DE2226471A1 - Differential-stromverstaerker - Google Patents

Description

• Differential-Stromverstärker Die Erfindung bezieht sich auf einen Differential-Stromverstärker.
• Bei Anwendungen von monolithischen, integrierten Schaltkreisen werden Differential-Verstärker häufig verwendet, um Differential-Ausgangsströme zu liefern, die Differential-Eingangssignale repräsentieren, die den Verstärkern zugeführt werden. Es ist oft notwendig, zwei oder mehr Stufen kaskadenartig anzuordnen, um die gewünschte Verstärkung von den Verstärkern zu erhalten, aber ein bei derartigen vielstufigen Differential-Verstärkern existierender Nachteil liegt darin, daß es gewöhnlich notwendig ist, eine getrennte Stromquelle für jeden einzelnen Differential-Verstärker zu verwenden. Daher steigen die Spannungsanforderungen d.ieses Schaltkreises illit einem Faktor an, der von derX Spannungsabfall über der Stromquelle abhängt, und es muß eine Vorspannung für jede Stromquelle vorgesehen werden. Daher ist die Schaffung eines Differential-Btromverstärkers in einem integrierten Schaltkreis wünschenswert, der in der Lage ist, ohne die bisher benötigte Stromquelle zu arbeiten, und daher mit niedrigeren Spannungsanforderungen arbeiten kann.
• Es ist daher ein Viel dieser Erfindung, einen verbesserten Stror' verstärker zu schaffen.
• Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten monolithischen, integrierten Verstärkerschaltung.
• Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Differential-Stromverstärkers, der keine zusätzliche Strom quelle benötigt.
• Bei einer vorzugsweisen Ausführungsform dieser Erfindung besteht ein Stromverstärker aus mindestens drei Transistoren. Die Emitter aller Transistoren sind mit einem Spannungsversorgungs-Anschiuß verbunden, und zwei der Transistoren, die die Eingangs-Transistoren darstellen, haben gemeinsam verbundene Kollektoren. Die Kollektoren eines jeden dieser Eingangs-Transistoren sind ebenfalls über eillnn Widerstand mit ihrer Basis verbunden, wobei die Verbindungen der Widerstände mit den Basen der entsprechenden Transistoren die Eingänge für die dem Schaltkreis zugeführten Differential-Eingangsströme darstellen. Die Basis des dritten oder Ausgangs-Transistors ist an eine dieser Verbindungen angeschlossen, und der Kollektor des dritten Transistors liefert einen verstärkten Strom, der den Eingangsstrom darstellt, der der gemeinsamen Eingangsverbindu'rg zugeführt wird. Wenn zwei Ausgangs-Transistoren vorgesehen sind, ist die Basis des zweiten Ausgangs-Transistors mit dem anderen Eingangs-Anschluß verbunden, und die Kollektorströme der Ausgangs-Transistoren stellen einen verstärkten Differential-Strom dar, wobei der Differential-Gewinn des Systems abhängig ist von den Werten der Widerstände, die zwischen den Kollektoren und dexL Basen der Eingangs-Transistoren angeschlossen sind.
• Im folgenden wird daher ein Differential-Stromverstärker beschrieben, der in einem moriolithischeii, integriertenSchaltkreis verwirklicht werden kann, und der ein Paar von Eingangs-Transistoren enthält, die an ihren Basen mit einem Differential-Stron versorgt werden. Die Emitter der Transistoren sind ebenso wie die Kollektoren, miteinander verbunden, und Rückkopplungs-Widerstände sind zwischen den Kollektoren und den Basen der jeweiligen Transistoren angeschlossen. Ein Paar von Ausgangs-Transistoren sind vorgesehen, deren Basen gemeinsam mit den Basen der Eingangs-Transistoren verbunden sind, und deren Emitter gemeinsam mit den FJmittern der Eingangs-Transistoren verbunden sind, so daß die Kollektoren der Ausgangs-Transistoren dann einen Differential-Ausgangss-trom in Übereinstimmung mit dem Differential-Eingangsstrom liefern, der den Basen der Eingangs-Transistoren zugeführt wird.
• Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der beiliegenden Darstellung eines Ausführungsbeispiels sowie aus der folgenden Beschreibung.
• Es zeigt: Fig. 1 ein schematisches Diagramm einer vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung und Fig, 2 ein schematisches Diagramm einer anderen vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung.
• In den Fig* 1 und 2 sind die Teile der Schaltung, die in einen monolithischen, integrierten Schaltkreis aufgebaut werden können, durch gestrichelte Linien umschlossen. Die von den gestrichelten I.:Ln:ien umschlossenen Schaltkreiskomponenten können als unabhängige integrierte Schaltkreis-Chips hergestellt werden, oder sie können Teile eines größeren Chips darstellen, auf denen noch andere Schaltkreiskomponente und Funktionen vorhanden sind.
• in Fig. 1 ist ein Betriebs-Gleichspannungs-Potential (B+) an cinen Anschluß 10 geführt, der wiederum mit einem Verbindungsstück 11 auf dem integrierten Schaltkreis-Chip verbunden ist. Eiii Spannungsteiler mit einer Diode 12 und zwei Widerständen i3 und 15 ist zwischen dem Anschlußstück 11 und einem geerdeten Anschlußstück 16 verbunden, um Betriebs-Vorspannungs-Potentiale für den Sc.haltkreis zu liefern. Der Stromverstärker enthält einen Eingangs-Differential-Verstärker 17, der aus zwei Lateral-PNP Transistoren 19 und 20 besteht, deren Emitter mit dem Kollektor eines Lateral-PNP-Stromquellen-Transistors 21 verbunden ist, der einen konstanten Betriebsstrom an den Differential-Verstärker 17 liefert. Der Emitter des Stromquellefl-Transistors 21 ist über einen Emitter-Widerstand 22 mit dem Verbindungsstück 11 verbunden, und die Basis des Transistors 21 ist mit der Verbindung zwischen der Diode 12 und dem Widerstand 13 verbunden, so daß die Diode 12 ein Betriebs-Vorspannungs-Potential und eine Temperaturkompensation fUr den Stromquellen-Transistor 21 liefert.
• Die Basis des Transistors 19 ist mit einem Bezugsspannungs-Potential versehen, das von der Verbindung zwischen den Widerständen 1, und 15 hergeleitet wird, und Singangssignale werden der Basis des Transistors 20 auf einem Anschlußstück 24 zugeführt, so daß die relative Zuleitung der Transistoren 19 und 20 abhängig ist von der relativen Größe der den Basen dieser Transistoren zugeführten Potentiale, Wenn das Eingangs-Potential an dem Anschlußstück 24 gleich ist zu dem Potential an dr Basis des Transistors 19 sind die Transistoren 19 und 20 gleich leitend und teilen den Strom gleich auf, der von der Stromquelle 21 geliefert wird. Wei'in das dem Eingangs-Verbindungsstück 24 zugeführte Potential positive ist, als das Bezugs-Potential an der Basis des Transistors 19, leitet der Transistor 19 mehr Strom als der Transistor 20, und umgekehrt.
• Um einen zusätzlichen Gewinn für die Differential-Ströme zu erhalten, die an den Kollektoien der Transistoren 19 und 20 erscheinen, ist eine Ausgangs-Stufe vorgesehen, die aus vier NPN-Transistoren 25, 26, 27 und 28 bestehen. Der Kollektor des Transistors 19 ist gemeinsam an die Basen der Transistoren 25 und 26 angeschlossen, und ilber einen Widerstand 29 ebenfalls mit dem Kollektor des Transistors 26. In ähnlicher Weise ist der Kollektor des Transistors 20 gemeinsam mit den Basen der Transistoren 27 und 28 verbunden, und über einen Widerstand 30 mit dem Kollektor des Transistors 27, und die Widerstände 29 und 30 besitzen gleiche Widerstandswerte.
• Die Emitter aller-Transistoren 25, 26, 27 und 28 sind gemeinsam mit dem geerdeten Verbindungsstück 16 verbunden. Um den Differential-Betrieb der Ausgangsstufe aufrechtzuerhalten, sind die Kollektoren der Transistoren 26 und 27 miteinander verbunden.
