DE19743205C2 - Bipolare Impedanzwandlerschaltung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine bipolare Impedanz­ wandlerschaltung. Impedanzwandler sind aktive Vierpole mit der Spannungsverstärkung eins, die sich durch eine hohe Ein­ gangsimpedanz und eine niedrige Ausgangsimpedanz auszeichnen. Die grundsätzliche Funktion eines Impedanzwandlers besteht darin, ein Signal über einen hochohmigen Eingang auf einen Ausgang mit einem niedrigen Innenwiderstand abzubilden.

Üblicherweise werden diese Wandler durch einen direkt gegen­ gekoppelten Operationsverstärker verwirklicht. Diese aus dem Stand der Technik bekannten Impedanzwandler bestehen aus ei­ nem Differenzverstärker, der eine möglichst hohe Verstärkung aufweist. Um diese hohe Verstärkung auch bei kleinen Kollek­ torströmen der den Differenzverstärker bildenden Transistoren zu erzielen, wird im Gegenkopplungskreis eine sogenannte ak­ tive Last verwendet. Diese besteht aus Transistoren. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Impedanzwandlern werden dabei pnp-Transistoren verwendet.

In A. Schlachetzky/W. V. Münch, "Integrierte Schaltungen", Teubner Verlag 1978, ist auf Seite 140 in Bild 4.4 ein sol­ cher Differenzverstärker mit einem Stromspiegel, der pnp- Bipolartransistoren als aktive Last aufweist, dargestellt.

Nachteilig an diesen bekannten Schaltungen ist, daß inte­ grierte pnp-Transistoren bei kleinen Kollektorströmen und ho­ hen Verstärkungen eine relativ große Fläche benötigen und da­ mit eine große unerwünschte (parasitäre) Kollektor-Substrat- Kapazität aufweisen. Es ist bei Impedanzwandlern wichtig, daß der Einfluß von Änderungen der Versorgungsspannung, seien es nun Gleichspannungsänderungen oder Wechselspannungsstörungen, möglichst klein bleibt. Dies ist jedoch durch die Verwendung der pnp-Transistoren in den bekannten Impedanzwandlerschal­ tungen durch die hohen parasitären Kapazitäten der pnp- Transistoren nicht gewährleistet. Zusätzlich sind pnp- Transistoren relativ langsam, was zu einer deutlichen Verzö­ gerung des zu wandelnden Signals führt.

Aus EP 0 161 076 A2 ist eine Spannungsfolgerschaltung be­ kannt, die einen gegengekoppelten Differenzverstärker und ei­ nen weiteren Verstärker aufweist, wobei der weitere Verstär­ ker den Strom durch die Transistoren des Differenzverstärkers und dadurch die Verstärkung des gesamten Spannungsverfolgers einstellt sowie die Genauigkeit der Verstärkung erhöht.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Impedanzwandlerschaltung zu schaffen, die weitgehend un­ empfindlich gegenüber Schwankungen der Versorgungsspannung ist, und bei der die Ausgangsspannung der Eingangsspannung schneller als bei den bisher bekannten Schaltungen folgt.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch, daß im Gegenkopplungskreis statt der bisher verwen­ deten pnp-Transistoren npn-Transistoren verwendet werden. Die npn-Transistoren weisen bei gleicher Leistung sehr viel klei­ nere Flächen und damit auch sehr viel kleinere parasitäre Ka­ pazitäten als vergleichbare pnp-Transistoren auf. Außerdem sind npn-Transistoren schneller als vergleichbare pnp- Transistoren.

Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand einer be­ vorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen detaillierter beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1: eine Impedanzwandlerschaltung des Standes der Tech­ nik; und

Fig. 2: eine erfindungsgemäße Impedanzwandlerschaltung.

