DE2048520A1 - Verstärkerschaltung - Google Patents

Description

PHN- 4359

ν.,-n: 1. Okt. 1970

PHN.4359

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"Verstärkerschaltung"

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verstärker zur Umwandlung eines Gegentaktsignals in ein einseitiges Signal.

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf

einen Verstärker zur Anwendung in integrierten Schaltungen, bei denen die Anzahl benutzter Transistoren und Dioden von geringerer Bedeutung ist als die Anzahl benutzter Widerstände, und bei denen Induktivitäten und Transformatoren völlig und Kondensatoren vorzugsweise zu vermeiden sind.

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Gegentaktsignale werden meistens mit Hilfe

von Differenzverstärkern verstärkt. Es kann aber erwünscht sein, das verstärkte Differenzsignal in ein einseitiges
Signal umzuwandeln. Z.B. weist ein Operationsverstärker in der Regel einen Differenzeingang auf. Am Ausgang ist aber
meistens ein einseitiges Signal erwünscht, so dass eine
Umwandlung des Gegentaktsignals in ein einseitiges Signal
erforderlich ist.

Bei bekannten Schaltungen, z.B. Motorola

Semiconductor Products Inc., AN-20^ Application Note, Fig.3» erfolgt diese Umwandlung häufig dadurch, dass nur ein einziges Ausgangssignal des Differenzverstärkers für weitere
Bearbeitung verwendet wird. Der zweite Ausgang des Differenz· Verstärkers wird dann gegebenenfalls über eine Impedanz an einen Punkt konstanten Potentials angeschlossen. Es ist einleuchtend, dass durch dieses Umwandlungsverfahren ein Verstärkungsverlust und höhere Verzerrung auftreten, weil nur einer der Ausgänge des Differenzverstärkers ein nützliches Signal abgibt. Das Signal am zweiten Eingang geht ja für
ψ Verstärkungszwecke verloren.

Zur Vermeidung des erwähnten Verstärkungsverlusts sind Schaltungen bekannt, z.B. E.S.S.C.C.,
Februar 19-69« Seite Ik, bei denen eine Stromumkehr- oder
Inverteranordnung Anwendung findet. Dabei wird die gemeinsame Klemme der Umkehrschaltung mit der Speisequelle und
werden die beiden Eingangsklemmen mit den beiden Ausgängen

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des Differenzverstärkers verbunden. Der Strom durch die Umkehrschaltung wird dabei durch das gleichphasige (commonmode )-Signal bestimmt, während einem der Ausgänge des Differenzverstärkers das vollständige Differenzsignal entnommen werden kann.

Naturgemäss geht bei derartigen Schaltungen das Bestreben dahin, ein möglichst grosses gleichphasiges Signal am Eingang und Ausgangssignal sicher zu stellen, zulässig ist. Bei den bekannten Schaltungen mit einer Stromumkehranordnung in den Kollektorkreisen können diese beiden Anforderungen nicht gleichzeitig erfüllt werden. Der Spannungspegel an der Ausgangskiemme ist dabei ja von dem gleichphasigen Signal abhängig, so dass bei einem grossen gleichphasigen Signal nur noch eine geringe Möglichkeit z\rr Aenderung der Ausgangsspannung verbleibt. Um den Spannungspegel auch bei grossen gleichphasigen Signalen möglichst genau halbwegs zwischen den Spannungen an der positiven und an der negativen Klemme der Speisespannungsquelle zu halten, ist eine zusätzliche Pegelverschiebung erforderlich, die aber eine zusätzliche Zeitkonstante in die Schaltungsanordnung einführt. Ausserdem ist die auftretende Pegelverschiebung stark von der Speisespannung abhängig und für Temperaturänderungen empfindlich.

