DE2229399B2 - Integrierte Differential verstärkerschaltung mit Doppelemitter-Transistoren - Google Patents

Integrierte Differential verstärkerschaltung mit Doppelemitter-Transistoren

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Differentialverstärkerschaltung mit Doppelemitter-Transistoren mit einer Vorrichtung zum Abgleichen von durch die Schaltungselemente hervorgerufenen Spannungsabweichungen.
Eine Schwierigkeit bei der Herstellung von Differentialverstärkern in integrierter Bauweise besteht in der genauen Anpassung der aktiven Elemente. Typischerweise ergeben sich auch bei der mit modernen inte-
grierten Schaltungstechniken erzielbaren Anpassung in den meisten Fällen doch noch kleine Unterschiede in den Eigenschaften der die entsprechenden aktiven Elemente bildenden Halbleiterbereiche, und derartige Unterschiede führen bei Nichtvorhandensein von Abgleich- oder Ausgleichvorrichtungen zu Ausgangssignalabweichungen, die sich für ein Eingangssignal Null an Hand eines von Null abweichenden Ausgangssignals zeigen.
Seither wurden zum Abgleichen eines solchen Abweichpotentials Widerstände von verhältnismäßig hohem Widerstandswert in den Lastkreisen der entsprechenden Verstärker des Differentialverstärkerpaars in Verbindung mit einem zum wahlweisen Verändern der Lastimpedanz in den Stromzweigen des Differentialverstärkers dienenden äußeren Potentiometer verwendet. Dieses Verfahren zum »Auskompensieren« von Abweichungen ist jedoch mit dem Nachteil behaftet, daß die zur Einstellung erforderlichen Innenwiderstände eine verhältnismäßig große Plättchenfläche beanspruchen und diese Lösung daher im Hinblick auf die optimale Plättchenflächenausnutzung kostspielig ist. Zur Erzielung eines angemessenen Einstellbereichs werden außerdem Potentiometer mit hohem Widerstandswert benötigt. Das ist wiederum insofern nachteilig, als derartige Potentiometer nicht gebräuchlich sind sowie normalerweise einer Drift unterliegen und gegenüber durch Schmutz und Feuchtigkeit verursachten Ungenauigkeiten stärker empfindlich sind.
Durch die Erfindung soll daher eine verbesserte Differentialverstärkerschaltung mit einer Abgleichvorrichtung für die Ausgangssignale geschaffen werden, mittels welcher insbesondere die Abweichungen der Schaltungselemente hinsichtlich ihrer Kennlinien auskompensiert werden können, wobei die Basis-Emitter-Potentiale (Vbe) der Schaltungselemente wahlweise einstellbar sind.
Diese Aufgabe wird bei einer integrierten Differentialverstärkerschaltung der eingangs angegebenen Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in jedem der beiden Verstärkerzweige des Differentialverstärkers ein Doppelemittertransistor eingeschaltet ist, daß die ersten beiden einander entsprechenden Emitter eines jeden Doppelemittertransistors miteinander verbunden und an den Abgreiferkontakt eines Potentiometers mit einem Widerstandselement angeschlossen ist, daß jeweils ein Endanschluß dieses Potentiometers mit je einem der anderen, einander entsprechenden Emitteranschlüsse der Doppelemittertransistoren verbunden ist, daß jeweils eine für den Betrieb des Differentialverstärkers erforderliche Potentialquelle entweder über eine Stromquelle oder direkt an den Abgreiferkontakt geführt ist und daß die Stromverteilung zwischen den vier Emittern der beiden Doppelemittertransistoren und damit das Verhältnis der in beiden Verstärkerzweigen des Differentialverstärkers fließenden Ströme vermittels des Abgreiferkontaktes von außen einstellbar ist.
Ein Hauptvorteil der Erfindung besteht darin, daß die zur Herstellung eines integrierten Differentialverstärkers mit Abweichungsausgleich benötigte Plättchenoberfläche wesentlich verringert ist. Vorteilhaft ist weiterhin, daß der integrierte Differentialverstärker einen verstellbaren Abweichungsausgleich aufweist, für den gegenüber bekannten Schaltungen ähnlicher Ausführung ein wesentlich kleineres Abgleichspotentiometer erforderlich ist.