In Fig. 1 ist eine Impedanzwandlerschaltung des Standes der Technik gezeigt. Diese besteht aus den beiden Transistoren T1 und T2, die einen Differenzverstärker bilden. Dieser Diffe­ renzverstärker weist in seinem Gegenkopplungskreis eine akti­ ve Last bestehend aus den pnp-Transistoren T3 und T4 auf. Die Eingangsspannung des Impedanzwandlers wird an den Transistor T1 angelegt und ist mit VI bezeichnet. Die Ausgangsspannung des Impedanzwandlers wird am Transistor T5 abgegriffen und ist mit VO bezeichnet. Die Schaltung wird mit der Versor­ gungsspannung VCC gespeist. Da, wie oben schon ausgeführt, die verwendeten pnp-Transistoren im Gegenkopplungskreis eine hohe parasitäre Kollektor-Substrat-Kapazität aufweisen, wer­ den Störungen der positiven Versorgungsspannung VCC über die Basis des Transistors T5 direkt an dessen niederohmigen Emit­ ter weitergegeben und führen damit zu einer schlechten Unter­ drückung dieser Störungen der Versorgungsspannung am Ausgang.

Fig. 2 zeigt die Impedanzwandlerschaltung gemäß der vorlie­ genden Erfindung. Sie besteht wiederum aus zwei Transistoren T1 und T2, die einen Differenzverstärker bilden. Dieser Dif­ ferenzverstärker weist in seinem Gegenkopplungskreis eine Re­ gelschaltung auf, die durch Transistoren T3, T4, T5, T6 ge­ bildet wird. Wie man sieht, verzichtet die erfindungsgemäße Schaltung vollständig auf pnp-Transistoren und verwendet auch im Gegenkopplungskreis ausschließlich npn-Transistoren.

Damit die Ausgangsspannung VO der Eingangsspannung VI genau folgt, muß dafür gesorgt werden, daß die Kollektorströme in den Transistoren T1 und T2 des Differenzverstärkers gleich sind. Dann sind auch die Spannungen zwischen Basis und Emit­ ter (UBE) bei beiden Transistoren T1 und T2 gleich. Da die Widerstände in beiden Kollektorkreisen gleich groß sind, ge­ nügt es, die Kollektoren der beiden Transistoren T1 und T2 auf gleichem Potential zu halten. Dafür sorgt erfindungsgemäß der Regelkreis aus den Transistoren T1, T3 und T7.

Im folgenden soll detaillierter angegeben werden, wie die er­ findungsgemäße Schaltung gemäß der Fig. 2 funktioniert.

Angemerkt werden soll dazu, daß der Differenzverstärker aus den Transistoren T1 und T2 im Gleichgewicht innerhalb des li­ nearen Teils seiner Übertragungskennlinie arbeiten soll. Die Transistoren T1 und T2 leiten dann im Arbeitspunkt jeweils den halben Stromquellenstrom.

Die Stromspiegelschaltung, die aus den Transistoren T5 und T6 besteht, und die in ihren Zweigen gleich große Widerstände REF aufweist, sorgt dafür, daß in beiden Zweigen identische Ströme fließen und identische Spannungsabfälle entstehen.