Die Erfindung bezweckt, eine besonders einfache Schaltungsanordnung zur Umwandlung eines Gogentaktsignals in ein einseitiges Signal zu schaffen, bei der

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Aenderungen des maximalen gleichphasigen Signals und des maximalen Ausgangssignals praktisch bis zu der Speisespannung zulässig sind und bei der ausserdem kein Verstärkungsverlust auftritt.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,dass der Gegentaktsignalstrom einerseits der Basis und andererseits dem Emitter eines ersten Transistors zugeführt wird, in dessen Emitterkreis eine Diode angeordnet ist, die die Emitter-Basis-Strecke eines zweiten Transistors überbrückt, _k dessen Kollektor mit der Basis des ersten Transistors verbunden ist, während der Ausgangssignalstrom dem Kollektor des ersten Transistors entnommen wird.

Dabei sei noch bemerkt, dass eine ähnliche

Transistorkonfiguration, die aus zwei Transistoren und einer Diode besteht, bekanntlich als Stromumkehrschaltung verwendet werden kann.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde,

dass, wenn eine solche Umkehrschaltung auf die beschriebene Weise als Addierschaltung der Gegentaktsignale verwendet W wird, nur das Differenzsignal, aber nicht der gleichphasige Bestandteil der Eingangssignale am Ausgang erscheint.

Die auf diese Weise bewirkte Umwandlung eines

Gegentaktsignals in ein einseitiges Signal führt somit keinen Verstärkungsverlust herbei, während die übrigen Vorteile der Umkehrschaltung, wie die Temperaturunabhängigkeit, völlig beibehalten werden. Ausserdem lässt sich besonders

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einfach eine Erweiterung dieser Schaltungsanordnung erhalten, bei deren Verwendung ein maximales gleichphasiges Signal und ein maximales Ausgangssignal gleichzeitig zugelassen werden können.

Zu diesem Zweck wird eine Kombination aus

zwei der erwähnten Schaltungen verwendet, wobei die Schaltungen Transistoren entgegengesetzter Leitfähigkeitstyps enthalten. Je nach dem Leitfähigkeitstyp der Transistoren der vorhergehenden Differenzverstärkerschaltung wirkt eine der Schaltungen als Addierschaltung, während die zweite Schaltung den Speisestrom für die Addierschaltung und den Differenzverstärker liefert. Zu diesem Zweck sind die Kollektoren der entsprechenden Transistoren der beiden Schaltungen miteinander verbunden.

Die auf diese Weise erhaltene Schaltungsanordnung weist den Vorteil auf, dass der Spannungspegel an der Ausgangsklemme der Addierschaltung auf einem festen Wert zwischen der Spannung an der positiven und der Spannung an der negativen Klemme der Speisespannungsquelle liegt, welcher Wert durch den gleichphasigen Bestandteil des Eingangssignals nicht beeinflusst wird. Ferner ist der Spannungspegel an dieser Ausgangsklemme von Speisespannungsänderungen unabhängig, weil sich zwar die Ruhestromeinstollung der beiden Schaltungen, d.h. der Adderschaltung und der den Ruhestrom liefernden Schaltung, ändert, aber diese Aenderung für die beiden Schaltungen gleich ist.

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Dadurch, dass der Spannungspegel an der Ausgangsklemmen halbwegs zwischen der Spannung an der positiven und der Spannung an der negativen Klemme der Speisespannungsquelle gewählt wird, ist also das höchstzulässige Ausgangssignal praktisch gleich der Speisespannung. Schliesslich ist der Spannungspegel an den Eingangsklemmen der Addierschaltung - wenn einige Diodenspannungen ausser Betracht gelassen werden - gleich der Speisespannung, so dass das höchstzulässige gleichphasige Signal gleichfalls praktisch gleich ^ der Speisespannung ist.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 die Schaltungsanordnung nach der Erfindung , und

Fig. 2 eine Erweiterung dieser Schaltungsanordnung mit einem Differenzverstärker.

Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung, die aus den Transistoren T„ und T- und dem als Diode geschalteten " Transistor T^. besteht. Die Diode Tk ist in den Emitterkreis von T- aufgenommen und überbrückt die Basis-Emitter-Strecke des Transistors T„. Der Kollektor dieses Transistors ist mit der Basis von T^ verbunden. Für eine befriedigende Wirkung der Schaltungsanordnung ist eine genaue Gleichheit der Transistoren, insbesondere in bezug auf die Beziehung zwischen der Basis-Emitter-Spannung und dem Emitterstrom,

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wesentlich. Dank den iBodernen Herstellungsverfahren lässt sich diese Anforderung leicht erfüllen.

