DE1958620C - Differentialverstärker - Google Patents
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Description
·■ ' .2
Die Hiilndimg lu'irilTl einen Diirereuiialversilhkei·
mi) zwei eniittergekopnelten Eingiingslnmsisiorun
'eines ersten Lciifiihigkeilslyps, tlie jeweils llher die
Emitter-Kolleklor-Streckcn zweier Ausgangstnmsisuncii
mit ihren ArbeitswidersiUndcn verbunden sind.
Diirercnliulverstlirker bzw, entsprechende Operationsverstärker
mit nur zwei in Kaskade geschalteten Dill'erential-Transistorstufen sind bekannt (deutsche
Aiislegesehrift 1214 733 und USA.-Patentsehrifl
3 275 lM4), Bei der Verwendung aktiver Stronu|uellcn
für jede Transistorstufe, wobei derartige Strom·
c|iiellen sehr leicht in Form monolithischer integrierter Schaltkreise hergestellt werden können, ist es möglich,
Veistiiiker mit einer hohen Verstärkung zu
schaffen, ohne dal.) zusätzliche Transislor&tufen bcnötigt
werden. Die erwähnten aktiven Stromquellen ersetzen die jeweiligen Kollcktorwidersjilnde, die bisher
bei aus diskreten Bauteilen aufgebauten Transistorsiulen verwendet weiden.
Beim Übergang von einem dreistufigen Kaskaden- ao
Ί raiisisioivcrsLiikcr auf die einfache erwähnte zweistufige
Schaltung ergeben sich viele V01 teile. Der größte Vorteil besieht darin, daß in einer zweistufigen
Schaltung eine llochl'rcqucnzkompcnsation sehr viel
leichter vor/unehmen ist, da das Eliminieren der drit- as
ten Ti ansistoi stufe die Signalverzögerung innerhalb
der Schaltung verringert. Beinahe alle modernen iiiU'giiciien Operationsverstärker sind in dem einfai'hcn
zweistufigen Aufbau ausgeführt und erzielen eine Verstärkung von über KHM)Ot) in Kombination
mit einem Wiedcrkchrverhiiltnis von ungefähr 0,5 Volt/iisec. Unter Wiederkehrverhältnis wird die
maximale Änderung der Ausgungsspannung, bezogen auf die Zeit, verstanden, d. h. das maximale Verhältnis
\on dK11AI/.
Die voraiisstehend erwähnten bekannten Verstärker
besitzen zwei wesentliche, bisher nicht zu überwindende Nachteile. Der erste Nachteil besteht darin,
daß diese bekannten Verstärker einen verhältnismäßig hohen 1-ingangsslroin benötigen, der so groß ist, daß
diese Verstärker häufig nicht zusammen mit hohen Qucllinipcdanzen verwendet werden können. Der
zweite Nachteil dieser bekannten Operationsverstärker besteht in der begrenzten Bandbreite und dem
charakteristischen Verhalten bezüglich des Wiederkehrverhältnisses. Obwohl die Bandbreiten von Verstärkern
in integrierterSehaltkreistcchnik gegenwärtig
so breit sind wie die konventioneller, in diskreter Bauweise aufgebauter Verstärker, sind Verstärker
mit sehr viel grüllcrcr Bandbreite erwünscht, wodurch 5«
sich neue Verkaufsmärkte erschließen lassen, für die hohe (ieschwindigkeiten wichtig sind.
Der Eilindung liegt tlie Aufgabe zugrunde, einen
Dilfereiilialvcrstäiker, der als Operationsverstäiker
Verwendung linden kann, unter Verwendung von lateralen PNP-Transisloren zu schallen, wobei diese
lateralen PNP-Transi.storen derart angeschlossen sind, daß ihre Arbeitspunkte völlig unabhängig von tier
nicht voraussagbaren Hmilter-Basis-Slroinverslärkung
(Bela-Veislärkiiiig) der lateralen PNP-Transislorcn 6»
sind, !'einer soll der Dillerentialvcrstärkcr einen
extrem niederen Hingangsslrom aufweisen und einfach in monolithischer inlegrieiler Schaltkreisteehnik
herstellbar sein, wobei tlas charakteristische Verhallen bezüglich der Verstärkung in Abhängigkeit von
der Ficqiienz und dem Wiederkelirveiliiilliiis im Vergleich
zu bekannten Verstärkern besser sein soil.
Diese Aufgabe wird erliiidungsgemäß dadurch geloht, dtiß diu Ausgun(jsirunsisioren vom entgegengesetzten l.eitfilhigjtfj^typ sind und dnß (lic Basen der Ausgungotriinsisjüren mit Ubη Emittern der zugeordneten Hingiingströnslstoren direkt in jeweils einem Vorsptmnungspunkt Verbunden sind.
Diese Aufgabe wird erliiidungsgemäß dadurch geloht, dtiß diu Ausgun(jsirunsisioren vom entgegengesetzten l.eitfilhigjtfj^typ sind und dnß (lic Basen der Ausgungotriinsisjüren mit Ubη Emittern der zugeordneten Hingiingströnslstoren direkt in jeweils einem Vorsptmnungspunkt Verbunden sind.
Bei nach ilen Merkmalen der Hrflndiing aufgchun
ten DilTcrentlalvcrstiirker, bei dem die lateralen PNP-Ausgangslransistoren mit eine schmale Basisbreite
aufweisenden NPN-Eingangstninsistorcn verbunden
sind, wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß der Eingangstransistor mit extrem niederen Strömen
arbeitet und der laterale PNP-Ausgangstransistor unabhängig VOiV seinem Beta-Wert ist. Das Gleichspannungspotential am Kollektor-Basis-Übergang des
NPN-Transistors wird im wesentlichen auf Null gehalten, was zu einer verhältnismäßig niederen Sperryorspanuung am Hingang führt und damit die für
integrierte Sehaltungsanordnungcn wichtigen eingangsseitigen Stronianfordcrungen erheblich verringert.
