DE2202284C3 - Operationsverstärker - Google Patents

Description

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- ΐί'.ά Ausgangsklemme eine oder mehrere Rückkopplungsnetzwerke gescKr-ltet werden bzw. indem zusätzliche Schaltkreiskomponenten an die Eingangs- bzw. Ausgangsklemtne abgeschaltet werden. Eines 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 Funktion Verwendung findet. In anderen Worten heißt das, daß der Operationsverstärker keine Schwingneigung bei irgendeiner Frequenz im vorgesehenen Frequenzbereich zeigen darf, unabhängig van dem Rückkopplungsnetzwerk, mit dem er betrieben wird.

Ein dreistufiger Verstärker der eingangs genannten Art ist aus der US-PS 30 96 487 bekannt. Beim bekannten Verstärker ist eine externe Gegenkopplung mittels eines Widerstands vom Ausgang des Verstärkers (Kollektor des dritten Transistors) zu seinem Eingang (Basis des ersten Transistors) vorgesehen, während interne Mitkopplungen durch jeweils einen Widerstand vom Emitter des dritten Transistors zum Emitter des zweiten Transistors bzw. von diesem zum Emitter des ersten Transistors ausgeführt sind. Diese Mitkopplungen erhöhen die Schwingneigung des Verstärkers, der dadurch für viele Anwendungsfälle ungeeignet ist.

Aus der DE-AS 1159 512 ist ein zweistufiger Transistorverstärker bekannt, bei dem zwei in Emitterschaltung betriebene Transistoren gleichen Leitfähig keitstyps in Serie geschaltet sind. Der Kollektor des zweiten Transistors ist über die Reihenschaltung aus der Primärwicklung eines Ausgangsübertragers und eines Widerstands mit einem Pol der Spannungsquelle verbunden. Von dem Verbindungspunkt zwischen Primärwicklung des Ausgangsüberiragers und dem Widerstand führt eine, wegen der erforderlichen Potentialtrenming kapazitive Gegenkopplung zum Emitter des ersten Transistors. Dieser Kondensator muß sehr große Abmessungen haben, weshalb diese Schaltung in der genannten Literaturstelle _a|s nachteilig bezeichnet wird. Die Verwendung dieses großen Kondensators und eines Ausgangsübertragers würde im übrigen- eine Integration dieser Schaltung unmöglich machen.

Wegen der kleinen Größen der in integrierter Schaltungsbauweise hergestellten Operationsverstärker sind diese besonders vorteilhaft für Miniaturgeräte

ίο 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 Ausgangsklemme geschaltet wind. 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.

J5 Aus der Zeitschrift »Radio mentor electronic« (1969), S. 35 bis 40, ist es bekannt, in einem mehrstufigen Ton-ZF-Verstärker von dem Kollektor zu der Basis des Transistors, welcher die erste Stufe bildet, zur Verminderung der Grenzfrtquenz des Verstärkers in Ergänzung eines für diesen Zweck vorgesehenen Tiefpaßfilters einen Gegenkopplungskondensator zu schalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Operationsverstärker der eingangs genannten Art mit Hilfe eines in integrierter Schaltkreistechnik ausführbaren inneren Rückkopplungsnetzwerks so zu stabilisieren, daß unabhängig von der Art eines für die jeweils gewünschte Funktion (Integrationsstufe bzw. Inversionsstufe) äußeren Rückkopplungsnetzwerkes bei keiner Frequenz im Betriebsfrequenzbereich irgendwelche Schwingneigung auftritt.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 niedergelegten Merkmale.