• Daher sind die Widerstände 29 und 30 wirksam über die Kollektoren der Transistoren 19 und 20 miteinander verbunden, wobei die Verbindung zwischen den Widerständen 29 und 30 gemeinsam mit den Kollektoren der Transistoren 26 und 27 verbunden sind. Diese Verbindung der Widerstände 29 und 30 mit den Transistoren 26 und 27 liefert ein Rückkopplungsschaltkreis, der bewirkt, daß die den Transistoren 26 und 27 von den Transistoren 19 und 20 zugeführten Ströme gezamngen werden, in die Kollektoren der Transistoren 26 und 27 zu fliessen. Wenn daher die an den Kollektoren der Transistoren 19 und 20 auftretenden Eingangsströme verschieden sind, wird eine Differential-Spannung über den Widerständen ;29 und 30 erzeugt und diese erscheint zwischen den Basen der Transistoren 26 und 27. Diese Differential-Spannung bewirkt einen unterschiedlichen Stromfluß in den Transistoren 26 und 27.
• Bei kleinen Differential-Strömen, die an den Kollektoren 19 und 20 auftreten, wird der Differential-Strom ZS id zwischen den Transistoren 26 und 27 durch die folgende Gleichung gegeben, wobei angenommen wird, daß die Transistoren 26 und 27 aufeinander angepasst sind: in der Gleichung bedeutet R die Summe des Widerstandes der Widerstände 29 und 3C); bzw den Eingangs-Differential-Strom, der von den Kollektoren der Transistoren 19 und 20 erhalten wird; und K, T und q ihre gewöhnlichen Bedeutungen.
• Wenn der Transistor 24 und 28 so ausgewählt wird, daß er an die Transistoren 26 und 27 jeweils angepasst ist, ist der Ausgangs-Differential-Strom 10 gleich dem Differential-Strom zwischen den Transistoren 26 und 27: daher ist der Differential-Gewinn dieses Systems: Die Ausgangsströme an den Kollektoren der Transistoren 25 und 28 werden an zwei Ausgangs-Anschlußstücke 35 und 36 angelegt, bzw.
• als Ausgangsströme an zwei Ausgangsanschlüsse A und B. Die absoluten Größen dieser Ausgangsströme und die Differenzkomponente zwischen diesen Strömen kann höher oder niedriger gelegt werde durch Veränderung der relativen Emitterflächen der Transistoren 25 und 26 und der Transistoren 28 und 27. Aus einem Studium der Fig. 1 ist zu erkennen, daß die Eingangsströme, die der Ausgangsstufe 25, 26, 27, 28 von den Kollektoren der Transistoren 19 und 20 zugeführt werden, beide iiber einem Diodenübergang in der Form des Emitter-Basis-Uberganges der Transistoren 26 bzw. 27 abfallen, so daß die Spannung, die benötigt wird, um den Teil der Schaltung zu betreiben, der mit den Kollektoren der Transistoren 19 und 20 verbunden ist, ungefähr 0,7 Volt beträgt (1 #).
• Die gegenseitige Verbindung der Kollektoren (ler Transistoren 26 und 27 in dem Schaltkreis, einschließlich der Rückkopplungswiderstände 29 und 30 b£Irkt, daß die Ausgangsstufe einschließlich der Transistoren 25-28 einen vergrößerten Differenzstromgewiml liefert, obwohl eine zusätzliche Ausgangsstromquelle nicht für die Emitter der Transistoren 26 und 27 vorgesehen ist. Durch teseitigung dieser zusätzlichen Stromquelle, die normalerweise über eine zusatzliche Kaskadenstufe-in einem vielstufigen Differential-Stromverstärker verwendet wird, ist es möglich, den Schaltkreis über einen geringere. Potential zu betreiben, als es möglich ist, wenn eine derartige zusätzliche Stromquelle verwendet wird.
• Obwohl die in Fig. 1 gezeigte Schaltung einen Gemein-Betriebsgewinn von 1 (unity common mode gain) für die Ausgangsstufe 25 bis 28 aufweist, wenn ein wesentlich vergrößerter Differential-Gewinn durch die Verwendung derRückführungs-Widerstände 29 und 30 geschaffen ist, so daß die Nachteile des Verlustes der Gemein-Betribszurückweisung (common mode rejection) in der Ausgangsstufe im wesentlichen ausgeglichen werden durch die Vorteile des Differential-Gewinns, der ohne die Notwendigkeit einer zusätzlichen Stromquelle eneicht wird.