Die Funktionsweise der Schaltung soll nun am Beispiel einer Nachregelung bei einer positiver werdenden Versorgungsspan­ nung VCC beschrieben werden. Die negative Versorgungsspannung werde dabei auf 0 Volt gesetzt. Die Versorgungsspannung VCC steige also in positiver Richtung an. Damit unabhängig davon die Ausgangsspannung VO gleich der Eingangsspannung VI bleibt, muß dafür gesorgt werden, daß das Basispotential des Transistors T4 annähernd konstant bleibt. Dazu muß die Span­ nung über dem Widerstand R18 entsprechend der Zunahme der Versorgungsspannung VCC ansteigen. Dazu muß der Strom durch den Widerstand R18 ansteigen. Diese kann durch eine entspre­ chende Ansteuerung des Transistors T2 erfolgen. Da die Summe der Ströme durch den Widerstand R18 und durch den entspre­ chenden Widerstand R28 im Kollektorzweig des Transistors T1 den Strom durch den Transistor T7 ergeben und dieser Strom zunächst konstant ist, muß bei einem Ansteigen des Stromes durch den Widerstand R18 der Strom durch den Widerstand R28 entsprechend geringer werden. Damit ist das Gleichgewicht der Transistoren T1 und T2 gestört, sie leiten unterschiedlich große Ströme. Damit würde die Ausgangsspannung VO ansteigen. Da aber der Strom durch den Widerstand R28 geringer wird, wird auch der Spannungsabfall über dem Widerstand R28 geringer, wodurch das Basispotential des Transistors T3 an­ steigt. Damit steigt auch das Potential an der Basis des Transistors T7, der den Stromquellentransistor des Differenz­ verstärkers darstellt. Das steigende Basispotential des Transistors T7 führt zu einer Erhöhung des Stroms durch den Transistor T7. In Folge steigt auch der Strom durch den Wi­ derstand R28 wieder so weit an, bis er den Wert des Stromes durch den Widerstand R18 erreicht hat. Damit haben die Tran­ sistoren T1 und T2 wieder gleiche Kollektorpotentiale, die Schaltung befindet sich wieder im Gleichgewicht. Die Verände­ rung der Versorgungsspannung auf einen positiveren Wert wurde also durch die erfindungsgemäße Schaltung so ausgeregelt, daß die Schaltung wieder in ihren Gleichgewichtszustand zurückfindet und somit die Ausgangsspannung wieder der Ein­ gangsspannung entspricht, wie dies vor der Veränderung der Versorgungsspannung der Fall war.

Durch Simulationsversuche konnte ermittelt werden, daß bei der erfindungsgemäßen Schaltung (Fig. 2) gegenüber der Schal­ tung des Standes der Technik (Fig. 1) bei der Verwendung ver­ gleichbarer Bauteile eine um ca. 35 dB geringere Störung der Ausgangsspannung VO bei Störungen der Versorgungsspannung VCC aufgetreten ist. Außerdem konnte bei der erfindungsgemäßen Schaltung durch die Verwendung der schneller schaltenden npn- Transistoren beobachtet werden, daß die Ausgangsspannung VO der Eingangsspannung VI weit schneller folgt. In Abhängigkeit von der verwendeten PNP-Technologie konnte dabei die Flankensteilheit der erfindungsgemäßen Schaltung gegenüber Schaltungen aus dem Stand der Technik um das bis zu Vierfache verbessert werden.

Insgesamt stellt die erfindungsgemäße Impedanzwandlerschal­ tung somit eine Schaltung dar, die gegenüber Störungen der Versorgungsspannung weit unempfindlicher ist und auch eine schnellere Impulsantwort liefert als die bisher bekannten Im­ pedanzwandlerschaltungen des Standes der Technik.

Claims (1)

1. Bipolare Impedanzwandlerschaltung mit einem Differenzver­ stärker, der zwei Transistoren (T1, T2) aufweist und deren Emitter gemeinsam mit einer durch einen weiteren Transistor (T7) gebildeten Stromquelle verbunden sind und deren Kollek­ toren mit einer positiven Versorgungsspannung (VCC) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die positive Versorgungsspannung (VCC) und eine ne­ gative Versorgungsspannung (VEE) ein erster und ein zweiter Pfad, jeweils die Laststrecke eines ersten Transistors (T3 bzw. T4), einen Widerstand (REF) und die Laststrecke eines zweiten Transistors (T6 bzw. T5) aufweisend, geschaltet ist,
wobei die Kollektoren der Transistoren (T1, T2) des Diffe­ renzverstärkers jeweils mit der Basis des ersten Transistors (T3, T4) des ersten bzw. zweiten Pfades verbunden sind und,
wobei die zweiten Transistoren (T6, T5) des ersten und zwei­ ten Pfades als Stromspiegel verschaltet sind, und wobei die Basis des die Stromquelle bildenden weiteren Transistors (T7) mit dem Stromspiegel verbunden ist.