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Uber mehrere StuSen gegenXekoppelter Differensverstarker Die Erfindung
betrifft einen über mehrere Stufen gegengekoppelten Differenzverstärker, bei dem
die erste Stufe aus zwei basisseitig angesteuerten Transistoren, deren Emitterströme
über einen Zweipol miteinander verkoppelt sind, besteht, und die letzte Stufe zwei
symmetrische Ausgangsklemmen aufweist.
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Differenzverstärker der vorgenannten Art sind bekannt. Sie werden
ganz allgemein dazu verwendet, die Differenz zwischen zwei Eingangssignalen zu verstärken,
wobei Signale, die an beiden Eingängen gleichzeitig anliegen, unterdrückt werden
sollen. Anwendung findet dieses Prinzip meist bei Meß- und Operationsverstärkern.
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Bei der eingangs genannten Schaltungsanordnung wird, wie z.B.
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aus der deutschen Auslegeschrift 1 257 212 hervorgeht, ganz allgemein
davon ausgegangen, daß die größtmögliche Gleich taktunterdrückung durch einen in
die gemeinsame Emittersuleitung gelegten Zweipol erzielt wird, der annähernd eine
Stromeinprägung bewirkt, d.h. der eine moglichst hochohmige differentiellen Widerstand
aufweist. Die Stromeinprägung wird ip diesen Anordnungen mit Hilfe weiterer Transistoren
bewirkt, die meist eine störende Temperaturabhängigkeit auf weisen, die dann im
allgemeinen durch zusätzliche Maßnahmen kompensiert werden muß.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Differenzverstärker ou schaffen,
der einfach aufgebaut ist und eine hohe GleichtaktunterdrUckung bewirkt.
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Ausgehend von einem über mehrere Stufen gegengekoppelten Differenzverstärker
der- eingangs genannten Art ist diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
zwischen die eine Ausgangsklemme und die eine Eingangsklemme des Differenzverstärkers
ein erster Gegenkopplungswiderstand und zwischen die andere Ausgangsklemme und die
andere Eingangsklemme ein zweiter Gegenkopplungsiderstand eingeschaltet sind und
daß der Zweipol auf einen differentiellen Beitasert annähernd gleich der Summe der
leitwerte der beiden Gegenkopplungswiderstände bemessen ist.
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Durch diese Maßnahmen ergibt sich der Vorteil, daß in einfacher Weise
eine Gleichtaktunterdrückung erzielt wird, die erheblich den Wert, der bei bekannten
Differensverstarkern erzielt werden kann, übersteigt, selbst wenn diese mit einer
zusätzlichen Anordnung zur absoluten Stromeinprägung für die Summe der Emitterströme
der ersten Stufe ausgestattet sind.
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Dabei entfällt nicht nur die Notwendigkeit der eingeprägten Stromquelle
sondern auch deren Temparaturabhängi'gkeit.
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Bei einer auch bezüglich der anderen Elemente symmetrisch aufgebauten
Schaltungsanordnung erzielt man dabei die besten Gleichtaktünterdrückungswerte,
wenn die Gegenkopplungswiderstände annähernd gleich groß bemessen sind. Im übrigen
ist es vorteilhaft, zum Symmetrieabgleich der beiden Symmetriehälften des gesamten
Differenzverstärkers die Gegenkopplungswiderstände einstellbar vorzusehen.
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An Hand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele
wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
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Die Zeichnung zeigt dabei in Big. 1 einen dreistufigen Differenzverstärker
nach der Erfindung;
Fig. 2 einen zrreistuSigen Differenzverstärker
nach der Erfindung; Fig. 3 eine einzelne, an sich bekannte Stufe, wie sie beispielsweise
in den Anordnungen nach Fig. 1 und 2 eingesetzt werden kann.
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Fig. 1 zeigt einen gleichstromunterdrückenden Differenzverstärker
mit drei in Kette geschalteten Differenzverstärkerstufen S1, S2, S3. Die erste Stufe
S1 weist zwei Eingangsanschlüsse Al und B1 und zwei Ausgangsansch7.üsse Al und 31
und zwei Ausgangsanschlüsse Cl und D1 auf und ist über den Zweipol Z mit dem Nullpotential
0 verbunden. In analoger Weise verfügen die zweite und dritte Stufe S2 und S3 über
de zwei Eingangsanschlüsse A2, B2 bzw. A3, 33 und über je zwei Ausgangsanschlüsse
02, D2 bzw. C3, D3.