• In Figv 2 ist eine andere Variation der in Fig. i gezeigten Schaltung gezeigt, bei der eine PNP-Tranistor-Ausgangsstufe gezeigt ist, die als monolithischer, integrserter Schaltkreis unter der Verwendung von zwei Dual-Kollektor-Lateral-PNP-Transistoren aufgebaut ist. Bei Betrachtung der Fig. ist zu erkennen, daß die Basen der Transistoren 25 und 26 und deren Emitter jeweils beide an gemeinsame Anschldsse geführt sind, wie auch die vergleichbaren Elektroden der Transistoren 27 und 28, wobei nur @ransistoren die Kollektor-Elektrode dieser vier von Fig. 1 an verschiedene Punkte.in dem Schaltkreis angeschlossen sind. Daher ist es möglich, den in Fig. 1 gezeigten Schaltkreis durch die Verwendung von Dual-Kollektor-Transi'storen aufzubauen, die entweder NPN oder PNP Transiçtoren sein-können, wie es in Fig. 2 gezeigt ist.
• Die in Fig. 2 gezeigte Schaltung arbeitet im wesentlichen in der gleichen Weise, wie die in Fig. 1 gezeigte Schaltung, mit der Ausnahme, daß der Eingangs-Differenzverstärker 117 in der Form eines Paares von NPN Transistoren 119 und 120 aufgebaut ist, die von einem Stromquellen-Transistor 121 mit Strom versorgt werden, dessen Emitter mit einem geerdeten AnschlußstUclt 116 über einen Emitter-Widerstand 122 verbunden ist. Eingangssignale werden der Basis des Transistors 120 auf einem Anschlußstück 124 zugeführt, und die vorspannenden Potentiale zur Schaffung der Gleichspannungs-Bezugspegel für den Betrieb des Schaltkreises werden von einem Spannungsteiler in der Form eines Paares von Widerständen 113 und 115 erhalten, die in Serie mit einer Diode 112 zwischen einem B+ Eingangs.-Anschlußstück 111 und dem geerdeten Anschlußstück 116 angeschlossen sind.
• Die Wirkung dieses Teils des Schaltkreises ist die gleiche, wie die Wirkung des in Fig. 1 gezeigten Schaltkreises.
• Die Ausgangs-Transistorstufen von Fig. 2 bestehen aus zwei Lateralen-PNP-Dual-Kollektor-Transistoren 126 bzw. 127, wobei die Basis des Transistors 126 Strom von dem Kollektor des Transistors 119 erhält, und die Basis des Transistors 126 Strom von dem Kollektor des Transistors 120 erhält. Der erste Kollektor 126A des Transistors 126 ist mit seiner Basis über einen Rückführwiderstand 129 verbunden. Ein vergleichbarer Kollektor 127A des Transistors 127 ist über einen Rückführwiderstand 130 mit seiner Basis verbunden. Ein zweiter Kollektor 126B des Transistors 126 liefert einen ersten Ausgangsstrom an ein Ausgangsverbindungsstück 135 und der zweite Kollektor 127 B des Transistors 127 liefert einen zweiten Ausgangsstrom an ein Ausgangsverbindungsstück 136. Diese Ausgangsströme, die von den Transistorkollektoren 126B und 127B geliefert werden, sind vergleichbar mit den Strömen, die von den Kollektoren der Transistoren 25 und 28 der Fig 1 geliefert werden Durch Veränderung der relativen Flächen der Kollektoren 126A und 126B und der relativen Flächen der der Kollektoren 127A und 127B ist es möglich, den Größenfaktor zwischen den Eingangsteilen der Transistoren 126 und 127 und den Ausgangsteilen in der gleichen Weise zu verändern, wie auch eine Anpassung gemacht werden kann bei den vier separaten Transistoren, die in Fig. 1 gezeigt sind.
• Wenn nur ein einzelner Ausgang der Ausgänge A oder B gewünscht wird, könnte der zusätzliche Kollektor, der mit dem Ausgang verbunden ist beseitigt werden. Der Rest des Schaltkreises bleibt der gleiche, um einen einzigen Ausgang zu schaffen, der die Veränderungen des Differenzstromes darstellt, der von den Transistoren 119 und 120 geleitet wird. Die Rückführungsschaltung in der Form der Widerstände 129 und 190 wirkt in der gleichen Weise In Fig. 2, wie die vergleichbare Rückführschaltung einschließlich der Widerstände 29 und 30 der in Fig. 1 gezeigten Schaltung.

