DE2149730A1

DE2149730A1 - Temperaturstabile monolithische Vervielfacherschaltung

Info

Publication number: DE2149730A1
Application number: DE19712149730
Authority: DE
Inventors: Solomon James E; Davis Walter Richard
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1970-10-16
Filing date: 1971-10-05
Publication date: 1972-04-20
Also published as: DE2149730C3; DE2149730B2; NL7114239A; US3668440A

Description

PATENTANWALT -·-
DIPL-ING. LEO FLEUCHAUS 2149730

8 MÖNCHEN 71, Γ 5, OKt.

MelchioratraBe 42 Mein Zeichen: M2 3 7 P-6 4 6

Motorola, Inc. 9M-Ol West Grand Avenue Franklin -Park, Illinois V.St.A.

Temperaturstabile, monolithische Vervielfacherschaltung

Die Erfindung betrifft eine temperaturstabile, monolithische Vervielfacherschaltung.

Für eine monolithische, integrierte Vierquadrant-Ver-VElfacherschaltung, deren Ausgangsspannung ein lineares Produkt zweier Eingangsspannungen ist, ergeben sich zahlreiche Anwendungsgebiete. Hierzu gehören typische Anwendungen wie Vervielfachung, Teilung, Ermittlung der Quadratwurzel, mittleres Quadrat, Phasendetektor, Frequenzverdoppler, Gegentaktmodulator /demodulator, elektronischer Verstärkungsregler o.a., worin die besondere Funktion von der Art der Eingangssignale oder der der externen Verbindungen zur Vervielfacherschaltung abhängt. Bei den meisten Anwendungsgebieten, innerhalb derer eine solche Vervielfacherschaltung verwendet werden kann, ist es wünschenswert, über eine Schaltung zu verfügen, die nur geringstmögliche Veränderungen gegenüber Schwankungen der Umgebungstemperatur und solchen des auf die Schaltung angelegten Betriebspotentials zeigt, da jegliche auf diese Weise eingebrachten Veränderungen solche des Produktausgangs der Verviel-

Wb/wb fächerschaltung

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fächerschaltung zur Folge haben. Ausgangsänderungen dieser Art wirken sich als Betriebsfehler aus, die auf zahlreichen Anwendungsgebieten von Vervielfacherschaltungen unzulässig sind.

Eine zur Ausführung genannter Funktionen geeignete monolithische Vervielfachergrundschaltung hängt vom exponentiellen Verhältnis zwischen dem Kollektorstrom eines Transistors und der Basis/Emitter-Spannung ab. Diese Vervielfachung wird in zwei Differentialverstärkern mit kreuzweise gekoppelten Kollektoren vorgenommen, wobei eine Eingangsspannung durch einen ersten Eingangs-Differentialverstärker in einen Strom umgesetzt und den Emittern der kreuzweise gekoppelten Transistoren zugeführt wird.

Die andere Eingangsspannung wird durch einen zweiten Eingangs-Differentialverstärker ebenfalls in einen Strom umgesetzt. Dieser Strom wird jedoch über diodengekoppelte Transistoren in eine exponentielle Spannung umgesetzt, wobei letztere Strom auf die Kollektoren des zweiten Eingangs-Differentialverstärkers übertragen. Die Exponentialspannung wird anschließend auf die Basen der kreuzweise gekoppelten Transistoren übertragen, wobei sich infolge der vorher erwähnten exponentiellen Beziehung der entstehende Kollektorstrom proportional zum Produkt der beiden Spannungen verhält. Demgegenüber wurde festgestellt, daß das Ausgangssignal vom Wert 'beta' (ß) der kreuzweise gekoppelten Ausgangstransistoren abhängt, wobei 'beta' die Stromverstärkung dieser Transistoren ausdrückt. Da sich dieser Wert 'beta' durch Temperatureinflüsse ändern kann, ist es möglich, daß ein großer Fehler auf das Ausgangssignal wirkt, der auf einen Wechsel der Umgebungstemperaturzurückzuführen ist, unter der die Vervielfacherschaltung arbeitet.

Davon ausgehend, daß die Kollektoren der Ausgangstransistoren der Vervfelfacherschaltung gegenüber dem Erdpotential an einem höheren Potential liegen, ist bei einer erdbezogenen Schaltung eine bestimmte Kopplung vorzunehmen.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine weiterentwickelte monolithische Vervielfacherschaltung zu schaf-

- 2 - fen,

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fen, bei der eine Temperaturkompensierung vorgenommen wird; darüber hinaus ist ein temperaturkompensierter Betriebsstrom für eine monolithische Vervielfacherschaltung zu liefern, um Wirkungen zu beseitigen, die durch Änderungen des Faktors 'beta¹ innerhalb der Transistoren der monolithischen Vervielfacherschaltung infolge Temperaturverschiebungen hervorgerufen werden. In diesem Zusammenhang ist die monolithische Vervielfacherschaltung mit einer Kopplungsschaltung auszurüsten, die mit HF-Dämpfungsfiltern ausgerüstet ist, um zu verhindern, daß Signale auf die Ausgänge über Verbindungen übertragen werden, die eine starke Phasenverschiebung dieser Signale zur Folge hätten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Entzerrerschaltungen vorgesehen sind, die die Steuerspannung in Abhängigkeit von den Änderungen des Faktors 'alpha' (oC) in zumindest einem zusätzlichen Transistor innerhalb der integrierten Schaltung beeinflussen, um zu bewirken, daß sich der Strom mit der Temperatur im Gegensatz zu den temperaturbedingten Änderungen des Faktors 'ß' der Verarbeitungsschaltung ändert, wodurch Auswirkungen der 'ß'-Änderungen gegenüber dem von der Verarbeitungsschaltung gelieferten Ausgangssignal vermieden werden.

Eine besonders vorteilhafte Verwirklichung der Erfindung liegt darin, daß eine monolithische, integrierte Vervielfacherschaltung ein Paar Differentialverstärker mit erstem, zweitem, dritten und viertem Transistor umfaßt, wobei die Emitter des ersten und zweiten Transistors an einem gemeinsamen Punkt angeschlossen sind, um einen ersten Eingangsanschluß zu bilden und die Emitter des dritten und vierten Transistors an einem gemeinsamen Punkt angeschlossen sind, um einen zweiten Eingangsanschluß zu bilden. Eine erste Eingangsspannung wird in einen Strom umgesetzt und dem ersten und zweiten Eingangsanschluß übertragen.