Aus diesen Eigenschaften ergibt sich, daß die NPN-Eingangstransistoren des in integrierter Schaltkreistechnik
ausgeführten Dilfereniialverstärkers sowohl
eine niedere Durchbruchsspannung als auch einen hohen Beta-Wert besitzen.
Zur Erzielung dieser Vorteile trägt auch die weitere Ausbildung der Erfindung bei, wonach die Hinspeisung
über eine Stromquelle am gemeinsamen Emitler-Kollektor-Verbindungspunkt
der Eingangs- und Ausgangstransistoren erfolgt und eine Konstantstromsenke
am gemeinsamen Basis-Emitter-Vorspanuungspunkt der Hingangs- und Ausgangstransistoren angeschlossen
ist.
Der Differentialverstürker gemäß der Erfindung liißt sich in verschiedenen Konfigurationen aufbauen,
wobei nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Basis-Hmitier-Vorspannungspunkte jeweils
über Rückkopplungsimpedanzen mit der Konstantstromsenke verbunden sind. Dadurch läßt sich der
Übertragungsfrequenzgang sehr breitbandig gestalten. Eine Beeinflussung des Übertragungsfrequenzgangs
kann auch durch eine Weitere Ausgestaltung der Erfindung erfolgen, wonach die Emitter-Kollektor-Verbindungspunkte
jeweils über Rückkopplungsimpcdunzen mit der Einspeisungsslromquelle verbunden
sind. Bei dieser Ausgestaltung ist es vorteilhaft, daß der Emitter der Ausgangstransistoren jeweils
über eine weitere Riickkopplungsimpedanz mit dem Emitter-Kollektor-Verbindungspunkt verbunden ist,
Auf Grund dieser weiteren Ausgestaltungen dei Erfindung ist es möglich, die NPN-EÜngangstransisto-1
en in Verbindung mit den lateralen PNP-Ausgangs transistoren bei hoher Spannung zu betreiben, so dal:
der Diirercntialverstärker gemäß der Erfindung eim
große eingangsseitige und ausgangsseitige Ausstelle rung verträgt.
Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweisi
dargestellt. Es zeigt
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines moitolithischci
Schaltimgsaufbaus für die eine Hälfte eines Difiercn
tialverstiirkers mit einem NPN-Trnnsistor und einen
lateralen PNP-Transistor,
Fig. 2 ein Schallbild eines Dilferenlialverstärker
gemäß der Erfindung mit zwei Stromquellen uiii
einer Slromsenke,
Fig. 3 ein Schaltbild einer weiteren Ausführung;
form der Erfindung mit einer Stromquelle und zwc Stromsenkeii,
Fig. 4 ein Schallbild einer weiteren, der Ausfül
■ungsl'orm gemllß Fig. 2 ähnlichen Ausflihrungs·
orhi tier Hrllnduug, wobei Emlilerwidorslilndc zwlichttn
ilen VersiUrkertransistoren uiul der einzigen
Stromsenkq der VerNiürkerschallUng angeordnet siiul.
Fi jj. 5 eine Schaltung einer weiteren Atisflihrungsform,
der ErUndung, die ähnlich wie die Ausflihrungsform
gemiiß F i g, 3 aufgebuiit ist und zwei Widcrstllnde
umfaßt, die zwischen dpf einzigen Stromquelle«
und den ,sliOinquellcnseitigen Verblndungspunkten
der Verstilrkeilransistoren angeordnet sind,
Fig, fi ein Sehaltbild einer weiteren Aiisflllmmgs·
form der Erfindung mit Emiltcrwiderständen für die lateralen PNP-Ausgangstrunsistoren,
Fig. 7 ein Schaltbild eines ausgeführten kompletten
Operationsverstärkers gemiiß der Erfindung, der eine eingangsseitige DilTeientialverslärkersUifc, eine
niisgangsseilige Verstürkerstufe, Vorspannungsschallkreise
und eine komplementäre 'UisgangKscitige Slromtrciherslufc aufweist, die mit der uiisgangsscitigen
Verstärkerstufe verbunden ist.
Die Stromquellen und Stromsenken in ilen Ausfiihrungsformen
gemäß den Fig. 1 ,bis f> können häulig
auch durch Widerstände ersetzt werden, an denen eine verhältnismäßig große Spannung liegt, ohne dall
dadurch das Funktionsverhalten wesentlich beeinträchtigt wird.
Die in monolithisch integrierter Schaltungsweise aufgebaute Dilferentialverstärker gemäß der Gründung
umfaUt je ein Paar Eingangs- und Au^gangstrunsistoren.
Die Gingangstransistoren besitzen eine tiefdilTundierte Emitter/one, einen hohen Ueta-Wert
und eine niedere Kollektor-Ejiiittcr-Durchbruchsspannung.
