DE1948850B2

DE1948850B2 - Operationsverstaerker

Info

Publication number: DE1948850B2
Application number: DE19691948850
Authority: DE
Inventors: Carl Franklin Somerset N.J. Wheatley Jun. (V.St.A.)
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1968-09-27
Filing date: 1969-09-26
Publication date: 1973-08-02
Also published as: MY7500093A; SE359989B; YU32327B; DE1948850C3; DE1948850A1; DE1967366C3; JPS5635367B1; AT312050B; NL6914641A; US3614645A; BR6912611D0; FR2019034A1; DK142386C; ES371704A1; NL161632C; SU361605A3; NL161632B; DK142386B; YU241169A; HU163139B

Description

Die Erfindung betrifft einen Operationsverstärker, der als emitte/gekoppelten Differentialverstärker einen ersten und einen zweiten Transistor eines ersten Leitungstyps enthält und einen dritten, einen vierten, einen fünften und einen sechsten jeweils als Verstärker in Emitterschaltung geschalteten Transistor eines zweiten Leitungstyps enthält, wobei die Kollektoren des ersten und dritten und die Kollektoren des zweiten und vierten Transistors jeweils gleichstromgekoppeit sind und wobei Basis und Kollektor des dritten und dei vierten Transistors jeweils miteinander gleichstromgekoppelt sind und wobei ferner die Basis des fünften Transistors mit dem Kollektor des ersten Transistors und die Basis des sechsten Transistors mit dem Kollektor des zweiten Transistors verbunden ist.

Es ist bekannt, Operationsverstärker in Form integrierter Schaltungen herzustellen. Jedoch ist die An-

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wendbarkeit derartiger Verstärker in unterschiedlichen Ausgangssignale als Antwort auf die zwischen den Schaltungsanordnungen beschränkt. Der Konstrukteur Basiselektroden der ersten beiden Transistoren angeintegrierter Schaltungen stellt im allgemeinen den legten Signale entnehmbar sind, und daß Gleichstrom-Frequenzgang der Spannungsverstärkung auf Kri- kupplungen zwischen den Basiselektroden des siebten terien ab, die sich nach dem zu erwartenden Anwen- 5 und achten Transistors und dem Kollektor des siebten dungszweck richten. Der Eingangs- und der Ausgangs- Transistors, zwischen den Emittern der Transistoren widerstand stellen eine feste Schaltungsgröße des inte- des ersten Leitungstyps und einer ersten Betriebsgrierten Halbleiterschaltungsplättchens dar. Man hat Spannungsquelle und zwischen den Emittern der Trandahe, zahlreiche Operationsverstärker für spezielle sistoren des zweiten Leitungstyps und einer zweiten unterschiedliche Anwendungsgebiete entwickelt, die ¹⁰ Betriebsspannungsquelle vorhanden sind,
einen hohen bzw. niedrigen Eingangswiderstand, eine Der erfindungsgemäße Operationsverstärker besteht niedrige bzw. hohe Spannungsverstärkung, eine hohe im Grunde aus einem Differentialverstärker und einer bzw. niedrige Ausgangsleistung für verschiedene aktiven Lastschaltung, die im vorliegenden Fall eben-Lasten erfordern. falls einen Differentialverstärker enthält. Mit der Erfin-

Die Möglichkeit einer Rückkopplung bzw. Gegen- 15 üung kann erreicht werden, daß der Operationsverkopplung bei Operationsverstärkern ergibt zwar eine stärker nicht wie die zur Zeit bekannten Anordnungen gewisse Flexibilität der Anwendbarkeit. Die An- eine relativ hohe Eingangsimpedanz und eine relativ passungsmöglichkeit an verschiedene Anwendungen niedrige Ausgangsimpedanz hat, sondern daß seine ist jedoch durch die Spannungsverstärkur.g sowie den Eingangsimpedanz und seine Ausgangsimpedanz rela-Frequenzgang wegen möglicher Instabilität oder Selbst- 20 tiv hoch ist. Die ausschlaggebende Betriebsgröße des erregung stark eingeschränkt. erfindungsgemäßen Operationsverstärkers ist daher

Operationsverstärker, wie sie in Fachbüchern de- das Verhältnis der Änderung seines Ausgangsstroms

finiert sind, haben einen hohen Eingangswiderstand, zur Änderung seiner Eingangsspai.nung, die man als

einen niedrigen Ausgangswiderstand und eine charak- »Steilheit« oder »Transkonduktanz« bezeichnen kann,

teristische Spannungsverstärkung. Außerdem müssen 25 Um von einem solchen »Transkonduktanz-Operations-

die Spannungsverstärkung und die Phasenverschiebung verstärker« eine brauchbare Ausgangsspannung zu

in Abhängigkeit von der Frequenz so bemessen werden, erhalten, wird zwischen seine Stromausgangsklemmen

daß ein stabiler Betrieb unter Anwendung von Gegen- ein Widerstand geschaltet, der als äußeres Mittel die

kopplung möglich ist. Die Leistung von Operations- Verstärkung bestimmt.

