DE2139110C

DE2139110C - Differential amplifier

Info

Publication number: DE2139110C
Application number: DE19712139110
Authority: DE
Inventors: Heinz Dr Ing Dr Wefers Norbert Dipl Ing 1000 Berlin Sommer
Original assignee: Nixdorf Computer Corp
Current assignee: Atos IT Solutions and Services Inc
Filing date: 1971-08-04
Publication date: 1973-02-01

Description

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stand der verwendeten Konstantstromquelle. Kon- gangen von der Aussteuerung der Verstärkerstufenstatus of the constant current source used. Came from the modulation of the amplifier stages

stantstromquellen sollen jedoch einen hohen Innen- unabhängig ist. Der Verstärker kann also für solcheHowever, constant current sources should have a high level of internal independence. The amplifier can therefore be used for such

widerstand haben. Meßzwecke angewendet werden, bei denen hohehave resistance. Measurement purposes are used in which high

Aus den vorstehend genannten Gründen sind der Gleichspannungen innerhalb eines extrem großenFor the reasons mentioned above, the DC voltages are within an extremely large one

Gleichtaktaussteuerbarkeit von Transistorstufen in 5 Dynamikbereiches der Differenzeingangssignale aus-Common-mode modulation of transistor stages in 5 dynamic ranges of the differential input signals.

Differenzverstärkern Grenzen gesetzt, in positiver zuwerten sind. Die hohe Verstärkung und der hoheDifferential amplifiers set limits that are more positive. The high gain and the high

Richtung ist sie durch die Forderung begrenzt, daß Eingangswiderstand sowie der geringe Eingangsruhe-Direction it is limited by the requirement that input resistance and the low input quiescent

die Kollektor-Emitterspannung immer kleiner als die strom der Feldeffekttransistoren können bei Anwen-the collector-emitter voltage is always smaller than the current of the field effect transistors

entsprechende Sättigungsspannung sein soll, in nega- dung der Erfindung zu einem Differenzverstärkercorresponding saturation voltage should be, in negation of the invention to a differential amplifier

tiver Richtung ist eine Grenze dadurch gesetzt, daß io führen, der unter Beibehaltung dieser Vorteile gleich-A limit is set in the tive direction by the fact that io lead, which while maintaining these advantages

der Emitterstrom 0 wird. zeitig die geforderte große Gleichtaktunterdrückungthe emitter current becomes 0. early the required large common mode rejection

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Vor- sowie die hohe Leerlaufverstärkung gewährleistet,
teile eines insbesondere .mit Feldeffekttransistoren Ein Differenzverstärker nach der Erfindung enthält aufgebauten Differenzverstarkers, also in erster Linie zweckmäßig zwei Transistoren in Emitterschaltung, hohen Hingangswiderstand und niedrigen Eingangs- »5 deren Emitter mit der ihnen gemeinsamen ersten ruhcstrom, auszunutzen und gleichzeitig eine extrem Konstantstromquelle verbunden sind, wobei die Verhöhn Gleichtaktunterdrückung und eine hohe Leer- sorgungsspannung des Ko'Vktorkreises der Transilauf.-rslärkung sicherzustellen, damit ein Differenz- stören durch entsprechende Bemessung des Spanverstirker auch bei extrem hoher Dynamik seiner nungsabfalls am Rückführungswiderstand verwirk-Ein-jmgswcrte in der Meßtechnik verwendet werden 20 licht ist. Die Kollektor-Emitterspannung der Transikann. stören bestimmt die Arbeitsspannung aes mit ihnenThe object of the invention is to ensure the advance as well as the high idle gain,
parts of a particular .mit field effect transistors , whereby the mocking common-mode rejection and a high no-load voltage of the Ko'vktorkkreises of the Transilauf.-rslärkung to ensure that a differential disturbance by appropriate dimensioning of the chip amplifier, even with extremely high dynamics of its voltage drop at the feedback resistor will be 20 light. The collector-emitter voltage of the Transikann. disturb determined the working voltage aes with them

