DE19844636A1 - Schaltung hoher Impedanz - Google Patents
Schaltung hoher ImpedanzInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung hoher Impedanz, die z. B.
als Signaleingangsschaltung benutzt wird, und genauer auf eine Schaltung hoher
Impedanz und einen Verstärker hoher Verstärkung, die geeignet sind, als eine
Signaleingangsschaltung für Hochfrequenzsignale verwendet zu werden, wie einem
Radioempfänger, einem Fernsehempfangsgerät, einem Satellitenübertragungs
empfänger, einem Videorecorder, und einem mobilen Nachrichtenübertragungsgerät.
Es ist notwendig, daß eine Signaleingangsschaltung eine hohe Impedanz hat. Zusätzlich,
da eine Hochgeschwindigkeitsverarbeitung von einer Signaleingangsschaltung verlangt
wird, die für ein Hochfrequenzsignal wie ein Signal für einen Radioempfänger, ein
Videosignal für ein Fernsehempfangsgerät, ein Hochfrequenzsignal für einen
Satellitenübertragungsempfänger, ein Videosignal für einen Videorecorder und ein RF-
Signal für ein mobiles Nachrichtenübertragungsgerät benutzt wird, ist solch eine
Schaltung normalerweise als eine Schaltung hoher Impedanz gebildet, die eine
paarweise Differenzschaltung hat.
Als Stand der Technik für die Schaltung hoher Impedanz der vorliegenden Erfindung
wird ein Beispiel einer paarweisen Differenzschaltung hoher Impedanz, die eine
paarweise Differenzschaltung hat, die für eine Signaleingangsschaltung für ein
Hochfrequenzsignal geeignet ist, weiter unten mit Bezug auf die Fig. 1 erläutert.
Fig. 1 ist ein Schaltungsdiagramm einer paarweise Differenzschaltung hoher Impedanz
als Stand der Technik der Schaltung hoher Impedanz der vorliegenden Erfindung.
Diese Differenzschaltung vom Paar-Typ, kurz paarweise Differenzschaltung, hoher
Impedanz umfaßt die npn-Transistoren Q11 und Q12, die eine paarweise
Differenzschaltung bilden, wobei beide Emitter gemeinsam verbunden und an Masse
bzw. Erdpotential GND über ein Widerstandselement R10 gelegt sind. Basen der npn-
Transistoren Q11 und Q12 sind gemeinsam verbunden und weiter an die
Widerstandselemente R11 und R12 angeschlossen. Die Schaltung hoher Impedanz
enthält weiter einen npn-Transistor Q13, dessen Basis an den Kollektor des npn-
Transistors Q11 angeschlossen ist, wobei der Emitter an der Basis des npn-Transistors
Q11 über eine Stromquellenschaltung I11 und das Widerstandselement R11
angeschlossen ist, und einen npn-Transistor Q14, dessen Basis an den Kollektor des
npn-Transistors Q12 angeschlossen ist, wobei der Emitter an der Basis des npn-
Transistors Q12 über die Stromquellenschaltung I11 und das Widerstandselement R12
angeschlossen ist.
Die Schaltung hoher Impedanz umfaßt weiter pnp-Transistoren Q21 und Q22, die an
die Kollektoren der npn-Transistoren Q11 und Q12 angeschlossen sind, und
Widerstandselemente R21 und R22, die zwischen den Transistoren Q21 und Q22 und
einer ersten Spannungsversorgungsleitung Vcc angeschlossen sind, damit die paarweise
Differenzschaltung eine hohe Impedanz bekommt. Die Basis des Transistors Q21 und
die Basis des Transistors Q22 sind gemeinsam verbunden. Diese pnp-Transistoren Q21
und Q22 und die Widerstandselemente R21 und R22 arbeiten als eine Gleichstrom(DC)-
Leistungsquelle für die paarweise Differenzschaltung.
Die Schaltung hoher Impedanz ist weiter mit pnp-Transistoren Q23 und Q24,
Widerstandselementen R23 und R24, die an die Emitter dieser pnp-Transistoren Q23
und Q24 angeschlossen sind, und einer Stromquellenschaltung I12 für diese
Schaltungselemente versehen.
In dieser Schaltung hoher Impedanz ist eine von dem npn-Transistor Q13 aus gesehene
Eingangsimpedanz Zin sehr hoch.
In der Schaltung hoher Impedanz, die in Fig. 1 gezeigt ist, hängen die hohen
Impedanzkomponenten von der Kollektorimpedanz der Transistoren Q11 und Q12 ab,
d. h., der Impedanz durch Schaltungselemente wie die pnp-Transistoren Q21 und Q22.
Folglich ist eine Vorspannung notwendig, um eine Gleichstrom-(DC)-Leistungsquelle
im oberen und im unteren Teil der paarweisen Differenzschaltung in der Schaltung
hoher Impedanz vorzusehen. Aufgrund der Vorspannung entsteht dort eine
Maßstabsverringerung des dynamischen Bereichs von mehr als einem Volt bei der
Spannung des ersten Leistungsquellenpotentials Vcc und des zweiten
Leistungsquellenpotentials GND. Als Ergebnis ist diese Schaltung hoher Impedanz nicht
für Niederspannungsbetrieb geeignet.
Insbesondere in einer kürzlich angegebenen Schaltung hoher Impedanz für ein
Hochfrequenzsignal wird ein breiter dynamischer Bereich und ein Betrieb mit noch
niedrigerer Spannung verlangt, weshalb daher die obigen Nachteile in einer Schaltung
hoher Impedanz für Hochfrequenzverarbeitung erheblich werden.
Da ferner die npn-Transistoren Q11 bis Q14 zusammen mit den pnp-Transistoren Q21
bis Q24, die eine entgegengesetzte Polarität haben, in der Schaltung hoher Impedanz in
Fig. 1 benutzt werden, wird es kompliziert, wenn eine integrierte Schaltung (IC)
hergestellt wird, die diese Schaltungen enthält.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltung hoher Impedanz vorzusehen,
die bei einer niedrigen Spannung arbeiten kann und deren dynamischer Bereich nicht
verringert ist.
Weiter soll eine Schaltung hoher Impedanz vorgesehen werden, die einfach herstellbar
ist und geeignet ist, als IC ausgebildet zu werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Schaltung hoher Impedanz vorgesehen, die
umfaßt: einen ersten Transistor, ein erstes Widerstandselement, das zwischen einem
Anschluß des ersten Transistors und einer ersten Spannungsversorgungsleitung
angeschlossen ist, eine erste Stromquelle, die zwischen einem anderen Anschluß des
ersten Transistors und einer zweiten Spannungsversorgungsleitung angeschlossen ist,
einen zweiten Transistor, der die gleiche Charakteristik wie die des ersten Transistors
hat, ein zweites Widerstandselement das zwischen einem Anschluß des zweiten
Transistors und der ersten Spannungsversorgungsleitung angeschlossen ist und einen
gleichen Widerstandswert wie der des ersten Widerstandselements hat, eine zweite
Stromquelle, die zwischen einem anderen Anschluß des zweiten Transistors und der
zweiten Spannungsversorgungsleitung angeschlossen ist und die gleiche Charakteristik
wie die der ersten Stromquelle hat, ein drittes Widerstandselement das zwischen dem
anderen Anschluß des ersten Transistors und dem anderen Anschluß des zweiten
Transistors angeschlossen ist, ein erstes Pufferschaltungselement, das zwischen dem
einen Anschluß des zweiten Transistors und einem Steueranschluß des ersten Transistors
angeschlossen ist, und ein zweites Pufferschaltungselement, das zwischen dem einem
Anschluß des ersten Transistors und einem Steueranschluß des zweiten Transistors
angeschlossen ist, wobei die Hälfte des Widerstandswertes des dritten
Widerstandselements größer als ein und näher an dem Widerstandswert des ersten
Widerstandselements bzw. zweiten Widerstandselements ist.
Die obigen ersten und zweiten Transistoren bilden eine paarweise Differenzschaltung.
In dieser paarweisen Differenzschaltung dienen die erste und zweite Pufferschaltung als
eine Gleichstrom(DC)-Vorspannungs- bzw. Vorstromschaltung. Weiter ist, damit das
dritte Widerstandselement, das zwischen den anderen Enden des ersten und zweiten
Transistors verbunden ist, als ein negativer Widerstand rückgekoppelt, ein
Steueranschluß der Transistoren in der paarweisen Differenzschaltung z. B. eine
Basisspannung zu einem Anschluß der Transistoren in paarweiser Differenzschaltung z. B.
zu einem Kollektor vorspannungsmäßig verschoben. Die Schaltung hoher Impedanz
der vorliegenden Erfindung arbeitet nämlich als Stromrückkoppelschaltung.