In der gleichen Weise sind auch die Basen des dritten und vierten Transistors miteinander verbunden, um einen dritten Eingangsanschluß zu bilden, wobei die Basen des zweiten und drit-

- 3 - ten

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ten Transistors miteinander verbunden sind, um einen vierten Eingangsanschluß zu bilden. Eine zweite Eingangsspannung wird in eine exponentielle Spannung umgesetzt und auf diese dritten und vierten Eingangsanschlüsse übertragen. Die Kollektoren der Transistoren im ersten und zweiten Differentialverstärker sind kreuzweise gekoppelt und mit einer Koppelschaltung verbunden, die den Ausgang der Vervielfacherschaltung liefert. Die Koppelschaltung ist mit Dämpfungsfiltern ausgerüstet, um eine Übertragung von HF-Signalen über die Basis/Emitter-Strecken der Ausgangstransistoren innerhalb der Koppelschaltung zu verhindern, wodurch der Betrieb des Systems stabilisiert und die Übertragung von Signalen über diese Strecken verhindert wird, die eine starke Phasenverschiebung zur Folge hätten.

Der Ausgang des ersten und zweiten Differentialverstärkers, der den Produktausgang der Schaltung darstellt, ist Abweichungen unterworfen, die auf 'ß'-Änderungen der Verstärkertransistoren und auf Temperaturabweichungen zurückzuführen sind, unter denen die Schaltung arbeitet. Um Änderungen dieser Art entgegenzuwirken, ist der auf die Vervielfacherschaltung übertragene Strom über eine Regelschaltung geregelt, die den Strom in Abhängigkeit von den ¹Qj-Änderungen einer Reihe von in Serie verbundenen Emitter/Kollektor-Strecken der Transistoren anpaßt, die über eine Betriebsspannungsquelle in Serie mit einer Stromquelle verbunden sind. Die Anzahl der in Serie verbundenen Kollektor/Emitter-Strecken innerhalb der Alpha-Kompensierungsschaltung ist in der Form gewählt, daß Änderungen des Betriebsstromes für die Vervielfacherschaltung entstehen, die im wesentlichen Ausgangsänderungen ausgleichen, die auf 'ß'-Änderungen der Transistoren innerhalb der Vervielfacherschaltung zurückzuführen sind.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung hervor, die sich auf ein Schaltungsdiagramm einer integrierten, monolithischen Vervielfacherschaltung gemäß einer erfindungsgemäßen Aufbauform bezieht.

- 4 - Die

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Die beiliegende Zeichnung bietet ein Schemadiagramm für den Aufbau der Schaltung als monolithische, integrierte Schaltung , die entweder als unabhängige, integrierte Schaltung oder als Teil einer größeren Anordnung zum Aufbau mit anderen Schaltungen für weitere Funktionen verwendet werden kann. Obgleich sämtliche in der Zeichnung dargestellten Bauelemente als Teil der gleichen monolithischen, integrierten Schaltung aufzufassen sind, wurden diese Bauelemente durch gestrichelte Linien in die einzelnen Funktionseinheiten unterteilt, die der jeweiligen Betriebsform entsprechen, nach der die einzelnen Teile der Schaltung arbeiten.

Bei diesen einzelnen Funktionseinheiten der Schaltung handelt es sich kurz gesagt um einen Basisvervielfacher 10, der zwei Eingangssignale miteinander vervielfacht, um hieiais ein einziges Ausgangsproduktsignal zu bilden. Dieses Signal wird vom Vervielfacher 10 einer Kopplungsschaltung 20 zugeführt, die einen Bezug des Ausgangssignals des Vervielfachers mit dem Erdpotential herstellt. Das von der Kopplungsschaltung 20 abgegebene, abgeglichene Signal wird nunmehr einem Differential/Eintakt-Umsetzer 30_zugeführt, der Eintakt-Ausgangssignale der Schaltung liefert, die durch externe, nicht dargestellte Bauelemente weiterverarbeitet werden können.

Um gegenüber der ungeregelten Spannung, die für den Betrieb der Schaltung zur Verfügung steht, ein stabilisiertes Betriebspotential liefern zu können, ist ein Spannungskonstanthalter 40 vorgesehen, der ein geregeltes Betriebspotential für die einzelnen in der Schaltung dargestellten Bauelemente liefert. Der Ausgang des durch den Block 10 dargestellten Vervielfachers ist Änderungen unterworfen, zu denen noch solche des 'beta'-Wertes der eingesetzten Transistoren zu rechnen sind, so daß darüber hinaus eine 'alpha¹-Kompensierungseinheit 50 vorgesehen wurde, um Änderungen in der Stromversorgung des Vervielfacherblocks 10 zu bewirken, die auf die ¹alpha'-Änderungen der integrierten Schaltungs-Transistoren und die Temperatur abgestimmt sind, wobei deren Wert in der Form bemessen ist, daß Ausgangsänderungen bedämpft bzw. ausgeglichen werden können, die durch Änderungen des 'beta^uWertes der Vervielfacher-Transistoren zusammen mit der Temperatur entstanden sind.

- 5 - Bei

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Bei dem Vervielfacher 10 handelt es sich um eine herkömmliche monolithische Vierquadrant-Vervielfacherschaltung beispielsweise vom Typ der Vervielfacherschaltung MC 1495L von Motorola bzw. um einen ähnlichen Typ. Diese Vervielfacherschaltung umfaßt ein Paar Eingangs-Differentialverstärkerschaltungen 11 und 12, die jeweils zwei Paare von in Kaskade geschalteten und als Emitterfolger gekoppelte Transistoren enthalten. Die Emitter der innersten bzw. Ausgangstransistoren der Differentialverstärker 11 und 12 sind mit den entgegengesetzten Enden der Emitter-Gegenkopplungswiderstände m und 15 jeweils zur Begrenzung der Auswirkungen der nichtlinearen Basis/Emitter-Spannungsänderung beim Betrieb der Eingangsverstärker verbunden. Die Emitter der Ausgangstransistoren der Differential-Verstärker 11 und 12 sind ebenfalls jeweils getrennt mit dem Kollektor eines anderen npn-Stromsteuerungstransistors 16, 17, 18 und 19 verbunden; die Emitter dieser Transistoren sind über Emitterwiderstände mit einer negativen Potentialleitung 21 verbunden, wobei die Basen dieser Transistoren jeweils über eine Leitung 22 von der Regelschaltung 4-0 aus mit einer Vorspannungs- bzw. Betriebspotentialquelle verbunden sind.