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Erfindungsgemäß ist der erste Ausgangsanschluß a3 der dritten Stufe
S3 über den ersten Gegenkopplungswiderstand R3 mit dem ersten Eingangsanschluß Al
und der zweite Ausgangsanschluß D3 der dritten Stufe 53 über den zweiten Gegenkopplungswiderstand
R4 mit dem zweiten Eingangsanschluß 31 verbunden. Da jede der drei Stufen im speziellen
Falle die Phase um 1800 dreht, weist auch die dreistufige Gesamtschaltung eine Phasenumkehr
auf, so daß die Widerstände R3 und R4 auch tatsächlich je eine Gegenkopplung bewirken.
Weiterhin ist der Zweipol Z der ersten Stufe Sl derart ausgestaltet, daß er einen
differentiellen Leitwert (R-) annähernd gleich der Summe der Leitwerte (13 + 1 der
Gegenkopplungswiderstände aufweist. Da diese Gegenkopplungswiderstände R3 und R4
gleich groß bemessen sind, ergibt sich, daß der differentielle Widerstand Ru halb
so groß wie einer der beiden Gegenkopplungswiderstände R3 oder R4 isto Ein die Transistorparameter
berücksichtigender, praktischer, günstiger Wert für die Gegenkopplungswiderstände
R3 und R4
ist z,B. 10 kn. Daraus resultiert für RE ein Wert von
5 kl, so daß vorteilhaftefljeise der Zweipol Z direkt als ohmscher Widerstand RE
ausgeführt sein kann.
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Fig. 2 zeigt einen Verstärker mit zwei in Kette geschalteten Differenzverstärkerstufen
S1 und S2. Jede der beiden Stufen weist zwei Eingangsansehlüsse Äl, B1 bzw. A2,
B2 und zwei Ausgangsanschlüsse 01, Dl bzw. C2, D2 auf. Dabei ist der Anschluß Cl
mit dem Anschluß A2 und der Anschluß Dl mit dem Anschluß 32 verbunden. Da jede der
zwei Stufen S1 und S2 die Phase um 1800 dreht, herrscht zwischen den Eingangsklemmen
Al, 31 der Gesamtanordnung und den Ausgangsklemmen G2, D2 der Gesamtanordnung Phasengleichheit.
Um daher eine Gegenkopplungswirkung zu erzielen, ist der erste Gegenkopplungswiderstand
R3 zwischen den zweiten Ausgangsanschluß D2 und den ersten Eingangsanschluß Al und
der zweite Gegenkopplungswiderstand R4 zwischen den ersten Ausgangsanschluß C2 und
den zweiten Eingangsanschluß B1 der Gesamtanordnung geschaltet. In der gleichen
Weise wäre bei einem vierstufigen Verstärker oder einem anderen Verstärker zu verfahren,
der zwischen den Ausgangs- und den Eingangsklemmen Phasengleichheit aufweist.
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Schließlich ist auch bei der Anordnung nach Fig. 2 der Zweipol Z der
ersten Stufe S1 derart ausgestaltet, daß er einen differentiellen Leitwert annähernd
gleich der Summe der Leitwerte der beiden Gegenkopplungswiderstände R3 und R4 aufweist
Fig. 3 zeigt eine einzelne Differenzverstärkerstufe, wie sie beispielsweise in den
Anordnungen nach Fig. 1 und Fig. 2 für eine, mehrere oder alle Stufen eingesetzt
werden kann. Sie enthält zwei Transistoren T1 und T2, deren Emitter miteinander
verbunden und in bekannter Weise über den Zweipol Z an das Nullpotential 0 angeschlossen
sind. Die Kollektoren der beiden Transistoren sind je über einen Kollektorwiderstand
R1 bzw. R2 mit dem Potential (q-) der Versorgungsspannung verbunden. Die Basis des
ersten Transistors Tl stellt
den ersten Eingangsanschluß A für die
eine Eingangsspannung UA und die Basis des zweiten Transistors T2 stellt den zweiten
Eingangsanschluß B für die andere Eingangsspnnnung UB, jeweils gegen das Nullpoential
O dar. Die Kollektorwiderstände Rl und R2 sind im Regelfalle zur Erzielung einer
besonders hohen Gleichtaktunterdrückung hochohmig und gleich groB bemessen.
