DE2202284B2 - Operationsverstaerker - Google Patents

Description

negative Rückkopplungsstrecke vom dritten auf den sistoren 20 bzw. 30. Der Kollektor 33 des Tran-

zweiten Transistor und stabilisiert den Operations- sistors30 ist außerdem mit der Ausgangsklemme 11

verstärker ausreichend, um eine Schwingneigung zu des Operationsverstärkers verbunden,

unterdrücken, unabhängig vou dem Rückkopplungs- Damit der Operationsverstärker mit einer solchen

netzwerk, das zwischen die Eingangs- und Ausgangs- 3 niedrigen Spannungsversorgung betrieben werden

klemme zusätzlich für spezielle Funktionen geschaltet kann, sind die Transistoren 20 und 30 von einem

wird. ersten Leitfäbigkeitstyp und der Transistor 25 von

Weitere Merkmale und Vorteile Jer Erfindung einem zweiten Leitfähigkeitstyp. Bei der dargestellten

gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausfuhrungsform sind die Transistoren 20 und 30

Ausfuhrungsbeispiels in Verbindung mit den An- io NPN-Transistoren, wogegen der Transistor 25 ein

Sprüchen und der Zeichnung hervor. Es zeigt PNP-Transistor ist. Mit dieser Scbaltungskonfigu-

F i g. 1 das Schaltbild eines mehrstufigen Tran- ration ist es möglich, den Operationsverstärker mit

sistor-Operationsverstärkers gemäß der Erfindung, einer Monozelle zu betreiben.

F i g. 2 eine graphische Darstellung des Verstäi- Ferner läßt sich mit dieser Schaltungsjconfiguration

kungsverlaufes über der Frequenz beim Operations- 15 aus NPN-PNP-NPN-Transistoren die Änderung des

verstärker gemäß F i g. 1, Betriebsstromes über die Monozelle und im Bereich

Fig.3 ein graphische Darstellung der Phasen- der Betriebstemperaturen auf ein Minimum verdrehung in Abhängigkeit von der Frequenz des -ringer». Die Basis 26 und der Emitter 28 des Tran-Operationsverstärkers gemäß F i g. 1. sistors25 liegen an zwei gegenüberliegenden Enden

Der in F i g. 1 dargestellte selbstkompensierte und so des Widerstandes 23, der der Kollektorwiderstand mit niedriger Spannung funktionsfähige Operations- des Transistors 20 ist. Die Basis 31 des Transistors 30 verstärker gemäß der Erfindung wird an der Klemme 10 ist an das eine Ende des Kollektorwiderstandes 29 mit Eingangssignalen beaufschlagt, die von der Ein- angeschlossen. Der Widerstand 35 verbindet den gangsklemme 8 aus über einen Widerstand 14 an- Emitter 34 des Transistors 30 mit Massepotential, gelegt werden. Gleichzeitig sind an der Klemme 10 25 Die Kollektorwiderstände 23 und 29 liegen somit auch die an der Ausgangsklemme 11 anliegenden parallel zur jeweiligen Basis-Emitter-Strecke der Ausgangssignale wirksam. Der eigentliche Operations- Transistoren 25 und 30. Wenn die Basis-Emitterverstärker ist in F i g. 1 innerhalb der gestrichelten Strecke eines Transistors in Durchlaßrichtung beLinie 12 dargestellt. Der zwischen der Ausgangs- trieben über den durch die Charakteristiken des klemmeil und der Klemme 10 liegende Wider- 30 Transistors bestimmten Spannungs-und Temperaturstand 13 stellt einen Rückkopplungswidci stand dar bereich weitgehendst auf einer konstanten Spannung und ist eine von vielen möglichen Rückkopplungs- gehalten wird, bleibt auch die Spannung an den schaltungen, die zwischen die Eingangsklemme 10 Kollektorwiderständen 23 und 29 für den Betnebs- und die Ausgangsklemme 11 des Operationsverstär- Spannungsbereich und den Betriebstemperaturoereich kers 12 geschaltet werden können. Wenn der Ope- 35 weitgehendst konstant. Mit einer konstanten, an den rationsverstärker als Umkehrverstärker, wie in F i g. 1 Kollektorwiderständen 23 und 29 wirksamen Spandargestellt, verwendet wird, wird der Widerstand 13 nung bleibt auch der Strom über die Transistoren als Rückkopplungswiderstand zusammen mit dem 20 und 25 und damit die Funktionscharakteristik eingangsseitigen Widerstand 14 verwendet. Wenn der dieser Transistoren weitgehendst konstant. Operationsverstärker 12 dagegen als Integrator Ver- 40 Wie bereits erwähnt, sind für den üperationsverwendung findet, enthält die Rückkopplungsschaltung stärker 12 auf Grund der gewünschten Verstärkung eir.en Widerstand und eine Kapazität, die in Serie drei Transistoren erforderlich. Für viele normale zwischen die Klemme 10 und die Ausgangsklemme 11 Anwendungsfälle der Operationsverstärker soll das geschaltet sird. Ausgangssignal gegenüber dem Eingangssignal inver-

