspgnnungstransistor 8 ist durch die Verbindung von Kollektor und Basis als Diode geschaltet und dient zum Einstellen einer Referenzspannung, die sich für unterschiedliche Ströme und Temperaturen in dergleichen Weise ändert wie die Basis-Eraitter-Flußspannung eines Transistors.

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Mit Hilfe dieser Referenzspannung bildet der Stromeinprägetranastor 3 mit dem ohmschen Wid er stand 11. eine Stromquelle mit einem eingeprägten Strom. Dadurch wird eine hohe GIeiehtaktunterdrückung erreicht. Der Gleichtaktbereich des Operationsverstärkers wird sehr groß.

Durch die Verbindung des als Diode wirkenden Referenzspannungstransistors 8 mit dem Gegenkopplungstransistor 3 entsteht gleichzeitig eine Gleichstromregelschleife mit Gegenkopplung, die die Arbeitspunkte gut stabilisiert.

Am Kollektor des Transistors 5 vtird das nunmehr unsymmetrische Signal abgenommen und der Darlington-Endstufe zugeführt. Die ohraschen Widerstände 13 und 14 dienen zur Einstellung der Kollektorströme der Transistoren 6 und 7. Die Darlington-Endstufe wirkt mit ihren beiden Transistoren 6 und 7.wie ein einziger Eintakt-Transistorverstärker in Emitterschaltung. Sie benötigt im Gegensatz zum Stand der Technik keine Stromquelle mit eingeprägtem Strom und bietet dadurch den Vorteil einer erheblichen Vereinfachung. Die Aussteuerbarkeit ist sehr groß und bezüglich verschiedener Exemplare kaum Sijreuun- / gen unterworfen. Die maximale Aussteuerbarkeit nach positiver Richtung ergibt sich durch die Spannung, an der der lastwiderstand liegt, der extern am Ausgang angeschlossen wird. Damit / kann diese Aussteuerbarkeit von außen - bei Bedarf mit einem Spannungsteiler - eingestellt werden. Die Aussteuerbarkeit in negativer Richtung ist nahezu unabhängig von der Belastung.

Der Ausgangswiderstand (iäftßs erfindungsgemäßen Operationsverstärkers ist ausreichend niederohraig. Durch den extern anzuschließenden lastwiderstand ist die Einsatzmöglichkeit des Operationsverstärkers sehr vielseitig. Bei einem sehr hochohmigen Lastwiderstand läßt sich, da außer cUffcch den last-Stromkreis der Endstufe ein nennenswerter Strom nur noGh über

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die Transistoren 4 und 8 und über den ohmschen Widerstand 12 fließt, eine sehr niedrige Gesamtstromaufnahme einstellen, die spürbar kleiner ist als die bekannter Operationsverstärker. Andererseits sind so große Lastströme zulässig, daß kleine Stellmotoren und Relais¹ mit entsprechend nieder? ohmigen "Widerständen direkt gesteuert werden können.

Eingang und Ausgang der Endstufe sind zueinander gegenphasig. Man kann daher mit einem einzigen extern zwischen Kollektor und Basis des Transistors 6 geschalteten Kondensator einen konstanten Verstärkungsabfall von 6 dB/Oktave über einen v/eiten Frequenzbereich erreichen. Dadurch wird die Phasensicherheit des Operationsverstärkers ausreichend groß, um bei allen vorkommenden Gegenkopplungen Stabilität zu garantieren.

Die Abhängigkeit der Verstärkereigenschaften von der Betriebsspannung ist gering, da die Arbeitspunkte gegen Spannungsschv/pnkungen sehr stabil sind. Die Temperaturabhängigkeit der Parameter ist wegen der Arbet tspunktstabilität und den gleichen Temperaturkoeffizienten der integrierten Widerstände und Transistoren weitgehend aufgehoben.

1 Patentanspruch
1 Figur

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Claims

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Pa t e η ta n__; s

Integrierter Operationsverstärker mit einem am Emggang liegenden Differenzverstärker,mit einer darauffolgenden Entsymmetrierstufe und mit einer Endstufe in Darlington-Schaltung, wobei der Differenzverstärker aus zwei Transistoren (1 und 2) vom npn-Typ besteht, an deren Basen die Eingänge für ein invertiertes und für ein nicht invertiertes Eingangssignal angeschlossen sind, deren Kollektoren über jeweils einen ohmsehen Kollektorwiderstand (9>1o) an der Versorgungsspannung liegen und deren Emitter einen gemeinsamen Emitterwiderstand besitzen, der aus der Reihenschaltung eines ohmschen Widerstandes (11.) und der Kollektor-Emitter-Strecke-eines Stromeinprägetransistors (3) vom npn-Typ besteht, zwischen dessen Basis und dem Bezugspotential, di i. über der Reihenschaltung aus der Basis-Emitter-Strecke und dem ohmschen Widerstand (11), eine Referenzspannung steht; wobei weiterhin die Entsymmetrierstufe aus zwei Transistoren (4 und 5) von verschiedenem Leitungstyp besteht und der Emitter des pnp-Transistors (5) mit dem Kollektor des einen Differenzverstärkertransistors (2) und die Basis einerseits mit dem Emitter des npn-Transistors (4)» dessen Basis am Kollektor des anderen Differenzverstärkertransistora (1) und dessen Kollektor an der Versorgungsspannung liegt, andererseits über einen ohmschen Widerstand (12) mit der Basis des Stromeinprägetransistors (3) verbunden ist; wobei ferner die Endstufe aus zwei Transistoren (6 und 7) vom npn-Typ besteht und die Basis des einen Endstufentransistors (6) mit dem Kollektor des pnp-Transistors (5) direkt und über einen ohmschen Widerstand mit der Basis des anderen Endstufentransistors (7) verbunden ist, die ihrerseits mit dem Emitter de.s einen Endstufentransistors (6) direkt und über einen ohmschen Widerstand mit dem Emitter des anderen Endstufentransistors (7) verbunden ist, und weiterhin beide Kollektoren zusammengeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet,

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daß an der Basis des Stromeinprägetransistors (3) die Basis und der Kollektor eines Referenzspannungstransistors (8) vom npn-Typ liegen, dessen Emitter am Bezugspotential angeschlossen ist, daß ferner der gemeinsame Kollektoranschluß der Enstufentransistoren (6 und 7) den Ausgang des Operationsverstärkers bildet und daß der Emitter des anderen Endstufentransistors (7) direkt auf dem Bezugspotential liegt. . . .

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