verstärkern mit Gegenkopplung wird in Fachbüchern 30 Weitere Einzelheiten, Vorzüge und vorteilhafte herkömmlicherweise durch Formeln für die Span- Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus der nachnungsverstärkungscharakteristik beschrieben. Man stehenden Beschreibung hervor, in welcher einige stützt sich auf diese Charakteristik deshalb, weil Ausführungsbeispiele an Hand von Zeichnungen erVerstärker gewöhnlich einen eigenen Arbeitswider- läutert sind.

stand haben, durch den die verfügbare Spannungs- 35 F i g. 1 zeigt in einem schematischen Schaltbild

verstärkung definiert oder festgelegt ist. einen nach dem Prinzip der Erfindung arbeitenden

Für hohe Spannungsverstärkungen verwendet man Operationsverstärker;

gewöhnlich einen großen Arbeitswiderstand. Dies er- F i g. 2 veranschaulicht eine Ausgestaltung des fordert jedoch im allgemeinen höhere Betriebs- oder Verstärkers nach F i g. 1, der zur Verbesserung des Speisespannungen, was den Nachteil eines erhöhten 40 Rauschverhaltens und zur Erhöhung der Verstärkung Leistungs- oder Energieverbrauchs hat. Bei integrier- einen modifizierten Differentialverstärker als Eingangsten Schaltungen erfordern große Widerstände in nor- stufe aufweist;

malerweise kritischen Schaltungsbereichen, wie z. B. F i g. 3 zeigt eine Ausgestaltung des in F i g. 2 Kollektorarbeitswiderstände, außerdem den »Basis- dargestellten Verstärkers, bei dem jedoch zur Erhödiffusionswiderstand«. Die Abmessung dieses inte- ₄₅ hung der Bandbreite die andere Differentialverstärkergrierten Widerstands ist seinem ohmschen Wert direkt stufe aus einer Kaskadenschaltung besteht,
proportional. Ein hochohmiger Widerstand dieser Art In F i g. 1 sind sämtliche Schaltungselemente innerbenötigt also mehr Platz, so daß sich die Kosten der halb des gestrichelten Rechtecks 10 als integrierte integrierten Schaltung entsprechend erhöhen. Schaltung auf einem einzigen Halbleiterplättchen aus-

Es wäre an sich möglich, integrierte Operations- 50 geführt. Die integrierte Schaltung bildet einen Diffe-

verstärker für viel mehr Zwecke zu verwenden, wenn rentialverstärker mit zwei Transistoren 11 und 12.

die Arbeitseigenschaften oder -kenngrößen des inte- einem Stromquellentransistor 13 und einer aktiven

grierten Verstärkers sich durch äußere Mittel an die Lastsc^ualtung mit den Dicden 14, 15, 16 und 17

Erfordernisse des jeweiligen Anwendungsfalles an- sowie der Diode 18. Eine äußere Stromquelle (nicht

passen ließen. ₅₅ geze^;gt) ist zwischen die Klemme 19 und die gemein-

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen same Klemme 20 schaltbar, so daß an die zwischen

Operationsverstärker zu schaffen, dessen Eigenschaften Basis und Emitter des Transistors 13 geschaltete

oder Kenngrößen sich durch äußere Mittel einstellen Diode eine Spannung gelegt werden kann. Die Diode

lassen. 21 besteht aus einem Transistor, dessen Kollektoi

Zur Lösung dieser Aufgabe bedient man sich der 60 und Basis zusammengesehaitet sind. Diese Anordnung

eingangs beschriebenen Verstärkeranordnung, die er- kann als diodengeschalteter Transistor bezeichne!

findungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß ein werden Da dieser Transistor gleichzeitig mit derr

siebter und ein achter jeweils als Verstärker in Emitter- Transistor 13 durch denselben HerstellungsprozeC

schaltung geschalteter Transistor des ersten Leitungs- auf dem demselben integrierten Schaltungsplättcher

typs vorgesehen ist, wobei die Kollektoren des fünften 65 gebildet wird, haben beide Transistoren gleiche Strom·

und siebten Transistors miteinander und die Kollek- dichte (Strom pro wirksamer Durchgangsfläche) ar

toren des secHten und des achten Transistors an eine ihren Basis-Emitter-Übergängen, wenn an diesel Ausgangsklemme gleichstromgekoppelt sind, an der Halbleiterübergängen die gleiche Spannung liegt

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Wie aus F i g. 1 ersichtlich, liegen die Basis-Emitter- sistoren 11 und 12 mit einer zwischen die Klemmer Strecken des Transistors 13 und des diodengeschal- 24 und 20 geschalteten Betriebsspannungsquelle (nichi

teten Transistors 21 einander parallel, wodurch zwang- gezeigt). Die Transistoren 14, 15, 16 und 17 sind vorr

läufig die gleiche Spannung an diesen beiden Strecken entgegengesetzten Leitungstyp wie die Transistoren 11

abfällt. Wenn daher die wirksamen Übergangsflächen 5 und 12.