[m Verstärker der eingangs genannten Art ist zur aufgebauten Differenzverstärkers. Wird der Span-Liisung dieser Aufgabe erfindungsgemäß derart aus- nungsabfall am Rückführungswiderstand des Operagebil'kt, daß der Konstantstromquelle der nicht in- tionsverstärkers so bemessen, daß an seinem Ausgang verü. ^r-nde Eingang eines ?.ls Isolierverstärker arbei- 35 ein Spannungswert zur Verfugung steht, der der KoI-tenikn Operationsverstärkers parallel geschaltet ist, lektor-Emitterspannung der Transistoren entspricht, dessen Ausgang die Betriebsspannungsquelle für den so ist gewährleistet, daß die Betriebsspannung, die Gleichspannungsverstärker darstellt und über einen durch den Operationsverstärker geliefert wird, immer Rückführungswiderstand mit seinem invertierenden um den für die Kollektor-Emitterspannung der Tran-Eingang verbunden ist, welcher an eine weitere Kon- 30 sistoren erforderlichen Betrag über der an den Emitstanistromquelle angeschlossen ist. tern entsprechend der Gleichtaktaussteuerung der[m amplifier of the type mentioned above is used to build a differential amplifier. If, according to the invention, the span solution for this object is achieved in such a way that the voltage drop at the feedback resistor of the operating device is such that the constant current source of the non-induction amplifier is dimensioned in such a way that there is no output at its output. 35 ^r -nde input of a? .LS isolation amplifier arbei- a voltage value for disposal is that the koi tenikn operational amplifier is connected in parallel, lecturer-emitter voltage corresponding to the transistors, the output of the operating voltage source for the way to ensure that the operating voltage Represents DC voltage amplifier and is supplied via a by the operational amplifier, always with its inverting feedback resistor connected to the Tran input for the collector-emitter voltage, which is connected to another capacitor above the amount required to the emitter current source. tern according to the common mode modulation of the

W:rd ein Differenzverstärker in dieser Weise auf- Transistoren sich ändernden Spannung hegt,
gebeut, so wird die ausstf i'erungsabhängige, am Ver- Die Betriebsspannungen des Differenzverstärkers bindungspunkt der Emitter bzw. Quellenelektroden sind zweckmäßig unsymmetrisch, wr-1 seine Ausmit der Konstantstromquelle auftretende Gleichtakt- 35 steuerung in Richtung einer Polarität verschoben ist. Spannungsänderung auf den Operationsverstärker Ein Ausführungsbeispiel eines nach der Erfindung übertragen. Dieser arbeitet als Isolierverstärker mit aufgebauten Differenzverstärkers wird im folgenden dem Verstärkungsfaktor f 1 und hohem Eingangs- an Hand der Figur beschrieben. Diese zeigt einen mit widerstand. An seinem Ausgang tritt daher eine Feldeffekttransistoren arbeitenden Differenzverstärgleichartige Spannungsänderung auf. Dadurch, daß 40 ker, bei dem zwei Konstaritstromquellen und ein der Verstärker mit unem Rückführungswiderstand Operationsverstärker vorgesehen sind,
versehen ist, welcher an seinen hochohmigen invertie- Der in der Figur dargestellte Differenzverstärker renden Eingang geführt ist, und daß an diesem Ein- arbeitet mit den Feldeffekttransistoren 1 und 2. Die gang eine weitere Konstantstromquelle vorgesehen Steuer-Elektroden dieser Transistoren bilden die Verist, entsteht hier cu\ konstanter Spannungswert, der 45 Stärkereingänge 6 und 7, ihre Senken-Anschlüsse sind so bemessen werden kann, daß am Ausgang des Ope- über Arbeiiswiderstände 3 und 4 an den Ausgang rationsverstärkers eine Betriebsspannung für die bei- eines Operationsverstärkers 8 angeschaltet der die den Transistoren des Differenzverstarkers zur Verfü- Betriebsspannung für die beiden Transistorstufen liegung steht, die in jedem Augenblick um den Betrag fert. Zwei weitere Transistoren 9 und 10 arbeiten als des konstanten Spannungswertes über der an den 50 Konstantstromquellen. Die Kons'.antstromquelle 9 ist Emittern der beiden Transistoren jeweils auftreten- mit den Quellen-Elektroden der beiden Feldeffektlranden Spannung liegt. Auf diese Weise ist eine Betriebs- sisioren 1 und 2 am Punkt 5 verbunden und liegt Spannungsquelle für den Differenzverstärker geschaf- über ein;n Emitterwiderstand 11 an negativem Pofen, deren Spannung im Rhythmus der Gleichtaktaus- tential. Die Konstantstromquelle 10 ist an den lnversteuerung des Differenzverstarkers und der dabei auf- 55 tierenden Eingang des Operationsverstärkers 8 getretenden Spannungsänderung in dessen Steuerstrom- führt und bewirkt einen konstanten Spannungsabfall kreis mitgeführt wird. Dadurch ergibt sich aber eine am Widerstand 14, einem Rückführungswiderstand Arbeitsspannung der Transistorstufen des Differenz- des Operationsverstärkers 8. Sie liegt gleichfalls mit Verstärkers, die bis auf geringe Übertragungsfehler einem Emif.crwiderstand 12 an negativem Potential, unabhängig von der Gleichtakteingangsspannung ist. 60 Beide Konstantstromquellen 9 und 10 sind an ihrenW: rd a differential amplifier in this way on- transistors harbors changing voltage,
The operating voltages of the differential amplifier connection point of the emitter or source electrodes are appropriately asymmetrical, wr-1 its common mode control occurring with the constant current source is shifted in the direction of one polarity. Voltage change on the operational amplifier An embodiment of one transferred according to the invention. This works as an isolating amplifier with a built-in differential amplifier, the gain factor f 1 and high input is described below with reference to the figure. This shows one with resistance. A voltage change similar to that of a field effect transistor operating differential amplifier therefore occurs at its output. Due to the fact that 40 ker, in which two constant current sources and one of the amplifiers with unem feedback resistor operational amplifier are provided,
is provided, which is led to its high-impedance inverting input shown in the figure, and that at this input works with the field effect transistors 1 and 2. The output is another constant current source provided control electrodes of these transistors form the Verist, arises here cu \ constant voltage value, the 45 power inputs 6 and 7, their sink connections can be dimensioned so that an operating voltage for the two operational amplifier 8 is connected to the output of the operational amplifier via work resistors 3 and 4 at the output The transistors of the differential amplifier are available. Operating voltage for the two transistor stages is available, which is produced at each instant by the amount. Two more transistors 9 and 10 operate as the constant voltage value above that on the 50 constant current sources. The constant current source 9 is emitters of the two transistors in each case - with the source electrodes of the two field effect edges voltage is. In this way, operating sisors 1 and 2 are connected at point 5 and a voltage source for the differential amplifier is created via an emitter resistor 11 at negative Pofen, the voltage of which is in the rhythm of the common-mode potential. The constant current source 10 is connected to the inverse control of the differential amplifier and the voltage change occurring in the process input of the operational amplifier 8 carries it along in the control current and causes a constant voltage drop circuit. This results in a working voltage of the transistor stages of the differential amplifier 8 across the resistor 14, a feedback resistor. 60 Both constant current sources 9 and 10 are at their