Damit die Schaltung hoher Impedanz der vorliegenden Erfindung eine Impedanz hat,
die so groß wie möglich ist, ist es wünschenswert, den Widerstandswert (RZ) des ersten
Widerstandselements (R2) und des zweiten Widerstandselements (R2) größer als die
Hälfte des Widerstandswerts des dritten Widerstandselements (2R1) und gleichzeitig
nahe dem Wert des ersten Widerstandselements (R2) und des zweiten
Widerstandselements (R2) einzustellen.
Bevorzugterweise ist der erste Transistor ein npn-Bipolartransistor und ist der zweite
Transistor ein npn-Bipolartransistor.
Bevorzugterweise umfaßt das erste Pufferschaltungselement einen dritten Transistor,
dessen eine Basis mit einem Kollektor des zweiten Transistors verbunden ist, wobei ein
Emitter mit einer Basis des ersten Transistors verbunden ist und dieselbe Leitfähigkeit
wie der erste Transistor hat, und eine dritte Stromquellenschaltung, die zwischen einem
Emitter des dritten Transistors und der zweiten Spannungsquelle angeschlossen ist, und
umfaßt das zweite Pufferschaltungselement einen vierten Transistor, dessen eine Basis
mit einem Kollektor des ersten Transistors verbunden ist, wobei ein Emitter mit einer
Basis des zweiten Transistors verbunden ist und dieselbe Leitfähigkeit wie der zweite
Transistor hat, und eine vierte Stromquellenschaltung, die zwischen einem Emitter des
vierten Transistors und der zweiten Spannungsquelle angeschlossen ist und gleich der
dritten Stromquelle ist.
In der obigen Schaltungskonfiguration werden der dritte und vierte Transistor für einen
DC-Verschiebeteil (ein Pufferschaltungselement) für eine Vorspannung in der Schaltung
hoher Impedanz benutzt.
Als eine zweite Arbeitsweise der Schaltung hoher Impedanz der vorliegenden Erfindung
kann die Schaltung hoher Impedanz der obigen ersten Arbeitsweise bevorzugterweise
als ein Verstärker hoher Verstärkung arbeiten, indem eine im folgenden erläuterte
Schaltung hinzugefügt wird.
Bevorzugterweise umfaßt die Schaltung hoher Impedanz gemäß der vorliegenden
Erfindung weiter einen fünften npn-Transistor, der einen Kollektor hat, der mit dem
Kollektor des ersten Transistors und einer Basis des vierten Transistors verbunden ist;
einen sechsten npn-Transistor, der einen Kollektor hat, der mit dem Kollektor des
zweiten Transistors und der Basis des dritten Transistors verbunden ist, und dieselbe
Leitfähigkeit wie der fünfte Transistor hat; eine fünfte Stromquellenschaltung, die
zwischen dem Emitter des fünften Transistors und der zweiten Spannungsquelle
angeschlossen ist; eine sechste Stromquellenschaltung, die zwischen dem Emitter des
sechsten Transistors und der zweiten Spannungsquelle angeschlossen ist; ein viertes
Widerstandselement, das zwischen dem Emitter des fünften Transistors und dem
Emitter des sechsten Transistors angeschlossen ist; und ein fünftes Widerstandselement,
das zwischen dem Kollektor des ersten Transistors und dem Kollektor des zweiten
Transistors angeschlossen ist.
Bevorzugterweise wird ein Verhältnis des Widerstandswerts des fünften
Widerstandselements und des Widerstandswerts des vierten Widerstandselements so
festgelegt, daß eine gewünschte Verstärkung der Schaltung eingestellt wird.
Bevorzugterweise umfaßt das erste Pufferschaltungselement ein viertes
Widerstandselement, das mit einem Kollektor des zweiten Transistors verbunden ist,
wobei ein Emitter mit einer Basis des ersten Transistors verbunden ist, und eine dritte
Stromquellenschaltung, die zwischen einem Verbindungspunkt eines anderen
Anschlusses des vierten Widerstandselements und der Basis des ersten Transistors und
der zweiten Spannungsquelle angeschlossen ist, und umfaßt das zweite
Pufferschaltungselement ein fünftes Widerstandselement, das zwischen einem Kollektor
des ersten Transistors und der Basis des zweiten Transistors angeschlossen ist und den
gleichen Widerstandswert wie das vierte Widerstandselement hat, und eine vierte
Stromquellenschaltung, die zwischen einem Verbindungspunkt eines anderen
Anschlusses des fünften Widerstandselements und einer Basis des zweiten Transistors
und der zweiten Spannungsquelle angeschlossen ist und gleich der dritten Stromquelle
ist.
In dieser Schaltungskonfiguration werden die vierten und fünften Widerstandselemente
für den DC-Verschiebeteil (ein Pufferschaltungs-Element) für eine Vorspannung in der
Schaltung hoher Impedanz benutzt.
Als eine vierte Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung, kann die Schaltung hoher
Impedanz der vorherigen dritten Arbeitsweise bevorzugterweise als Verstärker hoher
Verstärkung arbeiten, indem eine im folgenden erläuterte Schaltung hinzugefügt wird.
Bevorzugterweise umfaßt die Schaltung hoher Impedanz gemäß der vorliegenden
Erfindung weiter einen fünften npn-Transistor, der einen Kollektor hat, der mit einem
Verbindungspunkt der Basis des ersten Transistors und des vierten Widerstandselements
verbunden ist; ein sechster npn-Transistor, der einen Kollektor hat, der mit einem
Verbindungspunkt der Basis des zweiten Transistors und des fünften
Widerstandselements verbunden ist; eine fünfte Stromquellenschaltung, die zwischen
dem Emitter des fünften Transistors und der zweiten Spannungsquelle angeschlossen ist;
eine sechste Stromquellenschaltung, die zwischen dem Emitter des sechsten Transistors
und der zweiten Spannungsquelle angeschlossen ist und gleich der fünften
Stromquellenschaltung ist; ein sechstes Widerstandselement, das zwischen dem Emitter
des dritten Transistors und dem Emitter des vierten Transistors angeschlossen ist; und
ein siebtes Widerstandselement, das zwischen dem Kollektor des ersten Transistors und
dem Kollektor des zweiten Transistors angeschlossen ist.
Auch in dieser Schaltung ist eine zusätzliche paarweise Differenzschaltung durch einen
fünften und einen sechsten Transistor gebildet. In dieser Schaltung kann, um das sechste
Widerstandselement zu dem Vorspannungsteil hoher Impedanz als ein Lastwiderstand
und das sechste Widerstandselement als ein zusätzliches Widerstandselement zu
überbrücken einer neu vorgesehenen zusätzlichen paarweisen Differenzschaltung eine
Stromansteuerung erfolgen.
Bevorzugterweise ist ein Verhältnis des Widerstandswerts des siebten
Widerstandselements und des Widerstandswerts des fünften Widerstandselements so
festgelegt, daß eine gewünschte Verstärkung der Schaltung eingestellt wird.
Diese und andere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden durch die
folgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beigefügte
Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 ein Schaltungsdiagramm einer Schaltung hoher Impedanz als Stand der
Technik zur vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ein Schaltungsdiagramm einer Schaltung hoher Impedanz gemäß eines
ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ein Schaltungsdiagramm zur Erklärung der Arbeitsweise der Schaltung
hoher Impedanz gemäß Fig. 2;
Fig. 4 ein Graph, der die Impedanzcharakteristik der Schaltung hoher Impedanz
gemäß Fig. 2 zeigt;
Fig. 5 ein Schaltungsdiagramm der Schaltung hoher Impedanz gemäß eines
zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 ein Schaltungsdiagramm zur Erklärung der Arbeitsweise der Schaltung
hoher Impedanz gemäß Fig. 5;
Fig. 7 ein Schaltungsdiagramm eines Verstärkers hoher Verstärkung als ein
drittes Ausführungsbeispiel der Schaltung hoher Impedanz der
vorliegenden Erfindung; und
Fig. 8 ein Schaltungsdiagramm eines Verstärkers hoher Verstärkung als ein
viertes Ausführungsbeispiel der Schaltung hoher Impedanz der
vorliegenden Erfindung.
Im folgenden werden verschiedene bevorzugte Ausführungsbeispiele der Schaltung
hoher Impedanz gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben mit Bezug auf die
beigefügte Zeichnung.
