DE2216409C2

DE2216409C2 - Differenzverstärkerschaltung

Info

Publication number: DE2216409C2
Application number: DE2216409A
Authority: DE
Inventors: Carl Franklin Somerset N.J. Wheatley Jun.
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Licensing Corp
Priority date: 1971-04-05
Filing date: 1972-04-05
Publication date: 1982-05-19
Also published as: CA974610A; JPS5147510B1; GB1347182A; US3790897A; NL7204467A; ES401276A1; SE370477B; IT951159B; MY7500032A; DE2216409A1; AU4070272A; NL187186B; AU462921B2; FR2136189A5; NL187186C; DE2265734C1

Description

Der Kollektorstrom deseinen von zwei Transistoren, die mit ihren Emittern an eine gemeinsame Quelle für einen Strom I₀ angeschlossen sind, ist /_c = 0I₀/(V_b), wobei α derjenige Teil des Emitterstromes, der den Kollektor erreicht und damit also gleich./?/ (ß+1) ist,j? die gemeinsame Emitterflußstromverstärkung bedeutet

f(V„) =

l+e-

60 dabei sind V_B[ und V_B2 die Potentiale an den Basen der Transistoren Ql und Ql, und h = kT/q. k ist die Boltzmann'sche Konstante, Γ die absolute Temperatur in ° Kelvin und q die Ladung des Elektrons.

Der Kollektorstrom Z₁., des Transistors Ql kann also wie folgt durch den Quellenstrom I_x ausgedrückt werden:

Die Erfindung betrifft eine Differenzverstärkerschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine Schaltungsanordnung dieses Typs ist in zwei Veröffentlichungen von Barrie Gilbert in der Zeitschrift »IEEE Journal of Solid-State Circuits« Band SC-3, Nr. 4, Dezember 1968, Seiten 353 bis 365 bzw. 365 bis 373 beschrieben.

In entsprechender Weise kann der Kollektorstrom des Transistors Q 1 durch den Strom I_A der Konstantstromquelle wie folgt ausgedrückt werden:

Ic = a₃i_Af{V„).

Der Basisstrom des Transistors Q 3 ist

I_1n kann in Abhängigkeit von I_A und I_x wie folgt dargestellt werden:

10

Ein Vergleich mit dem Kollektorstrom /_cl, der gleich I_our zu I_1n ist, ergibt:

I out _

U)

15

Die Gleichung (1) kann wie folgt umgeschrieben werden:

'OUT _

«3

I_x ßsa_x I_x

(2)

Die Gleichung (2) kann wie folgt weiter vereinfacht werden:

Iqut

ßx ßx

(3)

JO

35

Im Idealfall soll hur gleich //* (IaIIx)-', mit anderen Worten gesagt, sollte Ιουτ gleich Im multipliziert mit dem gewählten Verhältnis der Werte der Ströme I_x und Ia, also unabhängig von den Transistorparametern sein. Alle Glieder des zweiten Faktors im Nenner der Gleichung (3) mit Ausnahme der 1 verursachen also Fehler. Der zur 1 hinzukommende Fehlerterm in der Gleichung (3) ist also

45

Eine Betrachtung des Fehlerterms zeigt, daß er einen M statischen Fehler(l/j3i)und einen Kreuzmodulationsfehler (1/jSi) (I_xIIa) der vom Verhältnis I_xIU abhängt, enthält. Der statische Fehler beruht auf dem von den Differenzverstärkertransistoren Q1 und Q1 gezogenen Basisstrom. Der Eingangsstrom fließt nämlich nicht ganz in den Transistor Q 3, sondern zu einem Teil auch in den Transistor Q1 (infolge von dessen endlichem Beta-Wert) und der in den Transistor Qi fließende Stromanteil führt zu einem Fehler.

Der Kreuzmodulationsfehler hat seine Ursache bo ebenfalls in dem endlichen Beta-Wert der Transistoren und entspricht teilweise demjenigen Anteil des Emitterstromes, der sich nicht im Kollektorstrom niederschlägt. Die Transistoren Q3 und Q 4 erzeugen beispielsweise bei einer Eingangssignaländerung eine Änderung der b5 Basisspannungen am Differenzverstärker, die bezüglich der gewünschten Änderung der Basisspannungen falsch ist.