Die Ausgangstransistoren sind als laterale PNP-Transistoren ausgeführt. Diese lateralen PNP-Ausgangstransistoren
sind mit den Np.N-Eingangstransistoren derart verbunden, daLi die Kollektor-Basis-Spannungen
der NPN-Transistoren in etwa auf einem Spannungswert Null festgehalten w,erden, Dieses
Festhalten der Kollektorspannungen der NPN-Eingangstransistoren .ermöglicht die Verwendung
einer verhältnismäßig niederen Durchbruehsspannting
sowie Eingangsiransistoren mit hohem Bota-Werl,
wobei hohe Spannungen an, den Verstärker angelegt werden können, da der Kollektor-BaMs-Übergang der
lateralen PNl'-Trau'sihtoren .eine hohe Durchbruchs,-spannung
aufweist..ilberdies werden die Leckströnie
am Kpllektor-Basis-Obergang der NPN-Transistoren
auf nahezu Null reduziert infoige der O-Volt-Vorspannung
an dem Kollektor-Basis-Übergang. Ferner
sind die Aiisgangsströme der lateralen PNP-Ausgangstransistoren unabhängig von deren Stromverstärkungen,
d. h, von deren BetuAWiun, da Basisstromändeiiingen
in den PNP-Transistoren automatisch von den Emittern der NPN-Transistoren auf
Grund der verwendeten Rückkopplung absoibiert werden.
Fn Fig. 1 ist die eine Hälfte eines Dilferenlialverstärkers
gemäß der Erfindung stückweise dargestellt. Jede Hälfte des DilTcrcntialvctstärkcrs uinfal.it
einen liefdilfundierten NPN-Eiinganjisiransistor und
einen lateralen PNP-Aiisgangsiransistor, die in der
dargestellten Weise miteinander \erblinden sind. Gemäß Fig. 1 ist der NPN-Gingangstransistor 10
mit einer Konslantstromsenke 22 und einem Kollektörbelastungswiderstand
18 verbunden, wogegen die Basis mit der Eiiigungsklcmmc 15 in Verbindung
steht. Der Kollektorbelastungswideistand 18 ist an
eine erste Spannungsversorgung 20 angeschlossen.
Dur Emillei des lutera(en !"Ngg
12. liegt un einem Vefbindungsiuuikl I.V wogegen dessen Basis mit dem p.nilltcr des NPN-Hlngiinjj1«· Iransislors 10 im Voispaiiuiiiiyspiinkt 17'scibtindun jj ist. Das Ausgangssigniif wird vom Kollelilor desliiU· ralcn PNP-Ausgungstransistors 12 abgegrilTen uiu'l bildet sich an dem nicht dargestellten .Kollektor belastungswiderstund aus.
■ Unter Üblichen üleichslrombedingiingcn Hießt in
12. liegt un einem Vefbindungsiuuikl I.V wogegen dessen Basis mit dem p.nilltcr des NPN-Hlngiinjj1«· Iransislors 10 im Voispaiiuiiiiyspiinkt 17'scibtindun jj ist. Das Ausgangssigniif wird vom Kollelilor desliiU· ralcn PNP-Ausgungstransistors 12 abgegrilTen uiu'l bildet sich an dem nicht dargestellten .Kollektor belastungswiderstund aus.
■ Unter Üblichen üleichslrombedingiingcn Hießt in
ic der Schaltung gemiiß. Fig. I ein Strom duicli den
Widerstand 18 in der Größe von 2/,. Bei einer großen StromverslÜrkung des NPN-F.ingangslrunsistors (Bcla-Stromverstllrkung)
kann angenommen werden, daß der Basisslrom des NPN-F.ingangstransislors IO etwa
Null und der Kollektorstrom ΙΛ des PNP-Ausgungstransistors
12 gleich der DilTeren/. /wischen dem
Emitterstrom des PNP-Trunsislors 12 und dem den
Verbindungspunkt 13 verlassenden Strom .i't. Der Kollektorstrom /., des lateralen PNP-Ausgungslraii·
ao sistors 12 kann Jäher durch folgenden Ausdruck be
sehrieben werden:
oder
wobei V1J1.-gleich der,Gleichspannung an der Basis
des NPN-Eingangstransistors |0 ist, wobei diese Spannung auch am Emitter des NPN-Transistors 10
liegt, wenn die Transistoren 10 und Il identische Busis-Einittcr-lImschaltspanminuen aufweisen. Daher
ist der Kollektorslrom /._, des lateralen PNI'-Ausgangstransisiors
12 unabhängig von seiner eigenen
;i5 Emitter-Basis-Stromverstärkung (Bela-Stromveisiiirkung).
Dies ist ein sehr.wichliges Merkinal eier Schaltung,
da es bekannt ifjt, daß i|ie Beta-Wertb dei
lateralen PNP-Transistoren wegen der lateralen PNP-Verarbeitung sehr stark sehwanken. Derartige Beta-
j» Werte können z. B. zwischen eins und zwanzig liegen,
wenn PNP- und NPN,-Trausistoren in einem einzigen
Arbeitsprozeß hergestellt werden. Für eine integrierte Schallkreisfabrikation «frmöglichen die vorausstehenden
Merkmale die Verwendung von lateralen PNP
•ta Transistoren, die einfach in monolithis,cher Form
hergestellt werden können,
Ein weiteres wichtiges Merkmal der peuen Schaltung gemäß Fig. 1 besteht darin, daß das Gleichspannungsniveau
V,ic an der Basis des .NPN-F.in-
gangstransistors 10 nahezu identisch mit dem Spannungsnivcau
V111. am Emitter des lateralen PNP-Ausgangstransistors
12 ist, Auf Grund dieser Tatsache kann der NPN-Eingangstransistor 10 immer mit einer
Spannung von etwa 0 Voll am Kollektor-Basis-dber-
gang arbeiten. Diese Sichel heil, daß an der Kollektor Basis-Strecke des Transistors 10 jinmer etwa eine
Spannung von OVoIt liegt, ermöglicht es, diesen NPN-Eingangstransistor 10 bei der Fabrikation mit
einer tiefen EmillcrdiiTusion herzustellen und somit
einen- 'Transistor mit einer sehr schmalen Basisbreite
und einem sehr hohen Beta-Wert in der Größenordnung von etwa 1000 zu erhalten. Dieser hohe Beta-Wert
bewirkt, daß der Basisstrom des Eingangstran- ; sistors 10 sehr niedrig ist. Bei einer typischen Schales
lung unter Verwendung der Schaltungskonfiguratioii
gemiiß Fig. I liegt der Kollektorstrom des Einganustrnnsistors
10 in der Größenordnung von etwa 5 uA, wogegen der Basisslrom in tier Größenordnung von
5 4 6
etwa 5 μΛ/ΙΟΟΟ odci nähcriingswcisc 5 nA liegt. Die Fig. 1 erwähnt wurden, treffen auch für die Schalzulelzt
genannte Größe liegt um zwei Größcnordnun- tung gemüß Fig. 2 zu.