Die Erfindung wird im nachfolgenden an Hand der in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
F i g. 1 ist ein schematischer Schaltplan einer Differentialverstärkerschaltung nach der Erfindung;
F i g. 2 zeigt an Hand eines Schaubilds die Änderung der Kollektorströme bei der Schaltung nach F i g. 1 in Abhängigkeit von der Potentiometereinstellung;
F i g. 3 ist ein schematischer Schaltplan einer weiteren Ausführungsform einer Differentialverstärkerschaltung nach der Erfindung;
F i g. 4 ist ein schematischer Schaltplan einer dritten Ausführungsform einer Differentialverstärkerschaltung nach der Erfindung.
In F i g. 1 der Zeichnung ist ein einstufiger Differentialverstärker in Emitterschaltung dargestellt, der aus einem Paar differential geschalteter Verstärkerzweige 10 und 20 mit den npn-Doppelemitter-Verstärkertransistoren T1 und T2 und den gleich großen Last-
ao widerständen R1 und R2 besteht. Im ersten Verstärkerzweig 10, der auf ein zwischen der Klemme 22 und Masse angelegtes erstes Eingangssignal oder ein zwischen den Eingangsklemmen 22 und 24 angelegtes einziges Eingangssignal ansprechbar ist, ist der Kollek-
»5 tor C1 des Transistors T1 über einen Lastwiderstand R1 mit einer ersten Potentialquelle V+ an einer Klemme 11 und der erste Emitter eia des Transistors T1 über eine Stromquelle 12 mit einer zweiten Potentialquelle V~ an der Klemme 13 verbunden. Der zweite Emitter etb des Transistors T1 ist mit dem Endanschluß 14 eines Potentiometers 16 verbunden, dessen Abgreiferkontakt 18 mit dem Emitter eia verbunden ist.
In entsprechender Weise ist in dem zweiten Zweig 20 des Differentialverstärkers der Kollektor c2 des Transistors T2 über den Lastwiderstand R2 mit V+ an der Klemme 11, und der erste Emitter e2a des Transistors T2 über die Stromquelle 12 mit V~ an der Klemme 13 verbunden. Außerdem ist der Emitter e2a mit dem Emitter eia des Transistors T1 und dem Abgreiferkontakt 18 verbunden. Der zweite Emitter e2b des Transistors T2 ist mit dem entgegengesetzten Endanschluß 21 des Potentiometers 16 verbunden. Die Basen O1 von Transistor T1 und b2 von Transistor T2 sind jeweils mit den Differentialeingangsklemmen 22 bzw. 24 verbunden, während die Differentialausgänge 26 und 28 jeweils mit dem Kollektor C1 bzw. dem Kollektor c2 verbunden sind.
Zur Erläuterung der Wirkungsweise der in F i g. 1 dargestellten Schaltung sei zunächst angenommen, daß die Transistoren T1 und T2 einwandfrei aneinander angepaßt und die Widerstände R1 und R2 gleich groß sind und daß der Abgreiferkontakt 18 des Potentiometers 16 sich an dem äußersten linksseitigen Ende des Potentiometers 16 (an dem mit dem Bezugszeichen 14 bezeichneten Endanschluß) befindet, wobei er den Emitter eia effektiv mit dem Emitter C1^ kurzschließt, und daß der Widerstand Rt des Potentiometers 16 groß genug bemessen ist, so daß
IcT
Rt.
Wenn nun der Widerstand Rt in Reihe mit einem der beiden Emitter e^ und e2b hegt, ist der von diesem Emitter ausgehende Emitterstrom vernachlässigbar klein im Vergleich zu den anderen Emitterströmen.
Unter diesen Bedingungen läßt sich zeigen, daß die
5 6
Emitter eia, e^ und esa sämtlich gleich hoch vorge- Kollektorströme I01 und IC2 die Stellung des Abspannt und daher ihre Emitterströme gleich groß greiferkontakts 18 zum »Auskompensieren«, d. h. Absind, d. h. gleichen jedes an den Ausgangsklemmen 26 und 28 er-
f>\ scheinenden Abweichungspotentials, verwendet wer-
(2)
_ Is
Ie111 = Ie11, - Ie*. .