der Basis-Emitter-Halbieiterübergänge des Transistors Die Transistoren 14 und 15 sind in Reihe mii der 13 und des diodengeschalteten Transistors 21 gleich Transistoren 11 bzw. 12 geschaltet. Die in Differenzsind, fließt in beiden Elementen jeweils der gleiche schaltung ausgelegten Transistoren 16 und 17 sind Basis-, Kollektor- und Emitterstrom. mit ihren Emittern gemeinsam an die Basen der Tran-Bei einem gut ausgelegten Transistor ist der Kollek- io sistoren 14 und 15 sowie über den als Diode geschaltorstrom mehrere zehnmal so groß wie der Basisstrom. teten Transistor 18 an die Betriebsspannungsspeise-Das Verhältnis von Kollektor- zu Basisstrom ist bei klemme 24 angeschlossen. Die Basen der Transistoren dem Transistor 13 und dem diodengeschalteten Tran- 16 und 17 sind an den Kollektor des Transistors 11 sistor 21 etwa gleich groß, da sie durch dasselbe Ver- bzw. den Kollektor des Transistors 12 angeschlossen, fahren gleichzeitig hergestellt worden sind. 15 Der Kollektor des Transistors 16 ist über einen Der Stromfluß in die Klemme 19 ist die Summe als Diode geschalteten Transistor 25 mit der Bezugs· des Basisstroms des diodengeschalteten Transistors 21 klemme 20 verbunden. Die Diode 25 ist zwischen die (/ßsi), seines Kollektorstroms Uc_n) ^ur>d des Basis- Basis und den Emitter eines Ausgangstransistors 26 Stroms des Transistors 13 (Ib₁₃). Das Verhältnis des geschaltet. Der Transistor 26 und der Transistor 17, Kollektorstroms des Transistors 13 (Zn₃) /um Strom ao der vom entgegengesetzten Leitungstyp ist, sind in in die Klemme 19 (/j,) beträgt: Reihe geschaltet. An die Kollektoren dieser Tran-/_c /_C)J sistoren ist eine Ausgangsklemme 27 angeschlossen. - ■ ~ ■■------ - . Durch die Verschaltung der Transistoren 14, 16,

/1, /B21 + /cii + /Bts 15 und 17 ergibt sich ein Mechanismus, demzufolge

Bei einem guten Transistor mit hoher Stromver- as die L^r «twerte der Transistoren 14 und 15 automatisch Stärkung kann Ibh und Ibα gegenüber dein Wert so eingestellt werden, daß sie dem vom Transistor 13

für Ze« vernachlässigt werden. Hieraus ergibt sich gelieferten Strom, der durch die zwischen die Klemmen

/_r. /_r /_C]J 19 und 20 geschaltete äußere Quelle bestimmt ist,

~ . "" } ~' angepaßt sind. Dies kommt dadurch zustande, daß

-i» -·"« + -iii *" -β« -c« _3o (jje basisansteuerung für die Transistoren 14 und 15

Das Verhältnis der Kollektorströme der Transi- durch die Transistoren 16 und 17 in Abhängigkeit

stören 13 und 21 ist jedoch gleich dem Verhältnis vom Strom in den Transistoren 11 und 12 gesteuert

der wirksamen Flächen an ihren Basis-Emitter-Halb- wird. Obwohl der Strom des Transistors 13 innerhalb

leiterübergängen (dersogenannten »wirksamen Emitter- eines verhältnismäßig weiten Bereiches beliebig ein-

flächen«). Daher gilt 35 gestellt werden kann, ändert sich die Spannung an

wirksame Emitterfläche_n den Lasttransistoren 14 und 15 nicht nennenswert.

Ir is ^ Ir it . . "..v. · Die Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors 14

wirksame Emitterflacne_{n beträgt} _2V^ _{d h die Summe der} Spannungen an

Der Kollektorstrom Zc₁₃ des Transistors 13 kann den Basis-Emitter-Übergängen der Transistoren 14

bestimmt werden durch den Strom/,,, welcher der 40 und 16. Ebenso ist die Kollektor-Emitter-Spannung

Klemme 19 von einer (nicht gezeigten) äußeren Strom- des Transistors 15 gleich 2 V_be, und zwar auf Grund

quelle zugeführt wird. Wenn unterstellt wird, daß die der Spannungen an den Basis-Envtter-Übergängen

wirksamen Flächen der Basis-Emitter-Halbteiterüber- der Transistoren 15 und 17. Infolgedessen wird an

gänge gleich sind, dann ist der Kollektorstrom /c_u den Transistoren 14 und 15 keine nennenswerte

des Transistors 13 in guter Annäherung gleich dem 45 Gleichtaktsignalspannung entwickelt,

an der Klemme 19 zugeführten Strom. Der Kollektorwiderstand der Transistoren 14 und

Die Anordnung eines als Diode geschalteten Tran- 15 ist für Gleichtaktstrom verhältnismäßig niedrig, sistors zwischen Basis und Emitter eines zweiten Tran- indem die KoIIektor-E^mitter-Spannung dieser Transistors soll nachstehend als «Dioden-Transistor« be- sistoren über einen weiten Änderungsbereich des zeichnet werden. Der Spannungsabfall zwischen Basis 50 Gleichtaktstroms im wesentlichen konstant ist Für und Emitter eines Transistors bei mit einem beträcht- Differenzströme weisen die Transistoren 16 und 17 liehen Durchlaßvorstrom beaufschlagtem Transistor gleich große und gegensinnige Stromänderungen auf. soll als Vb* bezeichnet werden. so daß die Basisansteuerung der Transistoren 14 und