gen unterhalb des Eingaugsslromus eines typischen Die Schaltung gemäß Fig. 2 wird mit einer gro-
hipolarcn Transistor-DilTcrcntialverslärkers bekann- ßen gleichlaufenden Aussteuerung betrieben, weiche
tür /\rt. · 5 ungefähr gleich der Spannungsdifferenz zwischen der
Eine weitere wichtige Folge der Spannung Null an ersten und zweiten Stromversorgung 38 und 40 ist.
der Kollckloi-Hasis-Slreckc des Eingangslransistors. Die Stromquellen 34 und 36 können unter Verwen-10
ergibt sich bezüglich des Leckstroms an der dung von lateralen PNP-Transistoren in bekannter
Kollekior-Basis-Strccke, der in diesem Fall ebenfalls Weise aufgebaut sein. Wie bereits bemerkt, besteht
Null sein muß. Dies ist der Fall, da an einem io ein hauptsächlicher Vorteil des DifTerentialvcrslärkers
Grenzschichlübercang kein Strom beim Fehlen einer gemäß I·' i g. 2 darin, daß die NPN-Eingangslransientsprcchendcn
Spannung am Grenzschichtübergang stören 10 und 16 mil einer Kollcktor-Basis-Spanilicßl.
Das Unterdrücken dieses Stromes ist besonders t nung von etwa 0 Volt arbeiten. Durch dieses Merkwichtig,
da er so groß wie der normale Basisstrom ' mal wird ein l.cckstrom in den Eingangstransisioren
bei hohen Temperaturen sein kann. 15 10 und 16 eliminiert und die Verwendung von Tran-
Bei einem Betrieb mit einem kleinen Wechselstrom- sistorcn mit einer sehr niederen Durchbruchsspansignal
kann der Kolleklorslrom I2 des lateralen PNP- nung und einem hohen Beta-Wert ermöglicht, die mit
Ausuangstransistors 12 durch nachfolgenden Aus- sehr niederen Basisströmen arbeiten. Die NPN-Eindruck
beschrieben werden: gangsiransistorcn 10 und 16 werden mit Hilfe eines
ao Kmiucr-Doppelschritlverfahrens hergestellt, das zu
j/ γ Λ hohen Beta-Werten für dieNPN-Eingangstransistoren
/„as '" -ΛρηρΑ- '" ' Opnp - 10 und 16 führt, die eine tiefe Emitterzone und eine
r'""» r<>nP" j.· S sehr schmale Basisbreite aufweisen. Die auf derselben
w*pnp Halbleiterscheibe vorhandenen NPN-Transistoren
25 für hohe Spannungen mit einem normalen Beta-
wobei S der Operator der Laplace-Transformation, Wert werden mit einem Emittcr-Einfachschritlverfah-
<*,„ die PNP-Stromvcrstärkung ist. Diese PNP- rcn hergestellt und besitzen eine normale Basisbreite.
Stromverstärkung ist als Kurzschluß-Basisstrom- Wenn die Stromquellen 34 und 36 sowie die Stromverstärkung
des PNP-Transistors gleich senke 30 einen konstanten Strom in der Größe von
30 2/, führen, sind die Emitterströme der NPN-Ein-
\Opnp/(l I 5/ruxpnp). gangstransistoren 10 und 16 gleich (I1-Ih), wobei Ib
gleich dem Basisstrom des PNP-Transistors ist. Unter
Ferner ist den zuvor gegebenen Bedingungen führen die Be
lastungswiderstände 28 und 32 einen Strom in der
Γ'ηρη 35 Größenordnung von etwa I1 unabhängig von dem
der Emitterwiderstand des NPN-Eingangstransistors Beta-Wert der PNP-Transistoren.