An die Klemme 15 des Operationsverstärkers ist 45 tiert bzw. außer Phase gegenüber dem Eingangssignal eine Gleichstromquelle angeschlossen. Dabei ist es sein. Für den Idealfall soll die Phasendifferenz 180 für den Operationsverstärker wünschenswert, daß betragen, so daß eine externe Rückkopplungsschaler mit einer Monozelle betrieben werden kann. tung "für den Operationsverstärker verwendet werden Derartige Monozellen liefern in der Regel eine kann. Ein Verstärker, der mit einem solchen RückSpannung zwischen etwa 0,95 und 7,5 Volt. Um bei 50 kopplungsnetzwerk, z. B. in Form des Widerstandes dieser niedrigen Betriebsspannung die erforderliche 13, verwendet wird, muß jedoch die richtige Verstär-Verstärkung über den Operationsverstärker zu erhal- kung und Phasendrehung aufweisen, damit er für ten, sind drei Transistoren 20, 25 und 30 vorgesehen. alle möglichen Rückkopplungen oder eine bestimmte An die Basis 21 des Transistors 20 ist über die Ein- Frequenz keine Schwingneigung zeigt. Wenn die gangsklemme 10 der Widerstand 14 angeschlossen. 55 Phasendrehung 180 vom Eingang zum Ausgang Die Basis 26 des Transistors 25 liegt am Kollektor 24 beträgt, ist an der Klemme 10 eine negative Rückdes Transistors 30, wogegen die Basis 31 des Tran- kopplung über den Widerstand 13 wirksam. Eine sistors30 an den Kollektor 27 angeschlossen ist. zusätzliche Phasendrehung um 90' an der Ausgangs-Die drei Transistoren sind somit gleichstromgekoppelt. klemme 11 kann toleriert werden, ohne daß sich

Der Emitter 22 des Transistors 20 ist an das Masse- 60 nachteilige Einflüsse für das Verhalten der Schaltung

potential angeschlossen. Dagegen liegt der Kollektor 27 zeigen. Damit kann das rückgekoppelte Signal um

des Transistors 25 über einen Lastwiderstand 29 an 270° phasenverdreht gegenüber dem Eingangssignal

Masse, an die auch über einen Widerstand 35 der sein, ohne daß der Operationsverstärker 12 zu schwin-

Emitter 34 des Transistors 30 angeschlossen ist. Die gen anfängt. Wenn das Ausgangssignal gegenüber von der Monozelle an die Klemme 15 angelegte 65 dem Eingangssignal um 360° phasengedreht ist, wirkt

Betriebsspannung wirkt direkt auf den Emitter 28 aiuf die Klemme 10 eine positive Rückkopplung, die

des Transistors 25 und über Kollektorwiderstände 23 möglicherweise den Operationsverstärker 12 zum

bzw. 32 auf die Kollektoren 24 bzw. 33 der Tran- Schwingen kommen läßt. Dies tritt dann auf, wenn

die Verstärkung über die Rückkopplungsschleife den Wert 1 übersteigt und eine positive Rückkopplung gleichzeitig wirksam ist.

Die Transistoren 20, 25 und 30 sind bezüglich ihrer Schältung 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 gegenüber dem an der Klemme 10 wirksamen Signal um 540° phasenverschoben ist. Diese Phasenverschiebung wirkt sich aus wie eine Phasenverschiebung von 180" zwischen Eingang und Ausgang.

