DE1966421B2

DE1966421B2 - Differential amplifier with two transistors - has both emitters connected to DC source and signal is applied to their bases

Info

Publication number: DE1966421B2
Application number: DE19691966421
Authority: DE
Inventors: Carl Franklin Somerset N.J. Wheatley Jun. (V.St.A.)
Original assignee: Ausscheidung aus: 19 48 850 RCA Corp., New York, N.Y. (V.St.A.)
Priority date: 1968-09-27
Filing date: 1969-09-26
Publication date: 1976-04-15
Also published as: DE1966421A1; DE1966421C3

Abstract

The differential amplifier has the emitters of first and second transistors coupled to a first d.c. source: the input signal is applied to their bases and the output signal taken from their collectors. The emitters of both transistors (16, 17) are coupled over the collector/base junctions of two further transistors (14, 15) to their own emitters. The first d.c. source consists of a rectifier (18) parallel to the base/emitter junctions of the third and fourth transistors (14, 15). The advantage of this arrangement lies in its more effectively 'suppressing' in-phase signals applied to its inputs.

Description

gemeinsame Klemme 20 schaltbar, so daß an die zwischen Basis und Emitter des Transistors 13 geschaltete Diode 21 eine Spannung gelegt werden kann.common terminal 20 switchable, so that between the base and emitter of the transistor 13 switched diode 21 a voltage can be applied.

Die Diode 21 besteht aus einem Transistor, dessen Kollektor und Basis zusammengeschaltet sind.' Da der Transistor 13 und die Diode 21 bei der Herstellung gleichzeitig auf dem gleichen Halbleiterplättchen gebildet werden, sind ihre elektrischen Eigenschaften einander genau angepaßt Wenn bei dsr Herstellung der Transistor 13 und die Diode 21 gleichflächig ausgebildet werden, sind die Emitterstrominjektionen in die Basisgebiete bei beiden gleich.The diode 21 consists of a transistor whose collector and base are connected together. Since the Transistor 13 and diode 21 during manufacture at the same time on the same semiconductor die are formed, their electrical properties are precisely matched The transistor 13 and the diode 21 are formed with the same surface area, the emitter current injections are into the Base areas the same for both.

Der den Transistor 13 und die Diode 21 in der Durchlaßrichtung spannende Stromfluß ergibt gleiche _!5 Basis-Emitter-Spannungsabfälle und folglich gleiche Emitterströme. Der Emitterstrom des Transistors 13 ist gleich der Summe seines Basis- und Kollektorstromes, und der größte Teil des Emitterstromes fließt zum Kollektor.The current flow, which energizes the transistor 13 and the diode 21 in the forward direction, results in the same _{! 5} base-emitter voltage drops and consequently the same emitter currents. The emitter current of transistor 13 is equal to the sum of its base and collector current, and most of the emitter current flows to the collector.

Der Stromfluß zwischen den Klemmen 19 und 20 ist gleich dem Emitterstrom der Diode 21 plus dem kleinen Basistrom des Transistors 13. Wegen des hohen Basis/Kollektorstrom-Verhältnisses des Transistors 13 und der gleichen Flächen des Transistors 13 und der Diode 21 sind der Stromfluß zwischen den Klemmen 19 und 20 und der Kollektorstrom des Transistorb 13 im wesentlichen gleich. Der vom Stromquellentransistor 13 gelieferte Strom läßt sich daher ohne weiteres genau durch die Parameter einer äußeren Quelle (nicht gezeigt) bestimmen, die zwischen die Klemme 19 und die gemeinsame Bezugsklemme 20 geschaltet sein kann.The current flow between terminals 19 and 20 is equal to the emitter current of diode 21 plus the small Base current of transistor 13. Because of the high base / collector current ratio of transistor 13 and the same areas of transistor 13 and diode 21 are the current flow between terminals 19 and 20 and the collector current of transistor b 13 are substantially equal. The one from the current source transistor 13 The current supplied can therefore easily be determined precisely by the parameters of an external source (not shown), which can be connected between terminal 19 and the common reference terminal 20.

Die Anordnung eines als Diode geschalteten Transistors zwischen Basis und Emitter eines zweiten Transistors soll nachstehend als »Dioden-Transistor« bezeichnet werden. Der Spannungsabfall zwischen Basis und Emitter eines Transistors bei mit einem beträchtlichen Durchlaßvorstrom beaufschlagtem Transistor soll als Vbe bezeichnet werden.The arrangement of a transistor connected as a diode between the base and emitter of a second transistor will hereinafter be referred to as "diode transistor". The voltage drop between the base and emitter of a transistor when the transistor has a significant forward bias current will be referred to as Vbe.

Der Kollektorstrom des Transistors 13 speist die Emitter der Transistoren 11 und 12. Der Strom verteilt sich dabei auf die Transistoren 11 und 12, je nach der Differenz der den Basen der Transistoren 11 und 12 über die Eingangsklemmen 22 bzw. 23 zugeführten Eingangssignalspannungen. Wenn die den Eingangs- ₄< klemmen 22 und 23 zugeführten Spannungen gleich sind, verteilt sich der vom Transistor 13 gelieferte Strom zu gleichen Teilen zwischen den Transistoren 11 und 12. Das heißt, die Transistoren 11 und 12 haben auch gleiche Charakteristiken, da sie im gleichen integrierten Schaltungsplättchen gleichzeitig hergestellt worden sind.The collector current of transistor 13 feeds the emitters of transistors 11 and 12. The current is distributed between transistors 11 and 12, depending on the difference between the input signal voltages supplied to the bases of transistors 11 and 12 via input terminals 22 and 23, respectively. When the input ₄ <terminals 22 and 23 supplied voltages are equal, the current supplied by transistor 13 divided equally between the transistors 11 and 12. That is, the transistors 11 and 12 also have the same characteristics since they same integrated circuit dice have been manufactured at the same time.