Fig. 2 ist ein Schaltungsdiagramm der paarweisen Differenzschaltung hoher Impedanz
gemäß des ersten Ausführungsbeispiels der Schaltung hoher Impedanz der vorliegenden
Erfindung.
Die Schaltungskonfiguration der Schaltung hoher Impedanz, die in Fig. 2 gezeigt ist,
wird nun erläutert. Diese Schaltung hoher Impedanz umfaßt npn-Transistoren Q1 und
Q2, die gleiche Charakteristik haben, npn-Transistoren Q3 und Q4, die gleiche
Charakteristik haben, Widerstandselemente R2 und R2, die den gleichen
Widerstandswert haben und mit den Kollektoren der Transistoren Q1 und Q2 verbunden
sind, ein Widerstandselement R3 (= 2R1), das zwischen einem Emitter des Transistors
Q1 und einem Emitter des Transistors Q2 angeschlossen ist, zwei
Stromquellenschaltungen I0 und zwei Stromquellenschaltungen I1.
Der Transistor Q1 korrespondiert mit dem ersten Transistor der vorliegenden
Erfindung, der Transistor Q2 korrespondiert mit dem zweiten Transistor der
vorliegenden Erfindung, die Widerstandselemente R2 und R2 korrespondieren mit dem
ersten und dem zweiten Widerstandselement der vorliegenden Erfindung, das
Widerstandselement 2R1 korrespondiert mit dem dritten Widerstandselement der
vorliegenden Erfindung und die zwei Stromquellenschaltungen I0 und I0
korrespondieren mit der ersten und der zweiten Stromquellenschaltung der vorliegenden
Erfindung. Ferner korrespondiert der Transistor Q3 mit dem dritten Transistor der
vorliegenden Erfindung, korrespondiert der Transistor Q4 mit dem vierten Transistor
der vorliegenden Erfindung und korrespondieren die zwei Stromquellenschaltungen I1
und I1 mit der dritten und der vierten Stromquellenschaltung der vorliegenden
Erfindung.
Die Strom(leistungs)quelle Vcc korrespondiert mit der ersten Potential(leistungs)quelle
der vorliegenden Erfindung und das Masse- oder Erdpotential GND korrespondiert mit
der zweiten Potentialquelle der vorliegenden Erfindung.
In der Schaltung hoher Impedanz, die in Fig. 2 gezeigt ist, bilden die npn-Transistoren
Q1 und Q2, die die gleiche Polarität (gleiche Leitfähigkeit) und die gleiche
Charakteristik haben, die paarweise Differenzschaltung. Die ersten
Stromquellenschaltungen I0 und I0 sind zwischen den jeweiligen Emittern der
Transistoren Q1, Q2 und dem Massepotential GND als die zweite Potentialquelle
angeschlossen, und die Widerstandselemente R2 und R2 sind zwischen den Kollektoren
der Transistoren Q1, Q2 und der ersten Potentialquellen-Leitung Vcc als Kollektor-
Widerstandselemente angeschlossen.
In dieser Schaltung hoher Impedanz ist die Basis des npn-Transistors Q3 mit dem
Kollektor des Transistors Q2 verbunden und ist der Emitter des Transistors Q3 mit der
Basis des Transistors Q1 und der zweiten Stromquellenschaltung I1 verbunden. In
Fig. 1 ist die Basis des npn-Typ-Transistors Q13 mit dem Kollektor des npn-Transistors
Q11 verbunden, während in der Schaltung hoher Impedanz gemäß Fig. 2 die Basis des
Transistors Q3 mit dem Kollektor des npn-Transistors Q2 verbunden ist, der auf der
gegenüberliegenden Seite des Transistors Q1 angeordnet ist.
In ähnlicher Weise ist in dieser Schaltung hoher Impedanz die Basis des npn-Transistors
Q4 mit dem Kollektor des Transistors Q1 verbunden und ist der Emitter des Transistors
Q4 mit der Basis des Transistors Q2 und der Stromquellenschaltung I1 verbunden.
Ebenfalls gleich wie oben ist die Basis des npn-Transistors Q14 mit dem Kollektor des
npn-Transistors Q12 in Fig. 1 verbunden, während in der Schaltung hoher Impedanz
gemäß Fig. 2 die Basis des Transistors Q4 mit dem Kollektor des npn-Transistors Q1
verbunden ist, der auf der gegenüberliegenden Seite des Transistors Q2 angeordnet ist.
Die Basen der Transistoren Q1 und Q2 sind jeweils mit den Emittern der Transistoren
Q3 und Q4 verbunden.
In der Schaltung hoher Impedanz, die in Fig. 2 gezeigt ist, sind der Emitter des
Transistors Q1 und der Emitter des Transistors Q2 gemeinsam durch das
Widerstandselement 2R1 verbunden. Dieses Widerstandselement 2R1 arbeitet als ein
negatives Widerstandselement, wie das später erläutert wird.
Die Schaltung hoher Impedanz, die in Fig. 1 gezeigt ist, und die vorliegende Schaltung
hoher Impedanz werden in ihrer Schaltungskonfiguration verglichen. In der Schaltung
hoher Impedanz, die in Fig. 2 gezeigt ist, werden nur npn-Transistoren Q1 bis Q4
benutzt. Daher ist diese Schaltungskonfiguration einfach herzustellen, wenn sie als eine
integrierte Schaltung (IC) realisiert wird. Weiter umfaßt die Schaltung hoher Impedanz,
die in Fig. 2 gezeigt ist, nicht die pnp-Transistoren Q21 und Q24, die
Widerstandselemente R21 bis R24, die mit diesem Transistoren verbunden sind, und die
Stromquellenschaltung I12 der Schaltung hoher Impedanz, die in Fig. 1 gezeigt ist.
Daher hat die Schaltung hoher Impedanz, die in Fig. 2 gezeigt ist, eine sehr einfache
Konfiguration.
In der Schaltung hoher Impedanz, die in Fig. 2 gezeigt ist, arbeiten die Transistoren Q3
und Q4 jeweils als Emitterfolger-Schaltungen, die als eine DC-Schiebeschaltung für die
Transistoren Q1 und Q2 arbeiten, die die paarweise Differenzschaltung bilden, und die
außerdem als Pufferschaltung dienen, um die Eingangsimpedanz Z1 der Transistoren
Q1 und Q2, von der Basisseite der Transistoren Q3 und Q4 gesehen, zu erhöhen.
Durch das Vorsehen der Transistoren Q3 und Q4, ist der Strom i1, der in die
Transistoren Q1 und Q2 und in das Widerstandselement 2R1 zwischen den Emittern der
Transistoren Q1 und Q2 fließt, eine Stromrückkopplung bezüglich der
Widerstandselemente (auf die ab sofort als Kollektorelemente Bezug genommen wird)
R2 und R2 der Kollektorseite der Transistoren Q1 und Q2.
Das obige Stromrückkopplungsphänomen in der Schaltung hoher Impedanz gemäß Fig.
2 wird mit Bezug auf Fig. 3 erläutert.
Fig. 3 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Schaltung zeigt, bei der
AC(Wechselstrom)-Leistungsquellen P1 und P2 vorgesehen sind, um ein
Differenzeingangssignal dV1 auf einer Spannung V1 und ein Differenzeingangssignal
-dV1 mit einer Spannung von -V1 zwischen den Basen der Transistoren Q3 und Q4
vorzusehen. Die Schaltung hoher Impedanz, die in Fig. 2 gezeigt ist, wird nämlich
z. B. in einer Schaltung, die die Konfiguration gemäß Fig. 3 hat, benutzt.
Der Eingangsstrom, der in Richtung der Basis des Transistors Q4 fließt, sei i3, wenn
die Spannung V1 von der Leistungsquelle P1 abgegeben wird; dann kann die
Eingangsimpedanz Z1, von der Leistungsquelle P1 gesehen, durch die folgende Formel
ausgedrückt werden:
i3 + (0 - V1)/R2 = -V1/R1,
worin,
i3 = ein Strom, der in die Richtung der Basis des Transistors Q4 von der Leistungsquelle P1 fließt,
V1 = die Spannung des Differenzeingangssignals dV1, das von der Leistungsquelle P1 abgegeben wird,
-V1 = die Spannung des Differenzeingangsignals -dV2, das von der Leistungsquelle P2 ausgegeben wird,
R1 = der Widerstandswert, der die Hälfte des Widerstandselements 2R1 ist, das zwischen den Emittern des Transistors Q1 und des Transistors Q2 angeschlossen ist,
R2 = ein Widerstandswert des Kollektorwiderstandselements R2.
i3 = ein Strom, der in die Richtung der Basis des Transistors Q4 von der Leistungsquelle P1 fließt,
V1 = die Spannung des Differenzeingangssignals dV1, das von der Leistungsquelle P1 abgegeben wird,
-V1 = die Spannung des Differenzeingangsignals -dV2, das von der Leistungsquelle P2 ausgegeben wird,
R1 = der Widerstandswert, der die Hälfte des Widerstandselements 2R1 ist, das zwischen den Emittern des Transistors Q1 und des Transistors Q2 angeschlossen ist,
R2 = ein Widerstandswert des Kollektorwiderstandselements R2.