für das kleine Signal. Damit liegt die erste Eck- In Fig. 3 ist eine Schaltung ausgeführt, die sich
frequenz der frequenzabhängigen Verstärkercharak- gegenüber der Schaltung gemäß Fig. 2 darin untcrtcristik
eines DilTcrentialverstärkers aus zwei der scheidet, daß nur eine einzige Konstantstromquelle
Konfiguration gemäß F i g. 1 bestehenden Teilen 40' 46 Verwendung findet, die zwischen der ersten Spanbei
der Grenzfrequenz des lateralen PNP-Ausgangs- nungsversorgung 38 und einem gemeinsamen zwitransistors
12 für eine geerdete Basis und ist (o«pnI,. sehen dem ersten und zweiten Verbindungspunkt 21
Viele bekannte Verstärker besitzen eine Grenzfre- und 23 liegenden Verbindungspunkt 31 liegt. Es finqucnz,
die um den Faktor Beta des PNP-Transistors den ferner zwei Konstantstromsenken 48 und 54 Veruntcrhalb
dieser Frequenz liegt. 45 wcndung, die die jeweilige Summe des zugeordneten
Eine vollständige Differentialverstärkcrschaltung NPN-Emitterstroms und des PNP-Basisstroms festmit
den Merkmalen gemäß der Erfindung ist in legen und dementsprechend zwischen den Vorspan-F
i g. 2 dargestellt und umfaßt den ersten tiefdiffun- nungspunkt 25 bzw. 27 und eine zweite Spannungsdierten
NPN-Eingangstransistor 10 und den ersten Versorgung 40 geschaltet sind. Die Schaltung gemäß
PNP-Ausgangstransistor 12. Ferner enthält die Schal- 50 Fig. 3 ist in integrierter Schaltkreistechnik etwas
tung einen zweiten ticfdiffundierten NPN-Eingangs- leichter auszuführen als die Schaltung gemäß Fig. 2,
transistor 16 sowie einen zweiten lateralen PNP-Aus- da sie nur eine einzige PNP-Spannungsquelle 46 begangstransistor
14. Ein Differcnzsignal wird an die nötigt. Außerdem besitzt die Schaltung gemäß F i g. 3
Basis des ersten und zweiten NPN-Eingangstransi- eine höhere Signalstromverstärkung, so daß als Folge
tors 10 und 16 angelegt. Zwei Kollektorbelastungs- 55 davon der Strom /, kleiner als der Strom /? und der
widerstände 28 und 32 sind zwischen die Kollektoren Eingangs-Basisstrom kleiner als bei der Schaltung
des ersten und zweiten lateralen PNP-Ausgangstran- gemäß Fig. 2 sein kann.
. sistors 12 und 14 sowie eine zweite Spannungsversor- In der gleichen Weise wie bei den Schaltungen
gung 40 geschaltet. gemäß F i g. 1 und 2 sind die Kollektorströme /, der
Eine erste Stromquelle34 und eine zweite Strom- 60 lateralen PNP-Transistoren gemäß Fig. 3 unabhänqucllc
36 sind zwischen die erste Versorgungsspan- gig von dem Beta-Wert des jeweiligen PNP-Transinung
38 und den ersten bzw. zweiten Verbindungs- stors. Die PNP-Transistoren dieser Schaltung gemäß
punkt 21 bzw. 23 geschaltet. Vorspannungspunktc 25 F i g. 3 sind im wesentlichen in einer Emitter-Basis-
und 27 für die Transislorpaarc gemäß F i g. 2 liegen Schallung betrieben, wobei eine Spannungsansteuean
einem gemeinsamen Verbindungspunkt 29, der 65 rung über die Emitter der NPN-Transislorcn ι·Ίfolgt
über eine KnnMuntsiinmscnkc 30 mit der zweiten und der erste Ucsonanzpol nahe bei der Frequenz/;
SpaniiuiigsuiMUgung 40 verbunden ist. Alle vorteil- du lateralen PNP-Ausgangstransistorcn 12 und 14
haften I igenschiiften, die im Zusammenhang mit liqM. Die lu<|iiin/ /, ist diejenige Ficquen/, lni wol
2404
I 958 620
7 8
eher die Stromverstärkung der PNP-Transistoren in schwingern und zum Verbessern der Anstiegszeit be-
Emittcr-Basis-Schaltung den Wert Eins annimmt. Die nutzt. Die Widerstände 82 und 84 sind derart ausge-
PNP-Transistoren gemäß Fig. 2 werden anderer- wählt, daß der Ausdruck
scits mit einem Strom von den Kollektoren der NPN- \ j
Eingangstransistoren angesteuert und arbeiten nach 5 —- — —■--— =
einem Schaltungstyp mit geerdeter Basis. Die Eck- K-n + Rm "72 + Km
punkte für hohe Frequenzen liegen bei den Schaltun- gleich der gewünschten Steilheit der Stufe ist. Das
gen gemäß Fig. 2 und 3 etwa an derselben Stelle, Hinzufügen der Widerstände 82 und 84 ermöglicht
da die Grenzfrequenz /„ für den Schaltungstyp mit damit eine unabhängige Optimierung der Signalausgeerdeter
Basis ungefähr bei der Frequenz fT liegt, 10 brcitungsverzögerung sowie eine optimale Abstimwobei
diese Frequenz sich aus dem Produkt aus der mung der Verstärkung.
Emitter-Basis-Stromverstärkung und der Bandbreite Die Schallungen gemäß den Fig. 1 bis 6 wurden
mit der Dimension Schwingungen pro Sekunde er- mit lateralen PNP-Ausgangstransistoren 12 und 14
gibt. In anderen Worten bedeutet das, daß die Schal- hergestellt, die beide eine Emitter-Basis-Stromver-
tung gemäß Fig. 2 einen ersten Eckpunkt für hohe 15 Stärkung von ungefähr 15 bei 50 μΑ bzw. ungefähr
Frequenzen bei ungefähr der Frequenz/r aufweist eine Emitter-Basis-Stromverstärkung von 5 bei 500 μΑ
und andererseits die Schaltung gemäß F i g. 3 einen aufweisen. Die Beta-Werte der NPN-Eingangstransi-
crsten Eckpunkt für hohe Frequenzen bei ungefähr stören 10 und 16 sind ungefähr gleich 1000 bei 10 μΑ.
der Frequenz/„ besitzt. Die Schaltungen gemäß Fig. 1, 2 und 3 besitzen
Die Schaltung gemäß F i g. 4 ist in ähnlicher Weise 20 nahezu identisch gleiche hochfrequente Eckfrequenvvie
die Schaltung gemäß F i g. 2 aufgebaut und be- zen bei der Frequenz fT der lateralen PNP-Ausgangssitzt
eine erste Stromquelle 56 sowie eine zweite transistoren 12 und 14, wobei diese Frequenz /r unStromquelle
58, die zwischen der ersten Spannungs- gefahr bei 3 MHz liegt.