Claims (9)

Patentansprüche

1. Stromverstärker mit einem ersten und einem zweiten Spannungsversorgungs-Anschluß für eine Verbindung über einem Gleichspannungs-Potential, , gekennzeichnet durch mindestens drei Transistoren(25, 26, 27) der gleichen Leitfähigkeitsart, die jeweils einen Kollektor, eine Basis und einen Emitter besitzen, wobei der Kollektor des zweiten und des dritten Transistors an einer ersten Verbindung miteinander verbunden sind, und wobei die Emitter von dem ersten, zweiten und dritten Tranistor mit dem ersten Spannungsversorgungs-An schluß (16) verbunden sind, daß die Basen des ersten und des zweiten Transistors an einer zweiten Verbindung miteinander verbunden sind, daß eine erste Widersta'ids-Impedanz (29) zwischen der ersten und der zweiten Verbindung angeschlossen ist, daß eine zweite Widerstands-Impedanz (30) angeschlossen ist zwischen der ersten Verbindung und einer dritten Verbindung mit der Basis des driten Transistors, durch eine erste Schaltung (19, 21, 22) zur Lieferung eises ersten Eingangs stromes von dem zweiten Versorgungsanschluß zu der zweiten Verbindung, und durch eine zweite Schaltung (20, 21, 22) zur Zuführung eines zweiten Eingangsstroines von dem zweiten Versorgungsanschluß zu der dritten Verbindung, wobei der Kollektor des ersten Transistors einen Ausgangs strom von dem Verstärker-Schaltkreis liefert.

2. Vers-tirker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er ein monolithischer integrierter Schaltkreis ist, und daß der erste, zweite und dritte Transistor lc9teflle PNP-Transistoren sind, wobei der erste und der zweite Transistor nls ein Dual-Kollektor-Lateral-PNP-Transistor (126) aufgebaut sind, deren gemeinsamer Emitter den Emittern des ersten und des zweiten Transistors entspricht, deren gemeinsame Basis den Basen des ersten und zweiten Transistors entspricht, und die erste (126B) und zweite (126A) Kollektoren aufweisen, die den Kollektoren des ersten bzw. zweiten Transistors entspr echen.