Da außerdem dir Arbeitsstrom der Differensztu- Basiselektroden miteinander verbunden und dortSince, in addition, the working current of the Differensztu base electrodes is connected to one another and there

fentransistoren durch das im Sourcekreis befindliche über einen ihnen gemeinsamen Basisspannungsteilerfentransistors through the one located in the source circuit via a common base voltage divider

Konstantstromsystem konstant gehalten wird, bleiben 13, 17 zwischen Massepotential und negatives Poten-Constant current system is kept constant, 13, 17 remain between ground potential and negative potential

sämtliche Betriebspirameter der Eingangsdifferenz- tial geschaltet. Der Operationsverstärker 8 wird nutall operating parameters of the input differential are switched. The operational amplifier 8 is nut

stufe vom Gleichtaktsignal unbeeinflußt. 65 unterschiedlich großen Betriebsspannungen t-i/2stage unaffected by the common mode signal. 65 different operating voltages t-i / 2

Ein Differenzverstärker nach der Erfindung ge- und -i/l gespeist, wodurch sein Nullpunkt gegenüberA differential amplifier according to the invention fed and -i / l, whereby its zero point opposite

währleistet eine extrem hohe Gleichtaktunterdrük- dem Massepotential der Gesamtschaltung in positiverensures an extremely high common mode suppression of the ground potential of the overall circuit in positive

kung, da die Arbeitsspannung an den Verstärkeraus- Richtung verschoben werden kann, so daß an seinemeffect, since the working voltage to the amplifier alignment can be shifted so that at his

Ausgang stets eine positive Speisespannung für die beiden TransistorsUifcn 1 und 2, bezogen auf das Quellen-Potential, zur Verfügung steht.Output always a positive supply voltage for the two TransistorsUifcn 1 and 2, based on the Source potential, is available.