Der Kollektorstrom des Transistors 13 speist die 15 gleich und unverändert bleibt. Als Folge davon Emitter der Transistoren 11 und 12. Der Strom ver· 55 ist der Kollektorwiderstand der Transistoren 14 und

teilt sich dabei auf die Transistoren 11 und 12, je 15 für Differenzströme sehr hoch, und es fließt im

nach der Differenz der den Basen der Transistoren 11 wesentlichen der gesamte Differenzstrom durch die

und 12 über die Eingangsklemmen 22 bzw. 23 züge- Basis-Emitter-Strecken der Transistoren 16 und 17.

führten Eingangssignalspannungen. Wenn die den Die beschriebene Lastschaltung ergibt einen modu-

Eingangsklemmen 22 und 23 zugeführten Spannun- 60 lierten Leitwert entsprechend Gleichtaktstromände-

gen gleich sind, verteilt sich der vom Transistor 13 rangen sowie einen hohen Lastwiderstand für Piffe-

gelieferte Strom zu gleichen Teilen zwischen den Tran- renzstromfluß. Diese Lastschaltung liefert gegenüber

sistoren 11 und 12. Das heißt, die Transistoren 11 normalen Differentialverstärkerschaltungen eine er-

und 12 haben auch gleiche Charakteristiken, da sie höhte Gleichtaktsignalunterdrückung,

im gleichen integrierten Schaltungsplättchen gfsich- 65 Wie erwähnt, sind die Transistoren 16 und 17 mit

zeitig hergestellt worden sind. ihren Emittern zusammengeschaltet und arbeiten als

Die aktive Lastschaltung mit den Transistoren 14, zweiter DifferentialverstärkcT. Die Amplitude der

15, 16 und 17^verbindet die Kollektoren der Tran- Kollektorströme dieses Differentialv-Tstärkers ist gleich

dem /f-Wert mal dem den Basen dieser Transistoren zugeführten Differenzsignalstrom. Der als Diode geschaltete Transistor 18 liegt in Reihe mit der Emitter-Kollektor-Strecke der Transistoren 16 und 17 sowie zwischen Basis und Emitter sowohl des Transistors 14 als aunh des Transistors 15.

Die Diode 18 wird durch den Emitter-Kollektor-Gleichtaktstrom der Transistoren 16 und 17 in Durchlaßrichtung gespannt und bildet zusammen mit den Transistoren 14 und 15 eine Dioden-Transistorcinheit. Wenn die Übergangsfläche der Diode 18 zweimal so groß ist wie die Übergangsfläche des Transistors 14 und des Transistors 15, so erzeugt ein Stromfluß in der Diode 18 von 2 Mikroampere in den Transistoren

14 und 15 einen Stromfluß von je 1 Mikroampere. Wenn beispielsweise ein Vorstrom von 2 Mikroampere in der Diode 21 besteht, so Hießt in den Transistoren 11 und 12 sowie in den Transistoren 14 und

15 ein Strom von je 1 Mikroampere. Da die Übergangsfläche der Diode 18 doppelt so groß ist wie die ao Basis-Emitter-Übergangsfläche der Transistoren 14 und 15 und in Reihe mit den Transistoren 16 und 17 liegt, fließt in der Diode 18 ein Strom von 2 Mikroampere, der gleich ist der Summe der Ströme der Transistoren 16 und 17 von je 1 Mikroampere.

Der als Diode geschaltete Transistor 25 und der Transistor 26 bilden eine Dioden-Transistoreinheit mit Stromverstärkungsgrad 1. Durch gleich große Kollektorruheströme der Transistoren 16 und 17 wird im Transistor 26 ein Kollektorstrom erzeugt, der gleich ist dem Kollektorstrom des Transistors 16. Der Kollektorausgangswiderbiand der Transistoren 17 und 26 kann je nach der Herstellungsweise sehr hoch sein. An die gemeinsam an die Kollektoren der Transistoren 17 und 26 angeschlossene Ausgangsklemme 27 wird dann eine Transistorlastschaltung angeschaltet.

Wie erwähnt, können weite Bereiche unterschiedlichen Betriebsstroms für die Transistoren 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 25 und 26 eingestellt werden. Beispielsweise wurde die integrierte Schaltung nach F i g. 1 mit einem Emitter-Kollektor-Strombereich von 20 Nanoampere bis 400 Mikroampere betrieben.

Da der Kollektorausgangswiderstand der Transistoren 17 und 26 hoch ist, wird die Spannungsverstärkung des Operationsverstärkers durch den ver- wendeten äußeren Lastwiderstand bestimmt, was durch Berechnungen unter Zuhilfenahme der Transkonduktanz (Steilheit) des Verstärkers geschehen kann. Die Tramkanduktanz kann als Änderung des Ausgangsstromes bei Änderung der Differenzspannung an den Eingangsklemmen 22 und 23 definiert werden.