Die aktive Lastschaltung mit den Transistoren 14,15, 16 und 17 verbindet die Kollektoren der Transistoren 11 und 12 mit einer zwischen die Klemmen 24 und 20 geschalteten Betriebsspannungsquelle (nicht gezeigt). Die Transistoren 14, 15, 16 und 17 sind vom entgegengesetzten Leitungstyp wie die Transistoren 11 und 12.The active load circuit with transistors 14,15, 16 and 17 connect the collectors of the transistors 11 and 12 with an operating voltage source (not shown) connected between terminals 24 and 20. The transistors 14, 15, 16 and 17 are of the opposite conductivity type as the transistors 11 and 12.

Die Transistoren 14 und 15 sind in Reihe mit den Transistoren 11 bzw. 12 geschaltet. Die in Differenzschaltung ausgelegten Transistoren 16 und 17 sind mit ihren Emittern gemeinsam an die Basen der Transistoren 14 und 15 sowie über den als Diode geschalteten Transistor 18 an die Betriebsspannungsspeiseklemme 24 angeschlossen. Die Basen der Transistoren 16 und 17 sind an den Kollektor des Transistors 11 bzw. den Kollektor des Transistors 12 angeschlossen.Transistors 14 and 15 are connected in series with transistors 11 and 12, respectively. The in differential circuit designed transistors 16 and 17 are with their emitters common to the bases of the transistors 14 and 15 and via the transistor 18 connected as a diode to the operating voltage supply terminal 24 connected. The bases of transistors 16 and 17 are connected to the collector of transistor 11 and the Collector of transistor 12 connected.

Der Kollektor des Transistors 16 ist über einen als Diode geschalteten Transistor 25 mit der Bezugsklemme 20 verbunden. Die Diode 25 ist zwischen die Basis und den Emitter eines Ausgangstranssistors 26 geschaltet. Der Transistor 26 und der Transistor 17, der vom entgegengesetzten Leitungstyp ist, sind in Reihe geschaltet. An die Kollektoren dieser Transistoren ist eine Ausgangsklemme 27 angeschlossen.The collector of transistor 16 is connected to the reference terminal via a transistor 25 connected as a diode 20 connected. The diode 25 is connected between the base and the emitter of an output transistor 26. The transistor 26 and the transistor 17, which is of the opposite conductivity type, are in series switched. An output terminal 27 is connected to the collectors of these transistors.

Durch die Verschaltung der Transistoren 14, 16, 15 und 17 ergibt sich ein Mechanismus, demzufolge die Leitwerte der Transistoren 14 und 15 automatisch so eingestellt werden, daß sie dem vom Transistor 13 gelieferten Strom, der durch die zwischen die Klemmen 19 und 20 geschaltete äußere Quelle bestimmt ist, angepaßt sind. Dies kommt dadurch zustande, daß die Basisansteuerung für die Transistoren 14 und 15 durch die Transistoren 16 und 17 in Abhängigkeit vom Strom in den Transistoren 11 und 12 gesteuert wird Obwohl der Strom des Transistors 13 innerhalb eines verhältnismäßig weiten Bereiches beliebig eingestellt werden kann, ändert sich die Spannung an den Lasttransistoren 14 und 15 nicht nennenswert Die Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors 14 beträgt 2 Vbe, d.h. die Summe der Spannungen an den Basis-Emitterübergängen der Transistoren 14 und 16. Ebenso ist die Kollektor-Emitterspannung des Transistors 15 gleich 2 Vbe, und zwar auf Grund der Spannungen an den Basis-Emitter-Übergängen der Transistoren 15 und 17. Infolgedessen wird an den Transistoren 14 und 15 keine nennenswerte Gleichtaktsignalspannung entwickelt.The interconnection of the transistors 14, 16, 15 and 17 results in a mechanism according to which the conductance values of the transistors 14 and 15 are automatically set so that they correspond to the current supplied by the transistor 13 through the external current connected between the terminals 19 and 20 Source is determined, are adapted. This is due to the fact that the base control for the transistors 14 and 15 is controlled by the transistors 16 and 17 depending on the current in the transistors 11 and 12. Although the current of the transistor 13 can be set as desired within a relatively wide range, it changes the voltage at the load transistors 14 and 15 is negligible.The collector-emitter voltage of transistor 14 is 2 Vbe, i.e. the sum of the voltages at the base-emitter junctions of transistors 14 and 16. The collector-emitter voltage of transistor 15 is also 2 Vbe due to the voltages at the base-emitter junctions of transistors 15 and 17. As a result, no appreciable common mode signal voltage is developed across transistors 14 and 15.

Der Kollektorwiderstand der Transistoren 14 und 15 ist für Gleichtaktstrom verhältnismäßig niedrig, indem die Kollektor-Emitterspannung dieser Transistoren über einen weiten Änderungsbereich des Gleichtaktstroms im wesentlichen konstant ist. Für Differenzströme weisen die Transistoren 16 und 17 gleichgroße und gegensinnige Stromänderungen auf, so daß die Basisansteuerung der Transistoren 14 und 15 gleich und unverändert bleibt. Als Folge davon ist der Kollektorwiderstand der Transistoren 14 und 15 für Differenzströme sehr hoch, und es fließt im wesentlichen der gesamte Differenzstrom durch die Basis-Emitter-Strekken der Transistoren 16 und 17.The collector resistance of transistors 14 and 15 is relatively low for common mode current by the collector-emitter voltage of these transistors over a wide range of changes in the common mode current is essentially constant. For differential currents, the transistors 16 and 17 have the same size and opposite current changes on, so that the base control of the transistors 14 and 15 is the same and remains unchanged. As a result, the collector resistance of transistors 14 and 15 is for differential currents very high, and essentially the entire differential current flows through the base-emitter paths of transistors 16 and 17.