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 ist. Der erste und dritte Transistor ist als NPN-Transistor und der zweite Transistor als PN P-Transistor aufgebaut. Die Transistoren werden mit einer Versorgungsspannung betrieben, die vorzugsweise von einer Monozelle geliefert wird. Zwischen dem Emitter des dritten

f>5 Transistors und der Basis des zweiten Transistors ist eine in Sperriehtung vorgespannte Flächendiode geschaltet, die einen kapazitiven Blindwiderstand darstellt. Bei der Herstellung des Operationsverstärkers in

integrierter Schaltkreistechnik kann die Größe 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 auf Grund der Flächendiode wirkt als negative Rückkopplungsstrecke vom dritten auf den zweiten Transistor und stabilisiert den 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 zeigt

F i g. 1 das Schaltbild eines mehrstufigen Transistor-Operationsversärkers gemäß der Erfindung,

F i g. 2 eine graphische Darstellung des Verstärkungs-Verlaufes über der Frequenz beim Operationsverstärker gemäß F i g. 1,

Fig.3 eine graphische Darstellung der Phasendrehung in Abhängigkeit von der Frequenz des Operationsverstärkers gemäß F i g. 1.

Der in F i g. 1 dargestellte selbstkompensierte und mit niedriger Spannung funktionsfähige Operationsverstärker gemäß der Erfindung wird an der Klemme 10 mit Eingangssignalen beaufschlagt, die von der Lingangsklemme 8 aus über einen Widerstand 14 angelegt jo 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 Rückkopplungsschaltungen, die zwischen die Eingangsklemme 10 und die Ausgangsklemme 11 des Operationsverstärkers 12 geschaltet werden können. Wenn der Operationsverstärker als Umkehrverstärker, wie in Fi g. 1 dargestellt, verwendet wird, wird der Widerstand 13 als Rückkopplungswiderstand 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 11 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 und I^ Volt. Um bei dieser niedrigen Betriebsspaltnung 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 angeschlossen ist. Die drei Transistoren sind somit gleichstromgekoppelt.

Der Emitter Tl des Transistors 20 ist an das '.v> 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.

Damit der Operationsverstärker mit einer solchen niedrigen Spannungsversorgung betrieben werden kann, sind die Transistoren 20 und 30 von einem ersten Leitfähigkeiistyp 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 ύ-ie Änderung des Betriebsstromes 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 dei Kollektorwiderstand des Transistors 20 ist Die Basis 31 des Transistors 30 ist an das eine Ende des Kollektorwiderstandes 29 angeschlossen. Der Widerstand 35 verbindet den Emitter 34 des Transistors 30 mit Massepotential. Die Kollektorwiderstände 23 und 29 liegen somit parallel zur jeweiligen Basis-Emitter-Strekke der Transistoren 25 und 30. Wenn die Basis-Emitter-Strecke eines Transistors in Durchlaßrichtung betrieben über den durch die Charakteristiken des Transistors bestimmten Spannungs- und 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 auf Grund der gewünschten Verstärkung drei Transistoren 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 einen solchen Rückkopplungsnetzwerk, z. B. in Form des Widerstandes 13, verwendet wird, muß jedoch die richtige Verstärkung und Phasendrehung aufweisen, damit er für alle Jtiöglichen Rückkopplungen oder eine bestimmte Frequenz keine Schwingneigung zeigt. Wenn die Phasendrehung 180° vom Eingang zurii Ausgang beträgt, ist an der Klemme 10 eine negative Ruckkopplung über den Widerstand 13 wirksam. Eine zusätzliche Phasendrehung um 90° an der Ausgangsklemme 11 kann toleriert werden, oh.ie daß sich nachteilige Einflüsse für das Verhalten der Schaltung zeigen. Damit kann das rückgekoppelte Signal um 270° ohasenverdreht 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 Dositive RückkoDD-

lung, die möglicherweise den Operationsverstärker 12 zum Schwingen kommen läßt. Dies tritt dann auf, wenn die Verstärkung über die Rückkoppli.mgsschleife den Wert I übersteigt und eine positive Rückkopplung gleichzeitig wirksam ist.

Die Transistoren 20, 25 und 30 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 It ein Signal, das gegenüber dem an der Klemme K) wirksamen Signal um 540' phasenverschoben ist. Diese Phasenverschiebung wirkt sich aus wie eine Phasenverschiebung von 180^r 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 A.isgangsklcmmc Il auslösen, die dann rasch 180'' übersteigt. Mit einer zusätzlichen Pascndrehung 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. D.i der Abfall der Stufenverstärkung oder die durch die Eigenkapazität verursachte Dämpfung wesentlich langsamer sich ändern als die zusätzliche Phasendrenung. übersteigt die Rückkopplungsverstärkung den Wert I und verursacht das Anschwingen des Operationsverstärker; 12.

