DE2202284A1 - Operationsverstaerker - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

DIPL.-ING. LEO FLEUCHAUS

DR.-ING. HANS LEYH

Manchen 71, 14-. Jan. I972

Melchiorstr. 42

Unser Zeichen: MO9P-732

Motorola, Inc. 9401 West Grand Avenue Franklin Park, Illinois V.St.A.

Operationsverstärker

Die Erfindung betrifft einen Operationsverstärker mit einer Vielzahl von gleichstromgekoppelten Transistoren.

Es ist bekannt, mehrstufige Transistorverstärker als integrierte Schaltkreise für Operationsverstärker zu verwenden. Derartige Operationsverstärker sind für viele Anwendungsfälle einsetzbar, indem zwischen die Eingangs- und Ausgangskiemme eine oder mehrere Rückkopplungsnetzwerke geschaltet werden bzw. indem zusätzliche Schaltkreiskomponenten an die Eingangsbzw. Ausgangsklemme angeschaltet werden. Eine der ersten Erfordernisse für einen derart aufgebauten und derart verwendeten Transistorverstärker besteht darin, dass er stabil bleibt, unabhängig von dem Rückkopplungsnetzwerk, das für die jeweils gewünschte Punktion Verwendung findet. In anderen Worten heisst das, dass der Operationsverstärker keine Schwingneigung bei irgendeiner Frequenz im vorgesehenen Prequenz-

Fs/wi bereich

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bereich zeigen darf, unabhängig von dem Rückkopplungsnetzwerk, mit dem er betrieben wird.

Wegen der kleinen Grossen der in integrierter Schaltungsbauweise hergestellten Operationsverstärker sind diese besonders vorteilhaft für Miniaturgeräte verwendbar, wie z.B. für HF-Taschenrufgeräte. Derartige Geräte sollen jedoch mit sehr niedriger Betriebsspannung funktionsfähig sein, wobei möglichst die Spannung einer Monozelle ausreichen soll. Derartige Monozellen ändern ihre Betriebsspannung jedoch von etwa 0,95 bis 1,5 Volt in Abhängigkeit vom Ladungszustand. ,Ein Operationsverstärker der erwähnten Art muss also bei dieser niedrigen Betriebsspannung über den gesamten Schwankungsbereich der Betriebsspannung stabil arbeiten. Damit ein solcher Operationsverstärker mit einer Monozelle betrieben werden kann und trotzdem noch ausreichende Verstärkung bzw. eine ausreichende Funktion als Operationsverstärker gewährleistet, sind Mehrstufenverstärker erforderlich. In der Regel werden hierfür drei Stufen benötigt. Die Anzahl der Stufen ist jedoch dafür verantwortlich, dass der Operationsverstärker zu schwingen anfängt, wenn eines der vielen möglichen Rückkopplungsnetzwerke zwischen die Eingangs- und Ausgangsklamme geschaltet wird. Es wurden bereits interne Rückkopplungsschaltungen vorgeschlagen, um die Schwingneigung zu unterdrücken. Diese Rückkopplungsschaltungen bestehen normalerweise aus Blindwiderstands-Netzwerken, die jedoch nicht in integrierter Schaltkreistechnik herstellbar sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Operationsverstärker zu schaffen, der mit niederer Versorgungsspannung betrieben werden kann und unabhängig von der Art der verwendeten äusseren Rückkopplung stabil bleibt, d.h. keine Schwingneigung zeigt. Diese Stabilität soll für den gesamten Bereich der Betriebsvorgpannungen gewährleistet sein, die z.B. bei der Verwendung von Monozellen erheblich schwanken können. Für

- 2 - . . die

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die Stabilisierung des Operationsverstärkers sollen im Operationsverstärker Rückkopplungsnetzwerke vorgesehen werden, die in integrierter Schaltkreistechnik ausführbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass drei in Gleichstromkopplung seriengeschaltete Transistoren mit aufeinanderfolgend entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp vorgesehen' sind, und dass eine Diode von einer Elektrode des dritten Transistors zu einer Elektrode des zweiten Transistors geschaltet und mit einer Sperr-Vorspannung beaufschlagt ist, wobei die in Sperrichtung vorgespannte Diode einen kapazitiven Blindwiderstand liefert, der zur Stabilisierung des Operationsverstärkers eine negative Rückkopplungsstrecke zum zweiten Transistor bildet.