Zur Vereinfachung wurde bei einem Widerstandselement z. B. dem Widerstandselement
R2, und seinem Widerstandswert das gleiche Bezugszeichen R2 benutzt. Es gilt das
gleiche für die anderen Widerstandselemente.
Die folgende Formel ist eine Neuanordnung der obigen Formel:
i3 = V1 (1/R2 - 1/R1)
= V1 × (R1 - R2)/(R1 × R2).
= V1 × (R1 - R2)/(R1 × R2).
Dementsprechend kann die Eingangsimpedanz Z1 = V1/i3 durch folgende Formel (1)
ausgedrückt werden:
Z1 = V1/i3 = (R1 × R2)/(R1 - R2) (1).
Aus Formel (1) kann abgeleitet werden, daß in der Schaltung hoher Impedanz gemäß
Fig. 3 das Widerstandselement -R1 und das Widerstandselement R2 parallel mit Bezug
zu der Leistungsquelle P1 vorliege, d. h. äquivalent mit Bezug zu dem Eingangssignal.
Wie sich aus Formel (1) ergibt, bedeutet dies nämlich, daß der Strom durch das
Widerstandselement rückgekoppelt wird, das den Widerstandswert R1 hat, der die
Hälfte des Wertes des Widerstandselements 2R1 zwischen den Emittern mit Bezug zu
dem Kollektorwiderstandselement R2 ist. Dementsprechend arbeitet das
Widerstandselement, das den Widerstandswert R1 hat, der die Hälfte des Werts des
Widerstandselements 2R1 ist, als ein negatives Widerstandselement -R1.
Mit anderen Worten wird das Widerstandselement 2R1 zwischen den Emittern der
Transistoren Q1 und Q2 ein negatives Widerstandselement, das als ein
Stromrückkopplungselement mit einem Widerstandswert arbeitet, der die Hälfte des
Widerstandswert 2R1 ist.
Wegen dieses negativen Widerstandselements, bildet die Schaltung hoher Impedanz, die
in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist, eine Schaltung, die hohe Impedanz hat. Die detaillierten
Erklärungen werden im folgenden gegeben.
Eine Erklärung wird von den Bedingungen gemacht, die die Eingangsimpedanz Z1
maximieren durch die Beziehung zwischen dem Widerstandselement zwischen den
Emittern (ein negatives Widerstandselement) 2R1 und dem Widerstandswert des
Kollektorwiderstandselement R2.
In der Formel (1) wird, wenn R1 = R2 ist, die Eingangsimpedanz Z1, von der
Leistungsquelle gesehen, die maximale Impedanz. Folglich wird, wenn R1 = R2, die
Schaltung hoher Impedanz, die in Fig. 2 gezeigt ist, eine ideale Schaltung hoher
Impedanz, bei der die Eingangsimpedanz Z1 maximal wird.
Tatsächlich kann jedoch die Bedingung von R1 = R2 nicht komplett erfüllt werden.
Das z. B. deshalb, weil die Widerstandswerte nicht gleich sind, wegen des
Herstellungsprozesses oder Änderung der Widerstände wegen Temperaturänderungen
entstehen.
Aufmerksam zu machen ist hier auf die absoluten Werte des Widerstandswerts R1 des
negativen Widerstandselements (ein Widerstandselement zwischen Emittern) R1 und des
Widerstandswerts R2 des Kollektorwiderstandselements R2. Wenn der Widerstandswert
R1 des negativen Widerstandselements R1 größer als der Widerstandswert R2 des
Kollektorwiderstandselements R2 ist, zeigt die Eingangsimpedanz Z1, von der
Leistungsquelle P1 gesehen, eine hohe Impedanz in positiver Richtung an, während
umgekehrt, wenn der Widerstandswert R2 des Kollektorwiderstandselements R2 größer
als der Widerstandswert R1 des negativen Widerstandselements R1 ist, die
Eingangsimpedanz Z1, von der Leistungsquelle P1 gesehen, eine hohe Impedanz in
negativer Richtung anzeigt. Wenn die Eingangsimpedanz Z1 in negativer Richtung ist,
und wenn elektrostatische Kapazitätsbestandteile (Kondensator), usw. parallel geschaltet
sind, mit Bezug auf die Eingangsimpedanz Z1, schwingt (divergiert) die Schaltung
hoher Impedanz, was einen Latching up (Klemmen) bei einer Schaltung bewirkt. Daher
ist es notwendig, die Bedingung zu erfüllen, die in der folgenden Formel (2) gegeben
ist, wenn eine Schaltung hoher Impedanz gebildet wird, die die Formel (1) benutzt:
R1 < R2 (2).
Unter dieser Bedingung wird, wenn der Widerstandswert R1, der die Hälfte des
Widerstandswerts des negativen Widerstandselements 2R1 ist, nahe dem
Widerstandswert R1 des Kollektorwiderstandselements R1 ist, die Schaltung hoher
Impedanz, die in Fig. 2 gezeigt ist, eine Signaleingangsschaltung mit hoher Impedanz.
Eine Basis-Vorspannung der Transistoren Q3 und Q4 ist in der folgenden Formel (3)
angezeigt:
(Eine Basis-Vorspannung von Q3 und Q4) = Vcc - I0 × R2 (3).
Fig. 4 ist ein Graph, der die Charakteristik der Eingangsimpedanz Z1 zeigt, wenn das
Verhältnis des Absolutwerts von R1 zu dem Absolutwert von R2 auf ω = |R1|/|R2|
normalisiert (normiert) ist. Wenn ω = 1, d. h., wenn der Widerstandswert R1 =
Widerstandswert R2, wird die Eingangsimpedanz Z1 der Schaltung hoher Impedanz
maximal und wird die Kurve der Eingangsimpedanz Z1 eine hyperbolische Kurve
dessen Mittelpunkt ω = 1 ist.
Wie oben erläutert, ist in dem ersten Ausführungsbeispiel der Schaltung hoher
Impedanz der vorliegenden Erfindung, die Schaltung hoher Impedanz äquivalent
konfiguriert, indem das negative Widerstandselement 2R1 benutzt wird, das die Emitter
der Transistoren Q1 und Q2 verbindet, die die paarweise Differenzschaltung bilden. Als
ein Ergebnis, wie in dem Beispiel des Standes der Technik mit Bezug zu Fig. 1 gezeigt
wurde, kann eine Schaltung hoher Impedanz, die eine hohen Impedanz-Vorspannung
hat, und die nicht für eine niedrige Spannung geeignet ist, in einem IC ohne
Verwendung von pnp-Transistoren hergestellt werden.
Auch wird bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Schaltung hoher Impedanz der
vorliegenden Erfindung, ein Widerstandselement mit Vorstrom Null erreicht, indem
Widerstandselemente RL und RL zwischen den Vorspannungen hoher Impedanz auf der
Kollektorseite der Transistoren Q1 und Q2 angeschlossen werden, weshalb eine hohe
Schaltung hohen Verstärkungsfaktors, die schwierig zu bilden war, gebildet werden
kann. Daher ist es gemäß der Schaltung hoher Impedanz des ersten
Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung möglich, einen Verstärkungsfaktor
pro Stufe eines Verstärkers, der aus npn-Transistoren besteht, zu erhöhen, und die
Anzahl der Elemente in einem IC kann reduziert werden, ein S/N (Signal/Noise Ratio;
Rauschabstand) kann erhöht werden und die Schaltungsfläche in komplizierteren
Schaltungen kann reduziert werden.
D. h., die Schaltung hoher Impedanz des ersten Ausführungsbeispiels ist von hoher
Impedanz und geeignet, eine geeignete Vorspannung zu geben, weiter hat sie den
Vorteil, Differenzschaltungsaufbau zu haben. Daher kann, verglichen mit der Schaltung
hoher Impedanz, die in Fig. 1 gezeigt ist, der Verstärkungsfaktor drastisch erhöht
werden und dies obwohl die eine Schaltung hoher Impedanz ist, weshalb ein Verstärker
hoher Verstärkung mit gleichzeitig geringem Leistungsverbrauch realisiert werden
kann.