Die Transkonduktanz (g_m) des Teils des Diffe-cr.-tialverstärkers mit lediglich den Transistoren 11 und 12 beträgt

phasigen Ausgangsstrom des Transistors 26. Der Ausgangsstrom des Transistors 17 addiert sich dann zum Ausgangsstrom des Transistors 26 zur Aussteuerung eines über die Klemme 27 angekoppelten Lastelements. Die Gesamttranskonduktanz beträgt dann

gm = 39 β I_e Siemens ,

worin β der jö-Wert der Transistoren 16 und 17 und I_e der Emitterstrom eines der Transistoren 11 und 12 bedeuten.

Bei einem Strom des Transistors 11 von 1 Mikroampere und bei einem /?-Wert des Transistors 16 von 50 beträgt beispielsweise die verfügbare Verstärkertranskonduktanz:

gm 39 · 50 · 1 · 10-· Siemens = 1950 Mikrosiemens.

Die Spannungsverstärkung ist dann einfach gleich der Ausganijsspannung, dividiert durch die Eingangsspannung, oder

Vl

= gm

g_m

39/,

Siemens,

SS

worin Ic der Emitterstrom für einen der Transistoren 11 und 12 in Ampere ist und die Transkonduktanz als Änderung des einen Kollektorausgangsstromes bei Co Änderung der Spannung zwischen den Klemmen 22 und 23 definiert ist.

Da der Kollektordifferenzstrom durch die Basis-Emitter-Strecken der Transistoren 16 und 17 fließt, steuern die Transistoren 16 und 17 einen /J-Muitiplikator zur Stromverstärkung des Differentialverstärkers bei. Der Ausgangsstrom des Transistors 16 fließ*, durch die Diode 25 und erzeugt einen gleich großen, gegenworin Rl der an die Klemme 27 angeschlossene Ausgangslastwiderstand ist.

Die maximale Gleichtakteingangsgröße, welche den Betrieb der Eingangsstufe des Differentialverstärkers aus dem Gleichgewicht bringt, wird durch die Dauerspannungseigenschaften der Stromquelle mit dem Transistor 13 und den erforderlichen Spannungsabfall an den Lasttransistoren 14 und 15, die sich beide von der verfügbaren Spannung der Versorgungsqueiie subtrahieren, bestimmt. In der Schaltung nach F i g. 1 könr.en Gleichtakteingangsspannungen an den Klemmen 22 und 23 bis zu einer negativen Grenze, die gleich ist der negativen Quellenspannung an der Klemme 20 plus 0,8 Volt, und bis zu einer positiven Signalgrenze, die gleich ist der positiven Quellenspannung an der Klemme 24 minus 1,4 Volt, ausschwingen, ohne daß der Betrieb des Differential-Verstärkers gestört wird.

Die maximale Gleichtakteingangsgröße wird hauptsächlich bestimmt durch die Betriebsspannung, verringert um sehr kleine Werte, da sowohl der Quellentransistor 13 als auch die Lasttransistoren 14 und IS nur sehr kleine Spannungsabfälle benötigen, um wirksam zu arbeiten.

F i g. 2 zeigt einen Differentiaiverstärker mit in Kaskode geschalteten Transistorpaaren 28, 29 und 30, 31. die eine verbesserte Gleicht^Vtunterdrückung sowie einen verbesserten rauscharmen bci.icb ergeben. Die Transistoren 28 und 30 sind Eingangsverstärker transistoren spezieller Konstruktion, die an die Ein gangsklemmen 22' und 23' angekoppelt sind. Di< Transistoren 28 und 30 sind Hochbeta-Transistorer (Supert«ta-Transistoren) mit 0-Werten in der Größen Ordnung von 1000 sowie sehr niedrigen Kollektor Emitier-Durchbruchsspannungen in der Größenord nung von 1 Volt. Bei herkömmlichen höhervoltigei Transistoren ist der ß-Wert des Transistors im wesent liehen konstant als Funktion der Kollektorspannunj üii Niederspannungsarbeitsbereich. Dagegen bei höhe ren Spannungen im Bereich von F«« angenähertei Werten ist der Kollektorstrom sowohl vom Basisstron als auch von der Kollektorspannung abhang" Κ<% ist definiert als die KoUektor-Emitter-Durcüonichs spannung bei offenem Basiskreis mit nicht angeschlos sener Basis.