Die Merkmale der Erfindung werden in vorteilhafter Weise bei einem Operationsverstärker verwirklicht, bei dem der Kollektor des ersten Transistors mit der Basis des zweiten und der Kollektor des zweiten Transistors mit der Basis des dritten Transistors verbunden sind. Der erste und dritte Transistor sind als NEN-Transistoren und der zweite Transistor als PNP-Transistor aufgebaut. Die Transistoren werden mit einer Versorgungsspannung betrieben, die vorzugsweise von einer Monozelle geliefert wird. Zwischen den Emitter des dritten Transistors und die Basis des zweiten Transistors ist eine in Sperrichtung vorgespannte Flächendiode geschaltet, die einen kapazitiven Blindwiderstand darstellt. Bei der Herstellung des Operationsverstärkers in integrierter Schaltkreistechnik kann die Grosse der Fläche der Sperrschicht verändert werden, um die Blindkapazität der Diode entsprechend zu ändern. Eine Änderung der Blindkapazität ist auch durch eine Amplitudenänderung der an der Diode wirksamen Sperrspannung möglich. Der kapazitive Blindwiderstand aufgrund der Flächendiode wirkt als negative Rückkopplungsstrecke vom. dritten auf den zweiten Transistor und stabilisiert den

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Operationsverstärker ausreichend, um eine Schwingneigung zu unterdrücken, unabhängig von. dem Rückkopplungsnetzwerk, das zwischen die Eingangs- und Ausgangsklemme zusätzlich für spezielle Funktionen geschaltet wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung hervor. Es zeigen:

Fig. 1 das Schaltbild eines mehrstufigen Transistor-Operationsverstärkers gemäss der Erfindung;

Fig. 2 eine graphische Darstellung des VerstärkungsVerlaufes über der Frequenz beim Operationsverstärker gemäss Fig. 1;

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Phasendrehung in Abhängigkeit von der Frequenz des Operationsverstärkers gemäss Fig. 1.

Der in Fig. 1 dargestellte selbstkompensierte und mit niedriger Spannung funktionsfähige Operationsverstärker gemäss der Erfindung wird an der Klemme 10 mit Eingangssignalen beaufschlagt, die von der Eingangsklemme 8 aus über einen Widerstand 14 angelegt werden. Gleichzeitig sind an der Klemme 10 auch die an der Ausgangsklemme 11 anliegenden Ausgangssignale wirksam. Der eigentliche Operationsverstärker ist in Fig. 1 innerhalb der gestrichelten Linie 12 dargestellt. Der zwischen der Ausgangsklemme 11 und der Klemme 10 liegende Widerstand 13 stellt einen Rückkopplungswiderstand dar und ist eine von vielen möglichen Rückkopplungsschaltrungen, die zwischen die Eingangsklemme 10 und die Ausgangsklemme Ip des Operationsverstärkers 12 geschaltet werden können. Wenn der Operationsverstärker als Umkehrverstärker, wie

- 4 - in

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in Fig. 1 dargestellt, verwendet wird, wird der Widerstand

13 als Rückkoppltmgswiderstand zusammen mit dem eingangsseitigen Widerstand 14 verwendet. Wenn der Operationsverstärker 12 dagegen als Integrator Verwendung findet, enthält die Rückkopplungsschaltung einen Widerstand und eine Kapazität, die in Serie zwischen die Klemme 10 und die Ausgangsklemme geschaltet sind.

An die Klemme 15 des Operationsverstärkers ist eine Gleichstromquelle angeschlossen. Dabei ist es für den Operationsverstärker wünschenswert, dass er mit einer Monozelle betrieben werden kann. Derartige Monozellen liefern in der Regel eine Spannung zwischen etwa 0,95 bis 1,5 Volt. Um bei dieser niedrigen Betriebsspannung die erforderliche Verstärkung über den Operationsverstärker zu erhalten, sind drei Transistoren 20, 25 und 30 vorgesehen. An die Basis 21 des Transistors 20 ist über die Eingangsklemme 10 der Widerstand

14 angeschlossen. Die Basis 26 des Transistors 25 liegt am Kollektor 24 des Transistors 30, wogegen die Basis 31 des Transistors 30 an den Kollektor 27 des Transistors 25 angeschlossen ist. Die drei Transistoren sind somit gleichstromgekoppelt.