Versorgung 38 und dem jeweils zugehörigen ersten Das Hinzufügen der Emitterwiderstände gemäß
Verbindungspunkt 21 oder zweiten Verbindungspunkt 25 den Fig. 4, 5 und 6 verringert die Signalausbrei-23
angeordnet sind. Der Unterschied zwischen diesen tungsverzögerung um ungefähr 25° an dem — 3-dbbeidcn
Schaltungen besteht darin, daß in der Schal- Eckpunkt der frequenzabhängigen Verstärkungstung
gemäß Fig. 4 Emitterwiderstände 60 und 62 charakteristik. Eine derartige Verbesserung ist ganz
vorgesehen sinil, um die Signalausbreitungsverzöge- erheblich, da sie eine ganz wesentliche Verringerung
rung im Verstärker zu verringern. Diese Signalausbrei- 30 der Kapazität des Phasenkompensationskondensators
tungsverzögerung wird durch eine geringe positive (Kondensator 136 gemäß F i g. 7) zuläßt und dies
Rückkopplung verringert, die über die Emitterwider- wiederum zu einer Verbesserung des Wiederkehrverstände
60 und 62 bewirkt wird. Diese positive Rück- hältnisses führt.
kopplung unterdrückt jedoch in erster Linie die Ab- In Fig. 7 ist ein Schaltbild eines kompletten
hängigkcit der Verstärkung der Stufe von den Beta- 35 monolithischen Operationsverstärkers gemäß der Er-Werten
der PNP-Transislorcn. Letzteres wird durch findung dargestellt, in dem ein der Darstellung gemäß
das Zurückführen des PNP-Basisstromes, der sonst Fig. 6 entsprechender Differentialverstärker Ververlorenginge,
in den Emitter der NPN-Transistoren Wendung findet. Außer der gemäß Fig. 6 beschriebcwirkt,
wo dieser Basisstrom zu dem Signal addiert benen Schaltung umfaßt der Operationsverstärker gewird.
Damit wird der Einfluß des ersten Frequenz- 40 maß Fig. 7 zwei Hochspannungsdioden 85 und 87,
puls bei der Frequenz /r des lateralen PNP-Transi- die mit den Widerständen 70 und 72 verbunden sind
stors ausgeschaltet. und aus Transistoren mit einer kurzgeschlossenen
Die in Fig. 5 dargestellte Schaltung besitzt gegen- Kollcktor-Basis-Strecke bestehen. Ein als Strom-
iiber der Schaltung gemäß Fig. 3 eine geringe Ver- quelle wirksamer Transistor86 liegt zwischen dem
änderung, indem nämlich die limitterwiderstände70 45 gemeinsamen Verbindungspunkt 89 der Dioden 85
und 72 zwischen die Stromquelle 46 und entweder und 87 sowie einem Widerstand 88, der an die Span-
(len ersten Verbindungspunkt 21 bzw. den zweiten nungsversorgung 38 angeschlossen ist.
Verbindungspunkt 23 geschaltet sind. Der primäre Die Hochspannungsdioden 85 und 87 sind eben·
Zweck der Widerstände 70 und 72 gemäß Fig. 4 falls aus lateralen PNP-Transistoren aufgebaut, derer
besteht darin, einen geringen Betrag positiver Rück- so Kollektor-Basis-Strecke, wie bereits erwähnt, kurz·
kopplung zu liefern, um die Signalausbreitungsverzö- geschlossen ist. Diese Dioden 85 und 87 werden al·
gcrung zu verringern. Es gibt einen optimalen Wert Überspannungsschutz benutzt für den Fall, daß di(
der Widerstände 70 und 72, bei welchem sich eine eingangsscitigc Differcnzspannung V1n die 7-Volt
minimale Signalausbreilungsverzögcrung in derSchal- Durchbruchsspannung in Spcrrichtung der NPN-Ein
tung ergibt. Ein zu großer Emiltcrwidcrstand vcrur- 55 gangstransistoren 10 und 16 übersteigt. Da die Basis
sacht komplexe Pole in der /<.i-Aehse in dem π f /«.1- Emitter-Übergänge der lateralen PNP-Transistoren
Diagramm des Verstärkers, wobei diese Pole ein die für die Dioden 85 und 87 Verwendung finden
Überschwingen bei Impulsanstcucrung bewirken. Im durch leichte Diffusionen hergestellt sind, liegt dl
Gegensatz dazu liefern zu kleine Widerstände 70 und Durchbruchsspannung dieser Dioden normalerweis
72 keine Basisslromuntcrdrückung in der Schaltung, 60 über 50 Volt. Diese Durchbruchsspannung reicht auf
und die Frequenz fT der lateralen PNP-Transistoren um den Verstärker vor einer Zerstörung infolge ein
verschlechtert den Frequenzgang der Schaltung. gangsseitigcr DifTerenzspannungcn V1n zu bewahrer