Die beschriebene Lastschaltung ergibt einen modulierten Leitwert entsprechend Gleichtaktstromänderungen sowie einen hohen Lastwiderstand für Differenzslromfluß. Diese Lastschaltung liefert gegenüber normalen Differenzverstärkerschaltungen eine erhöhte Gleichtaktsignalunterdrückung.The load circuit described results in a modulated conductance corresponding to changes in common-mode current and a high load resistance for differential current flow. This load circuit delivers compared to normal Differential amplifier circuits provide increased common mode signal rejection.

Wie erwähnt sind die Transistoren 16 und 17 mit ihrer Emittern zusammengeschaltet und arbeiten als zweitei Differenzverstärker. Die Amplitude der Kollektorströ me dieses Differenzverstärkers ist gleich dem Beta Wert mal dem den Basen dieser Transistoren zugeführ ten Differenzsignalstrom. Der als Diode geschaltet« Transistor 18 liegt in Reihe mit der Emitter-Kollektor Strecke der Transistoren 16 und 17 sowie zwischer Basis und Emitter sowohl des Transistors 14 als auch de: Transistors 15.As mentioned, the transistors 16 and 17 are connected together with their emitters and work as two Differential amplifier. The amplitude of the collector currents me this differential amplifier is equal to the beta Value times the differential signal current fed to the bases of these transistors. The one switched as a diode « Transistor 18 is in series with the emitter-collector path of transistors 16 and 17 and between them Base and emitter of both the transistor 14 and the transistor 15.

Die Diode 18 wird durch den Emitter-Kollektor Gleichtaktstrom der Transistoren 16 und 17 ii Durchlaßrichtung gespannt und bildet zusammen mi den Transistoren 14 und 15 eine Dioden-Transistorein heit. Wenn die Übergangsfläche der Diode 18 zweima so groß ist, wie die Übergangsfläche des Transistors l· und des Transistors 15, so erzeugt ein Stromfluß in de Diode 18 von 2 Mikroampere in den Transistoren l· und 15 einen Stromfluß von je 1 Mikroampere.The diode 18 is common mode current of the transistors 16 and 17 ii through the emitter-collector Forward direction tensioned and forms together with the transistors 14 and 15 a diode transistor Ness. If the transition area of the diode 18 is twice as large as the transition area of the transistor l and of the transistor 15, a current flow in the diode 18 of 2 microamps generates in the transistors l and 15 a current flow of 1 microampere each.

Wenn beispielsweise ein Vorstrom von 2 Mikroampere in der Diode 21 besteht, so fließt in den Transistoren 11 und 12 sowie in den Transistoren Hund 15 ein Strom von je 1 Mikroampere. Da die Übergangsfläche der Diode 18 doppelt so groß ist wie die 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.If, for example, there is a bias current of 2 microamps in the diode 21, then flows in the transistors 11 and 12 as well as a current in the transistors Hund 15 of 1 microampere each. Because the junction area of the diode 18 is twice as large as the base-emitter junction area of transistors 14 and 15 and in series with transistors 16 and 17 flows in the Diode 18 a current of 2 microamps, which is equal to the sum of the currents of transistors 16 and 17 of 1 microampere each.

Der als Diode geschaltete Transistor 25 und der Transistor 26 bilden eine Dioden-Transistoreinheit mit Stromverstärkungsgrad 1. Durch gleichgroße Kollektorruheströme der Transistoren 16 und 17 wird im Transistor 26 ein Kollektorstrom erzeugt, der gleich ist dem Kollektorstrom des Transistors 16. Der Kollektorausgangswiderstand 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 angeschaltetThe transistor 25, which is connected as a diode, and the transistor 26 also form a diode-transistor unit Current gain 1. By equal collector quiescent currents of the transistors 16 and 17 is im Transistor 26 produces a collector current that is equal the collector current of transistor 16. The collector output resistance of transistors 17 and 26 can each be very high according to the manufacturing method. To the common to the collectors of transistors 17 and 26 connected output terminal 27 is then switched on a transistor load circuit

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.As mentioned, wide ranges of different operating currents for the transistors 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 25 and 26 can be set. For example, the integrated circuit was after F i g. 1 operated with an emitter-collector current range of 20 nanoamps to 400 microamps.

Da der Kollektorausgangswiderstand der Transistoren 17 und 26 hoch ist wird die Spannungsverstärkung des Funktionsverstärkers durch den verwendeten äußeren Lastwiderstand bestimmt, was durch Berechnungen unter Zuhilfenahme der Transkonduktanz (Übertragungsleitwert) des Verstärkers geschehen kann. Die Transkonduktanz kann als Änderung des Ausgangsstromes bei Änderung der Differenzspannung an den Eingangsklemmen 22 und 23 definiert werden.Since the collector output resistance of transistors 17 and 26 is high, the voltage gain becomes of the functional amplifier is determined by the external load resistance used, which is determined by calculations done with the aid of the transconductance (transmission conductance) of the amplifier can. The transconductance can be expressed as a change in the output current when the differential voltage changes can be defined at input terminals 22 and 23.