Nach der Erfindung werden die Eingangskiemmen i durch die Basis bzw. den Emitter des Transistors T- und wird die Ausgangskiemme u durch den Kollektor dieses Transistors gebildet. Die Stromspeisung der Schaltungsanordnung kann mit Hilfe zweier Stromquellen I_s erfolgen, die einerseits mit der Speisequelle und andererseits mit der Basis bzw. dem Kollektor des Transistors T- verbunden

Der Strom durch den Transistor T„ wird -

mit Ausnahme des konstanten Speisestromes - durch den der Basis des Transistors T^ zugeführten Eingangsstrom bestimmt. Da die Transistoren To und Tr zwangsweise die gleiche Basis-Emitter-Spannung aufweisen, ist der Strom durch den Transistor Tr gleich dem Strom durch den Transistor T 3. Dieser Strom durch den Transistor Tu wird zu einem mehr oder weniger grossen Teil durch den zweiten Eingangsstrom geliefert, der dem Emitter des Transistors Tk zugeführt wird. Der Ausgangsstrom, der dem Kollektor des Transistors Te (Ausgangsklemme u) entnommen werden kann, ist also gleich dem Unterschied zwischen den beiden Eingangsströmen. Wenn diese Eingangsströme die beiden vom Differenzverstärker herrührenden Gegentaktströme sind, enthält der Ausgangsstrom also nur das Differenzsignal.

Die Genauigkeit der Schaltungsanordnung ist besonders gross. Aus Berechnungen geht nämlich hervor,dass

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der Fehler im Ausgangsstrom infolge der Basisstrbme der Transistoren um einen Faktor gleich dem Quadrat des Stromverstärkungsfaktors dieser Transistoren herabgesetzt wird. Ferner üben Temperaturänderungen praktisch keinen Einfluss auf das Verhalten der Schaltungsanordnung aus. Die Basis-Emitter-Ppannungen der Transistoren T„ und Tk und also gleichfalls die Emitterströme bleiben ja - unabhängig von der Temperatur - einander gleich, während Aenderungen des Basisstromes des Transistors T_ den Ausgangsstrom praktisch nicht beeinflussen, weil der Einfluss des Basisstromes an sich schon besonders gering ist.

Auf diese Weise ist somit eine besonders

günstige und genaue Umwandlung eines Gegentaktsignals in ein einseitiges Signal erhalten, wobei das gleichphasige Signal verschwunden ist und das Differenzsignal völlig verfügbar bleibt.

Die Schaltungsanordnung ist besonders geeignet für eine Erweiterung, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. Dabei besteht die Addierschaltung aus den Transistoren T„ und T_ und dem als Diode geschalteten Transistor Tk, welche Transistoren in diesem Falle vom pnp—Typ sind. Die Gegentaktsignale werden von einem Differenzverstärker geliefert, der aus den Transistoren T₁ und T£ vom npn-Typ besteht, deren gemeinsame Emitter über eine Stromquelle Io mit der negativen Klemme der Speisequelle verbunden sind. Der Kollektor des Transistors T„, der mit der Ausgangsklemme u

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verbunden ist, ist an den Kollektor des Transistors To angeschlossen, wobei in den Emitterkreis des letzteren Transistors der als Diode geschaltete Transistor T₇ aufgenommen ist, der die Basis-Emitter-Strecke des Transistors T/r überbrückt, dessen Kollektor mit den Basen der Transistoren Tq und Te verbunden ist. Wie aus dieser Figur deutlich hervorgeht, bilden die Transistoren Tg und Tg und die Diode T™ eine gleiche Konfiguration wie die Transistoren T„ und Tk und die Diode T^, wobei die Transistoren aber den entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweisen; die Schaltungsanordnung wirkt nun wie eine Stromquelle.