Da die Schaltung hoher Impedanz des ersten Ausführungsbeispiels keine
Gleichstromleistungsquelle durch pnp-Transistoren, wie in Fig. 1 gezeigt, benötigt,
kann sie einen weiten dynamischen Bereich sicherstellen und ist konsequenterweise, mit
niedriger Spannung betreibbar.
Als ein Ergebnis der obigen Vorteile kann die Schaltung hoher Impedanz des ersten
Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung hohe Qualität, niedrigen
Leistungsverbrauch, Reduzierung der Größe eines IC-Chips und weitgehendst reduzierte
Herstellungskosten realisieren.
Außerdem kann, gemäß des ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
der Bereich der Anwendung erweitert werden, indem eine Vorspannung hoher
Impedanz bereitgestellt wird, und sie kann als im weiten Bereich anwendbare
Signaleingangsschaltung für eine Phasenregelkreisschaltung (PLL), eine
Amplitudenwellen-Erfassungsschaltung (AMDET), eine Frequenzwellen-
Erfassungsschaltung (FMDET), eine Filterschaltung (FILTER), usw. benutzt werden.
Es ist festzustellen, daß es bereits oben erläutert wurde, daß die Schaltung hoher
Impedanz, die in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist, eine einfachere Schaltungskonfiguration
hat, verglichen mit der Schaltung hoher Impedanz, die in Fig. 1 gezeigt ist.
Es erfolgt nun eine Erläuterung der Schaltung hoher Impedanz gemäß eines zweiten
Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Fig. 5 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Beispiel der Schaltung hoher Impedanz
gemäß des zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt.
Eine Schaltungskonfiguration der Schaltung hoher Impedanz, die in Fig. 5 gezeigt ist,
wird erläutert. Die Schaltung hoher Impedanz gemäß des zweiten Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung hat eine Konfiguration dahingehend, daß die npn-
Transistoren Q3 und Q4 für die Puffer in der Schaltung hoher Impedanz, die in Fig. 2
gezeigt ist, entfernt werden, und daß die Widerstandselemente R3 und R3, die auch als
DC-Schieber der paarweisen Differenzschaltung dienen, zwischen dem Kollektor des
npn-Transistors Q1 und der Basis des npn-Transistors Q2 bzw. zwischen dem Kollektor
des npn-Transistors Q2 und der Basis des npn-Transistors Q1 angeschlossen sind.
Die übrige Schaltungskonfiguration ist die gleiche wie die in der Schaltung hoher
Impedanz, die in Fig. 2 gezeigt ist. Ebenfalls kann, wie die Grundkonfiguration, die
Schaltung hoher Impedanz gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, die in Fig. 2 gezeigt
ist, auf die Schaltung hoher Impedanz, die in Fig. 5 gezeigt ist angewendet werden. Die
Schaltung hoher Impedanz, die in Fig. 5 gezeigt ist, umfaßt nämlich die Transistoren
Q1 und Q2, deren Kollektoren mit den Widerstandselementen R2 und R2 verbunden
sind, und eine paarweise Differenzschaltung mit Stromquellenschaltung I0 und I0 der
Transistoren Q1 und Q2, wobei die Emitter der Transistoren Q1 und Q2, die die
paarweise Differenzschaltungen bilden, durch ein negatives Widerstandselement 2R1
verbunden sind.
Fig. 6 ist ein Schaltungsdiagramm, das die Arbeitsweise der Schaltung hoher Impedanz
gemäß Fig. 5 zeigt.
In Fig. 6 sind, genauso wie in Fig. 3, AC(Wechselstrom)-Leistungsquellen P1 und P2
zwischen den Basen der Transistoren Q1 und Q2 vorgesehen, um die
Differenzeingangssignale V1 und -V1 zu liefern.
In der Schaltung, die in Fig. 6 gezeigt ist, ergibt sich das erhaltene Ergebnis einer
Eingangsimpedanz Z5, gesehen an der Basis des Transistors Q1 von der Leistungsquelle
P1 in gleicher Weise wie in der Schaltung von Fig. 3 wie folgt zu
i5 = V1 × (R1 - R2)/((R2 + R3) × R1).
Dementsprechend kann die Eingangsimpedanz Z5 durch folgende Formel ausgedrückt
werden.
Z5 = V1/I5 = ((R2 + R3)R1)/(R1 - R2) (4).
Gemäß der Formel (4) zeigt die Eingangsimpedanz Z5, gesehen von der
Leistungsquelle P1, eine unendlich große Impedanz für den Fall R1 = R2, genauso wie
in dem ersten Ausführungsbeispiel. Daher wird, wenn R1 = R2 erfüllt ist, die
Impedanzschaltung, die in Fig. 5 gezeigt ist, eine ideale Schaltung hoher Impedanz,
deren Eingangsimpedanz Z5 unendlich ist.
Tatsächlich, jedoch kann in der Schaltung hoher Impedanz in Fig. 5 die Bedingung
R1 = R2 ebenfalls nicht ganz erfüllt werden. Dies weil z. B. die Widerstandswerte in
dem Herstellungsprozeß nicht gleich sind und die Widerstandswertänderungen bei sich
ändernder Temperatur auftreten. Daher ist es in der Schaltung hoher Impedanz in Fig.
5, gleich wie in der Schaltung hoher Impedanz, die in Fig. 2 gezeigt ist, notwendig,
vorsichtig zu sein mit den Absolutwerten des Widerstandswerts R1 des negativen
Widerstandselement (ein Widerstandselement zwischen Emittern) R1 und des
Widerstandswerts R2 des Kollektorwiderstandselements R2. In der Schaltung hoher
Impedanz gemäß des zweiten Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 5 ist, ebenso wie in der
Schaltung hoher Impedanz gemäß des ersten Ausführungsbeispiels, da die Polarität der
zusammengesetzten Impedanz durch die Differenz der Absolutwerte der
Widerstandselemente R1 und R2 festgelegt ist, nämlich die Bedingung R1 < R2 in der
obigen Formel (2) notwendig.
In der Schaltung hoher Impedanz in Fig. 5, entsteht ein DC-Versatz (Offset) an beiden
Enden der Widerstandselemente R3 durch die Stromquellenschaltung I1. Es ist möglich,
zwischen der Basis und dem Kollektor der Transistoren Q1 und Q2 vorzuspannen,
indem dieser Versatz genutzt wird.
Allgemein ergibt sich, wenn angenommen wird, daß R3 = k × R2 ist, die
Eingangsimpedanz
Z5 = (k + 1) × Z1 gemäß Formel (5) aus den Formeln (4) und (1):
Z5 = ((R2 + K × R2) × R1)/(R1 - R2)
= (k + 1) × R2 × R1/(R1 - R2)
= (k + 1) × Z1 (5).
= (k + 1) × R2 × R1/(R1 - R2)
= (k + 1) × Z1 (5).
Die Eingangsimpedanz Z5 der Schaltung hoher Impedanz gemäß Fig. 5 wird nämlich
zur Eingangsimpedanz Z1 der Schaltung hoher Impedanz gemäß Fig. 2 multipliziert mit
dem Faktor (k + 1).
Die Basisvorspannung der Transistoren Q1 und Q2 ergibt sich aus der folgenden Formel
(6):
(die Basisvorspannung von Q1 und Q2)
= Vcc - I0 × R2 × (R2 + R3) (6).
= Vcc - I0 × R2 × (R2 + R3) (6).
Die Basisvorspannung der Schaltung hoher Impedanz gemäß Fig. 2 erfüllt die
Bedingung (die Basisvorspannung von Q3 und Q4) = Vcc - I0 × R2, wie in der Formel
(3) gezeigt ist, weshalb die Basisvorspannung der Schaltung hoher Impedanz gemäß
Fig. 5 um genau I1 × (R2 + R3) niedriger ist als die Basisvorspannung der Schaltung
hoher Impedanz gemäß Fig. 2.
Die Charakteristik der Eingangsimpedanz Z5 der Schaltung hoher Impedanz in Fig. 5
wird ähnlich der Charakteristik, die auf ω = |R1|/|R2| reguliert ist, wie in Fig. 4
gezeigt ist.
Wie oben beschrieben, ist in dem zweiten Ausführungsbeispiel der Schaltung hoher
Impedanz der vorliegenden Erfindung die Schaltung hoher Impedanz ebenfalls
äquivalent konfiguriert, indem ein negatives Widerstandselement 2R1 benutzt wird,
welches die Emitter der Transistoren Q1 und Q2 verbindet, die eine paarweise
Differenzschaltung bilden.