In Fig. 10 auf Seite 371 der obenerwähnten Arbeit ist außerdem die Steuerung der bekannten Schaltungsanordnung durch Emitterverstärker dargestellt. Diese Emitterverstärker verringern die obenerwähnten Fehler jedoch nicht Wenn an die Emitterverstärker eine Spannungsquelle angelegt wird, setzen sie die angelegte Signalspannung in einen Emitterstrom um, der den Eingangsstrom Iw der Schaltungsanordnung gemäß F i g. 1 liefert Wenn das Eingangssignal der Emitterverstärker von einer Stromquelle kommt, ist der resultierende Ausgangsstrom der Transistoren j3-abhängig und der Ausgangsstrom ist deshalb ebenfalls ^-abhängig. Wenn einem Emitterverstärker also ein Eingangssignalstrom zugeführt wird, ist die Schaltungsanordnung nicht unabhängig von ß. In der Praxis besteht sogar eine direkte Abhängigkeit vom j9-Wert des zusätzlichen Transistors.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, die obenerwähnten Mängel zu beseitigen und sowohl die Genauigkeit einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu erhöhen als auch die Vorspannung und/oder Verstärkung einer solchen Schaltung zu steuern.

Diese Aufgabe wird gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung durch eine elektrische Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art gelöst, die gekennzeichnet .ist durch einen dritten Transistor, dessen Basis mit dem Kollektor des ersten Transistors an eine erste Eingangsklemme der Schaltungsanordnung angeschlossen ist und dessen Emitter mit der Basis des ersten Transistors und der Steuerelektrode des ersten Stromweges gekoppelt ist und durch einen vierten Transistor, dessen Basis mit dem Kollektor des zweiten Transistors an eine zweite Eingangsklemme angeschlossen ist und dessen Emitter mit der Basis des zweiten Transistors und der Steuerelektrode des zweiten Stromweges gekoppelt ist.

Bei dieser Anordnung der vier Transistoren wird die Aufteilung des Stromes auf die beiden Stromwege in Abhängigkeit von der Signaldifferenz zwischen den beiden Eingangsklemmen exakt und stabil gesteuert

Der Erfindungsgedanke wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert, es zeigt

F i g. 1 die oben schon diskutierte bekannte Schaltungsanordnung,

Fig.2 ein Schaltbild einer Verstärkerstufe gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die in F i g. 2 als Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellte Differenzverstärkerstufe enthält zwei Transistoren 1 und 2, deren Emitter miteinander und mit einer Klemme einer Stromquelle 30 verbunden sind, deren andere Klemme 22 auf einer Spannung von — V Volt liegt. Die Kollektoren der Transistoren 1 und 2 sind über Impedanzen R 1 bzw. R 2 an eine Klemme 24 angeschlossen, die auf einem Potential von + V Volt liegt. Zwei weitere Transistoren 3 und 4 sind mit ihren Emitterelektroden an die eine Klemme einer Stromquelle 36 angeschlossen, deren andere Klemme mit der Klemme 22 verbunden ist. Mit dem Kollektor des Transistors 3 ist eine Eingangsklemme 21 und die Basis eines Transistors 5 verbunden, dessen Emitter an die Basen der Transistoren 1 und 3 angeschlossen ist. Der Kollektor des Transistors 4 ist mit der Basis eines Transistors 6 an eine auf Masse liegende Klemme 20 angeschlossen. Der Emitter des Transistors 6 ist mit den Basen der Transistoren 2 und 4 verbunden. Die Kollektoren der Transistoren 5 und 6 sind mit der-

Klemme 24 verbunden.

Zwischen den Klemmen 21 und 22 ist eine Stromquelle 42 geschaltet, die einen Eingangssignalstrom Iin liefert.