Der Emitter 22 des Transistors 20 ist an das Massepotential angeschlossen. Dagegen liegt der Kollektor 27 des Transistors 25 über einen Lastwiderstand 29 an Masse, an die auch über einen Widerstand 35 der Emitter 34 des Transistors 30 angeschlossen ist. Die von der Monozelle an die Klemme 15 angelegte Betriebsspannung wirkt direkt auf den Emitter 28 des Transistors 25 und über Kollektorwiderstände 23 bzw. 32 auf die Kollektoren 24 bzw. 33 der Transistoren 20 bzw. 30. Der Kollektor 33 des Transistors 30 ist ausserdem mit der Ausgangsklemme 11 des Operationsverstärkers verbunden.

- 5 - Damit

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Damit der Operationsverstärker mit einer solchen niedrigen Spannungsversorgung betrieben werden kann, sind die Transistoren 20 und 30 von einem ersten Leitfähigkeitstyp und der Transistor 25 von einem zweiten Leitfähigkeitstyp. Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Transistoren 20 und 30 NPN-Transistoren, wogegen der Transistor 25 ein PNP-Transistor ist. Mit dieser Schaltungskonfiguration ist es möglich, den Operationsverstärker mit einer Monozelle zu betreiben.

Ferner lässt sich mit dieser Schaltungskonfiguration aus NPN-PNP-NPN-Transistoren die Änderung des BetriebF tromes über die Monozelle und im Bereich der Betriebstemperaturen auf ein Minimum verringern. Die Basis 26 und der Emitter 28 des Transistors 25 liegen an zwei gegenüberliegenden Enden des Widerstandes 23, der der Kollektorwiderstand des Transistors 20 ist. Die Basis 31 des Transistors JO ist an das eine Ende des Kollektorwiderstandes 29 angeschlossen. r Widerstand 35 verbindet den Emitter 34 des Transistors ^T0 mit Massepotential. Die Kollektorwiderstände 23 und 29 -11· gen somit parallel zur jeweiligen Basis-Emitterstrecke der Transistoren 25 und 30. Wenn die Basis-Emitterstrecke eines Transistors in Durchlassrichtung betrieben über den durch die Charakteristiken des Transistors bestimmten Spannungsund Temperaturbereich weitgehendst auf einer konstanten Spannung gehalten wird, bleibt auch die Spannung an den Kollektorwiderständen 23 und 29 für den Betriebsspannungsbereich und den Betriebstemperaturbereich weitgehendst konstant. Mit einer konstanten, an den Kollektorwiderständen 23 und 29 wirksamen Spannung bleibt auch der Strom über die Transistoren 20 und 25 und damit die Funktionscharakteristik dieser Transistoren weitgehendst konstant.

Wie bereits erwähnt, sind für den Operationsverstärker 12 aufgrund der gewünschten Verstärkung drei Transistoren

- 6 - erforderlich

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erforderlich. Für viele normale Anwendungsfälle der Operationsverstärker soll das Ausgangssignal gegenüber dem Eingangssignal invertiert bzw. ausser Phase gegenüber dem Eingangssignal sein. Für den Idealfall soll die Phasendifferenz 180 betragen, so dass eine externe Rückkopplungsschaltung für den Operationsverstärker verwendet werden kann. Ein Verstärker, der mit einem solchen Rückkopplungsnetzwerk, z.B. in Form des Widerstandes 13, verwendet wird, muss jedoch die richtige Verstärkung und Phasendrehung aufweisen, damit er für alle möglichen Rückkopplungen oder eine bestimmte Frequenz keine Schwingneigung zeigt. Wenn die Phasendrehung 180° vom Eingang zum Ausgang beträgt, ist an der Klemme 10 eine negative Rückkopplung über den Widerstand 13 wirksam. Eine zusätzliche Phasendrehung um 90° an der Ausgangsklemme

11 kann toleriert werden, ohne dass sich nachteilige Einflüsse für das Verhalten der Schaltung zeigen. Damit kann das rückgekoppelte Signal um 270 phasenverdreht gegenüber dem Eingangssignal sein, ohne dass der Operationsverstärker

12 zu schwingen anfängt. Wenn das Ausgangssignal gegenüber dem Eingangssignal um 360° phasengedreht ist, wirkt auf die Klemme 10 eine positive Rückkopplung, die möglicherweise den Operationsverstärker 12 zum Schwingen kommen lässt. Dies tritt dann auf, wenn die Verstärkung über die Rückkopplungs- schleife den Wert 1 übersteigt und eine positive Rückkopplung gleichseitig wirksam ist.