Die Schaltung hoher Impedanz in Fig. 5 benutzt nicht npn-Transistoren Q3 und Q4 und
nutzt Widerstandselemente R3 und R3, verglichen mit der Schaltung hoher Impedanz in
Fig. 2, so daß zwei Transistoren entfernt sind.
Andere Merkmale und Wirkungen der Schaltung hoher Impedanz des zweiten
Ausführungsbeispiels sind gleich denen der Schaltung hoher Impedanz des ersten
Ausführungsbeispiels.
Die Schaltung hoher Impedanz gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels der
vorliegenden Erfindung wird erläutert.
Fig. 7 ist ein Schaltungsdiagramm einer Schaltung hoher Impedanz gemäß des dritten
Ausführungsbeispiels der Schaltung hoher Impedanz der vorliegenden Erfindung,
spezieller, ein Schaltungsdiagramm einer Schaltung hoher Impedanz und eines
Verstärkers hoher Verstärkung.
Die Schaltungskonfiguration des Verstärkers hoher Verstärkung gemäß Fig. 7 wird
erläutert. Zu dieser Schaltung hoher Impedanz ist eine zweite paarweise
Differenzschaltung hinzugefügt, die aus npn-Transistoren Q5 und Q6 zusammengesetzt
ist, die einer Vorstufe der Schaltung hoher Impedanz gemäß Fig. 5 hinzugefügt ist, um
als Verstärker hoher Verstärkung zu arbeiten zusätzlich zur Arbeit als Schaltung hoher
Impedanz. Auch ist in dieser zweiten paarweisen Differenzschaltung ein negatives
Widerstandselement 2Re zwischen den Emittern der Transistoren Q5 und Q6
angeschlossen und ist ein negatives Widerstandselement 2RL zwischen den Kollektoren
der Transistoren Q5 und Q6 vorgesehen. Eine fünfte Stromquellenschaltung Ie ist
zwischen dem Emitter des Transistors Q5 und der zweiten Potential-Leistungsquelle
GND angeschlossen, und eine sechste Stromquellenschaltung Ie, die gleich der fünften
Stromquellenschaltung Ie ist, ist zwischen dem Emitter des Transistors Q6 und der
zweiten Potential-Leistungsquelle GND angeschlossen.
In Fig. 7 sind die AC-Leistungsquellen P1 und P2 zwischen den Basen der Transistoren
Q5 und Q6 vorgesehen, um die Differenzeingangsignale Vin und -Vin in der gleichen
Weise wie in Fig. 3 und 6 zuzuführen.
Die Übertragungsfunktion des Verstärkers hoher Verstärkung in der Schaltung hoher
Impedanz in Fig. 7 wird in der folgenden Formel (7) ausgedrückt.
Vout/Vin
= 1/(1/RL + 1/(R2 + R1)/(R1 - R2))/Re
= RL/Re
RL .. (R2 × R1)/(R1 - R2) (7).
= 1/(1/RL + 1/(R2 + R1)/(R1 - R2))/Re
= RL/Re
RL .. (R2 × R1)/(R1 - R2) (7).
Wie aus der Formel (7) klar ist ergibt sich, wenn die Eingangsimpedanz eines Teils der
Schaltung hoher Impedanz, die äquivalent zu der Schaltung hoher Impedanz in Fig. 5
ist, ausreichend größer als der Lastwiderstand RL in der Schaltung in Fig. 7 ist, daß die
Verstärkung durch das Verhältnis RL/Re zu den Emitterwiderstand Re an der
Eingangsseite festgelegt ist.
Weiter fließt kein Vorstrom in den Ladewiderstand 2RL, so daß eine DC-Verschiebung
nicht vorkommt. Dementsprechend ist es möglich, sich innerhalb des die
Eingangsimpedanz des Teils der Schaltung hoher Impedanz nicht übersteigenden
Bereichs zu erweitern. Daher kann die Schaltung gemäß Fig. 7 einen Verstärker hoher
Verstärkung konfigurieren neben einer Schaltung hoher Impedanz mit weniger
Schaltungselementen.
Andere Merkmale und Wirkungen der Schaltung hoher Impedanz des dritten
Ausführungsbeispiels sind gleich denen des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels.
Eine Schaltung hoher Impedanz eines vierten Ausführungsbeispiels der vorliegenden
Erfindung wird erläutert.
Fig. 8 ist ein Schaltungsdiagramm einer Schaltung hoher Impedanz gemäß des vierten
Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, spezieller, ein Schaltungsdiagramm
einer Schaltung hoher Impedanz und eines Verstärkers hoher Verstärkung.
Die Schaltungskonfiguration des Verstärkers hoher Verstärkung gemäß Fig. 8 wird
erläutert.
Zu der Schaltung hoher Impedanz gemäß Fig. 8 ist eine zweite paarweise
Differenzschaltung, die aus npn-Transistoren Q5 und Q6 in gleicher Weise wie in der
Schaltung in Fig. 7 zusammengesetzt ist, in einer Vorstufe der Schaltung hoher
Impedanz, die in Fig. 2 gezeigt ist hinzugefügt, um auch als Verstärker hoher
Verstärkung neben dem Arbeiten als Schaltung hoher Impedanz zu arbeiten. In dieser
zweiten paarweisen Differenzschaltung ist ebenfalls ein Widerstandselement 2Re
zwischen den Emittern der Transistoren Q5 und Q6 vorgesehen. Die fünfte
Stromquellenschaltung Ie ist zwischen dem Emitter des Transistors Q5 und der zweiten
Potential-Leistungsquelle GND angeschlossen, und die sechste Stromquellenschaltung Ie
ist zwischen dem Emitter des Transistors Q6 und der zweiten Potential-Leistungsquelle
GND angeschlossen.
Jedoch ist im Unterschied zu der Schaltung gemäß Fig. 7 ein Widerstandselement 2RL
zwischen den Kollektoren der Transistoren Q1 und Q2 in der Schaltung in Fig. 8
angeschlossen.
In Fig. 8, gleich wie in Fig. 7, sind AC-Leistungsquellen P1 und P2 zwischen den
Basen der Transistoren Q5 und Q6 vorgesehen, um die Differenzeingangssignale Vin
und -Vin zuzuführen.
Eine Übertragungsfunktion des Verstärkers hoher Verstärkung der Schaltung in Fig. 8
ist in der folgenden Formel 8 gezeigt.
Vout/Vin
= 1/(1/RL + 1/(R2 + R3) × R1)/(R1 - R2))/Re
= RL/Re
RL .. ((R2 + R3) × R1)/(R1 - R2) (8).
= 1/(1/RL + 1/(R2 + R3) × R1)/(R1 - R2))/Re
= RL/Re
RL .. ((R2 + R3) × R1)/(R1 - R2) (8).
Wie aus der Formel (8) klar ist, ergibt sich wenn die Eingangsimpedanz des Teils der
Schaltung hoher Impedanz ausreichend größer als der Widerstandswert RL des
Widerstandselements ist, daß die Verstärkung durch das Verhältnis RL/Re zu dem
Emitterwiderstand Re auf der Eingangsseite festgelegt ist.
In der Schaltung in Fig. 8 fließt ebenfalls kein Vorstrom in das Widerstandselement
2RL, so daß eine DC-Verschiebung nicht stattfindet. Dementsprechend ist es möglich,
sich innerhalb des Bereiches, der die Eingangsimpedanz des Teils der Schaltung hoher
Impedanz nicht überschreitet, zu erweitern. Dementsprechend ist die Schaltung in Fig.
8 eine Schaltung, die einen Verstärker hoher Verstärkung mit weniger
Schaltungselementen konfigurieren kann.
Die anderen Merkmale und Wirkungen der Schaltung hoher Impedanz des vierten
Ausführungsbeispiels sind gleich dem der ersten bis dritten Ausführungsbeispiele, die
weiter oben erläutert sind.
Es sei darauf hingewiesen, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die obigen
Ausführungsbeispiele beschränkt ist und verschiedenste Modifikationen einschließt.
In den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde z. B. ein Beispiel einer
Schaltung hoher Impedanz für insbesondere Hochgeschwindigkeitsbetrieb gegeben,
wenn eine paarweise Differenzschaltung und eine Pufferschaltung, die einen
Bipolartransistor benutzt, konfiguriert sind, jedoch können die paarweise
Differenzschaltung und die Pufferschaltung in der vorliegenden Erfindung konfiguriert
werden, indem sie einen FET benutzen.