Bei einer Schaltungsanordnung gemäß F i g. 2 ist die Summe der durch die Emitter der Transistoren 1 und 2 fließenden Ströme gleich dem von der Stromquelle 30 gelieferten Strom I_x, und die Summe der durch die Emitter der Transistoren 3 und 4 fließenden Ströme ist gleich dem von der Konstantstromquelle 36 gelieferten Strom Ia- Wenn man annimmt, daß die durch die Transistoren 3 und 4 fließenden Ströme gleich sind und daß die Transistoren gepaart sind, sind die Basisemitterspannungsabfälle Vbe der Transistoren 3 und 4 gleich. Die Basisspannungen der Transistoren 1 und 3 sind daher gleich dem der Transistoren 2 und 4, und wenn die Transistoren 1 und 2 gepaart sind, sind die in diesen Transistoren fließenden Ströme einander gleich und gleich der Hälfte von I_x.

Der Signalstrom /wist gleich dem Kollektorstrom I_C3 des Transistors 3 zuzüglich des Basisstromes 4 5 des Transistors 5. Der Basisstrom 4 s ergibt einen Emitterstrom /es, von dem ein Teil in die Basis des Transistors 1 und ein Teil in die Basis des Transistors 3 fließen (/£5 = 43 + 4,). I_b3 und /c3 ergeben zusammen den Emitterstrom Iez- Wenn Ie3 größer als die Hälfte von U ist, also größer als /a/2, so ist der vom Transistor 4 gelieferte Emitterstrom um denjenigen Betrag kleiner als die Hälfte von I_A um den I_Ei den Wert Un überschreitet. Die Summe dieser beiden Ströme ist also immer gleich U-

Die Basis-Emitter-Spannung Vbe eines Transistors ist eine Funktion des den Transistor durchfließenden Stromes. Wenn 4:3 größer als Im ist ist der Basis-Emitter-Spannungsabfall Vs£3 des Transistors 3 größer als der Basis-Emitter-Spannungsabfall Vbea des Transistors 4. Umgekehrt ist Vbe3 kleiner als Vbe* wenn Ie3 kleiner als 4:4 ist.

Die die Transistoren 3 und 4 durchfließenden Ströme bestimmen die zwischen den Basen der Transistoren 1 und 2 auftretende Differenzspannung und steuern dadurch die diese Transistoren durchfließenden Ströme.

Bei der Schaltungsanordnung gemäß F i g. 2 ist der in den Transistor 5 oder 6 fließende Basisstrom offensichtlich ein wesentlich kleinerer Teii des Eingangsstroms als bei der bekannten Schaltung. Ferner werden Störungen der Eingangsschaltung durch Schwankungen /, um das Produkt der Stromverstärkungsfaktoren der Transistoren 1 und 5 verringert.

Welche Vorteile bei der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung im speziellen erreicht werden, läßt sich am bester, anhand einer quantitativen Analyse einsehen, bei der I_c\ flour) in Abhängigkeit von Iin ausgedrückt wird und die Ergebnisse mit dem Stand der Technik verglichen werden.

Der Kollektorstrom I_c\ des Transistors 1 des Differenzverstärkers kann in Abhängigkeit vom Strom

¹OUT —

Im

/„ der von der gemeinsamen Emitterstromquelle geliefert wird (wie oben beschrieben) wie folgt ausgedrückt werden:

Der Basisstrom /^₁ ist gleich dem Kollektorstroni geteilt durch Beta:

fix

Der Kollektorstrom I_ci des Transistors 3 kann als Funktion des Stromes I₄ der Stromquelle 36 wie folgt ausgedrückt werden:

/,! = a,-l_A-AK)

:o Der Basisstrom I_b ₃ des Transistors 3 läßt sich dann wie folgt schreiben:

/»3 =-τ-· Ά

Der Emitterstrom I_Ei des Transistors 5 ist gleich I_bx + I_b}, und der Basisstrom Z₄₅ ist gleich dem Emitterstrom geteilt durch OS₅-I-I) dieses Transistors:

JO

_ /ti

Der Eingangsstrom I_1n, der in den Schaltungsknotenpunkt 21 fließt ist gleich dem Kollektorstrom /_r3 des Transistors 3 und dem Basisstrom Z₆₅ des Transistors 5:

Im = /,3 + /*5 (9)

Durch Substitution der Gleichungen 5, 6, 7 und 8 in die Gleichungen 9 erhält man:

45 (10)

Für die Abhängigkeit von /_cl = I_01n- von I_1n erhält man:

50 I

Iqut ₌ a,I< +

(H)

55 Teilt man Zähler und Nenner der Gleichung (11) durch j I_x, so ergibt sich:

(12)

Setzt man für den ersten Τεπηβ₃/α, in Gleichung (12) den Ausdruck

«3 _

axßi '

der sich zu

1 +

ß\ C\ßl

reduzieren läßt, so erhält man:

¹OUT _

I₊-L-

α ,.,S₃

(13)

Vereinigt man den zweiten und dritten Term im Nenner der Gleichung (13) so ergibt sich:

'our _

In, I

/. 1 y3,08₃ + i

e,j8jO8₅

-i Al

Co₅+ D /^ J

(14)

Eine Betrachtung der Gleichung (14) zeigt, daß wie beim Stand der Technik ein statischer Fehler und ein Kreuzmodulationsfehler vorhanden sind. Im Gegensatz zu der bekannten Schaltungsanordnung sind diese Fehler hier jedoch wesentlich kleiner Der statische Fehler besteht aus zwei Termen

ßi-ßi

«3

Der erste Term (β₃-β\)/β\(βι+1), zeigt, daß die Differenz der Beta-Werte der Transistoren 1 und 3 zu einem Fehler führen. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist dieser Fehler jedoch gleich der Differenz (βι—β\) zweier nahezu gleicher Größen geteilt durch etwas mehr als das Produkt \ß\(ßi+\)\ der beiden Terme. Der zweite Term

werden. Dieser zweite Term ist normalerweise wesentlich kleiner als der erste Term und um den Faktor β kleiner als beim Stand der Technik. Dieser Fehlerterm beruht auf dem Teil des Eingangsstromes Ii\ der in die Basis des Transistors 5, nicht jedoch in den Kollektor des Transistors 3 fließt Der resultierende Wert des statischen Fehlers ist also wesentlich kleiner als bei der bekannten Schaltungsanordnung.
Der Kreuzmodulationsfehler

1 I₁

kann durch den Ausdruck 1/^₃(Jj₅+1) angenähert ist um den Faktor (ßs+) kleiner als beim Stand der Technik. Der wesentlichste Fehler wird also erheblich herabgesetzt Wie unten noch genauer erläutert wird, ist es im Falle daß h ein zeitlich veränderliches Signal ist und ebenfalls ein Eingangssignal sein kann, sehr wünschenswert, daß sich die Schwankungen dieses Signals nicht im Stromkreis des Eingangssignals !in auswirken, sonst muß nämlich das der Eingangsklemme 21 zugeführte Eingangssignal den an der Klemme 21 auftretenden Teil von Z₁ liefern, was einen Fehler verursacht Wegen der Verringerung des Kreuzmodulationsterms ist es offensichtlich, daß die Basisströme der Transistoren 5 und 6 durch Änderungen der Stromquellensignale weniger beeinflußt werden als bei der bekannten Schaltungsanordnung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Differenzverstärkerschaltung mit einem ersten und zweiten Transistor, die mit einer ersten Stromquelle verbunden sind und deren Strom führen und jeweils eine Steuerelektrode aufweisen, mittels deren die Verteilung des Stromes auf die Transistoren durch zwischen die Steuerelektroden angelegte Differenzsignale steuerbar ist, und mit einer Anordnung zur Steuerung des Stromflusses in dem ersten und zweiten Transistor, mit einem dritten und vierten Transistor, deren Emitter an eine zweite Stromquelle angeschlossen sind, und deren Basen jeweils mit der Steuerelektrode des ersten bzw. zweiten Transistors verbunden sind, gekennzeichnet durch einen fünften Transistor (5), dessen Basis mit dem Kollektor des dritten Transistors (3) an eine erste Eingangsklemme (21) angeschlossen ist und dessen Emitter mit der Basis des dritten Transistors (3) und der Steuerelektrode des ersten Transistors (1) gekoppelt ist, und durch einen sechsten Transistor (6), dessen Basis mit dem Kollektor des vierten Transistors (4) an eine zweite Eingangsklemme (20) angeschlossen ist und dessen Emitter mit der Basis des vierten Transistors und der Steuerelektrode des zweiten Transistors (2) gekoppelt ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim ersten und zweiten Transistor die Basis die Steuerelektrode bildet, während deren Emitter mit der ersten Stromquelle (30) verbunden sind.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der einen Eingangsklemme (21) ein Eingangssignalstrom (Iin) zugeführt ist und daß die andere Eingangsklemme (20) mit einem auf Bezugspotential liegenden Schaltungspunkt verbunden ist.