Die Transkonduktanz (gm) des Teils des Differenzverstärkers mit lediglich den Transistoren 11 und 12 beträgt:The transconductance (gm) of the part of the differential amplifier with only transistors 11 and 12 is:

39 · /„ _c.
g», = -^- Siemens.39 · / " _c .
g », = - ^ - Siemens.

worin Ie der Emitterstrom für einen der Transistoren 11 und 12 in Ampere ist und die Transkonduktanz als Änderung des einen Kollektorausgangsstromes bei Änderung der Spannung zwischen den Klemmen 22 und 23 definiert istwhere Ie is the emitter current for one of the transistors 11 and 12 in amperes and the transconductance is defined as the change in one collector output current when the voltage between the terminals 22 and 23 changes

Da der Kollektordifferenzstrom durch die Basis-Emitter-Strecken der Transistoren 16 und 17 fließt, steuern die Transistoren 16'und 17 einen Beta-Multiplikator zur Stromverstärkung des Differenzverstärkers bei. Der Ausgangsstrom des Transistors 16 fließt durch die Diode 25 und erzeugt einen gleichgroßen, gegenphasigen 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:Since the collector differential current flows through the base-emitter paths of transistors 16 and 17, the transistors 16 'and 17 control a beta multiplier for current amplification of the differential amplifier at. The output current of the transistor 16 flows through the diode 25 and generates an equally large, antiphase output current of the transistor 26. The output current of the transistor 17 is then added to the output current of transistor 26 to control a coupled via terminal 27 Load element. The total transconductance is then:

gm = 39 β /^Siemens, gm = 39 β / ^ Siemens,

worin β der Beta-Wert der Transistoren 16 und 17 und h der Emitterstrom eines der Transistoren 11 und 12 bedeuten.where β is the beta value of transistors 16 and 17 and h is the emitter current of one of transistors 11 and 12.

Bei einem Strom des Transistors 11 von 1 Mikroampere und bei einem Beta-Wert des Transistors 16 von 50 beträgt beispielsweise die verfügbare Verstärkertranskonduktanz:With a current of the transistor 11 of 1 microampere and with a beta value of the transistor For example, 16 out of 50 is the available amplifier transconductance:

g,„ = 39-5O- I · KP" Siemens = 1950Mikrosiemens.g, "= 39-5O- I · KP" Siemens = 1950 microsiemens.

Die Spannungsverstärkung ist dann einfach gleich der Ausgangsspannung, dividiert durch die Eingangsspannung, oder:The voltage gain is then simply equal to the output voltage divided by the input voltage, or:

V,V,

worin Rl der an die Klemme 27 angeschlossene Ausgangslastwiderstand ist.where Rl is the output load resistance connected to terminal 27.

Die maximale Gleichtakteingangsgröße, welche den Betrieb der Eingangsstufe des Differenzverstärkers 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 Versorgungsquelle subtrahieren, bestimmt. In der Schaltung nach F i g. 1 können 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 anschwingen, ohne daß der Betrieb des Differenzverstärkers gestört wird.The maximum common-mode input that controls the operation of the input stage of the differential amplifier the equilibrium is made by the continuous voltage properties of the current source with the transistor 13 and the required voltage drop across load transistors 14 and 15, both of which differ from the subtract available voltage of the supply source, determined. In the circuit according to FIG. 1 can Common mode input voltages at terminals 22 and 23 up to a negative limit equal to that of negative source voltage at terminal 20 plus 0.8 volts, and up to a positive signal limit that is equal is the positive source voltage at terminal 24 minus 1.4 volts, without the operation of the Differential amplifier is disturbed.

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 15 nur sehr kleine Spannungsabfälle benötigen, um wirksam zu arbeiten.The maximum common mode input size is mainly reduced by the operating voltage by very small values, since both the source transistor 13 and the load transistors 14 and 15 are only very small need small voltage drops to work effectively.

Fig.2 zeigt einen Differenzverstärker mit in Kaskode geschalteten Transistorpaaren 28, 29 und 30, 31, die eine verbesserte Gleichtaktunterdrückung sowie einen verbesserten rauscharmen Betrieb ergeben. Die Transistoren 28 und 30 sind Eingangsverstärkertransistören spezieller Konstruktion, die an die Eingangsklemmen 22' und 23' angekoppelt sind. Die Transistoren 28 und 30 sind Hochbeta-Transistoren (Superbeta-Transistoren) mit Beta-Werten in der Größenordnung von 1000 sowie sehr niedrigen Kollektor-Emitter-Durchbruchsspannungen in der Größenordnung von 1 Volt Bei herkömmlichen höhervoltigen Transistoren ist der Beta-Wert des Transistors im wesentlichen konstant als Funktion der Kollektorspannung im Niederspannungsarbeitsbereich. Dagegen bei höheren Spannungen im 2 shows a differential amplifier with cascoded transistor pairs 28, 29 and 30, 31 which result in improved common mode rejection as well as improved low noise operation. the Transistors 28 and 30 are input amplifier transistors of special construction which are coupled to input terminals 22 'and 23'. The transistors 28 and 30 are high beta transistors (superbeta transistors) with beta values on the order of 1000 and very low collector-emitter breakdown voltages on the order of 1 volt In conventional higher-voltage transistors, the beta value of the transistor is essentially constant than Function of the collector voltage in the low-voltage work area. On the other hand, at higher voltages in the

Bereich von Vm angenäherten Werten ist der Kollektorstrom sowohl vom Basisstrom als auch von der Kollektorspannung abhängig. Ve«, ist definiert als die Kollektor-Emitter-Durchbruchsspannung bei offenem Basiskreis mit nicht angeschlossener Basis.In the range of values approximated to Vm , the collector current is dependent on both the base current and the collector voltage. Ve «, is defined as the collector-emitter breakdown voltage with an open base circuit with a disconnected base.