Die für die Differentialverstärker 11 bestimmten Eingangssignale werden über ein Paar von Eingangs anschluss en 2M- mit den Basen der Eingangstransistoren des Verstärkers gekoppelt, wobei diese Eingangssignale die Bezeichnung 'V ' tragen. In der gleichen Weise werden Eingangssignale für den Differential-Verstärker 12 mit den Basen der Eingangstransistoren des Verstärkers an einem Paar von Eingangsanschlüssen gekoppelt, wobei diese Eingangssignale die Bezeichnung ¹V ' aufweisen.

Um eine Vervielfachung der auf die Differentialverstärker 11 und 12 übertragenen Eingangssignale sicherzustellen, ist ein weiteres Paar von Differential-Verstärkern mit den npn-Transistoren " 26, 27 und 28, 29 vorgesehen, wobei die Emitter der Transistoren 26 und 27 zusammen und mit dem Kollektor eines der Ausgangstransistoren des Differential-Verstärkers 12 gekoppelt sind. Der Kollektor des anderen Ausgangstransistors des Differential-Verstärkers

- 6 - ist

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ist an die miteinander verbundenen Emitter der Transistoren 28 und 29 angeschlossen, die den zweiten Vervielfacher-Differentialverstärker bilden. Somit wird die Eingangsspannung V , die auf den Eingangsanschluß 2 5 übertragen wird, durch den Differentialverstärker 12 in einen Strom umgesetzt und auf die Emitter der Transistoren 26, 27 und 28 sowie 29 übertragen.

Die andere auf die Eingangsanschlüsse 24 übertragene Eingangsspannung V wird durch den Differentialverstärker 11 ebenfalls in einen Strom umgesetzt. Die Kollektoren der Ausgangstransistoren dieses Differentialverstärkers werden jedoch über ein Paar von Transistordioden 32 und 33 mit npn-Transistoren mit Strom versorgt, wobei die Kollektor/Basis-Verbindungen kurzgeschlossen sind, um zu bewirken, daß der Ausgangsstrom des Verstärkers in eine Exponentialspannung umgesetzt wird. Diese Spannung wird nunmehr mit den Basen der Transistoren 26, 27, 28 und 29verbunden, wobei der Kollektor eines der Ausgangstransistoren des Differentialverstärkers 11 mit den Basen der Transistoren 27 und 28 verbunden ist; der Kollektor des anderen Ausgangstransistors des Differentialverstärkers 11 ist hierbei an die Basen der Transistoren 26 und 29 angeschlossen.

Die Ausgänge vom Vervielfacher-Differentialverstärker 26, 27 und 28, 29 ergeben sich durch Kreuzkopplung der Kollektoren der Transistoren 26 und 28, wodurch einer der Ausgänge entsteht; durch Kreuzkopplung der Kollektoren der Transistoren 27 und 29 entsteht der andere der Ausgänge. Wird jeder Ausgang über einen Belastungswiderstand R_T mit einer positiven Spannungsquelle verbunden, so kann eine Differentialausgangsspannung V zwischen diesen Ausgängen erzeugt werdii. Die über diese beiden Ausgänge erzeugte Ausgangsspani
gende Gleichung

te Ausgangsspannung V kann mathematisch hergeleitet und durch fol-

V = ^{2 R}L β VV ° ^X

ausgedrückt werden, in der R_L den Belastungswiderstand bezeichnet, während R_{1 ü} und R^₁- jeweils den Emitterwiderständen entsprechen,

_ "7 _ T

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I₁ den Strom darstellt, der durch irgendeinen der diodengekoppelten Transistoren 32 bzw. 33 fließt und ^fß^T die Stromverstärkung der vier in Kreuzkopplung angeordneten Transistoren 26, 27, 2 8 und 29 ausdrückt. Im Regelfall liegt der Wert von 'ß' bei etwa 100.

Da der Faktor 'ß¹ temperaturbedingten Änderungen unterworfen ist, kann ein größerer Fehler in irgendeiner Multiplikation auftreten und hierdurch eine Ausgangsspannung V entstehen, die auf das Produkt ß /(ß + 3) zurückführen ist. Demzufolge ist es wünschenswert, daß der Strom I. in ein Verhältnis zu ß/(ß+3) eintritt, wonach dieser temperaturabhängige Ausdruck aus der Gleichung herausgenommen werden kann.

Um eine derartige Veränderung des Stromwertes I^ zu erreichen und um darüber hinaus zu bewirken, daß der Betrieb der Schaltung unabhängig von Änderungen der Versorgungsspannung abläuft, wurden der Spannungskonstanthalter 40 und die 'alpha'-Kompensierungsschaltung 50 vorgesehen. Der Spannungskonstanthalter 40 liefert geregelte Spannungen oberhalb und unterhalb des Erdpotentials und ist zwischen einer Verbindungsleitung 21, die mit einer (nicht dargestellten) negativen Potentialquelle verbunden ist und einer Verbindungsleitung 37, die mit einer (nicht dargestellten) positiven Potentialquelle verbunden ist, angeschlossen, wobei ein Zwischenpunkt zwischen den Verbindungsleitungen 21 und 37 an Erdpotential angeschlossen ist.