3. Verstärker nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Widerstands-Impedanz aus ersten (29 oder 129) und zweiten (30 oder 130) Widerständen von gleichem Wert bestehen.

4. Verstärker nach AnsprUchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Schaltkreis aus vierten und fünften Transistoren (19 und 20 oder 119 und 120) bestehen, deren Kollektoren mit der zweiten bzw. dritten Verbindung verbunden sind, deren Emitter gemeinsam an einer vierten Verbindung verbunden sind, und deren Basen mit einem Differenz-Eingangssignal versorgt werden, und durch eine Stromquelle (21 oder 121), die zwischen der vierten Verbindung und dem zweiten Spannungs-Versorgungsanschluß angeschlossen ist, um den Betriebsstrom dem Verstärker zuzuführen.

5. Differential-Stromverstärker mit ersten und weiten Spannungsversorgungs-Anschlüssen für eine Verbindung Xber eiller Gleichstrom-Versorgungsspannung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch erste (25), zweite (26), dritte (27) und vierte (28) Transistoren von gleicher Leitfähigkeitsart, jeweils mit Kollektor, Emitter und Basis, wobei der Kollektor des zweiten und der Kollektor des dritten Transistors gemeinsam an eine erste Verbindung geführt sind, wobei der Emitter des ersten, des zweiten, des dritten, und des vierten Transistors mit dem ersten Spannungsversorungs-Anschluß (16) verbunden sind, und wobei die Basis de,s ersten.und des zweiten Transistors zusammen an eine zweite Verbindrngtgçführt sind, und die Basis des dritten und die Basis des vierten Transistors gemeinsam an eine dritte Verbindung geführt sind, durch einen ersten Widerstand (29), der zwischen der ersten und der zweiten Verbindung angeschlossen ist, durch einen zweiten Widerstand (30), der zwischen der ersten und der dritten Verbindung angeschlossen ist, durch Schaltkreiseinrichtungen (19) zur Zuführung eines ersten Eingangsstromes von dem zweiten Spannungs-Versorgungsanschluß zu der zweiten Verbindung, und durch zweite Schaltkreiseinrichtungen (20) zur Lieferung eines zweiten Eingangsstromes von dem zweiten SpannunEs-Versogpngsanschluß zu der dritten Verbindung.

6. Verstärker nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Stromquelle (21, 22), wobei der erste und er zweite Schaltkreis fünfte (19) und sechste (20) Transistoren aufweist, die als Differential-Verstärker miteinander verbunden sind, und die erste und zweite Ausgänge besitzen, die erste und zweite Ströme liefern, wobei der Differential-Verstärker mit dem zweiten Spannungs-Versongs-Anschluß über die Stromquelle verbunden sind.

7. Verstärker nach Ansprüchen 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der erste und der zweite Transistor aus einem Dual-Kollektor-Transistor (126) bestehen, wobei die Emitter-Elektroden des ersten und des zweiten Transistors einen ersten gemeinsamen Emitter ausmachen, und wobei die Basis Elektroden des ersten und des zweiten Transistors einen ersten (126B>bzw. einen zweiten (126A) Kollektor des Dual-Kollektor-Transistors bilden.

8. Verstärker nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromverstärker als ein monolithischer integrierter Schaltkreis aufgebaut ist, und auf uau der Dual-Kollektor-Transistor ein Lateral-PNP-Transistor ist.

9. Verstärker nach Ansprüchen 5, 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte und der vierte Transistor einen Dual-Kollektor-Lateral-PNP-Transistor (127) bilden, wobei die Emitter-Elektroden des dritten und des vierten Transistors einen gemeinsamen Emitter bilden, die Basis-Elektroden des dritten und des vierten Transistors eine gemeinsame Basis bilden, und die Kollektor-Elektroden des dritten und des vierten Transistors einen ersten (127A) bzw. einen zweiten (127B) Kollektor des Dual-Kollektor-Tran.sistors bilden.

L e e r s e i t e