Transistoren sind im allgemeinen durch einen Kollektor-Basis-Leckstrom gekennzeichnet der bei Werten von weniger als 50 Millivolt der KoUektor-Basis-Spannung proportional ist Diese Eigenschaft ergibt ein schlechtes Rauschverhalten bei kleinen Eingangssignalen sowie eine unerwünschte Temperaturabhängigkeit Transistors are generally characterized by a collector-base leakage current as in Values of less than 50 millivolts are proportional to the KoUektor base voltage. This property results poor noise behavior with small input signals and undesirable temperature dependence

Das schlechte Rauschverhalten und die Temperaturabhängigkeit werden im vorliegenden Falle durch eine spezielle Vorspannschaltung behoben, die nicht nur eine relativ feste niedrige Kollektorspannung für den Betrieb der Transistoren 28 und 30, sondern auch eine Kollektor-Basis-Spannung in den Transistoren 28 und 30 von im wesentlichen null herstellt so daß auch derThe poor noise behavior and the temperature dependency are in the present case by a Fixed special bias circuit that not only required a relatively fixed low collector voltage for operation of transistors 28 and 30, but also a collector-base voltage in transistors 28 and 30 from essentially zero so that the

Kollektor-Basis-Leckstrom auf null herabgedrückt wird. Das Rauschverhalten wird damit stark verbessert, so daß der Hochbeta-Transistor in der Eingangsstufe eines Operationsverstärkers verwendet werden kann.Collector-base leakage current is suppressed to zero. The noise behavior is thus greatly improved, see above that the high beta transistor can be used in the input stage of an operational amplifier.

Die Transistoren 28, 29 und 30, 31 sind in Kaskode geschaltet, wobei 28 und 30 in Emitterschaltung arbeiten und ihren Emitterstrom vom Qullentransistor 13', der dem Quellentransistor in F i g. 1 gleichartig sein kann, beziehen. Die Transistoren 29 und 31 arbeiten in Basisschaltung, wobei die Basen der Transistoren 28 und 30 über eine Vorspannschaltung mit den als Dioden geschalteten Transistoren 32 und 33 mit den Emittern der Transistoren 28 und 30 verbunden sind. Der Kollektorausgang der Transistoren 29 und 31 ist an eine Lastschaltung mit den Transistoren 14', 15', 16', 17' und 18', die der Lastschaltung in F i g. 1 gleichartig ist, angekoppelt.The transistors 28, 29 and 30, 31 are connected in cascode, with 28 and 30 working in common emitter connection and its emitter current from the source transistor 13 ', which corresponds to the source transistor in FIG. 1 can be of the same type, relate. The transistors 29 and 31 operate in common base, the bases of the transistors 28 and 30 via a bias circuit with the transistors 32 and 33 connected as diodes to the emitters of transistors 28 and 30 are connected. The collector output of transistors 29 and 31 is connected to a Load circuit with the transistors 14 ', 15', 16 ', 17' and 18 ', which the load circuit in FIG. 1 is the same, coupled.

Die Dioden 32 und 33 sind in der Durchlaßrichtung gespannt und erzeugen eine Vorspannung 2 Inzwischen den zusammengeschalteten Basen der Transistören 29 und 31 und den Emittern der Transistoren 28 und 30. Der Spannungsabfall am Basis-Emitter-Übergang der Transistoren 29 und 31 beträgt Vie, so daß zwischen Kollektor und Emitter der Transistoren 28 und 30 eine Spannung von Vbe herrscht. Die Transistoren 28 und 30 sind in den leitenden Zustand gespannt, so daß zwischen ihren Basen und Emittern eine Durchlaßvorspannung von Vbe herrscht. Es erscheint dann eine vernachlässigbar kleine Spannung zwischen Kollektor und Basis der Transistoren 28 und 30, so daß sich ein sehr geringer Leckstrom ergibt, wie oben erläutert.The diodes 32 and 33 are forward biased and generate a bias voltage 2 between the interconnected bases of the transistors 29 and 31 and the emitters of the transistors 28 and 30. The voltage drop at the base-emitter junction of the transistors 29 and 31 is Vie, so that between the collector and emitter of transistors 28 and 30 there is a voltage of Vbe . The transistors 28 and 30 are biased into the conductive state so that there is a forward bias voltage of Vbe between their bases and emitters. A negligibly small voltage then appears between the collector and base of the transistors 28 and 30, so that there is a very low leakage current, as explained above.

Um die Spannung zwischen Kollektor und Basis der Transistoren 28 und 30 minimal klein zu machen, sieht man gleichgroße und identisch hergestellte Basis-Emitter-Übergangsflächen bei den Transistoren 29, 31 und 33 vor, und für den Transistor 32 verwendet man ein Bauelement mit hohem Beta-Wert und niedriger Durchbruchsspannung von gleicher Fläche und identischer Herstellungsweise wie die Hochbeta-Transistoren 28 und 30. Die mittleren Ströme, die durch die beiden Zweige 28, 29 und 30, 31 fließen, macht man jeweils gleich dem Strom der Dioden 33,32.In order to make the voltage between the collector and base of the transistors 28 and 30 minimally small, see base-emitter junction areas of the same size and manufactured identically in the transistors 29, 31 and 33, and transistor 32 uses a high beta and lower device Breakdown voltage of the same area and identical manufacturing method as the high-beta transistors 28 and 30. The middle currents that flow through the two branches 28, 29 and 30, 31 are made respectively equal to the current of the diodes 33,32.

Die Spannungsabfälle Vbe an den Kollektor-Emitter-Übergängen der Transistoren 28, 30 sind gleich dem Spannungsabfall Vbe am Hochbeta-Transistor 32 Da die Basis-Emitter-Spannung der Transistoren 28 und 30 ebenfalls gleich der Spannung Vbe an der Diode 32 ist beträgt der Spannungsabfall zwischen Kollektor und Basis der Transistoren 28 und 30 null.The voltage drops Vbe at the collector-emitter junctions of the transistors 28, 30 are equal to the voltage drop Vbe at the high-beta transistor 32 Since the base-emitter voltage of the transistors 28 and 30 is also equal to the voltage Vbe at the diode 32, the voltage drop is between the collector and base of transistors 28 and 30 zero.