Die Gegentaktsignale des Differenzverstärkers werden von der Addierschaltung in ein einseitiges Signal umgewandelt, das der Ausgangsklemme u entnommen werden kann. Die Schaltungsanordnung kann sehr grosse gleichphasige Signale verarbeiten. Der Spannungspegel an den Ausgängen des Differenzverstärkers (den Kollektoren der Transistoren T.J und Tp) ist ja - wenn einige Diodenspannungen ausser Betracht gelassen werden - gleich der Speisespannung. Die Schaltungsanordnung eignet sich aber zu gleicher Zeit auch für grosse Ausgangssignale. Der Spannungspegel an der Ausgangsklemme u kann ja halbwegs zwischen der positiven und der negativen Spannung der Speisequelle gewählt werden, wobei das gleichphasige Signal und Speisespannungsänderungen den Spannungspegel nicht beeinflussen. Sowohl das gleichphasige Signal wie auch Speisespannungsänderungen führen zwar eine Aenderung des Ruhestromes der Addierschaltung und der Stromquelle herbei, aber diese Aenderung ist für die

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beiden identischen Schaltungsanordnungen gleich.

Um zu vermeiden, dass ein Kurzschlussweg zwischen der positiven und der negativen Klemme der Speisespannungsquelle gebildet wird, ist in der Verbihdungsleitung zwischen den Basen der Transistoren T_ und T₀ ein

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Widerstand R angeordnet. Um eine Verbesserung des Verhaltens der Schaltungsanordnung zu erzielen, wenn dem Eingang impulsförmige Signale zugeführt werden, kann dieser Widerstand R von einem Kondensator C überbrückt werden, so dass der Widerstand für hohe Frequenzen kurzgeschlossen ist.

Eine befriedigende Integration der Schaltungsanordnung lässt sich dadurch erzielen, dass der Widerstand R durch die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors ersetzt wird, dessen Basis ein konstanter Ruhestrom zugeführt wird. Der Kondensator kann in diesem Falle die Basis-Kollektor-Strecke dieses Transistors überbrücken wobei sich der Vorteil ergibt, dass der Wert des Kondensators klein gewählt werden kann, was für die Integration günstig ist. Infolge des Miller-Effekts wird der Kondensator ja scheinbar vergrössert.

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Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE;

   1_j, Verstärker zur Umwandlung eines Gegentakt-

   signals in ein einseitiges Signal, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegentaktsignalstrom einerseits der Basis und andererseits dem Emitter eines ersten Transistors (T-) zugeführt wird, in dessen Emitterkreis eine Diode (tJ aufgenommen ist, die die Emitter-Basis-Strecke eines zweiten Transistors (T„) überbrückt, dessen Kollektor mit der Basis des ersten Transistors (T_) verbunden ist, während der Ausgangs signal strom dem Kollektor des ersten Transistors (Tc) entnommen wird (Fig. 1).

   2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor bzw. die Basis des ersten Transistors (T₁-) mit dem Kollektor bzw. der Basis eines dritten Transistors (Tn) verbunden ist, in dessen Emitterkreis eine Diode (T₇) aufgenommen ist, die die Basis-Emitter-Strecke eines vierten Transistors (Τ-r) überbrückt, dessen Kollektor mit der Basis des dritten Transistors (Tn) verbunden ist, wobei der dritte und der vierte Transistor (Tg, T^) und die zugehörige Diode (Τ,-,) einen Leitfähigkeitstyp aufweisen, der dem des ersten und des zweiten Transistors (Te, To) und der zugehörigen Diode(Tn) entgegengesetzt ist (Fig. 2).

   3· Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindungsleitung zwischen der Basis des ersten (T₁.) und der Basis des dritten Transistors (Tn) ein Widerstand (R) angeordnet ist (Fig. 2),

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   h. Verstärker nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (R) durch einen Kondensator (c) überbrückt ist (Fig. 2).

   5. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindungsleitung zwischen der Basis des ersten (Tc) und der Basis des dritten Transistors (Tn) die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors eingeschaltet ist, dessen Basis mit einer Stromquelle verbunden ist.

   6. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis-Kollektor-Strecke des zugesetzten Transistors durch einen Kondensator überbrückt ist.

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