Die drei gleich großen Emitterströme werden am Der Unterschied im Basis-Emitter-Potential Δ Vbe
Knotenpunkt 17 summiert, so daß die Summe dieser bei einem Doppelemitter-Transistor wie z. B. T1 läßt
drei Emitterströme gleich ist dem von der Stromquelle sich ausdrücken durch die Gleichung
12 gelieferten Strom /«, d. h.
lc T 7
/.=/«. + /„ + /*. (3) 1O AvBE = ^-\nf^. (12)
oder q hlb
Is Wenn alle Emitter gleich sind, beträgt der Einstell-
Ύ · ^ bereich 36 mV (d. h. 18 mV auf jeder Seite des Poten-
15 tiometers).
Da die Kollektorströme In und In (in Transistoren Eine entsprechende Einstellung des Abweichpoten-
mit hoher Verstärkung) im wesentlichen gleich den tials läßt sich erhalten, wenn die Doppelemitter-Tranbetreffenden Emitterströmen sind, ergibt sich sistoren als aktive Lastelemente in einer Schaltung der _ in F i g. 3 der Zeichnung dargestellten Ausführungs-01 ~ eia "■" '«i* '3' so form verwendet werden. Diese Schaltung weist einen und ersten npn-Verstärkertransistor T1, einen zweiten npn-/C2 = /eaa + Ic, (6) Verstärkertransistor T2, ein Paar passiver Lastwiderstände R1 und R2 und ein Paar aktiver pnp-Doppel-
wobei Ie^ vernachlässigbar klein ist. Aus den obigen emitter-Lastelemente T3 und T1 in Diodenschaltung Zusammenhängen folgt daher, wenn sich der Ab- 25 auf. Die Schaltungselemente sind so eng wie möglich greiferkontakt 18 an dem Endanschluß 14 befindet aneinander angepaßt, um zu gewährleisten, daß nur
ein kleines Abweichpotential auftreten kann. Toleran-
j ^ Jn_ ,j. zen in der Größenordnung von 10 mV liegen durchaus
C2== 2 im Rahmen der Möglichkeiten der heutigen integrier-
30 ten Schaltungstechnik. Die Kollektoren C1 von Tran-
und wenn sich der Abgreiferkontakt 18 an dem End- sistor T1 und c3 von Transistor T3 sind über den Wideranschluß 21 befindet stand R1 und die Kollektoren c2 von Transistor T2 und
c4 von Transistor T1 sind über den Widerstand R2 mit-
j Ä _^2_· /o\ einander verbunden. Die Emitter ex von Transistor T1
01 ~ 2 35 und e2 von Transistor T2 sind miteinander und über
die Stromquelle 30 mit einer Potentialquelle V~ an der
Wenn sich der Abgreiferkontakt 18 in entsprechen- Klemme 32 verbunden. Der erste Emitter e3a des der Weise in der elektrischen Mitte des Potentio- Doppelemitter-Transistors T3 ist mit dem ersten Emitmeters 16 befindet, sind die im Stromkreis jeweils mit ter eia des Doppelemitter-Transistors J4 sowie mit Emitter e^ bzw. e2b liegenden Teilwiderstände Ra bzw. 40 einer Potentialquelle V+ an der Klemme 34 und dem Rb des Widerstandes Rt gleich groß, woraus folgt Abgreiferkontakt 36 des Potentiometers 38 verbunden.
j _ j (Q\ Der zweite Emitter e3& des Transistors T3 ist mit dem
^e10 — hv, (y) Endanschluß 40 des Potentiometers 38 verbunden,
während der zweite Emitter etb des Transistors T4 mit Ielb = IeZb (10) 45 dem entgegengesetzten Endanschluß 42 des Potentiometers 38 verbunden ist. Die Basen b3 von Transistor und somit T^ und ^ yon Transistor Ti sind entsprechend her-
Jn = ic% . (H) kömmlichen Diodenschaltungen jeweils mit ihrem
Kollektor verbunden.