Grundsätzlich wird die geregelte Spannung für den positiven Teil der Schaltung zwischen der Verbindungsleitung 3 7 und dem Erdpotential durch einen Teiler geliefert, der einen Lateralpnp-Stromsteuerungstransistor 38 enthält, dessen Emitter über einen geeigneten Emitterwiderstand an die Verbindungsleitung 37 angeschlossen ist und dessen Kollektor in Serie mit vier Dioden 39, 40, 41, 42 (wobei es sich um Transistordioden von der Art der Dioden 32 und 3 3 handeln kann) und einer Zenerdiode 45 mit Erdpotential verbunden ist. Durch den vom Stromsteuerungstransistor 38 gelieferten und durch di<s Diodengruppe 39 bis 42 und 45 fließenden Strom bewirkt die hohe dynamische Impedanz des Transistors 38 ein Unterdrücken jeglicher Veränderungen der dynamischen Impedanz der Zenerdiode 45. Somit erscheint eine hochstabilisierte Spannung über den

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- 8 - Dioden

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Dioden 39 bis 45 und zwar selbst dann, wenn das auf die Verbindungsleitung 37 angelegte Potential innerhalb eines weiten Bereiches schwankt. Darüber hinaus besitzen die Dioden 39 bis 42 einen dem der Zenerdiode 45 entgegengerichteten Temperaturkoeffizienten, wobei zwei dieser Dioden die Zenerdiode 45 kompensieren

In gleicher Weise ergibt sich eine geregelte bzw. stabilisierte Spannung für den negativen Teil der Schaltung dadurch, daß eine Gruppe der Dioden 48, 49 und 51 und eine Zenerdiode 53 zwischen dem Erdpotential und einem npn-Stromsteuerungstransistor 54 angeschlossen ist, dessen Emitter über einen geeigneten Emitterwiderstand mit der negativen Versorgungsleitung 21 verbunden ist. Das über die Dioden 48 bis 51 und die Zenerdiode 53 entstehende Potential stellt ebenfalls ein hochstabiles Bezugspotential über einen weiten Änderungsbereich des auf die Verbindungsleitung 21 übertragenen Potentials dar, wobei zwei der Dioden 48-51 darüber hinaus eine Temperaturkompensierung für die Zenerdiode 5 3 vornehmen. _Die 2enerdioden 45 und 5 3 erhalten ihren Betriebsstrom über Spannungsquellen i η Form von Transistoren, 38 und 54, die ihrerseits auf die Spannung bezogen sind, die über die Zenerdiode 45 entsteht. Unter diesen Betriebsbedingungen ist es möglich, daß bei einem erstmaligen Anlegen von Betriebspotential an die Verbindungsleitungen 37 und 21 die Schaltung infolge eines Ausfalls der Stromsteuerungstransistoren 38 bzw. 54 nicht anläuft bzw. nicht arbeitet, wodurch die Stromleitung über die jeweiligen Teilerschaltungen einschließlich der Zenerdioden 45 und 53 betroffen ist. In einem solchen Falle kann die Schaltung nicht arbeiten.

Um sicherzustellen, daß die Schaltung ihre Funktion bzw. ihren Betrieb wieder aufnimmt, nachdem ein Betriebspotential auf die Verbindungsleitungen 37 und 21 angelegt wurde, ist ein zusätzlicher Spannungsteiler in Form dreier Widerstände 55, 56 und 57 in Serie mit einer Zenerdiode 58 zwischen den Verbindungsleitungen 37 und dem Erdpotential eingeschleift. Da in diesem Serien-Spannungsteiler keine Stromquelle enthalten ist, fließt der Strom zuerst durch die Widerstände 55, 56 und 57 sowie durch die Zenerdiode 58, um ein bestimmtes Potential über die Zenerdiode 58 fließen

- 9 - zu_

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zu lassen. Dieses Potential wird auf die Anode einer Diode 61 übertragen, wobei die Katode dieser Diode mit dem Verbindungspunkt des Kollektors des Transistors 38 und der Diode 39 verbunden ist.

Bei dem zuerst nichtleitenden Transistor 38 bewirkt

die Diode 61 einen Stromfluß durch die Diode 61 und die Dioden 39 bis 4-2 und die Zenerdiode 45, wodurch ein bestimmter Spannungsabfall über diesen Teil der Schaltung eintritt. Dieser Spannungsabfall wirkt auf die Basis eines npn-Stromsteuerungstransistors 63, der leitend wird und einen StI¹Om durch einen Widerstand 64· leitet, der zwischen dem Emitter des Transistors 6 3 und dem Erdpotential angeschlossen ist.

Der Stromfluß durch die Emitterwiderstände 64· hängt vom Wert des Widerstands 64- und der Spannung ab, die über zwei in Vorwärtsrichtung betriebene Diodenverbindungen und die Zenerdiode 45 auftritt, wobei es sich um die Spannung handelt, die am Emitter des Transistors 6 3 anliegt. Dieser Strom fließt ebenfalls durch die Kollektorschaltung des Transistors 63, wobei der Kollektorstrom auf den Emitterstrom des Transistors 63 über den Faktor 'alpha' bezogen ist: Ip = a I.-,, wobei I„ den Emitterstrom und I„ den Kollektorstrom des Transistors ausdrückt. Der über die Kolektor/Emitter-Strecke des Transistors 6 3 fließende Strom fließt darüber hinaus durch die in Serie verbundenen Kollektor/Emitter-Strekken eines Paares von npn-Transistoren 66 und 67, wobei deren Basen mit den Verbindungspunkten der Widerstände 56 und 57 sowie 55 und 56 verbunden sind; auf diese Weise werden die Transistoren 66 und 67 bis zur Leitung in Vorwärtsrichtung betrieben. Der Kollektor des Transistors 66 ist mit dem Kollektor eines lateralen pnp-Stromsteuerungstransistors 69 verbunden, wobei dessen Emitter über einen Widerstand 70 mit der Verbindungsleitung 37 verbunden ist. Die Temperatur kompensierung für die Basis/Emitter-Verbindung des Transistors 6 3 wird durch eine der Dioden 4-0 bis 4-2 übernommen.