4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stromquelle einen veränderlichen Strom und die zweite Stromquelle einen konstanten Strom liefert.

5. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß beide Stromquellen veränderliche Ströme liefern.

6. Schaltung nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine in Flußrichtung vorgespannte Diode (DiA) zwischen den Emitter des dritten Transistors (5A) und die Basis des ersten Transistors (3A) geschaltet ist und daß mindestens eine in Flußrichtung vorgespannte Diode (DlA) zwischen den Emitter des vierten Transistors (6A) und die Basis des zweiten Transistors (4/4Jgeschaltet ist.

Solche Schaltungsanordnungen haben sich in vieier Hinsicht gut bewährt, bei sehr hohen Anforderungen an die Genauigkeit, wie sie z. B. bei Multiplizierschaltungen gestellt werden müssen, lassen sie jedoch zu wünschen übrig.

Die Eigenschaften einer Schaltungsanordnung gemäß dem Stand der Technik sollen im folgenden anhand der F i g. 1 diskutiert werden. Die bekannte Schaltungsanordnung gemäß F i g. 1 enthält eine Differenzverstärkerstufe mit Transistoren Q1 und Q 2, die mit ihren Emittern an eine Stromquelle I_x angeschlossen sind. Die Schaltungsanordnung enthält ferner zwei weitere Transistoren Q 3 und Q 4, die mit ihren Emittern an eine Konstantstromquelle I_A angeschlossen sind. Der Transistor Q 3 ist mit seiner Basis und seinem Kollektor an die Basis des Transistors Qi angeschlossen. Mit diesem gemeinsamen Verbindungspunkt ist ferner eine Eingangsstromquelle Iin verbunden. Der Transistor Q 4 ist mit seiner Basis an seinem Kollektor an die Basis des Transistors Q 2 angeschlossen. Letztere liegt an Masse.

Wenn der Eingangsstrom Iin im Betrieb der Schaltungsanordnung gemäß F i g. 1 einen solchen Wert hat, daD die Transistoren Q 3 und Q 4 durchfließenden Ströme gleich sind, sind auch die Basis-Emitter-Spannungsabfälle Vbe dieser Transistoren gleich (die als gepaart vorausgesetzt werden) und die Potentialdifferenz zwischen den Basen der Transistoren Q1 und Q 2 ist Null. Wenn der Eingangsstrom erhöht wird, überschreitet der Strom im Transistor Q 3 den Strom im Transistor Q4 und der Basis-Emitter-Spannungsabfail Vbe des Transistors Q 3 nimmt zu während der des Transistors Q 4 abnimmt. Diese Differenzspannung erscheint an den Basen der Transistoren Q1 und Q 2, so daß der Transistor Ql mehr und der Transistor Q 2 weniger Strom führen.

Eine Analyse der Schaltungsanordnung zeigt, daß der Eingangsstrom Iin gleich der Summe des Basisstromes h ι des Transistors Q1 zuzüglich des Kollektorstroms /c3 und des Basisstroms /43 des Transistors Q 3 ist, also