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 geschaltet. Mit der dargestellten Anordnung der Transistoren 20, 25 urd 30 bezüglich ihrer Leitfähigkeit sind die Vorspannungen au 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 Größe der Flächen-Grenzschicht. Außerdem kann die Kapazität in Abhängigkeit von der Amplitude der angelegten Sperrspannung geändert werden. Durch Transformation über die Transistoren 25 und 30 erscheint der kapazitive Blindwiderstand der Diode 37 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 F i g. 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 Größe für den Operationsverstärker ohne die Diode 36 andeutet. Gemäß F i g. 3 besitzt die Phasendrehung nach der gestrichelten Kurve einen Wert von —180° bei 1 MHz. Für diese Phasendrehung ist die Rückkopplung positiv, wobei gemäß F i g. 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 IMHz 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 F i g. 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 F i g. 3 geht hervor, daß eine zusätzliche Phasendrehung von —180° bei etwa 30 MHz erreicht wird,

ao d. h. bei einem Frequenzwert, bei dem die Schleifenverstärkung gemäß F i g. 2 einen Wert von —20 db und damit kleiner als 1 annimmt. Wenn jedoch die Schleifenverstärkung über die Rückkopplungsschleife kleiner als 1 ist und das von der Ausgangsklemme 11

as zur Eingangsklemme 10 über den Widerstand 13 übertragene Rückkopplungssignai 360^c 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 Ändern der Flächengröße 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 F i g. 2 und 3 angegebenen Charakteristiken erfüllt, kann 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-Siliciurntransistor als 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)*).

Die mit ·) bezeichneten Werte gelten für einen Operationsverstärker, der als Integrationsstufe und nicht als Inversionsstufe verwendet wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

ι 2 artige Monozellen ändern ihre Betriebsspannung Patentansprüche: jedoch von etwa 0,95 bis 1,5 Volt in Abhängigkeit vom Ladungszustand. Bin Operationsverstärker der

1. Operationsverstärker nrit einer Vielzahl von erwähnten Art muß also bei dieser niedrigen Betriebsgfeichstromgekoppelten Transistoren, dadurch 5 spannung über den gesamten Schwaakungsbereich gekennzeichnet, daß drei in Gleichstrom- der Betriebsspannung stabil arbeiten. Damit ein kopplung seriengeschaltete Transistoren (20, 25, solcher Operationsverstärker mit einer Monozelle 30} mit aufeinanderfolgend entgegengesetztem betrieben werden kann und trotzdem noch aus-Leitfähigkeitstyp vorgesehen sind und daß eine reichende Verstärkung bzw. eine ausreichende Funk-Diode (36) von einer Esktrode des dritten Tran- io tion als Operationsverstärker gewährleistet sind sistors (30) zu einer Elektrode des zweiten Tran- Mehrstufenverstärker erforderlich. In der Regel werden sistors (25) geschallet und mit einer Sperr-Vbr- hierfür drei Stufen benötigt Die Anzahl der Stufen spannung beaufschlagt ist wobei die in Sperrich- ist jedoch dafür verantwortlich, daß der Operationstung vorgespannte Diode einen kapazitiven Bund- verstärker zu schwingen anfängt wenn eines der widerstand liefert, der zur Stabilisierung des Ope- 15 vielen möglichen Rückkopplungsnetzwerke zwischen ratioiisverstärkers eine negative Rückkopplung- die Eingangs- und Ausgangsklemme geschaltet wird, strecke zum zweiten Transistor bildet Es wurden bereits interne Rückkopplungsschaltungen

2. Operationsverstärker nach Anspruch 1, da- vorgeschlagen, um die Schwingneigung zu unterdurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des drücken. Diese Rückkopplungsschaltungen bestehen ersten Transistors gleichstrommäßig mit der Basis 20 normalerweise aus Blindwiderstands-Netzwerken, die des zweiten Transistors und der Kollektor des jedoch nicht in integrierter Schaltkreistechnik herzweiten Transistors gleichstrommäßig mit der stellbar sind.