Transistoren sind im allgemeinen durch einet

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Kollektor-Basis-Leckstrom gekennzeichnet, der bei Übergangsi'.ächenverhältnis der Diode 18' zum Basis-Werten von weniger als 50 Millivolt der Kollektor- Emitter-Übergang des Transistors 34 bestimmt den Basis-Spannung proportional ist. Diese Eigenschaft durch die Dioden 32 und 33 fließenden Strom, der ergibt ein schlechtes Rauschverhalten bei kleinen Ein- auch in den Quellentransistor 13' fließen muß. Man gangssignalen sowie eine unerwünschte Temperatur- 5 macht daher den Basis-Emitter-Übergang des Quellenabhängigkeit, transistors 13' in seiner Fläche um 50% größer als Das schlechte Rauschverhalten und die Temperatur- bei dem Transistor 13 in F i g. 1, da der Transistor abhängigkeit werden im vorliegenden Falle durch 13' um 50% mehr Strom liefern muß. Bei einem eine spezielle Vorspannschaltung behoben, die nicht Stromfluß im Transistor 13' von 3 Mikroampere nur eine relativ feste niedrige Kollektorspannung für io fließt in den Transistoren 28 und 30 sowie in der den Betrieb der Transistoren 28 und 30, sondern auch Diode 32 ein Strom von je 1 Mikroampere. Der eine Kollektor-Basis-Spannung in den Transistoren 28 Stromfluß in den Transistoren 14' und 15' sowie in und 30 von im wesentlichen null herstellt, so daß auch den Transistoren 16' und 17' beträgt jeweils 1 Mikroder Kollektor-Basis-Leckstrom auf null herabgedrückt ampere. Bei einem Stromfluß von je 1 Mikroampere wird. Das Rauschverhalten wird damit stark ver- 15 in den Transistoren 16' und 17' leitet die Diode 18' bessert, so daß der Hochbeta-Transistor in der Ein- einen Strom von 2 Mikroampere, gangsstufe eines Operationsverstärkers verwendet Die Basis-Emitter-Übergangsfiäche des Transistors werden kann. 34 beträgt die Hälfte der Übergangs- oder Sperr-

Die Transistoren 28, 29 und 30, 31 sind in Kaskode schichtfläche der Diode 18, so daß er einen Strom

geschaltet, wobei 28 und 30 in Emitterschaltung arbei- ao von 1 Mikroampere leitet, der dann durch die Vor-

ten und ihren Emitterstrom vom Quellentransistor 13', spanndioden 32 und 33 fließt. Die GröPe aller dieser

der dem Quellentransistor in F i g. 1 gleichartig sein Ströme wird von der einzigen Eingangsklemme 19'

kann, beziehen. Die Transistoren 29 und 31 arbeiten aus gesteuert, wo der Vorstrom für die Diode 21'

in Basisschaltung, wobei die Basen der Transistoren angeliefert wird, der den vom Transistor 13' gelieferten

28 und 30 über eine Vorspannschaltung mit den als as Strom steuert.

Dioden geschalteten Transistoren 32 und 33 mit den Wenn den Klemmen 24' und 20' eine Quellen-Emittern der Transistoren 28 und 30 verbunden sind. spannung und der Diode 2Γ eine Betriebsspannung Der Kollektorausgang der Transistoren 29 und 31 ist zugeführt wird, leitet der Transistor 13 Strom in die an eine Lastschaltung mit den Transistoren 14', 15', Transistoren 28 und 30. Beim Anschalten einer Quelle 16', 17' und 18', die der Lastschaltung in F i g. 1 30 an die Klemmen 24' und 20' wird jedoch kein anfänggicichartig ist, angekoppelt, iicher Vorstrom den Vorspanndioden 32 und 33 ge-

Die Dioden 32 und 33 sind in der Durchlaßrichtung liefert, so daß die Transistoren 29 und 31 und folglich

gespannt und erzeugen eine Vorspannung 2Vbe zwi- die Transistoren 14, 15 und 18 keinen Strom leiten,

sehen den zusammengeschalteten Basen der Tran- Wenn die Diode 18' und folglich der Transistor 34

sistoren 29 und 31 und den Emittern der Transistoren 35 nicht leiten, beträgt die Kollektor-Emitter-Spannung

28 und 30. Der Spannungsabfall am Basis-Emitter- der Transistoren 28 und 30 null. Bei fehlender Kollek·

Übergang der Transistoren 29 und 31 beträgt V_he, tor-Emitter-Spannung fließt daher der gesamte Strom

so daß zwischen Kollektor und Emitter der Tran- vom Transistor 13' in der Basis-Emitter-Strecke der

sistoren 28 und 30 eine Spannung von V_be herrscht. Transistoren 28 und 30 und in die an die Klemmen 22'

Die Transistoren 28 und 30 sind in den leitenden Zu- 40 und 23' angekoppelten Signalquellen,

stand gespannt, so daß zwischen ihren Basen und Um eine anfängliche Leitung in der Diode 18' her

Emittern eine Durchlaßvorspannung von V_be herrscht. zustellen, ist zusätzlich ein kleinflächiger Transistor 41

Es erscheint dann eine vernachlässigbar kleine Span- vorgesehen, der mit seinem Basis Emitter-Eingam:

nung zwischen Kollektor und Basis der Transistoren über die Diode IY gekoppelt und mit seinem Kollek

28 und 30, so daß sich ein sehr geringer Leckstrom 45 tor an die Diode 18' angeschlossen ist. Der Tran

ergibt, wie oben erläutert. sistor 41 braucht nur einen sehr Kleinen Anfangsstrom

Um die Spannung zwischen Kollektor und Basis an die Diode 18' zu liefern, um den Einschaltzyklu

der Transistoren 28 und 30 minimal klein zu machen, einzuleiten, wobei dieser Stromanteil nur so klein

sieht man gleich große und identisch hergestellte zu sein braucht, daß die Flächenverhältnisse der Basis-Emitter-Übergingsflächen bei den Transistoren 50 Diode 18' und der Transistoren 14,15,16,17 dadurch

29,31 und 33 vor, und für den Transistor 32 verwen- nicht gestört werden.