Um sicherzustellen, daß ein Strom durch den Stromsteuerungstransistor 69 und den Widerstand 70 zu den in Serie verbundenen npn-Transistoren 66, 67 und 63 fließt, ist die Verbindung zwischen den Kollektoren der Transistoren 69 und 6 6 mit der Basis

- 10 - eines

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eines auf Substratbasis aufgebauten pnp-Transistors 72 verbunden, dessen Kollektor mit dem Substrat verbunden ist, das seinerseits mit einer negativen Betriebsspannungsquelle verbunden ist. Der Emitter des pnp-Substrat-Transistors 72 ist mit der Basis des lateralen pnp-Stromsteuerungstransistors 69 verbunden und arbeitet als Teil eines Rückkopplungspaares mit dem Transistor 69. Innerhalb dieses Schaltungsaufbaus arbeitet der pnp-Substrat-Transistor 72 als eine Parallelrückkopplung für den lateralen pnp-Transistor 69, wodurch ein Potential an der Basis des Transistors 69 entsteht, durch das eine Stromleitung hervorgerufen wird.

Dadurch, daß der Gesamtstrom, der in der Serienschaltung aus Widerstand 70 und den Transistoren 69, 66, 67 und 63 fließt., durch das geregelte Bezugspotential über die Dioden 40 bis 42 und die Zenerdiode 45 entsteht, durchfließt ein konstanter Strom diese Schaltung, wobei der über den pnp-Stromsteuerungstransistor fließende Strom sich ebenfalls konstant verhält. Der Emitter des pnp-Substrat-Transistors 72 ist ebenfalls mit den Basen von sechs weiteren lateralen pnp-Stromsteuerungstransistoren verbunden und zwar einschließlich des Stromsteuerungstransistors 38, der den Strom für die Zenerdiode 45 liefert.

Dadurch, daß der Stromsteuerungstransistor 38 bis zur Leitfähigkeit durch das bestimmte Potential des Emitters des pnp-Substrat-Transistors 7 2 in Vorwärtsrichtung betrieben wird, beginnt ein Strom durch den Widerstand, die Dioden 39 bis 42 und die Zenerdiode 45 von dem Stromsteuerungstransistor 3 8 aus zu fließen. Hierdurch wird die Regel-Zenerdiode 45 leitend und behält ihre Leitfähigkeit bei, so daß die Potentialwerte an beiden Enden der Nebenschlußdiode 61 im wesentlichen übereinstimmen. Die Diode 61 wird demnach unwirksam und die Schaltung arbeitet, als ob diese nicht vorhanden wäre.

Um sicherzustellen, daß der Strom durch die Zenerdiode 5 3 im negativen Teil der Schaltung fließt, ist die Basis eines lateralen pnp-Stromsteuerungstransistors 7 3 mit dem Emitter des pnp-Substrat-Transistors 72 verbunden, wobei eine Leitfähigkeit über

- 11 - ■ die

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die Transistoren 38 und 69 sichergestellt wird. Durch das Leiten des Transistors 73 entsteht ein bestimmtes Potential an der Basis eines npn-Transistors 74, der in einer Nebenschlußrückkopplung mit einem npn-Stromsteuerungstransistor 75 verbunden ist, wobei der Emitter dieses Transistors mit der negativen Verbindungsleitung 21 und der Kollektor dieses Transistors mit dem Kollektor des pnp-Lateraltransistors 7 3 verbunden ist. Die Transistoren 7M- und 75 arbeiten praktisch in der gleichen Form wie der Transistor 72 in Verbindung mit den Transistoren 38, 69 und 73, um eine Leitfähigkeit des Stromsteuerungstransistors 75 zu bewirken.

In der gleichen Weise schaltet der Transistor 74 den

Stromsteuerungstransistor 54 ein, wodurch ein Strom durch diesen und durch die Diodengruppe einschließlich der Dioden 48, 49 und 51 sowie der Zenerdide 53 fließt. Zur gleichen Zeit entsteht ein Potential auf der Leitung 22 und bewirkt einen Betrieb der Stromsteuerungstransistoren 16, 17, 18 und 19 im Vervielfacherteil der Schaltung.

Der Emitter des Transistors 7 2 ist ebenfalls über eine Leitung 77 mit vier pnp-Lateraltransistoren 79, 81, 82 und 83 in der Kopplungsschaltung 20 gekoppelt, um zu bewirken, daß diese Transistoren jeweils einen bestimmten Strom ziehen, der von den Werten der Emitterwiderstände abhängt, die zwischen die Emitter der Transistoren 79, 81, 82 und 8 3 sowie die Verbindungsleitung geschaltet sind. Zur gleichen Zeit wird das auf der Leitung 77 liegende Potential auf die Basis eines npn-Emitterfolger-Regeltransistors 85 übertragen. Der Emitter des Transistors 85 liefert ein bestimmtes Betriebspotential an die Basis eines zweiten npn-Emitterf olger-Trans is tors 87, dessen Kollektor mit der Verbindungsleitung 37 verbunden ist, wobei dessen Emitter einen Betriebsstrom an die Trans is tordLoden 32 und 33 liefert.

An dieser Stelle wäre darauf hinzuweisen, daß eine grosse Anzahl von pnp-Lateral-Stromsteuerungstransistoren (insgesamt 7) mit dem Ausgang der Schaltung 50 verbunden ist. Da pnp-Lateraltransistoren Basisstarkstrom ziehen, kann demzufolge eine Über-

- 12 - lastung

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lastung des positiven Teiles der Reglerschaltungen M-O und 50 auftreten. Um diese Erscheinungen auszugleichen, handelt es sich bei dem pnp-Rückkopplungstransistor 7 2 um einen Substrattransistor der vorher beschriebenen Art. Dadurch, daß der Emitter des pnp-Substrat-Transistors 7 2 mit der Basisleitung 77 der pnp-Lateraltransistoren verbunden ist, können die Basisströme der pnp-Lateral-Transistoren durch den Strom verringert werden, der in den Emitter des pnp-Substrat-Transistors 72 mit einer Stärke fließt, die vom 'beta'-Wert des pnp-Substrat-Transistors abhängt. Ein typischer 'beta'-Wert für einen solchen pnp-Substrat-Transistor liegt bei etwa 40 bzw. 50, so daß die Möglichkeit einer Überlastung der Reglerschaltungen 40 und 50 stark eingeschränkt wird.