Die Vorspannschaltung mit den Dioden 32 und 33 wird durch Strom von einem zusätzlichen Transistor 34 gespeist, der durch den Spannungsabfall an der Diode 18' in der Durchlaßrichtung gespannt ist Das Übergangsflächenverhältnis der Diode 18' zum Basis-Emitter-Übergang des Transistors 34 bestimmt der. durch die Dioden 32 und 33 fließenden Strom, der auch in den Quellentransistor 13' fliehen muß. Man macht daher den Basis-Emitter-Übergang des Quellentransistors 13' in seiner Fläche um 50% größer als bei dem Transistor 13 in Fig. 1, da der Transistor 13' um 50% mehr Strom liefern muß. Bei einem Stromfluß im Transistor 13' von 3 Mikroampere fließt in den Transistoren 28 und 30 sowie in der Diode 32 ein Strom von je 1 Mikroampere. Der Stromfluß in den Transistoren 14' und 15' sowie in den Transistoren 16' und 17' beträgt jeweils 1 Mikroampere. Bei einem Stromfluß von je 1 Mikroampere in den Transistoren 16' und 17' leitet die Diode 18' einen Strom von 2 Mikroampere.The bias circuit with diodes 32 and 33 is powered by current from an additional transistor 34 which is biased by the voltage drop across the diode 18 'in the forward direction. The transition area ratio the diode 18 'to the base-emitter junction of the transistor 34 determines the. through the Diodes 32 and 33 flowing current, which must also flee into the source transistor 13 '. So you do that The base-emitter junction of the source transistor 13 ′ is 50% larger in area than that of the transistor 13 in Fig. 1, since the transistor 13 'must supply 50% more current. With a current flow in the transistor 13 'of FIG Microampere flows in the transistors 28 and 30 as well as in the diode 32 a current of 1 microampere each. Of the Current flow in transistors 14 'and 15' and in transistors 16 'and 17' is in each case 1 microampere. With a current flow of 1 microampere each in the transistors 16 'and 17', the diode 18 'conducts a current of 2 microamps.

Die Basis-Emitter-Übergangsfläche des Transistor 34 beträgt die Hälfte der Übergangs- oder Sperrschicht fläche der Diode 18, so daß er einen Strom von Mikroampere leitet, der dann durch die Vorspanndio den 32 und 33 fließt. Die Größe aller dieser Ströme wire von der einzigen Eingangsklemme 19' aus gesteuert, wc der Vorstrom für die Diode 21' angeliefert wird, der der vom Transistor 13' gelieferten Strom steuert.The base-emitter junction area of transistor 34 is half the junction or barrier layer area of the diode 18, so that it conducts a current of microampere, which then through the biasing diode the 32 and 33 flows. The size of all these currents is controlled by the single input terminal 19 ', wc the bias current for the diode 21 'is supplied, which controls the current supplied by the transistor 13'.

Wenn den Klemmen 24' und 20' eine Quellenspan nung und der Diode 2Γ eine Betriebsspannung zugeführt wird, leitet der Transistor 13 Strom in di( Transistoren 28 und 30. Beim Anschalten einer Quelle ar die Klemmen 24' und 20' wird jedoch kein anfängliche! Vorstrom den Vorspanndioden 32 und 33 geliefert, se daß die Transistoren 29 und 31 und folglich di( Transistoren 14,15 und 18 keinen Strom leiten.If the terminals 24 'and 20' a source voltage and the diode 2Γ an operating voltage is supplied, the transistor 13 conducts current in di (transistors 28 and 30. When a source ar however, terminals 24 'and 20' will not be an initial one! Bias current is supplied to the bias diodes 32 and 33, se that the transistors 29 and 31 and consequently di (transistors 14, 15 and 18 do not conduct any current.

Wenn die Diode 18' und folglich der Transistor 3' nicht leiten, beträgt die Kollektor- Emitter-Spannung der Transistoren 28 und 30 null. Bei fehlendei Kollektor-Emitter-Spannung fließt daher der gesamt« Strom vom Transistor 13' in der Basis- Emitter-Strecki der Transistoren 28 und 30 und in die an die Klemmet 22' und 23' angekoppelten Signalquellen.When the diode 18 'and consequently the transistor 3' do not conduct, the collector-emitter voltage of transistors 28 and 30 is zero. If there is no Collector-emitter voltage therefore flows the entire 'current from transistor 13' in the base-emitter path of transistors 28 and 30 and into the signal sources coupled to terminals 22 'and 23'.

Um eine anfängliche Leitung in der Diode 18 herzustellen, ist zusätzlich ein kleinflächiger Transistoi 41 vorgesehen, der mit seinem Basis-Emitter-Einganj über die Diode 21' gekoppelt und mit seinem Kollektoi an die Diode 18' angeschlossen ist. Der Transistor 4i braucht nur einen sehr kleinen Anfangsstrom an dk Diode 18' zu liefern, um den Einschaltzyklus einzuleiten wobei dieser Stromanteil nur so klein zu sein braucht daß die Flächenverhältnisse der Diode 18' und dei Transistoren 14,15,16,17 dadurch nicht gestört werdenIn order to produce an initial line in the diode 18, a small-area transistor is also required 41 is provided, which is coupled with its base-emitter-input via the diode 21 'and with its collector is connected to the diode 18 '. The transistor 4i only needs a very small initial current at dk To provide diode 18 'to initiate the switch-on cycle, this current component only needing to be so small that the area ratios of the diode 18 'and the transistors 14,15,16,17 are not disturbed