Die Schaltung gemäß F i g. 6 unterscheidet sich die größer oder gleich der DilTercn/ der Versm
von der Schaltung gemäß Fig. 5 dadurch, daß dritte gungsspannungen V,, und Vn sind. Da die Strom
und vierte F.milteiwiderstände 82 und 84 in die Emit- 65 Spannungs-Charakteristik der beiden Dioden 85 un
tersehaltung der lateralen PNP-Transislorcn 12 und 87 genau aneinander angepaßt sein muß. um ein
14 eingefügt wurden. Die ersten und /weilen Wider- cingangsseitige Spannungsverset/ung für die Scha
stände 70 und 72 werden /um Verringern des Ober- lung /u verhindern, ist dieser Überspannunj-sselun
9 10
nur zweckmäßig, wenn dieSchaltung als monolithisch 136. Durch diese Rückkopplung wird der Ausgangsintegrierte
Schaltung aufgebaut wird. widerstand der in Emitter-Basis-Schaltung geschaltete
Die eingangsseitige Differentialverstürkerstufe 19 Verstärkerstufe 23 bei hohen Frequenzen verringert,
umfaßt eine Umformerschaltung 101 an Stelle des Die ausgangsseitige Stufe 25 des Operationsver-Kollektorbelastungswiderstandcs
gemäß Fig. 6, die 5 stärkers besteht aus einer komplementären Emitterein
Differentialsignal in ein Einzelsignal umwandelt. folgerschaltung der Klasse AB und umfaßt Transisto-Diese
Umformerschaltung besteht aus Transistoren renren 142, 154 und 156. Zwei Widerstände 148 und
98, 100 und 102 sowie Widerständen 104, 105 und 152 verbinden den Emitter des NPN-Transistors 142
106. Die Rückkopplungstransistoren 98 und 100 der mit dem Emitter des PNP-Transistors 154 sowie mit
Umformerschaltung 101 führen den Strom vom KoI- io dem Ausgang des Operationsverstärkers im Verbinlektor
des lateralen PNP-Ausgangstransistors 12 und dungspunkt 149. Der Arbeitspunkt des Operationserzeugen
eine Spannung an der Basis des Transistors Verstärkers für den AB-Betrieb wird in den ausgangs-102,
die die gewünschte Vorspannung darstellt. Die seitigcn Transistoren 142, 154 und 156 dadurch
Emitterspannung des Transistors 98 spannt den eingestellt, daß sie von einem Netzwerk, bestehend
Transistor 102 in der Weise vor, daß der Kollektor- 15 aus den Transistoren 122, 124 und 126 sowie einem
strom dieses Transistors 102 gleich dem vom Kollek- Widerstand 120, angesteuert werden. Die in Darlingtor
des Ausgangstransistors 12 gelieferten Strom ist. ton-Schaltung miteinander verbundenen Transistoren
Auf diese Weise akzeptiert die Umformerschaltung 124 und 126 besitzen eine Strom-Spannungs-Charak-101
symmetrische Ströme von den Kollektoren der teristik, die die ausgangsseitigen PNP-Transistoren
Ausgangstransistoren 12 und 14. 20 154 und 156 bei einer Änderung der Umgebungstem-
Der ausgangsseitige Strom der Umformerschaltung peratur anpassen und einander nachführen. Der
101 wird der Basis eines Transistors 128 in einer Transistor 122 und der zugeordnete Widerstand 120
zweiten Verstärkerstufe 23 zugeführt und ist gleich bilden zusammen ein Netzwerk, das einen Spannungs-
der Differenz der Kollektorströme der Ausgangstran- abfall an der Basis des Transistors 142 bewirkt,
sistorcn 12 und 14. Auf diese Weise spricht die Vor- 25 welcher gleich dem Spannungsabfall an der Basis-
stärkerschaltung nur auf differentielle Eingangs- Emitter-Strecke einer Diode, verringert um den ge-
signale an und ist in einem hohen Maße unempfind- ringen Spannungsabfall am Widerstand 120, ist. Der
lieh gegen eine Ansteuerung mit gleichlaufenden Ein- Spannungsabfall am Widerstand 120 bewirkt, daß
gangsspannungen. der leerlaufende Ruhestrom der Ausgangstransistoren
Ein weiteres Merkmal der Umformerschaltung 101 30 142 und 154 etwa um den Faktor 5 kleiner ist als der
ist die niedere Impedanz, mit der sie sich dem KoI- leer laufende Ruhestrom durch die Vorspannungslektor
des Ausgangstransistors 12 präsentiert, was auf transistoren 122, 124 und 126. Dadurch wird die
den als Emitterfolger geschalteten Transistor 98 /u- Leerlaufieistung des Operationsverstärkers erheblich
rückzuführen ist, der zwischen den Kollektor dos verringert.