Basis des dritten Transistors gekoppelt ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen

3. Operationsverstärker nach Anspruch 1 oder 2, Operationsverstärker zu schaffen, der mit niederer dadurch gekennzeichnet, daß die Diode (36) vom 25 Versorguiigsspannung betrieben werden kann und Emitter (34) des dritten Transistors zur Basis (26) unabhängig von der Art der verwendeten äußeren des zweiten Transistors geschaltet ist. Rückkopplung stabil bleibt, d. h. keine Schwing-

4. Operationsverstärker nach einem der An- neigung zeigt. Diese Stabilität soll für den gesamten sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß Bereich der Betriebsvorspannungen gewährleistet sein, die Diode (36) eine Flächendiode ist deren Kapa- 30 die z. B. bei der Verwendung von Monozellen erhebzität proportional der Fläche der Grenzschicht ist. lieh schwanken können Für die Stabilisierung des

5. Operationsverstärker nach einem der An- Operationsverstärkers sollen im Operationsverstärker sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungsnetzwerke vorgesehen werden, die in Kapazitätsdiode durch eine Amplitudenänderung integrierter Schaltkreistechnik ausführbar sind.

der Sperr-Vorspannung in ihrer Kapazität ver- 35 Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch

änderbar ist. gelöst, daß drei in Gleichstromkopplung seriengeschaltete Transistoren mit aufeinanderfolgend ent-

gegengesetztem Leitfähigkeitstyp vorgesehen sind

und daß eine Diode von einer Elektrode des dritten 40 Transistors zu einer Elektrode des zweiten Tran-

Die Erfindung betrifft einen Operationsverstärker sistors geschaltet und mit einer Sperr-Vorspannung

mit einer Vielzahl von gleichstromgekoppelten Tran- beaufschlagt ist, wobei die in Sperrichtung vor-

sistoren. gespannte Diode einen kapazitiven Blindwiderstand

Es ist bekannt, mehrstufige Transistorverstärker liefert, der zur Stabilisierung des Operationsver-

als integrierte Schaltkreise für Operationsverstärker 45 stärkers eine negative Rückkopplungsstrecke zum

zu verwenden. Derartige Operationsverstärker sind zweiten Transistor bildet.

für viele Anwendungsfälle einsetzbar, indem zwischen Die Merkmale der Erfindung werden in vorteil-

die Eingangs- und Ausgangsklemme eine oder meh- hafter Weise bei einem Operationsverstärker ver-

rere Rückkopplungsnetzwerke geschaltet werden bzw. wirklicht, bei dem der Kollektor des ersten Tran-

indem zusätzliche Schaltkreiskomponenten an die 50 sistors mit der Basis des zweiten und der Kollektor

Eingangs- bzw. Ausgangsklemme angeschaltet werden. des zweiten Transistors mit der Basis des dritten

Eines der ersten Erfordernisse für einen derart auf- Transistors verbunden ist. Der erste und dritte

gebauten und derart verwendeten Transistorverstärker Transistor ist als NPN-Transistor und der zweite

besteht darin, daß er stabil bleibt, unabhängig von Transistor als PNP-Transistor aufgebaut. Die Tran-

dem Rückkopplungsnetzwerk, das für die jeweils 55 sistoren werden mit einer Versorgungsspannung

gewünschte Funktion Verwendung findet. In anderen betrieben, die vorzugsweise von einer Monozelle

Worten heißt das, daß der Operationsverstärker geliefert wird. Zwischen dem Emitter des dritten

keine Schwingneigung bei irgendeiner Frequenz im Transistors und der Basis des zweiten Transistors

vorgesehenen Frequenzbereich zeigen darf, uiiab- ist eine in Sperrichtung vorgespannte Flächendiode

hängig von dem Rückkopplungsnetzwerk, mit dem 60 geschaltet, die einen kapazitiven Blindwiderstand

er betrieben wird. darstellt. Bei der Herstellung des Operationsverstär-

Wegen der kleinen Größen der in integrierter kers in integrierter Schaltkreistechnik kann die Größe Schaltungsbauweise hergestellten Operationsverstärker der Fläche der Sperrschicht verändert werden, um sind diese besonders vorteilhaft für Miniaturgeräte die Blindkapazität der Diodis entsprechend zu ändern, verwendbar, wie z. B. für HF-Taschenrufgeräte. Der- 65 Eine Änderung der Blindkapazität ist auch durch artige Geräte sollen jedoch mit sehr niedriger Be- eine Amplitudenänderung der an der Diode wirktriebsspanming funktionsfähig sein, wobei möglichst samen Sperrspannung möglich. Eier kapazitive Blinddie Spannung einer Monozelle ausreichen soll. Der- widerstand auf Grund der Flächendiode wirkt als