det man ein Bauelement mit hohem /Ϊ-Wert und niedri- Da der Spannungsabfall an den 1 ransistoren 28

ger Durclibruchsspannung von gleicher Fläche und und 30 niedrig ist, können Spitze—Spitze-Gleichtakt-

identischer Herstellungsweise wie die Hochbeta- eingangsspannungen an den Klemmen 22' und 23' Transistoren 28 und 30. Die mittleren Ströme, die 55 nahezu so groß sein wie die verwendete Versorgungs-

durch die beiden Zweige 28, 29 und 30, 31 flie&n, spannung, ohne daß der Betrieb des Verstärkers be-

macht man jeweils gleich dem Strom der Dioden 33,32. einträchtigt wird, wie bereits erläutert

Die Spannungsabfälle F* an den Kollektor-Emitter- Bei einem Eingangstransistor mit hohem ß-Wert

Übergängen der Transistoren 28, 30 sind gleich dem sind die Eingangswiderstände entsprechend höher, so Spannungsabfall K₆, am Hochbeta-Transistor 32. Da 60 daß ein höherer EmitUrstrom in einem gegebenen

die Basis-Emitter-Spannung der Transistoren 28 und Anwendungsfall erzeugt und folglich ein« entsprechend

30 ebenfalls gleich der Spannung V_b .der Diode 32 höhere Transkonduktanz erhalten werden kann,

ist, beträgt der Spannungsabfall zwischen Kollektor 0-Werte im Bereich von 1000 wurden bei zufrieden-

und Basis der Transistoren 28 und 30 null. stellend niedrigem Rauschen erhalten Dieses prak-

Die Vorspanasehaltuttg mit den Dioden 32 und 33 6₅ tische Verhalten hängt von zwei Faktoren ab erstens,

wird durch Strom von emem zusätzlichen Transistor daß die Kollektorspannung auf einen engen Bereich

34 gespeist, der durch den Spannungsabfall an der konstant gehalten wird, und zweitens daß für NuIi-

Diode Iff in der Durchlaßrichtung gespannt ist. Das Leckströme die Kollektor-Basis-Spannung null beträgt.

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Es wird eine bessere Gleichtaktunterdrückung er- spannt, wenn in diesen Dioden ein von einem zweiten halten, da bei Verwendung von integrierten Schaltun- Stromquellentransistor 40 entnommener Strom fließt, gen die beiden Hälften des Differentialverstärkers ohne Die Größe des Vorstromes in den Dioden 37, 38 Schwierigkeit symmetrisch ausgebildet werden können. und 39 ist im Hinblick auf die Erzeugung der Basis-Die für die Herstellung der pnp-Transistoren in inte- 5 spannung für die Transistoren 35 und 36 nicht krigrierter Schaltungsform verwendeten Transistoren tisch. Indem man jedoch den Transistor 40 wie den sind als Seiten- oder Lateralkonstruktion entlang der Transistor 13" mittels der Diode 21" vorspannt, kann Oberfläche des Halbleiterplättchens ausgebildet, pnp- man erreichen, daß der Strom der DioJt-n 37, 38 Lateraltransistoren zeichnen sich durch einen niedri- und 39 die Ströme sämtlicher anderen Transistoren gen /?-Wert sowie durch von der Emitter-Kollektor- io gleich hält.

Spannung abhängige Emitter-Kollektor-Ströme aus. Wie bei der Anordnung nach F i g. 2 liefert eine Der Verstärkungsgrad des Transistors 17' kann daher Startschaltung mit dem Transistor 4Γ den Anfangseine Funktion der Ausgangsspannungs-Signalampli- strom. Ein niedriger Vorstrom kann für leistungstude sein, wodurch die Symmetrie der gleichen Ver- armen Betrieb eingestellt werden, wenn alle anderen Stärkung der Transistoren 16' und 17' gestört werden 15 Transistoren in dieser Weise betrieben werden, und kann. Bei relativ niedrigen Ausgangsspannungs- umgekehrt ein hoher Vorstrom für Hochstrombetrieb, amplituden, die durch Verwendung einer relativ Die Transistoren 35 und 36 sind wie in F i g. 1 niedrigen Ausgangswiderstandslast an der Klemme 27' mittels einer Dioden-Transistoreinheit 25", 26" an erreicht werden kann, bleibt jedoch die Symmetrie die Ausgangsklemme 27" angekoppelt, um eine Last der oeiden Differenzverstärkerhälften erhalten. ao im Gegentakt in bezug auf Bezugsnullpotential aus-

F i g. 3 zeigt ein zusätzliches Paar von in Kaskode zusteuern. Der Verstärker ist dadurch gekennzeichnet, geschalteten Transistoren 16" und 17" mit Tran- daß er einen Transkonduktanzverstärkungsfaktor aufsistoren 35 und 36, um eine konstante Kollektor- weist, da die Spannungsverstärkung durch die verwen-Emitter-Spannung in den Transistoren 16" und 17" dete äußere Last bestimmt wird. Ein derartiger Betrieb herzustellen, so daß die beiden Hälften des Differen- 95 ergibt einen zusätzlichen Freiheitsgrad für den Betialverstärkers gleiche Verstärkung aufweisen. Durch nutzer, durch den der Bereich der möglichen Anwendeine Vorspannschaltung mit den Dioden 37, 38 und barkeit für unterschiedliche Zwecke stark erweitert 39 wird die Basis der Transistoren 35 und 36 vorge- wird,