Ausgangstransistors 12 und den Emitterwiderstand 35 Die Vorspannungsschaltung 21, von der alle Be-
105 geschaltet ist. Auf Grund dieses letzteren Merk- triebsströme des Operationsverstärkers abgeleitet
mais wird der Ausgangstransistor 12 kollektorseitig werden, umfaßt einen verhältnismäßig großen Be-
breitbandiger. Gleichzeitig bewirkt jedoch die Um- lastimgswiderstand 112, der zwischen einer Diode 110
formerschaltung 101, daß sich dem Kollektor des und einer Diode 114 liegt. Da der Operationsverstär-
Ausgangstransistors 14 eine hohe Impedanz präser- 40 ker in Form einer monolithisch integrierten Schaltung
tiert, wobei sich durch diese hohe Impedanz eine aufgebaut ist, ist die Slrom-Spannungs Charakteristik
hohe Spannungsverstärkung für die erste Stufe ergibt der Diode 110 an den jeweiligen Basis-Emitler-Über-
Die zweite Verstärkerstufe 23 des Operationsvei- gang, der als Stromquelle wirksamen Transistoren
Markers umfaßt Transistoren 128 und 130. die im hin- 118 und 86 angepaßt. Damit befinden sieh die Ströme
takt als Kollekloibasis-Emitterbasis-Kaskade zusam- 45 durch die Transistoren 186 und 118 im Gleichlauf
mengeschaltet sind. Eine Stronu|uellenlast, bestehend mit dem Strom durch den Widerstand 112. Die Wi-
aus einem PNP-Tiynsistor 118 und einem Wider- dcrsländc 88, iI6 und 108 sind derart ausgewählt,
stand 116, legt das Gleichstromniveau der zweiten daß sie das gewünschte Verhältnis der Ströme durch
Verstiirkcrstufe 23 fest. In dieser Zweitverstärker- die Transistoren 86 und 118 /um Strom durch den
stufe 23 ist ferner ein frequenzkompensiereiider Kon- 50 Transistor 110 bewiiken. Ferner sind die als Stroni-
densator 136 vorgesehen, der zwischen der Basis des quelle dienenden Transistoren 92 und 90 in der cin-
Imitterfolgcrtransistors 128 und dem Kollektor des ganzseitigen Dilfercnlialvcrstärkerstufe 1«) derart
in l-niittcr-Basis-Schaltung geschalteten Transistors vorgespannt, daß sie einen kleinen Strom in Ablwin-
130 liegt. T)er Kondensator 136 erzeugt einen Haupt- gigkeit von dem Verhältnis des Spannungsabfalls an
pol der Ouerpangsfunklinn des Verstärkers an der 55 der Diode 114 und der Summe der Basis-llmitter-
Hasis des Transistors 128 und bewirkt gleichzeitig Spannungen der Transistoren 90 und 92, vergrößert
eine Hnndverbreitcruiif, an dem ausgangsseitigen Ver- um den Spannungsabfall an den Widei ständen 94 und
bindiingspunkl 129 des in I'mitler-Ilasis-Schaltuni' 96, liefern. Diese Widerstände 94 und 96 dienen der
geschalteten Transistors 130. Der Hauptpol an dci Urzeugung eines geringeren Stromes in den Stioni-
Hasis des Transistors 128 wird durch eine Miller- 60 quellen 90 und 92 als dem Strom durch den BeIa-
Miiltiplikation des Koinpensalionskoinlensalois 136 slungswitlersiand 112, ohne daß hierfür Widerstände
erzeugt, wodiiich eine große wirksame Kapazität mit hohen Wiilerstaiulsweiten verwendet werden
zwischen der Hasis lies 'Transistors 128 und der Ver- müssen. Derartige Widerstände mit einem hohen
sorgungsspaiinung V11 erscheint. Die Bandbreiten Widerstandswtrt sind in integrierten Schaltkreisen
vcrgioßerung an dem ausgangsseitigen Veibindunps- 65 schwer herzustellen.
piinkl 129 der in limiller-Basis-Schalliing geschalte- Das ausgangsseitige KurzschhtU-Schutznetz.wcrk
Ich Versliiikerstufe 133 ist die Folge eiiiei der Veistiiikerschaltiing umfaßt Dioden 144 und 146,
Parallcl-Rüikkopplungswirkung des Kondensalois Wideisläude 148 und 152, einen Transistor 134 und
2404
Claims (5)
1. Differentialverstärker mit zwei emittcrgekoppelten
Eingangstransistoren eines ersten Leitfiihigkeitstyps, die jeweils über die Emitter-Kollektor-Strecken
zweier Ausgangstransistoren mit ihren Arbeitswidersländen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangstransistoren
(12, 14) vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp sind und daß die Basen dc\
Ausgangstransistoren (12 bzw. 14) mit den Emittern der zugeordneten Eingangstransistoren (10
bzw. 16) direkt in jeweils einem Vorspannungspunkt (25 bzw. 27) verbunden sind.
2. Differentialverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspeisung über
eine Stromquelle (34, 36 bzw. 46) am gemeinsamen Emitter-Kollektor-Verbindungspunkt (21,
23) der Eingangs- und Ausgangstransistoren (10, 12 bzw. 14, 16) erfolgt, und daß eine Konstantstromsenkc
(30 bzw. 48, 54) am gemeinsamen Basis-Hmilter-Versorgungspunkl (25, 27) der
Eingangs- und Ausgangstransistoren (10, 12 bzw. 14, 16) angeschlosen ist.
3. Diiferentialverstärkcr nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis-Emitter-Vorspannungspunkte
(25 bzw. 27) jeweils über Uückkopplungsimpedan/en (60 bzw
62) mit der Konstantstromsenke verbunden sind
4. DilTerentialverstüiker nach den Ansprüche!'
1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die I-iniiter-Kollektor-Verbindiingspunkte
(21, 23) jeweil· über Rüekkopplungsinipedan/en (70 bzw. 72) mi
der i:ins|ieisungsstromi|uelle (46) verbunden sind
5 Dillerenlialverstäiker nach Anspruch 4, da
durch gekennzeichnet, daß der limitier der Aus gangst ran iistoren (12, 14) jeweils über eine weiten
Kückkopplungsinipudanz (82, 84) mit dem Fmit
ter-Kollcklor-Verbindungspunkt (21, 23) vellum
den ist.
Hiei/u 1 Blatt Zeichnungen
Family
ID=
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