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Dabei weist der Kollektor des ersten Transistors Tl das Potential
für den ersten Ausgangsanschluß e und der Kollektor des zweiten Transistors T2 das
Potential. für den zweiten Ausgangsanschluß D auf.
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Das symmetrische Ausgangssignal steht also zwischen den Ausgangsklemmen
C und D zur Verfügung und wird zur Gewährleistung einer besonders hohen Gleichtaktunterdrückung
in dieser Form jeweils an die nächst folgende Stufe an deren entsprechende Eingangsklemmen
A, B weitergegeben. Für die Verwendung der Anordnung nach Fig. 3 als Eingangs stufe
mit der erfindungsgemäßen Bemessung des Zweipols Z haben Überlegungen und Meßungen
im Rahmen der Erfindung ergeben, daß die Gleichtaktunterdrükkung des gesamten Differenzverstärkers
weitaus besser ist als bei bekannten Anordnungen mit der gleichen Stufenzahl, selbst
wenn diese von einer absoluten Stromeinprägung für die Summe der Emitterströme der
ersten oder auch in weiteren Stufen Gebrauch machen.
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Bei Verwendung der Anordnung nach Fig. 3 als Ausgangsstufe in einem
mehrstufigen Differenzverstärker kann man grundsätzlich von einer symmetrischen
oder einer unsymmetrischen Auskopplung Gebrauch machen. Dabei kann ein unsymmetrisches
Ausgangssignal entweder am Anschluß C oder am Anschluß D jeweils gegen das Nullpotential
0 abgegriffen werden; das symmetrische Ausgangssignal steht zwischen den beiden
Anschlüssen C und D zur Verfügung. Dabei ist jedoch zu beachten, daß bei einer symmetrischen
Auskopplung die Gleichtaktunterdrücku-ng grundsätzlich besser als bei einer unsymmetrischen
Auskopplung ist.
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Da das Maximum der Gleichtakbunterdrückung bei sehr hohen Werten (größer
als 100 d3) von der Gesamtsymmetrie der Schaltungsanordnung stark abhängig ist,
kann es von Vorteil sein, die Kollektorwiderstände Rl, R2 oder zusätzliche, in die
Emitterzuleitungen eingeschaltete Einzelemitteiriderstände einstellbar zu gestalten.
Auch kannes von Vorteil sein, zum Symmetrieabgleich der beiden Symmetriehälften
des gesamten Differenzverstärkers die Gegenkopplungswiderstände R3, R4 einstellbar
zu gestalten.
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Ein wesentlichen Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung liegt darin,
daß der ZweipQl Z als ein normaler Widerstand RB ausgeführt werden kann, der im
allgemeinen ein für die Schaltung vernachlässigbaren Temperaturkoeffizienten aufweist
bzw. dem ein kompensierender Temperaturgang gegeben werden kann. Für besondere Fälle
jedoch kann es zweckmäßig sein, den Zweipol Z der ersten Stufe 51 mit Hilfe von
weiteren verstärkenden Elementen derart auszugestalten, daß er einen differentiellen
Widerstand RE hat, der größer als sein Gleichstromwiderstand ist. Unter Umständen
kann er dann mit parallelgeschalteten Zusatzwiderständen auf den erfindungsgemäßen
differentiellen Widerstandswert, nämlich auf die Hälfte der Werte der Gegenkopplungswiderstände
R3 und R4 abgeglichen werden.
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Zum Zwecke des Abgleichs der Bedingung 3 + 4 1 ist es R3 R4 bei einem
Aufbau der gesamten Schaltungsanordnung in integrierter Technik zweckmäßig, den
gemeinsamen Emitterpunkt zumindest der ersten Stufe S1 von außen zugänglich zu machen.
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7 Patentansprüche 3 Figuren