Weiter war als ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel, ein Beispiel gegeben, das als
Bipolartransistor einen npn-Transistor benutzt, jedoch kann eine Schaltung hoher
Impedanz gemäß der vorliegenden Erfindung konfiguriert werden, indem pnp-
Transistoren verwendet werden.
Gemäß der Grundschaltung der Schaltung hoher Impedanz gemäß der vorliegenden
Erfindung, kann da eine Schaltung hoher Impedanz äquivalent konfiguriert wurde,
indem ein negatives Widerstandselement benutzt wird, die ganze Schaltung in einem IC
strukturiert werden, wobei eine Art von Transistoren benutzt werden, nämlich nur npn-
Transistoren.
Insbesondere ist, z. B. eine DC-Leistungsquelle durch eine Art von Transistor wie
einen pnp-Transistor nicht notwendig, so daß ein weiter dynamischer Bereich
sichergestellt werden kann und konsequenterweise mit niedriger Spannung gearbeitet
werden kann.
Ebenso kann gemäß der Schaltung hoher Impedanz der vorliegenden Erfindung, die
eine hohe Impedanz ist, gleichzeitig eine Vorspannung (ein Vorstrom) erreicht werden.
Weiter ist es möglich, da es ein Vorteil ist, daß der Differenzaufbau erreichbar ist, die
Verstärkung drastisch zu erhöhen und einen Verstärker hoher Verstärkung mit wenig
Leistungsverbrauch zu realisieren. Daher kann von der Schaltung hoher Impedanz der
vorliegenden Erfindung ein niedriger Leistungsverbrauch und eine Reduzierung der IC-
Chipgröße erwartet werden, so daß die IC-Kosten und die Herstellungskosten stark
verringert werden können.
Ebenso kann, gemäß der Schaltung hoher Impedanz der vorliegenden Erfindung, ein
Widerstandselement mit Null Vorstrom erhalten werden, indem ein Widerstand
zwischen den Vorspannungen (Vorströme) hoher Impedanz angeschlossen wird, so daß
eine Schaltung hoher Verstärkung, die bisher schwierig zu realisieren ist, konfiguriert
werden kann. Dementsprechend kann, gemäß der Schaltung hoher Impedanz der
vorliegenden Erfindung, die Verstärkung pro Verstärkerstufe erhöht und die Anzahl der
IC-Elemente verringert werden, ein SN (Signal-Rausch-Abstand) verbessert werden und
die Größe verringert werden.
Gemäß den obigen Erklärungen, führt die Schaltung hoher Impedanz der vorliegenden
Erfindung zu Vorteilen, wie eine Verbesserung der Warenqualität, Reduzierung der
Herstellungskosten und Reduzierung der Substratflächen.
Ebenfalls kann, durch Herstellen der Vorspannung (des Vorstroms) mit hoher Impedanz
in der Schaltung hoher Impedanz der vorliegenden Erfindung, der Anwendungsbereich
erweitert werden, um für eine Phasenregelkreisschaltung (PLL), einer Amplitudenwel
lenerfassungsschaltung (AMDET), eine Frequenzwellenerfassungsschaltung (FMDET),
und einer Filterschaltung (FILTER), usw., verwendbar zu sein, in denen ein
Hochfrequenzsignal behandelt wird.
Claims (8)
1. Schaltung hoher Impedanz, umfassend:
einen ersten Transistor (Q1);
ein erstes Widerstandselement (R2), das zwischen einem Anschluß des ersten Transistors (Q1) und einer ersten Spannungsversorgungsleitung (Vcc) angeschlossen ist;
eine erste Stromquelle (I0), die zwischen einem anderen Anschluß des ersten Transistors (Q1) und einer zweiten Spannungsversorgungsleitung (GND) angeschlossen ist;
einen zweiten Transistor (Q2), der die gleiche Charakteristik wie die des ersten Transistors (Q1) hat;
ein zweites Widerstandselement (R2), das zwischen einem Anschluß des zweiten Transistors (Q2) und der ersten Spannungsversorgungsleitung (Vcc) angeschlossen ist und einen gleichen Widerstandwert wie der des ersten Widerstandselements (R2) hat;
eine zweite Stromquelle (I0), die zwischen einem anderen Anschluß des zweiten Transistors (Q2) und der zweiten Spannungsversorgungsleitung (GND) angeschlossen ist und die gleiche Charakteristik wie die der ersten Stromquelle (I0) hat;
ein drittes Widerstandselement (2R1), das zwischen dem anderen Anschluß des ersten Transistors (Q1) und dem anderen Anschluß des zweiten Transistors (Q2) angeschlossen ist;
ein erstes Pufferschaltungselement, das zwischen dem einen Anschluß des zweiten Transistors (Q2) und einem Steueranschluß des ersten Transistors (Q1) angeschlossen ist; und
ein zweites Pufferschaltungselement, das zwischen dem einen Anschluß des ersten Transistors (Q1) und einem Steueranschluß des zweiten Transistors (Q2) angeschlossen ist,
wobei die Hälfte des Widerstandwerts des dritten Widerstandselements (2R1) größer als ein und näher an dem Widerstandwert des ersten Widerstandselements (R2) bzw. zweiten Widerstandselements (R2) ist.
einen ersten Transistor (Q1);
ein erstes Widerstandselement (R2), das zwischen einem Anschluß des ersten Transistors (Q1) und einer ersten Spannungsversorgungsleitung (Vcc) angeschlossen ist;
eine erste Stromquelle (I0), die zwischen einem anderen Anschluß des ersten Transistors (Q1) und einer zweiten Spannungsversorgungsleitung (GND) angeschlossen ist;
einen zweiten Transistor (Q2), der die gleiche Charakteristik wie die des ersten Transistors (Q1) hat;
ein zweites Widerstandselement (R2), das zwischen einem Anschluß des zweiten Transistors (Q2) und der ersten Spannungsversorgungsleitung (Vcc) angeschlossen ist und einen gleichen Widerstandwert wie der des ersten Widerstandselements (R2) hat;
eine zweite Stromquelle (I0), die zwischen einem anderen Anschluß des zweiten Transistors (Q2) und der zweiten Spannungsversorgungsleitung (GND) angeschlossen ist und die gleiche Charakteristik wie die der ersten Stromquelle (I0) hat;
ein drittes Widerstandselement (2R1), das zwischen dem anderen Anschluß des ersten Transistors (Q1) und dem anderen Anschluß des zweiten Transistors (Q2) angeschlossen ist;
ein erstes Pufferschaltungselement, das zwischen dem einen Anschluß des zweiten Transistors (Q2) und einem Steueranschluß des ersten Transistors (Q1) angeschlossen ist; und
ein zweites Pufferschaltungselement, das zwischen dem einen Anschluß des ersten Transistors (Q1) und einem Steueranschluß des zweiten Transistors (Q2) angeschlossen ist,
wobei die Hälfte des Widerstandwerts des dritten Widerstandselements (2R1) größer als ein und näher an dem Widerstandwert des ersten Widerstandselements (R2) bzw. zweiten Widerstandselements (R2) ist.
2. Schaltung hoher Impedanz gemäß Anspruch 1, worin der erste Transistor (Q1) ein
npn-Bipolar-Transistor ist und der zweite Transistor (Q2) ein npn-Bipolar-Transistor ist.
3. Schaltung hoher Impedanz gemäß Anspruch 2,
worin das erste Pufferschaltungselement einen dritten Transistor (Q3) aufweist, dessen eine Basis mit einem Kollektor des zweiten Transistors (Q2) verbunden ist, wobei ein Emitter mit einer Basis des ersten Transistors (Q1) verbunden ist, und der die gleiche Leitfähigkeit wie der erste Transistor (Q1) hat, und
eine dritte Stromquellenschaltung (I1), die zwischen einem Emitter des dritten Transistors (Q3) und der zweiten Spannungsquelle (GND) angeschlossen ist, und
worin das zweite Pufferschaltungselement einen vierten Transistor (Q4) aufweist, dessen eine Basis mit einem Kollektor des ersten Transistors (Q1) verbunden ist, wobei ein Emitter mit einer Basis des zweiten Transistors (Q2) verbunden ist, und der die gleiche Leitfähigkeit wie der zweite Transistor (Q2) hat, und
eine vierte Stromquellenschaltung (I1), die zwischen einem Emitter des vierten Transistors (Q4) und der zweiten Spannungsquelle (GND) angeschlossen ist und die gleich der dritten Stromquelle (I1) ist.
worin das erste Pufferschaltungselement einen dritten Transistor (Q3) aufweist, dessen eine Basis mit einem Kollektor des zweiten Transistors (Q2) verbunden ist, wobei ein Emitter mit einer Basis des ersten Transistors (Q1) verbunden ist, und der die gleiche Leitfähigkeit wie der erste Transistor (Q1) hat, und
eine dritte Stromquellenschaltung (I1), die zwischen einem Emitter des dritten Transistors (Q3) und der zweiten Spannungsquelle (GND) angeschlossen ist, und
worin das zweite Pufferschaltungselement einen vierten Transistor (Q4) aufweist, dessen eine Basis mit einem Kollektor des ersten Transistors (Q1) verbunden ist, wobei ein Emitter mit einer Basis des zweiten Transistors (Q2) verbunden ist, und der die gleiche Leitfähigkeit wie der zweite Transistor (Q2) hat, und
eine vierte Stromquellenschaltung (I1), die zwischen einem Emitter des vierten Transistors (Q4) und der zweiten Spannungsquelle (GND) angeschlossen ist und die gleich der dritten Stromquelle (I1) ist.