Die Transistoren 20, 25 und 3o sind bezüglich ihrer Schaltung so angeordnet, dass jeder Transistor eine Phasendrehung von 180° bewirkt. Dies gilt für niedrige und mittlere Frequenzen. Damit liegt an der Ausgangsklemme 11 ein Signal, das gegen über den an der Klemme 10 wirksamen Signal um 540° phasen verschoben ist. Diese Phasenverschiebung wirkt sich aus wie eine Phasenverschiebung von 180° zwischen Eingang und Ausgang.

- 7 - Mit

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Mit dem Ansteigen der über den Operationsverstärker 12 übertragenen Signalfrequenz bewirkt die Eigenkapazität der Transistoren eine kapazitive Belastung am Kollektor des zugeordneten Transistors. So wird z.B. durch die Eigenkapazität zwischen dem Kollektor 27 und der Basis 26 des Transistors

25 am Kollektor 24 eine kapazitive Last wirksam. Diese kapazitive Last verursacht eine weitere Phasendrehung des Signals in Jeder Stufe des Operationsverstärkers 12 und ebenso eine Verringerung der Verstärkung der entsprechenden Stufe. Wenn diese Eigenkapazität der Transistoren bei hohen Frequenzen zur Phasendrehung und Dämpfung zusätzlich zu der normalen Phasendrehung von 180° in jeder Stufe beiträgt, kann dies eine unerwünschte Phasendrehung an der Ausgangsklemme 11 auslösen, die dann rasch 180 übersteigt. Mit einer zusätzlichen Phasendrehung von 180° am Ausgang, d.h. mit einer Drehung von 360 bezüglich der Phase am Eingang ergibt sich eine positive Rückkopplung über den Widerstand 13. Da der Abfall der Stufenverstärkung oder die durch die Eigenkapazität verursachte Dämpfung wesentlich langsamer sich ändern als die zusätzliche Phasendrehung, übersteigt die Rückkopplungsverstärkung den Wert 1 und verursacht das Anschwingen des Operationsverstärkers 12.

Um diese unerwünschte Schwingneigung zu unterdrücken, ist eine Diode 36 vom Emitter 34- des Transistors 30 zur Basis

26 des Transistors 25 geschätet. Mit der dargestellten Anordnung der Transistoren 20, 25 und 30 bezüglich ihrer Leitfähigkeit eind die Vorspannungen an der Basis 26 des Transistors 25 und am Emitter 34- des Transistors 30 für die Diode 36 derart, dass sie in Sperrichtung vorgespannt ist. Die Diode 36 ist als Flächendiode ausgebildet und hat bei Vorspannung in Sperrichtung einen kapazitiven Blindwiderstand. Der Betrag des kapazitiven Blindwiderstandes der Diode 36 ist proportional der Grosse der Flächen-Grenzschicht. Ausserdem kann die Kapazität in Abhängigkeit von der Amplitude der

- 8 - angelegten

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angelegten Sperrspannung geändert werden. Durch Transformation über die Transistoren 25 und 30 erscheint der kapazitive Blindwiderstand der Diode 36 an der Basis 26 als wesentlich grössere Kapazität als die Eigenkapazität dieser Transistorstufe. Diese Kapazität bewirkt geringere charakteristische Werte für die Frequenz-Phasencharakteristik sowie die Frequenz-Dämpfungscharakteristik, womit die Eigenkapazität der jeweiligen Stufe keine wesentliche zusätzliche Phasendrehung mehr verursachen kann.

In den Fig. 2 und 3 ist der Verstärkungsverlauf und der Verlauf der Phasendrehung für den Operationsverstärker 12 dargestellt, wobei die gestrichelte Kurve jeweils den Verlauf der entsprechenden Grosse für den Operationsverstärker ohne die Diode 36 andeutet. Gemäss Fig. 3 besitzt die Phasendrehung nach der gestrichelten Kurve einen Wert von -180° bei IMHz. Für diese Phasendrehung ist die Rückkopplung positiv, wobei gemäss Fig. 2 bei der Frequenz von 1 MHz die Verstärkung in der Rückkopplungsschleife entsprechend dem Verlauf der gestrichelten Kurve etwa +30 db beträgt. Diese Verstärkung ist ebenfalls für die Frequenz von 1 MHz positiv. Das bedeutet jedoch, dass mit einer positiven Rückkopplung und einer positiven Schleifenverstärkung der Operationsverstärker 12 bei 1 MHz zu schwingen anfängt, wenn die Rückkopplungsschaltung aus einem Widerstand 13 besteht.