Da der Spannungsabfall an den Transistoren 28 unc 30 niedrig ist, können Spitze-Spitze-Gleichtakteing angsspannungen an den Klemmen 22' und 23' nahezu se groß sein wie die verwendete Versorgungsspannung ohne daß der Betrieb des Verstärkers beeinträchtig wird, wie bereits erläutertSince the voltage drop across the transistors 28 and 30 is low, peak-to-peak synchronization can occur voltages at terminals 22 'and 23' must be almost as large as the supply voltage used without affecting the operation of the amplifier, as already explained

Bei einem Eingangstransistor mit hohem Beta-Wer sind die Eingangswiderstände entsprechend höher, se daß ein höherer Emitterstrom in einem gegebener Anwendungsfall erzeugt und folglich eine entsprechene höhere Transkonduktanz erhalten werden kann. Beta Werte im Bereich von 1000 wurden bei zufriedenstel lend niedrigem Rauschen erhalten. Dieses praktisch« Verhalten hängt von zwei Faktoren ab: erstens daß di< Kollektorspannung auf einen engen Bereich konstan gehalten wird und zweitens, da;3 für Null-Leckström< die Kollektor-Basis-Spannung null beträgtIn the case of an input transistor with a high beta value, the input resistances are correspondingly higher, se that a higher emitter current is generated in a given application and consequently a corresponding one higher transconductance can be obtained. Beta values in the range of 1000 were found to be most satisfactory low noise. This practical "behavior depends on two factors: first, that di" Collector voltage is kept constant within a narrow range and, secondly, because; 3 for zero leakage currents < the collector-base voltage is zero

Es wird eine bessere Gleichtaktunterdrückung erhal ten, da bei Verwendung von integrierten Schaltunger die beiden Hälften des Differenzverstärkers ohn< Schwierigkeit symmetrisch ausgebildet werden können Die für die Herstellung der pnp-Transistoren ir integrierter Sehaltungsform verwendeten Transistorer sind als Seiten- oder Lateralkonstruktion entlang dei Oberfläche des Halbleiterplättchens ausgebildet pnp Lateraltransistoren zeichnen sich durch einen niedriger Beta-Wert sowie durch von der Emitter-Kollektor Spannung abhängige Emitter-Kollektor-Ströme aus Der Verstärkungsgrad des Transistors 17' kann dahei eine Funktion der Ausgangsspannungssignalamplitude sein, wodurch die Symmetrie der gleichen Verstärkung der Transistoren 16' und 17' gestört werden kann. Be: relativ niedrigen Ausgangsspannungsamplituden, die durch Verwendung einer relativ niedrigen Ausgangswiderstandslast an der Klemme 27' erreicht werderBetter common mode rejection will be obtained th, because when using integrated circuits the two halves of the differential amplifier ohn < Difficulty can be formed symmetrically The for the production of the pnp transistors ir Integrated Sehaltungsform used transistors are as a side or lateral construction along the dei Surface of the semiconductor die formed pnp lateral transistors are characterized by a lower Beta value as well as emitter-collector currents dependent on the emitter-collector voltage The gain of the transistor 17 'can therefore be a function of the output voltage signal amplitude, giving the symmetry of the same gain the transistors 16 'and 17' can be disturbed. Be: relatively low output voltage amplitudes that by using a relatively low output resistive load on terminal 27 '

kann, bleibt jedoch die Symmetrie der beiden Differenzverstärkerhälften erhalten.can, however, the symmetry of the two differential amplifier halves is retained.

Fig.3 zeigt ein zusätzliches Paar von in Kaskode geschalteten Transistoren 16" und 17" mit Transistoren 35 und 36, um eine konstante Kollektor-Emitter-Spannung in den Transistoren 16" und 17" herzustellen, so daß die beiden Hälften des Differenzverstärkers gleiche Verstärkung aufweisen. Durch eine Vorspannschaltung mit den Dioden 37, 38 und 39 wird die Basis der Transistoren 35 und 36 vorgespannt, wenn in diesen ι ο Dioden ein von einem zweiten Stromquellentransistor 40 entnommener Strom fließt.Fig.3 shows an additional pair of in cascode connected transistors 16 "and 17" with transistors 35 and 36 to a constant collector-emitter voltage in transistors 16 "and 17" so that the two halves of the differential amplifier are the same Have reinforcement. By a bias circuit with diodes 37, 38 and 39, the base of the Transistors 35 and 36 biased when a second current source transistor in these ι ο diodes 40 drawn current flows.

Die Größe des Vorstromes in den Dioden 37,38 und 39 ist im Hinblick auf die Erzeugung der Basisspannung für die Transistoren 35 und 36 nicht kritisch. Indem man jedoch den Transistor 40 wie den Transistor 13" mittels der Diode 21" vorspannt, kann man erreichen, daß der Strom der Dioden 37, 38 und 39 die Ströme sämtlicherThe size of the bias current in the diodes 37, 38 and 39 is with regard to the generation of the base voltage not critical for transistors 35 and 36. However, by using transistor 40 like transistor 13 ″ the diode 21 "biases, one can achieve that the current of the diodes 37, 38 and 39 the currents of all

'5'5

anderer Transistoren gleich hält.other transistors holds the same.

Wie bei der Anordnung nach F i g. 2 liefert eine Startschaltung mit dem Transistor 41' den Anfangsstrom. Ein niedriger Vorstrom kann für leistungsarmer Betrieb eingestellt werden, wenn alle anderen Transistoren in dieser Weise betrieben werden, und umgekehrt ein hoher Vorstrom für Hochstrombetrieb.As with the arrangement according to FIG. 2, a starting circuit with transistor 41 'supplies the initial current. A lower bias current can be used for less powerful Cease operation when all other transistors are operated in this manner, and vice versa a high bias current for high current operation.