Um einen möglichst fehlerfreien Betrieb der Schaltung zu erzielen, ist es wünschenswert, eine Stromverstärkung von etwa einer Einheit in den Schaltungen zu erzielen, die die Ströme an den Vervielfacher 10 liefern. Werden innerhalb der Schaltung keine -pnp-Substrattransistoren von der Art des Transistors 72 verwendet, so entstehen Fehlerströme durch die Basisströme sämtlicher pnp-Lateraltransistoren , die mit der Leitung 7 7 verbunden sind. Bei Verwendung des Substrat-Transistors 7 2 zur Steuerung der Funktion der pnp-Lateraltransistoren wird die Stromverstärkung der Schaltung auf annähernd einer Einheit gehalten und zwar bei einer Genauigkeit von etwa 1/10%. Dies ist auf den Umstand zurückzuführen, daß es sich bei dem einzigen in die Schaltung eingeführten Fehlerstrom um den Basisstrom des pnp-Substrat-Transistors 72 handelt. Dieser Basisstrom liegt jedoch um 'beta'-Teile unter dem Emitterstrom des pnp-Substrattransistors 72. Wird ohne Verwendung des Transistors 72 der pnp-Lateralstrom von einem normalen, diodenvorgespannten Spannungsteiler aus gesteuert, so liegt die Einheitsgenauigkeit der Stromverstärkung der Schaltung nur bei annähernd 3 bzw. 4%.

In der Kopplungsschaltung 20 wird der Strom der Transistoren 79 und 81 zusammengefaßt, um einen Gesamtstrom 2I₂ auf einer leitung 91 abzugeben. In der gleichen Weise wird der Strom von den beiden pnp-Lateraltransistoren 82 und 83 zusammengefaßt, um einen

- 13 - Gesamtstrom

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ORiGiNAL INSPECTED

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Gesamtstrom 2I2 auf einer Leitung 9 2 zu führen, wobei die Leitungen 91 und 92 jeweils mit den entgegengesetzten Hälften der Koppelschaltung als Stromversorgungselemente der Schaltung verbunden sind.

Die Hälfte der Koppelschaltung, die mit Strom über die Leitung 91 versorgt wird, besteht aus einem pnp-Lateral-Transistor 94 und einem npn-Transistor 95, wobei der Kollektor des Transistors 95 und der Emitter des Transistors 94· mit der Leitung 91 verbunden sind, um auf diesem Wege Strom zu empfangen. Die Schaltung wird dadurch vervollständigt, daß der Emitter des Transistors 9 5 mit der Basis des Transistors 94 über einen Widerstand 9 6 verbunden wird, wobei die für den Betrieb der Transistoren erforderliche Gleichstrom-Vorspannung vom Emitter des npn-Transistors 85 geliefert wird, der direkt mit der Basis des Transistors 95 und über einen Kondensator 9 7 mit der Basis des Transistors 94 verbunden ist.

Die Kombination aus pnp-Lateral-Transistor und npn-Transistor 9 5 arbeitet als positive Rückkopplungsverbindung, wobei der Basisstrom des pnp-Transistors auf den Emitter des npn-Transistors übertragen wird, der seinerseits als Basisverstärker mit einer Verstärkung von etwa einer Einheit arbeitet. Demzufolge liefert der npn-Transistor 9 5 den pnp-Basisstrom zurück auf den Emitter des pnp-Lateral-Transistors; somit verhält sich diese Kombination in der Weise, als ob über den pnp-Transistor 94 kein Verlust an Basisstrom auftritt. Dieser Umstand ist darauf zurückzuführen, daß der 'alpha'-Wert des npn-Transistors 9 5 bei annähernd 1 (typischer Wert 0,99) liegt.

Der Emitter des npn-Transistors 9 5 ist ebenfalls mit den kreuzweise gekoppelten Kollektoren der Vervielfacher-Transistoren 26 und 28 verbunden; dadurch, daß die npn-Transistoren 18 und 19 mit dem Differentialverstärker 12 verbunden sind, fordert der Differential-Verstärker 12 einen Strom I₂ über die kreuzweise gekoppelten Kollektoren der Transistoren 26 und 28.

Die andere Hälfte der Koppelschaltung arbeitet in der gleichen

- m - Weise

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Weise wie der soeben beschriebene Teil und wurde mit den gleichen Bezugsziffern versehen, die allerdings durch einen Strich gekennzeichnet sind. Der Emitter des npn-Transistors 95' wird somit mit den kreuzweise gekoppelten Kollektoren der Transistoren 2 7 und 29 verbunden, die infolge des Betriebes der Stromsteuerungstransistoren 18 und 19 einen Strom I~ ziehen.

Somit handelt es sich bei dem durch die Transistoren 95 und 95' fließenden Strom um den Strom I_, d.h., daß ein glei- " eher Strom I„ aus den Kollektoren der Transistoren 9M- und 9¹+' zur Differential-Eintakt-Umsetzerschaltung 30 fließen muß. Diese Funktion der Schaltung bewirkt, daß sich der Ausgang der Vervielfacherstufe 10 ebenfalls auf das Erdpotential bezieht und zwar dadurch hervorgerufen, daß durch den Betrieb der pnp- und npn-Spannungsquellen ein Strom zur Koppelschaltung 20 übertragen und ein solcher von dieser bezogen wird.

Aus einer Prüfung der Verbindungen der kreuzweise gekoppelten Kollektoren der Transistoren 26, 27, 28 und 29 zu den Transistoren 94, 95 und 94' sowie 95' der Koppelschaltung geht hervor, daß sich für die Ausgangssignale der Vervielfacherschaltung 10 zwei Möglichkeiten ergeben, umai den Kollektoren der pnp-Transistoren 94 und 94' zu gelangen, die die Eingänge zur Differential-Eintakt-Umsetzerschaltung 30 bilden. Einer dieser Wege verläuft durch den Emitter und Kollektor des npn-Transistors 95 bzw. 95" über den Emitter und durch den Kollektor des pnp-Transistors 9 4 bzw. 94'. Hiebei handelt es sich um einen bevorzugten Signalverlaur . _E^_{n zwe}i-j-_er weg verläuft von der Basis aus durch den Kollektor des pnp-Transistors 94 bzw. 94', wobei jedoch auf diesem Wege das Signal einer starken Phasenverschiebung ausgesetzt wird, die auf die Verbindung zurückzuführen ist, die das Signal durchläuft. Diese Phasenverschiebung kann zu einer beträchtlichen Labilität innerhalb der Schaltung führen. Mit dem Zweck, diese Instabilität zu umgehen, arbeiten der Widerstand 96 und der Kondensator 97 sowie der Widerstand 96' und der Kondensator 97' als ein