Um diese unerwünschte Schwingneigung zu unterdrücken, ist eine Diode 36 vom Emitter 34 des Transistors 30 zur Basis 26 des Transistors 25 Beschältet. Mit der dargestellten Anordnung der Transistoren 20, 25 und 30 bezüglich ihrer Leitfähigkeit sind 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 d"r 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 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, womii die Eigenkapazität der jeweiligen Stufe keine wesentliche zusätzliche Phasendrehung mehr verursachen kann.

In den Fig. 2 und 3 ist der Verstärktingsverlauf 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 Fig. 2 bei der Frequenz von 1 Ml-Iz 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

ίο mit einer positiven Rückkopplung und einer positiven Schleifenverstärkung der Operationsverstärker 12 bei I 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

ii das charakteristische Verhalten des Operationsverstärkers 12 mit der zwischen die Basis 26 und den Emitter 34 geschalteten Diode dargestellt. Aus Fig. J geht hervor, daß eine zusätzliche Phasendrehung von - 180° bei etwa Jö ViHz erreicht wird. d. h. bei einem l-requenz-

;·ιι wert, bei dem die Schleifcnverstärkung gemäß Fig. 2 einen Wert von - 20 db und damit kleiner als I annimmt. Wenn jedoch die Schleifenverstärkung über die Rückkopplungsschleife kleiner als 1 ist und das von der Ausgangsklcmmc Il zur Eingangsklemme 10 über

_>-, den Widerstand 13 übertragene Rückkopplung* iignal 360° gegen das Eingangssignal phasengedreht ist, tritt keine Schwingneigung auf.

Der \ !,im Emitter 34 /ur Basis 26 hinzugefügte kapazitive Blindwiderstand ist somit nötig, um den

in Operationsverstärker zu stabilisieren und ein Anschwingen zu verhindern, wenn eine zusätzliche externe Riickkopplungsschaltung vorgesehen wird. Die Flächendiode 36 bewirkt diesen notwendigen kapazitiven Blindwiderstand und ist in integrierte Schaltungen leicht

r. 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 Andern der Sperr-Vor« pannung.

Ein Operationsverstärker gemäß dor Frfindnnp. der die in den F i g. 2 und 3 angegebenen Charakteristiken erfüllt, kann mit Hilfe nachfolgender Werte aufgebaut

i". werden.

Widerstand 23 120 kOhm.

Widerstand 29 ISOkOhm.

Widerstand 32 22 kOhm.
■.μ Widerstands 2.2 kOhm( 1.2 kOhm)*).

Transistor 20 NPN-Siliciumtransistor als lintj/er integrierter Transistor in kleiner geometrischer Ausführung,

Transistor 25 PNP-Siiiciumtransistor als linearer "^ integrierter Transistor in kleiner

geometrischer Ausführung.

Transistor 30 NPN-Siliciumiransistor als linearer integrierter Transistor in kleiner geometrischer Ausführung.

rt> Diode 36 Integrierte Flächendiode mit einer

Kapazität von 50 pF(100 pF)*)

Die mit *) bezeichneten Werte gelten für einen Operationsverstärker, der als Integrationsstufe und •-.ϊ nicht als Inversionsstufe verwendet wird-

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch;

   Operationsverstärker mit externer Rückkopplung, der drei hintereinander in Emitterschaltung angeordnete Transistoren enthält, die aufeinanderfolgend entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp haben und bei denen der Kollektor des einen Transistors unmittelbar mit der Basis des jeweils nachfolgenden Transistors verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine in an sich bekannter Weise durch Sperrvorspannung einen kapazitiven Blindwiderstand darstellende Diode (36) zur internen, negativen Rückkopplung von dem über einen Gegenkopplungswiderstand (35) an Masse gelegten Emitter (34) des dritten Transistors (30), an dessen Kollektor (33) die Ausgangsspannung abgegriffen wird, zur Basis (26) des zweiten Transistors (25) geschaltet ist.