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Operationsverstärker, der als emittergekoppelten Differentialverstärker einen ersten und einen zweiten Transistor eines ersten Leitungstyps enthält und einen dritten, einen vierten, einen fünften und einen sechsten jeweils als Verstärker in Emitterschaltung geschalteten Transistor eines zweiten Leitungstyps enthält, wobei die Kollektoren des ersten und dritten und die Kollektoren des zweiten und vierten Transistors jeweils gleichstromgekoppelt sind und wobei Basis und Kollektor des dritten und des vierten Transistors jeweils miteinander gleichstromgekoppelt sind und wobei ferner die Basis des fünften Transistors mit dem Kollektor des ersten Transistors und die Basis des sechsten Transistors mit dem Kollektor des zweiten Transistors verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein siebter (25) und ein achter ao

(26) jeweils als Verstärker in Emitterschaltung geschalteter Transistor des ersten Leitungstyps vorgesehen ist, wobei die Kollektoren des fünften (16) und des siebten (25) Transistors miteinander und die Kollektoren des sechsten (17) und des achten (26) Transistors an eine Ausgangsklemme

(27) gleichstromgekoppelt sind, an der Ausgangssignale als Antwort auf die zwischen den Basiselektroden (22, 23) der ersten beiden Transistoren (11, 12) angelegten Signale entnehmbar sind, und daß Gle^!chstromkopplun_aen zwischen den Basiselektroden des siebten (25) und achten (26) Transistors und dem Kollektor des siebten (25) Transistors, zwischen den Emittern der Transistoren (11, 12, 25, 26) des ersten Leitungstyps und einer ersten Betriebsspannungsquelle (20) und zwischen den Emittern der Transistoren (14, 15, 16, 17) des zweiten Leitungstyps und einer zweiten Betriebsspannungsquelle (24) vorhanden sind.

2. Operationsverstärker nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der fünfte (16) und der sechste (17) Transistor gemeinsam einen zweiten emittergekoppelttn Differentialverstärker bilden.

3. Operationsverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des dritten Transistors (14) mit dem Emitter des fünften Transistors (16) und daß die Basis des vierten Transistors (15) mit dem Emitter des sechsten Transistors (17) verbunden ist.

4. Operationsverstärker nach Anspruch 3, dadurch ^kennzeichnet, daß der dritte (14) und der vierte (15) Transistor mit ihren Emittern an die zweite Betriebsspannungsquelle (24) gleichstromgekoppelt sind und daß ein in Durchlaßrichtung gepolter Halbleitergleichrichter (18) die Emitter des fünften (16) und des sechsten (17) Transistors mit der zweiten BetriebsspannungLquelle koppelt.

5. Operationsverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen neunten Transistor (13), dessen Kollektor an die Emitter des ersten und des zweiten Transistors (11,12) angeschlossen ist und dessen Basis-Emitter-Übergang ein Halbleitergleichrichter (21) parallel geschaltet ist und dessen Emitter mit der ersten Betriebsspannungsquelle (20) gleichstromgekoppelt ist und dessen Basis ein äußeres Signal zuführbar ist.

6. Operationsverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen weiteren Transistor (29), dessen Emitter mit dem Kollektor des ersten Transistors (28) und dessen Kollektor mit dem Kollektor des dritten Transistors (14') verbunden ist, und durch eine zwischen der Basis des weiteren Transistors und dem Emitter des ersten Transistors liegende Vorspannschaltung (32, 33).

7. Operationsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen weiteren Transistor (31), dessen Emitter mit dem Kollektor des zweiten Transistors (30) und dessen Kollektor mit dem Kollektor des vierten Transistors (15') verbunden ist, und durch eine zwischen der Basis des weiteren Transistors und dem Emitter des zweiten Transistors liegende Vorspannschaltung (32, 33).

8. Operationsverstärker nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste oder zweite Transistor (28 oder 30) ein Hochbeta-Transistor mit einer Vorwärts-Stromverstärkung in der Größenordnung von 500 oder mehr und mit einer Kollektor-Emitter-Durchbruchsspannung von weniger als 1 Volt ist und daß die Vorspannschaltung (32, 33) eine Spannung erzeugt, die proportional zu und im wesentlichen zweimal so groß ist wie die Spannung an einem in Durchlaßrichtung gespannten Halbleiterübergang.

9. Operationsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen neunten Transistor (36), dessen Emitter mit dem Kollektor des sechsten Transistors (17") und dessen Kollektor mit dem Kollektor des achten Transistors (26") verbunden ist, und durch eine zwischen der Basis des neunten Transistors und dem Emitter des sechsten Tiansistors liegende Vorspannschaltung (37, 38, 39).

10. Operationsverstärker nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen zehnten Transistor (35), dessen Basis mit der Basis des neunten Transistors (36) und dessen Emitter mit dem Kollektor des fünften Transistors (16") und dessen Kollektor mit dem Kollektor des siebten Kollektors (25") verbunden ist.