Die in der Figur dargestellte Schaltung hat folgende Wirkungsweise. Wird einem der Eingänge 6 und 7 des Differcnzvcrslärkcrs ein Eingangssignal zugeführt, so wird es an dem jeweils in Frage kommenden Ausgang 15 bzw. 16 verstärkt abgegeben. Die Konstantstromciucllc 9 an den Sourcc-Elcktroden der beiden Transistoren I und 2 liefert dabei einen konstanten Arbeitsstrom für die beiden Transistoren 1 und 2. Abhängig von der Glcichtaktausstcucrung entsteht am Verbindungspunkt 5 der beiden Sourcc-IElektroden der Transistoren 1 und 2 eine sich ändernde Spannung, die beispielsweise in der Größenordnung von ± K)VoIt liegen kann. Diese sich ändernde Spannung wird dem hochohmigcn, nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 8 zugeführt und durch dessen Arbeitsweise als Isolicrverslärkcr mit demselben Wert am Ausgang des Operationsverstärkers 8 wirksam. Sie steht dann als ein Teil der Betriebsspannung für die Transistorstufen 1 und 2 zur Verfugung. Gleichzeitig wird ein Stromfluß aus dem Verstärker 8 über den Rückführungswidcrstand 14 und die Konstantstromqucllc 10 erzeugt, dessen Stromstärke konstant ist. Infolgedessen entsteht am hochohmigcn invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 8 eine konstante Spannung, die so bemessen sein kann, daß ihr Wert z. B. 4 Volt beträgt. Diese Spannung wird mit dem Operationsverstärker 8 infolge der Einströmung in den Rückführungswiderstand 14 an dessen Ausgang zu der sich ändernden Spannung der Quellen-Potentiale der Transistoren 1 und 2 addiert und ergibt somit eine gesamte Bctricbsspannung für die beiden Transistoren 1 und 2, die gegenüber dem an den Quellen-Elektroden sich ändernden Spannungswert gleichartig geändert wird, jedoch um den Wert der am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 8 erzeugten Spannung konslant erhöht ist. Auf diese Weise wird die Betriebsspannung der beiden Transistorstufen I und 2 dauernd entsprechend der wechselnden Aussteuerung dieser beiden Transistoren milgcführt. Allgemein gesprochen wird also vom Meßwert, der an dem hochohmigen Eingang des Differenzverstärker auftritt, ein Spannungswert an der Konstantstromquellc 9 abgeleitet und zur Steuerung der Betriebsspannung der beiden Transistoren 1 und 2 verwendet. Durch die zusätzliche Konstantstromciucllc 10 wird ein konstan-The circuit shown in the figure has the following mode of operation. If one of the inputs 6 and 7 of the Differcnzvcrslärkcrs an input signal, so it is sent to the respective Output 15 or 16 output amplified. The Konstantstromciucllc 9 on the Sourcc Elcktroden the two transistors I and 2 supplies a constant operating current for the two transistors 1 and 2. Depending on the clock design, the two source electrodes are created at connection point 5 of transistors 1 and 2 a changing voltage, for example in the order of magnitude of ± K) VoIt can be. This changing voltage becomes the high-resistance, non-inverting Input of the operational amplifier 8 and fed by its operation as Isolicrverslärkcr effective with the same value at the output of the operational amplifier 8. It then stands as a part the operating voltage for transistor stages 1 and 2 is available. At the same time, a current flow is turned off the amplifier 8 via the feedback resistor 14 and the constant current source 10 is generated, the current intensity of which is constant. As a result, arises on hochohmigcn inverting input of the operational amplifier 8 a constant voltage, which is dimensioned may be that their value z. B. 4 volts. This voltage is generated with the operational amplifier 8 as a result of the inflow into the feedback resistor 14 at its output to the changing The voltage of the source potentials of the transistors 1 and 2 is added and thus results in a total operating voltage for the two transistors 1 and 2, which change compared to the one at the source electrodes The voltage value is changed in the same way, but by the value of the inverting input of the Operational amplifier 8 generated voltage is increased Konslant. This way the operating voltage of the two transistor stages I and 2 continuously according to the changing modulation of these two transistors. Generally speaking, then, the measured value that is applied to the high-resistance Input of the differential amplifier occurs, a voltage value is derived at the Konstantstromquellc 9 and used to control the operating voltage of the two transistors 1 and 2. Through the additional constant current ciucllc 10 a constant

ao tcr Spannungswert am Ausgang des Operationsverstärkers 8 erzeugt, der zu dem sich ändernden Spannungswert addiert wird. Dieser Spannungswert wird so bemessen, daß er genau der zur Abgabe einer ordnungsgemäßen Arbcilsspannung an den Ausgängenao tcr voltage value at the output of the operational amplifier 8 is generated, which is added to the changing voltage value. This voltage value becomes so dimensioned that it is exactly the one for delivering a proper working voltage at the outputs

a5 15 und 16 erforderlichen Senkcn-Qucllcn-Spannung der beiden Feldeffekttransistoren 1 und 2 entspricht. Damit ergibt sich bei icdcr Gleichtaktausstcucrung eine von der dlcichtaktaussteuerung nr, der. Eingängen 6 und 7 unabhängige Differenzausgangsspannunga5 15 and 16 required Senkcn-Qucllcn voltage of the two field effect transistors 1 and 2 corresponds. With icdcr common-mode control, this results in one of the common-mode control no, the. Inputs 6 and 7 independent differential output voltage

an den Ausgängen 15 und 16.at outputs 15 and 16.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

l 2 p "tentan_nnichf>. DC voltage * or “differential amplifier” is a patent claim. Dependency of the amplifier output voltage on