4. Schaltung hoher Impedanz gemäß Anspruch 3, der weiter umfaßt:
einen fünften npn-Transistor (Q5), der einen Kollektor hat, der mit dem Kollektor des ersten Transistors (Q1) und einer Basis des vierten Transistors (Q4) verbunden ist;
einen sechsten npn-Transistor (Q6), der einen Kollektor hat, der mit dem Kollektor des zweiten Transistors (Q2) und der Basis des dritten Transistors (Q3) verbunden ist und der die gleiche Leitfähigkeit wie der fünfte Transistor (Q5) hat;
eine fünfte Stromquellenschaltung (Ie), die zwischen dem Emitter des fünften Transistors (Q5) und der zweiten Spannungsquelle (GND) angeschlossen ist;
eine sechste Stromquellenschaltung (Ie), die zwischen dem Emitter des sechsten Transistors (Q6) und der zweiten Spannungsquelle (GND) angeschlossen ist;
ein viertes Widerstandselement (2Re), das zwischen dem Emitter des fünften Transistors (Q5) und dem Emitter des sechsten Transistors (Q6) angeschlossen ist; und
ein fünftes Widerstandselement (2RL), das zwischen dem Kollektor des ersten Transistors (Q1) und dem Kollektor des zweiten Transistors (Q2) angeschlossen ist.
einen fünften npn-Transistor (Q5), der einen Kollektor hat, der mit dem Kollektor des ersten Transistors (Q1) und einer Basis des vierten Transistors (Q4) verbunden ist;
einen sechsten npn-Transistor (Q6), der einen Kollektor hat, der mit dem Kollektor des zweiten Transistors (Q2) und der Basis des dritten Transistors (Q3) verbunden ist und der die gleiche Leitfähigkeit wie der fünfte Transistor (Q5) hat;
eine fünfte Stromquellenschaltung (Ie), die zwischen dem Emitter des fünften Transistors (Q5) und der zweiten Spannungsquelle (GND) angeschlossen ist;
eine sechste Stromquellenschaltung (Ie), die zwischen dem Emitter des sechsten Transistors (Q6) und der zweiten Spannungsquelle (GND) angeschlossen ist;
ein viertes Widerstandselement (2Re), das zwischen dem Emitter des fünften Transistors (Q5) und dem Emitter des sechsten Transistors (Q6) angeschlossen ist; und
ein fünftes Widerstandselement (2RL), das zwischen dem Kollektor des ersten Transistors (Q1) und dem Kollektor des zweiten Transistors (Q2) angeschlossen ist.
5. Schaltung hoher Impedanz gemäß Anspruch 4, worin ein Verhältnis des
Widerstandwerts des fünften Widerstandselements (2RL) und dem Widerstandwerts des
vierten Widerstandselements (2Re) festgelegt ist, um eine gewünschte Verstärkung der
Schaltung einzustellen.
6. Schaltung hoher Impedanz gemäß Anspruch 2,
worin das erste Pufferschaltungselement ein viertes Widerstandselement (R3) enthält, das mit einem Kollektor des zweiten Transistors (Q2) verbunden ist, wobei ein Emitter mit einer Basis des ersten Transistors (Q1) verbunden ist, und
eine dritte Stromquellenschaltung (I1), die zwischen einem Verbindungspunkt, des anderen Anschlusses des vierten Widerstandselements (R3) und der Basis des ersten Transistors (Q1) und der zweiten Spannungsquelle (GND) angeschlossen ist, und
worin das zweite Pufferschaltungselement ein fünftes Widerstandselement (R3) enthält, das zwischen einem Kollektor des ersten Transistors und der Basis des zweiten Transistors angeschlossen ist und den gleichen Widerstandswert wie das fünfte Widerstandselement hat, und
eine vierte Stromquellenschaltung, die zwischen einem Verbindungspunkt des anderen Anschlusses des fünften Widerstandselements und der Basis des zweiten Transistors und der zweiten Spannungsquelle angeschlossen ist und gleich der dritten Stromquelle ist.
worin das erste Pufferschaltungselement ein viertes Widerstandselement (R3) enthält, das mit einem Kollektor des zweiten Transistors (Q2) verbunden ist, wobei ein Emitter mit einer Basis des ersten Transistors (Q1) verbunden ist, und
eine dritte Stromquellenschaltung (I1), die zwischen einem Verbindungspunkt, des anderen Anschlusses des vierten Widerstandselements (R3) und der Basis des ersten Transistors (Q1) und der zweiten Spannungsquelle (GND) angeschlossen ist, und
worin das zweite Pufferschaltungselement ein fünftes Widerstandselement (R3) enthält, das zwischen einem Kollektor des ersten Transistors und der Basis des zweiten Transistors angeschlossen ist und den gleichen Widerstandswert wie das fünfte Widerstandselement hat, und
eine vierte Stromquellenschaltung, die zwischen einem Verbindungspunkt des anderen Anschlusses des fünften Widerstandselements und der Basis des zweiten Transistors und der zweiten Spannungsquelle angeschlossen ist und gleich der dritten Stromquelle ist.
7. Ein hochohmiger Schaltkreis gemäß Anspruch 6, der weiter umfaßt:
einen fünften npn-Transistor, der einen Kollektor hat, der mit einem Verbindungspunkt des Kollektors des ersten Transistors und des vierten Widerstandselements verbunden ist;
einen sechsten npn-Transistor, der einen Kollektor hat, der mit einem Verbindungspunkt des Kollektors des zweiten Transistors und des fünften Widerstandselements verbunden ist;
eine fünfte Stromquellenschaltung, die zwischen dem Emitter des fünften Transistors und der zweiten Spannungsquelle angeschlossen ist;
eine sechste Stromquellenschaltung, die zwischen dem Emitter des sechsten Transistors und der zweiten Spannungsquelle angeschlossen ist und gleich der fünften Stromquellenschaltung ist;
ein fünftes Widerstandselement, das zwischen dem Emitter des fünften Transistors und dem Emitter des sechsten Transistors angeschlossen ist; und
ein sechstes Widerstandselement, das zwischen dem Kollektor des ersten Transistors und dem Kollektor des zweiten Transistors angeschlossen ist.
einen fünften npn-Transistor, der einen Kollektor hat, der mit einem Verbindungspunkt des Kollektors des ersten Transistors und des vierten Widerstandselements verbunden ist;
einen sechsten npn-Transistor, der einen Kollektor hat, der mit einem Verbindungspunkt des Kollektors des zweiten Transistors und des fünften Widerstandselements verbunden ist;
eine fünfte Stromquellenschaltung, die zwischen dem Emitter des fünften Transistors und der zweiten Spannungsquelle angeschlossen ist;
eine sechste Stromquellenschaltung, die zwischen dem Emitter des sechsten Transistors und der zweiten Spannungsquelle angeschlossen ist und gleich der fünften Stromquellenschaltung ist;
ein fünftes Widerstandselement, das zwischen dem Emitter des fünften Transistors und dem Emitter des sechsten Transistors angeschlossen ist; und
ein sechstes Widerstandselement, das zwischen dem Kollektor des ersten Transistors und dem Kollektor des zweiten Transistors angeschlossen ist.
8. Ein hochohmiger Schaltkreis gemäß Anspruch 7, worin ein Verhältnis des
Widerstandswerts des sechsten Widerstandselements und des Widerstandswerts des
fünften Widerstandselements festgelegt ist, um eine gewünschte Verstärkung der
Schaltung einzustellen.
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