Die Änderung der Relativwerte von In und IC2 beim 50 Das Schaltungseingangssignal Fein wird zwischen Verstellen des Abgreiferkontakts 18 von der einen zur der Basis O1 des Verstärkertransistors T1 und der anderen Seite des Potentiometers 16 ist nichtlinear, da Basis b2 des Verstärkertransistors T2 an den Eingangssich der Emitterstrom in einem Transistor logarith- klemmen 44 und 46 angelegt, während das Schaltungsmisch mit einer Änderung der Basis-Emitter-Spannung ausgangssignal Faus zwischen dem Kollektor C1 von beispielsweise entsprechend der Kurve der F i g. 2 ver- 55 Transistor T1 und C2 von Transistor T2 an den Ausändert, gangsklemmen 48 und 50 abgegriffen wird. Die Wir-
Da das zwischen den Klemmen 26 und 28 abge- kungsweise dieser Schaltung ist derjenigen der F i g. 1
griffene Ausgangspotential Kaus proportional ist dem ähnlich, abgesehen davon, daß in diesem Falle die Ab-
Spannungsabfallunterschied an den Widerständen ^1 weichungskorrektur nicht in den Verstärkerelementen,
und R2, läßt sich durch Verstellen des Abgreiferkon- 60 sondern in den aktiven Lastelementen erfolgt. In dieser
takts 18 vom linksseitigen Ende des Potentiometers 16 Schaltung läßt sich der Stromdurchgang durch die
zum rechtsseitigen Ende desselben eine entsprechende beiden Schaltungszweige in Abhängigkeit von der
Änderung des Ausgangspotentials erzielen. Einstellung des Abgreiferkontakts 36 um kleine Be-
Wenngleich sich diese Verhältnisse für Anpassungs- träge stufenweise verändern. Wenngleich in dieser unterschiede zwischen den Transistoren T1 und T2 und/ 65 Schaltung das Prinzip der Abweichungseinstellung dem oder für R1 φ R2 natürlich etwas verändern, läßt sich in Verbindung mit F i g. 1 beschriebenen ähnlich ist, ohne weiteres ersehen, daß vermittels der durch die erfolgt die Einstellung hier nicht in den Verstärker-Schaltung möglichen wahlweisen Einstellung der elementen, sondern in den Lasten. Die Einstellung des
7 8
Potentiometers 38 läßt sich zur Unterdrückung von Bei Summation der Ströme an dem Knotenpunkt 74,
Abweichungen verwenden, die durch Fehlanpassung der mit der Ausgangsklemme 76 verbunden ist, läßt
der Transistoren T1 und T%, der Widerstände A1 und R% sich ersehen, daß der Ausgangsstrom /aus ausgedrückt
oder der Transistoren T3 und T1 bedingt sind. werden kann durch
In F i g. 4 der Zeichnung ist eine weitere Ausfüh- 5
rungsform einer Differentialverstärkerschaltung ent- /aus = Zc4 — Zc2. (13)
sprechend der Erfindung dargestellt. Diese Ausführungsform mit einer Ausgangsklemme weist ein Paar Da /C4 gleich groß ist In, ist /aus ebenfalls gleich dem npn-Verstärkertransistoren T1 und T2, die auf ein Unterschied zwischen In und /C2. Wenn daher die zwischen den Eingangsklemmen 54 und 56 angelegtes io Transistoren T1 und T2 aneinander angepaßt sind, die Eingangssignal Fein ansprechbar sind, und ein Paar Transistoren T3 und T4 ebenfalls aneinander angepaßt pnp-Doppelemitter-Transistoren T3 und T4 auf. Die sind und der Abgreiferkontakt 66 sich in der elektri-Emitter ex von Transistor T1 und e2 von Transistor T2 sehen Mitte des Potentiometers 68 befindet, ergibt sich sind miteinander und durch eine Stromquelle 60 mit für ein Eingangspotential Fein gleich Null ein Auseiner Potentialquelle V~ an der Klemme 62 verbunden. 15 gangsstrom /aus gleich Null. In der Praxis sind jedoch Die Kollektoren C1 von Transistor T1 und c2 von Tran- die Transistoren nicht einwandfrei aneinander angesistor T2 sind jeweils mit dem Kollektor c3 von Tran- paßt, und da sich /C4 durch Verstellen des Abgreifersistor T3 bzw. c4 von Transistor T4 verbunden, während kontakts 66 an dem Potentiometer 68 in positiver oder die Emitter e3O von Transistor T3 und eia von Tran- in negativer Richtung zur Abweichung gegenüber In sistor Ti miteinander, mit einer Potentialquelle V+ an ao bringen läßt, kann eine im Ausgangsstrom /aus erder Klemme 64 und mit dem Abgreiferkontakt 66 des scheinende Abweichung genau wie bei den vorstehend Potentiometers 68 verbunden sind. Der Emitter e3b von beschriebenen Ausführungsformen vermittels einer Transistor T3 ist mit dem Endanschluß 70 des Poten- einfachen Einstellung des Potentiometers 68 abgetiometers 68 verbunden, während der Emitter e4& von glichen werden.