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Paar von Dämpfungsfiltern, die verhindern, daß HF-Ströme durch die· Basen der pnp-Transistoren 94 und 94' fließen. Demzufolge verbleibt lediglich der gewünschte Signalweg über die Emitter-Kollektor strecken der Transistoren 9 5 und 94 sowie der Transistoren 95' und 9¹+' innerhalb der Kopplungsschaltung, um den Ausgang von den kreuzweise gekoppelten Vervielfacher-Transistoren 26, 27, 28 und 29 auf die Eingänge der Differential-Eintakt-Umsetzerschaltung zu koppeln.

Bei der Differential-Eintaktumsetzerschaltung 30 handelt es sich um eine herkömmlich aufgebaute Schaltung, bei der die auf dem Kollektor des Transistors 94 anliegenden Ausgangssignale direkt mit dem Kollektor eines npn-Transistors 100 verbunden werden, der ebenfalls den Ausgang auf eine Ausgangsverbindungsstrecke 101 überträgt. In der gleichen Weise werden die am Kollektor des Transistors 94' anliegenden Signale auf den Kollektor eines npn-Transistors 102 übertragen. Darüber hinaus ist der Kollektor des Transistors 102 mit der Basis des Transistors 100 verbunden, wobei der Emitter des Transistors 100 mit der Basis des Transistors 102 und über einen npn-Transistor-Diodenkreis 104 und einen Widerstand 105 mit der Verbindungsleitung 21 verbunden ist. Der Diodenkreis 104 bewirkt einen Stromfluß durch den Transistor 102, wobei die Schaltungsverbindungen Basisstromverluste ausgleichen. Bei dem resultierenden und am Anschluß 101 erscheinenden Ausgangssignal handelt es sich um ein unsymmetrisches Ausgangssignal, das dem Produkt der Eingangssignale V und V_x entspricht, die auf die Eingangsanschlüsse 24 und 25 übertragen werden.

Die Spannungskonstanthalterschaltung 40 kann darüber hinaus dazu verwendet werden, positive und negative Verschiebungsausgleichsspannungen auf ein Paar von Ausgangsverbindungen 106 und 107 zu übertragen. Für den positiven Teil der Schaltung ergeben sich diese Spannungen durch Verbinden der Basis eines Emitterfolger-npn-Transistors 108 mit dem Kreuzungspunkt zwischen dem Kollektor des Stromsteuerungstransistors 38 und der Diode 39. Der Kollektor des Transistors 108 ist mit der Verbindungsleitung 37 verbunden, wobei

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der Emitter Strom über ein Paar von Widerständen 109 und 110 und eine Temperaturkompensationsdiode 111 an Erdpotential überträgt. Der Kreuzungspunkt zwischen den Widerständen 109 und 110 ist mit der Basis eines npn-Transistors 112 und der Kollektor des Transistors 112 mit der Verbindungsleitung 3 7 über einen Kollektor-. widerstand 113 verbunden; der Emitter ist hierbei an die Ausgangsverbindungsleitung 106 angeschlossen, um die positive Verschiebungsausgleichsspannung zu liefern. Die relativen Werte der Widerstände 109 und 112 bestimmen hierbei natürlich den' jeweiligen Wert dieser Verschiebungsspannung.

In der gleichen Weise wird eine negative Verschiebungsspannung an der Verbindungsleitung 107 aufgenommen, die von einem pnp-Emitterfolgertransistor 115 abgegriffen wird, dessen Basis mit dem Kreuzungspunkt zwischen dem Kollektor des Transistors 54 und der Zenerdiode 53 verbunden ist, wobei der Emitter mit der Erdungsklemme über ein Paar von Widerständen 116 und 117 und ein Paar von Temperaturkompensationsdioden 119 und 120 verbunden ist.

Der Kreuzungspunkt zwischen den Widerständen 116 und 117 ist mit der Basis eines npn-Transistors 124 verbunden, dessen Kollektor an Erdpotential angeschlossen und dessen Emitter mit der Verbindungsleitung 107 für die negative Verschiebungsausgleichsspannung verbunden ist. Der Emitter des Transistors 124 ist darüber hinaus mit den Kollektoren dreier npn-Stromsteuerungstransistoren 126, 127 und 128 verbunden, die den Strom auf dem Emitter des Transistors 124 bestimmen.

Die geregelten positiven und negativen Verschiebungsausgleichsspannungen, die jeweils über die Verbindungsleitungen 106 und 107 abgegriffen werden, können an die entgegengesetzten Enden von Potentiometerschaltungen angeschlossen werden, deren Anzapfungen ihrerseits mit einer Klemme jedes Paares der Eingangsanschlüsse 24 und 25 gekoppelt werden können, um die Eingangsausgleichsspannungen für den Betrieb der Vervielfacherschaltung abzu-.gleichen. Dadurch, daß diese Verschiebungsspannungen sich aus den geregelten Spannungen ergeben, die durch die Zenerdioden 45 und 53 und die Stromquellen 38 und 54 in der Spannungskonstanthalter-

- 17 - schaltung

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schaltung 40 geliefert werden, verhalten sich die Verschiebungsspannungen im wesentlichen unabhängig von Schwankungen innerhalb der Stromversorgungsspannungen, die auf die Verbindungsleitungen 3? und 21 übertragen werden. Die Verschiebungsspannungen sind somit im wesentlichen unabhängig von TemperaturSchwankungen infolge der Temperaturregelung, die über die Stromsteuerungstransistoren und die in Serie mit den Zenerdioden M-5 und 53 verbundenen Dioden erfolgt.