1. Differential amplifier with two transistor studies with common-mode control. This is due to the fact that a common constant current source is associated with a change in the input value in the control current circuit that takes place within wide limits ) the non-inverting input of a more heavily used switching element results in operational circuits working as isolating amplifiers; If the operating voltage source for the differential amplifiers differs, such changes can also represent the differential amplifier (1, 2) and be caused by a feedback resistor (14) with its inverse input that controls the inputs of the differential amplifier is connected, which are driven to the same voltage values. In the process, another constant current source (10) is connected, an undesired common-mode gain is effective. 15 sam, which have one of the difference between the input voltage

2. Differential amplifier according to claim 1, signals deviating output voltage value erktnnzeichnei J by two transistors (1,2) in testifies. This does not change linearly as a function Emitter circuit, the emitter of which is shared with them by the common-mode voltage, since the common-mode first constant current source (9) amplification of the common mode voltage in the same are bound, and is dependent by the design of the Ve ·· ao way. With differential amplifiers should supply voltage of the collector circuit of the tran- no common-mode signals, only differential signals sistors (1, 2) are amplified by means of the voltage drop on, which is why the so-called Feedback resistor (14). Common mode modulation that indicates which

3. Differential amplifier according to claim 2, there not common-mode voltages in the modulation range characterized in that the operating voltage may be exceeded.

gen (-t / l, t 1/2) of the operational amplifier (8) A common mode rejection can cause an approximately asymmetrical adjust the differential amplifier to the ideal behavior

4. Differential amplifier according to claim 2 or 3, allow common mode modulation. she can characterized in that as transistors z. B. by increasing the emitter resistance (1, 2) field effect transistors. are provided. 30 of the two transistors forming a differential amplifier be realized.

Another improvement is achieved when one

this resistance by a constant current source

The invention relates to a differential amplifier. This means that there is a high level of common-mode rejection

with two transistor stages, which can be combined with one another, and 80 to 80 for double transistors

Constant current source in the control circuit assigned 100 db and with unpaired transistors 60 to

is. 80 db can be. The glide clock suppression

A differential amplifier is a symmetrical one; is limited upwards by the fact that double

DC voltage amplifiers with two inputs and transistors never have full electrical values.

two exits. It is characterized by low drift- 40 come match.

Appearances in particular of its active elements For the above-mentioned applications in because they are only the difference between two input voltages reinforce the effects. In this way, the drift can be extremely high and high in common mode rejection of two transistor amplifiers in total required on the open-loop gain. Furthermore must Drilt difference of the transistors are reduced, 45 these amplifiers have a high input resistance, if they are connected as a differential amplifier. The difference in noise will have how low input currents and a low input gene of these favorable properties. You can use differential amplifiers Reference amplifiers are also used when none are built with field effect transistors, but are suitable Voltage difference, but only an input voltage- these transistors do not realize should be strengthened. To do this, one then puts 50 of a high common-mode rejection and a high one its two inputs to zero potential. hen no-load gain, although it has a high

DC voltage amplifiers are mostly used to generate input resistance. So that your depression is strengthened used by measuring voltages and source voltage must not be less than the Knickspandaher Work as precisely as possible so as not to make errors when the sink current characteristic curve is generated, the The amplification of the voltages to be measured to 55 clock input voltage must not be greater than the cause. This applies in particular to such dead-center potential, reduced by the buckling stress application cases in which measured voltage valuesc and the source control voltage. Thereby are Under certain circumstances, relatively high sink quiescent values can be expected within a very large dynamic range are. Such an application is e.g. B. in the potentials and thus high positive operating voltage gas chromatography given. Analyzes are required for this purpose.

by evaluating the properties of gases one can also use differential amplifiers in the sense

carried out, whereby these properties improve in the form of a high common-mode modulation,

Tiny to relatively low voltage values are measured by either measuring the

be sen. These voltage values can take the form of a span resistance or a drop across the emitter resistance

voltage curves are recorded over time, 05 voltage is reduced. The first measure

and the dynamics that occur in the process are due to the size of a poor differential gain

Classification of 10 ^e . the second measure a bad temperature con-

Such a dynamic control of a punch and possibly a low internal resistance