Transistor !T4 mit dem entgegengesetzten Endanschluß »5 An Stelle der in den drei hier beschriebenen Ausfüh-
72 des Potentiometers 68 verbunden ist. Die Basen b3 rungsbeispielen zum Ausgleich verwendeten Potentio-
von Transistor T3 und bt von Transistor T4 sind mit- meter kann abweichend davon auch zunächst der in
einander und mit dem Kollektor C3 von Transistor T3 den zusätzlichen Emitterkreisen der Doppelemitter-
verbunden. Bei dieser Schaltungsverbindung der Tran- Transistoren benötigte Wert der Abgleichsimpedanzen
sistoren T3 und Tt wird der Kollektorstrom In effektiv 30 ermittelt werden, wonach an Stelle des hier darge-
invertiert und am Kollektor c4 des Transistors T4 in stellten Potentiometers Festwiderstände eingebaut
Form eines Kollektorstroms /C4 wiedergegeben. werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Integrierte Differentialverstärkerschaltung mit Doppelemittertransistoren mit einer Vorrichtung zum Abgleichen von durch die Schaltungselemente hervorgerufenen Spannungsabweichungen, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem der beiden Verstärkerzweige (10, 20) des Differentialverstärkers ein Doppelemittertransistor eingeschaltet ist, daß die ersten beiden, einander entsprechenden Emitter (eia und e2a, e3a und eia) eines jeden Doppelemittertransistors miteinander verbunden und an den Abgreiferkontakt (18, 36, 66) eines Potentiometers mit einem Widerstandselement (16, 38, 68) angeschlossen ist, daß jeweils ein Endanschluß (14, 40, 70 bzw. 21, 42, 72) dieses Potentiometers je mit einem der anderen, einander entsprechenden Emitteranschlüsse (eXb, e3& bzw. £&, eib) der Doppelemittertransistoren verbunden ist, daß jeweils eine für den Betrieb des Differentialverstärkers erforderliche Potentialquelle (F~13, V-32, F+64) entweder über eine Stromquelle (12, 30) oder direkt an den Abgreiferkontakt (18,36, 66) geführt ist, und daß die Stromverteilung zwischen den vier Emittern (eia, e2a, e2b, e& bzw. e3a, eia, e3b, e4fc) der beiden Doppelemittertransistoren und damit das Verhältnis der in beiden Verstärkerzweigen des Differentialverstärkers fließenden Ströme vermittels des Abgreiferkontaktes (18, 36, 66) von außen einstellbar ist.
2. Differentialverstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Basis (^1) des einen ersten Kollektor (C1) und einen ersten Emitter (C1) aufweisenden ersten Transistors (T1) ein erstes Eingangssignal und an die zweite Basis (^2) des einen zweiten Kollektor (c2) und einen mit dem ersten Emitter (ex) gekoppelten zweiten Emitter (e2) aufweisenden zweiten Transistors (T2) ein zweites Eingangssignal anlegbar ist, daß ein einen dritten (e3a) und einen vierten Emitter (e3b) aufweisender dritter Transistor (T3) mit seinem dritten Kollektor (c3) mit dem ersten Kollektor (C1) des ersten Transistors (T1) verbunden ist, daß ein einen mit dem dritten Emitter (e3a) gekoppelten fünften Emitter (eia) und einen sechsten Emitter (e4ft) aufweisender vierter Transistor (T4) mit seinem vierten Kollektor (C4) mit dem zweiten Kollektor (c2) des zweiten Transistors (T2) verbunden ist, daß die dritte Basis (Z)3) des dritten Transistors (T3) mit dem dritten Kollektor (c3) des dritten Transistors (T3) verbunden ist, daß der vierte Transistor (T4) eine vierte Basis (O4) aufweist, die mit dem vierten Kollektor (c4) dieses Transistors verbunden ist, derart, daß der dritte und der vierte Transistor (T3, T4) aktive Lastimpedanzen des Differentialverstärkers bilden, daß eine erste Potentialquelle (F+34) mit dem dritten und fünften Emitter (e3a, eia) des dritten (T3) und vierten Transistors (T4) verbunden ist, daß eine Stromquelle (30) den ersten und zweiten Emitter (eu e2) des ersten (T1) und zweiten Transistors (T2) mit einer zweiten Potentialquelle (F~32) verbindet und daß ein Potentiometer mit einem Widerstandselement (38, 68) mit seinem einen Endanschluß (40, 70) mit dem vierten Emitter (e3b) des dritten Transistors (T3), der entgegengesetzte Endanschluß (42,72) mit dem sechsten Emitter (e4&) des vierten Transistors (J4) verbunden ist und der verstellbare Abgreiferkontakt (36, 66) mit dem dritten und fünften Emitter (e3a, eia) des dritten (T3) und vierten Transistors (T1) verbunden ist, derart, daß das über den ersten und zweiten Kollektor (C1, C2) abgenommene Signal durch Verändern der Stellung des Abgreiferkontaktes (36, 66) auf dem Widerstandselement (38, 68) eingestellt werden kann.
3. Differentialverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Verstärkerzweig (10) eine erste Lastimpedanz (R1) und einen ersten Transistor (T1) aufweist, an dessen erste Basis (O1) ein erstes Eingangssignal anlegbar ist und dessen erster Kollektor (C1) mit der ersten Lastimpedanz (R1) verbunden ist und der einen ersten und zweiten Emitter (eia, e^) aufweist, daß der zweite Verstärkerzweig (20) eine zweite Lastimpedanz (R2) und einen zweiten Transistor (T2) aufweist, an dessen zweite Basis (Z>2) ein zweites Eingangssignal anlegbar ist und dessen zweiter Kollektor (c2) mit der zweiten Lastimpedanz (R2) verbunden ist und der einen, mit dem ersten Emitter (eia) des ersten Transistors (T1) verbundenen, dritten Emitter (e2a) und einen vierten Emitter (e2b) aufweist, daß die erste und die zweite Lastimpedanz (R1, R2) mit einer ersten Potentialquelle (F+Il) verbunden sind, daß eine Stromquelle (12) mit dem ersten Emitter (eia) des ersten Transistors (T1) und dem dritten Emitter (e2a) des zweiten Transistors (T2) einerseits und mit einer zweiten Potentialquelle (F~ 13) andererseits verbunden ist, daß ein Potentiometer (16) mit einem Widerstandselement (Rt) einen Endanschluß aufweist, der mit dem zweiten Emitter (e^) des ersten Transistors (T1) verbunden ist, und daß der entgegengesetzte Endanschluß (21) des Potentiometers (16) mit dem vierten Emitter (e2b) des zweiten Transistors (T2) verbunden ist, daß der verstellbare Abgreiferkontakt (18) mit dem ersten und dritten Emitter (eia, e2a) des ersten und zweiten Transistors verbunden ist und daß die Kollektorströme des ersten und des zweiten Transistors (T1, T2) durch Verstellung des Abgreiferkontaktes (18) am Widerstandselement (Rt), einstellbar sind.
4. Differentialverstärker nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Basis (b3) des dritten Transistors (T3) mit dem dritten Kollektor (c3) dieses Transistors verbunden ist, daß eine erste Potentialquelle (F+64) an die miteinander verbundenen dritten und fünften Emitter (e3a, eia) des dritten und vierten Transistors angeschlossen ist und daß eine Stromquelle (F~60) vorgesehen ist, die den ersten und den zweiten Emitter (et, e2) des ersten und zweiten Transistors mit einer zweiten Potentialquelle (F" 62) verbindet.
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