Zusammenfassend wird eine monolithische Vierquadrant-Vervielfacherschaltung beschrieben, deren Ausgang Schwankungen unterworfen ist, die durch Änderungen des 'beta'-Wertes infolge von Temperaturänderungen hervorgerufen werden. Hierbei wird eine Temperaturkompensierung in der Form vorgenommen, daß ein Betriebsstrom von einer Spannungskonstanthalterschaltung aus angelegt wird, wodurch sich der Betriebsstrom der Vervielfacherschaltung in Übereinstimmung mit einem bestimmten 'alpha'-Wert ändert, um die Auswirkungen der Änderungen des 'beta'-Wertes auf den Vervielfacherausgang zu beseitigen. Eine Kopplungsschaltung ist mit dem Ausgang der Vervielfacherschaltung verbunden und bewirkt, daß der Ausgang der Vervielfacherschaltung auf Erdpotential bezogen wird. Darüber hinaus enthält die Kopplungsschaltung Dämpfungsfilter, die die HF-Signale daran hindern, die Ausgangsklemmen über Signalwege zu erreichen, die eine starke Phasenverschiebung der Signale zur Folge hätten.

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Patentansprüche

Q). Monolithische, integrierte Schaltung zur Erzeugung eines Ausgangssignals entsprechend zumindest einem Eingangssignal in einer Verarbeitungsschaltung (10), wobei deren Betrieb über einen Strom gesteuert wird, dessen Größe durch eine Steuerspannung (über 77) überwacht wird und der Ausgang der Verarbeitungsschaltung auf Änderungen des 'beta'-Wertes (ß) der Verarbeitungsschaltung im Zusammenhang mit Temperaturänderungen anspricht und 'beta' (ß) die Stromverstärkung der Verarbeitungsschaltung ausdrückt, dadurch gekennzeichnet, daß Entzerrerschaltungen (50) vorgesehen sind, die die Steuerspannung in Abhängigkeit von den Änderungen des Faktors 'alpha' in zumindest einem zusätzlichen Transistor (63) innerhalb der integrierten Schaltung beeinflussen, um zu bewirken, daß sich der Strom mit der Temperatur im Gegensatz zu den temperaturbedingten Änderungen des Faktors 'beta¹ (ß) der Verarbeitungsschaltung ändert, wodurch Auswirkungen der 'ß'-Änderungen gegenüber dem von der Verarbeitungs· schaltung gelieferten Ausgangssignal vermieden werden.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entzerrersehaltungen einen ersten (37) und einen zweiten (Erdpotential) Versorgungsspannungsanschluß aufweisen, daß ein erster Spannungsteiler eine erste Stromquelle (38) und Zenerdioden-Anordnungen (39, 40, 41, 42, 45) umfaßt, die zusammen an einem ersten Kreuzungspunkt in Serie zwischen dem ersten und dem zweiten Versorgungsspannungsanschluß verbunden sind, daß eine zweite VersorgungsSpannungsanordnung eine erste Widerstandsanordnung (64) und einen zusätzlichen Transistor umfaßt, wobei die Basis-, Kollektor- und Emitter-Elektroden mit der Basis am ersten Kreuzungspunkt

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und die ersten Widerstandsanordnungen zwischen dem Emitter des einen zusätzlichen Transistors und dem zweiten Versorgungsspannungsanschluß verbunden sind, daß weitere Schaltungsanordnungen ■ (70, 66, 67, 69) den Kollektor des einen zusätzlichen Transistors mit dem ersten Versorgungsspannungsanschluß verbinden und weitere Schaltungsanordnungen einen zweiten Kreuzungspunkt (an der Basis von 72) aufweisen, der die Steuerspannung liefert.

Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Schaltungsanordnungen den Kollektor des zusätzlichen Transistors mit dem ersten Versorgungsspannungsanschluß verbinden und einen zweiten Stromsteuerungstransistor (69) und zumindest einen Kompensierungstransistor (66 bzw. 67) enthalten, die jeweils Basis-, Kollektor- und Emitter-Elektroden aufweisen und daß der Kompensierungstransistor zusammen mit den Kollektor/Emitter-Strecken des zweiten Transistors an einem Kreuzungspunkt in Serie und in der genannten Reihenfolge zwischen dem ersten Versorgungsspannungsanschluß und dem Kollektor des zusätzlichen Transistors angeschlossen ist, wobei der Kreuzungspunkt zwischen den Kollektor/Emitter-Strecken des Kompensierungstransistors und des zweiten Stromversorgungstransistors die Ausgangssteuerspannung liefert.

Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem zweiten Transistor (69) um einen pnp-Lateral-Transistor und bei dem zusätzlichen Transistor und dem Kompensierungstransistor um npn-Transistoren handelt und daß die zweiten Spannungsteileranordnungen (55, 56, 57, 58) zwischen dem ersten und zweiten Versorgungsspannungsanschluß angeschlossen sind, wobei eine Anzapfung der zweiten Spannungsteileranordnung mit der Basis des Kompensierungstransistors verbunden ist.

Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsschaltung einen vierten und einen fünften Transistor (94, 95) enthält, wobei es sich bei dem vierten Transistor (9¹O um einen pnp-Lateral-Transistor und bei dem fünften Transistor (9 5) um einen npn-Transistor handelt, daß jeweils der vierte und der fünfte Tran- '

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sistor mit Basis-, Kollektor- und Emitter-Elektroden ausgerüstet ist, daß vierte Versorgungsspannungsanordnungen (79, 81) sowie Anordnungen (91) vorgesehen sind, die den Emitter des vierten Transistors und den Kollektor des fünften Transistors mit den vierten Versorgungsspannungsanordnungen verbinden, daß Vorrichtungen (85) zur Lieferung einer Gleichstrom-Vorspannung auf die Basen des vierten und fünften Transistors vorgesehen sind und darüberhinaus Vorrichtungen (Kollektoren von 26 und 28), die den Ausgang der Verarbeitungsschaltung mit dem Emitter des fünften Transistors verbinden, wobei schließlich Dämpfungsfilter (96, 97) zwischen dem Emitter des fünften Transistors und der Basis des vierten Transistors eingeschleift sind, um im wesentlichen zu verhindern, daß HF-Signale vom Ausgang der Verarbeitungsschaltung aus über die Basis/Kollektor-Strecke des vierten Transistors gelangen .

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