In den Fig. 2 und 3 ist mit den ausgezogenen Kurven das charakteristische Verhalten des Operationsverstärkers 12 mit der zwischen die Basis 26 und den Emitter 34- geschalteten Diode dargestellt. Aus Fig. 3 geht hervor, dass eine zusätzliche Phasendrehung von -180° bei etwa 30 MHz erreicht wird, d.h. bei einem Frequenzwert, bei dem die Schleifenverstärkung gemäss Fig. 2 einen Wert von -20 db und damit kleiner 1 annimmt. Wenn jedoch die Schleifenverstärkung über die Rückkopplungsschleife kleiner 1 ist und das von der Ausgangs-

- 9 - klemme

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klemme 11 zur Eingangsklemme 10 über den Widerstand 15 übertragene Rückkopplungssignal 360° gegen das Eingangssignal phasengedreht ist, tritt keine Schwingneigung auf.

Der vom Emitter 34 zur Basis 26 hinzugefügte kapazitive Blindwiderstand ist somit nötig, um den Operationsverstärker zu stabilisieren und ein Anschwingen zu verhindern, wenn eine zusätzliche externe Rückkopplungsschaltung vorgesehen wird. Die Flächendiode 36 bewirkt diesen notwendigen kapazitiven Blindwiderstand und ist in integrierte Schaltungen leicht einzufügen, wogegen es sehr schwierig oder nahezu unmöglich ist, diskrete Kapazitäten in integrierten Schaltungen vorzusehen. Die Kapazität der Diode 36 kann leicht durch Indern der Plächengrösse der Grenzschicht in der integrierten Schaltung verändert werden oder auch durch ein Ändern der Sperr-Vorspannung»

Ein Operationsverstärker gemäss der Erfindung, der die in den Fig. 2 und 3 angegebenen Charakteristiken erfüllt, kan.i mit Hilfe nachfolgender Werte aufgebaut werden.

Widerstand 23 120 kOhm

Widerstand 29 180 kOhm

Widerstand 32 22 kOhm

Widerstand 35 2,2 kOhm (1,2 kOhm)*

Transistor 20 NPN-Siliciumtransistor alp linearer

integrierter Transistor in kleiner geometrischer Ausführung

Transistor 25 PNP-Siliciumtransistor als linearer

integrierter Transistor in kleiner geometrischer Ausführung

Transistor 30 NPN-Siliciumtransistor als linearer

integrierter Transistor in kleiner geometrischer Ausführung

Diode 36 Integrierte Flächendiode mit einer

Kapazität von 50 pF (100 pF)*

- 10 - Die

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Die mit * bezeichneten Werte gelten für einen Operationsver stärker, der als Integrationsstufe und nicht als Inversions stufe verwendet wird.

- 11 - Patentansprüche

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Claims (5)

1. MO9P-732

   Patentansprüche

   Operationsverstärker mit einer Vielzahl von gleichstromgekoppelten Transistoren, dadurch gekennzeichnet, dass drei in Gleichstromkopplung seriengeschaltete Transistoren (20, 25, 30) mit aufeinanderfolgend entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp vorgesehen sind, und dass eine Diode (36) von einer Elektrode des dritten Transistors (30) zu einer Elektrode des zweiten Transistors (25) geschaltet und mit einer Sperr-Vorspannung beaufschlagt ist, wobei die in Sperrichtung vorgespannte Diode einen kapazitiven Blindwiderstand liefert, der zur Stabilisierung des Operationsverstärkers eine negative Rückkopplungsstrecke zum zweiten Transistor bildet.
2. 2. Operationsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor des ersten Transistors gleichstrommässig mit der Basis des zweiten Transistors und der Kollektors des zweiten Transistors gleichstrommässig mit der Basis des dritten Transistors gekoppelt sind.
3. 3. Operationsverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Diode (36) vom Emitter (3⁷O des dritten Transistors zur Basis (26) des zweiten Transistors geschaltet ist.

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4. 4. Operationsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Diode (36) eine Flächendiode ist, deren Kapazität proportional der Fläche der Grenzschicht ist.
5. 5. Operationsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazitätsdiode durch eine Amplitudenänderung der Sperr-Vorspannung in ihrer Kapazität veränderbar ist.

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