Die Transistoren 35 und 36 sind wie in F i g. 1 mittel· einer Dioden-Transistoreinheit 25", 26" an die Aus gangsklemme 27" angekoppelt, um eine Last irr Gegentakt in bezug auf Bezugsnullpotential auszusteu em. Der Verstärker ist dadurch gekennzeichnet, daß ei einen Transkonduktanzverstärkungsfaktor aufweist, de die Spannungsverstärkung durch die verwendete äußere Last bestimmt wird. Ein derartiger Betriet ergibt einen zusätzlichen Freiheitsgrad für den Benutzer, durch den der Bereich der möglichen Anwendbar keit für unterschiedliche Zwecke stark erweitert wird.The transistors 35 and 36 are as in FIG. 1 medium · a diode transistor device 25 ", 26" to the off terminal block 27 "coupled, auszusteu around a load irr push-pull with respect to the reference zero potential em. The amplifier is characterized in that ei has a Transkonduktanzverstärkungsfaktor, de the voltage gain by the used Such an operation results in an additional degree of freedom for the user, by means of which the range of possible applicability for different purposes is greatly expanded.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Lj. Patent claims:

1. Differential amplifier with a first and a second transistor, the emitter of which with a are coupled to the first direct current source and a signal can be fed to their base electrodes and a signal can be taken from their collectors and an operating potential can be supplied, characterized in that that the emitter of each of the two transistors (16, 17) via a transistor amplifier (14,15) in emitter circuit its base is coupled

2. Differential amplifier according to \ nspruch 1, characterized in that the first direct current source consists of a semiconductor rectifier (18) parallel to the emitter-base lines of a third and fourth transistors (14, 15) each forming one of the transistor amplifiers between an operating potential (24) and the coupled emitters of the first two transistors (16, 17) lies

3. Differential amplifier according to claim 1 or 2, characterized in that one of the first and the second transistor (16, 17) upstream input stage consisting of a fifth (11) and one The sixth (12) transistor is used as an amplifier and receives input signals via their base-emitter junctions receive and provide output signals to their collectors; and that the third (14) and the fifth (11) Transistor of opposite conductivity type and with their collector-emitter paths are connected in series; and that the fourth (15) and sixth (12) transistors are opposed to each other Line type and are connected in series with their collector-emitter paths.

4. Differential amplifier according to claim 3, characterized in that the emitters of the fifth (U) and sixth (12) transistor are coupled to one another and to a direct current source (13) and that input signals can be fed in between the base electrodes of these transistors (11, 12).

5. Differential amplifier according to claim 3, characterized by a seventh (28) and one eighth (30) transistor whose line type is that of the fifth (11) and sixth (12) transistor is the same and the emitter of which is coupled to a current source (13) via a common connection and input signals can be fed in between their base electrodes and their collectors with them the separate emitters of the fifth (11) and sixth (12) transistors are coupled; and one Voltage regulator (32,33) through which the base electrodes of the fifth (11) and sixth (12) transistor are connected said common terminal are coupled and across which a voltage drops which is proportional and about twice the voltage across a forward biased semiconductor junction is.

6. Differential amplifier according to claim 5, characterized in that the seventh (20) and the eighth (30) transistor each has a high beta current gain and a breakdown voltage in the Of the order of 1 volt.

7. Differential amplifier according to claim 5 or 6, characterized in that the voltage regulator consists of two series-connected semiconductor rectifiers (32, 33).

The invention relates to a differential amplifier with a first and a second transistor, whose Emitters are coupled to a first direct current source and a signal can be fed to their base electrodes and a signal can be taken from their collectors and an operating potential can be fed in. This amplifier should be suitable for implementation in integrated circuit technology and should be specially designed for the construction of Operational amplifiers can be used.

Emitter-coupled transistor differential amplifiers are known. Such an amplifier has, among other things the property of suppressing common-mode signals. The gain of a differential amplifier is for the signals fed to its two inputs are greater when the deflections of these signals are in opposite directions are (push-pull signals) as if these signals change in the same direction (common mode signals).

The object of the invention is to provide common mode rejection of an emitter-coupled Transistor differential amplifier.

In the case of a differential amplifier of the type described at the outset, this object is achieved according to the invention solved in that the emitter of each of the two transistors via a transistor amplifier in each case The emitter circuit is coupled to its base by the coupling according to the invention with the coupled Emitters of the two transistors in a differential amplifier arrangement receive the inputs of the in Emitter circuit located transistors common mode signals, since push-pull signals are coupled to the Emitters of the differential amplifier arrangement mutually wipe out. The outputs of the amplifier in common emitter circuit can each with one two further transistors connected in a differential arrangement can be coupled. By the invention Circuit arrangement creates a negative feedback for common mode signals, so that the input impedance of the emitter-coupled differential amplifier for common mode signals is reduced. As mentioned at the The said point no push-pull signals can occur, there is also a feedback of such signals not possible, so that the input impedance of the differential amplifier is not essential for push-pull signals is decreased. So if the differential amplifier comes from a signal source with internal resistance is supplied, then there is an improved common mode rejection, because the amplitude of Common mode input signals of the emitter-coupled differential amplifier because of the only for such Common mode signals effective negative feedback with respect to the nature of differential mode input signals will.

The principle according to the invention can experience numerous configurations, some of which for Explanation of the invention are described below with reference to drawings. the

F i g. 1, 2 and 3 show circuit diagrams of the invention Differential amplifiers in the embodiments for 3 different operational amplifiers.

In Fig. 1, all circuit elements within the dashed rectangle 10 are integrated Circuit implemented on a single semiconductor die. The integrated circuit forms one Differential amplifier with two transistors 11 and 12, a current source transistor 13 and an active one Load circuit with the transistors 14, 15, 16 and 17 as well as the diode 18. An external power source (not shown) is between terminal 19 and the