DE2229399C3 - I ntegrlerte Differentialverstärkerschaltung mit Doppelemitter-Transistoren - Google Patents

I ntegrlerte Differentialverstärkerschaltung mit Doppelemitter-Transistoren

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Differential verstärkerschaltung mit Doppelcmitler-Transistoren mit einer Vorrichtung zum Abgleichen von durch die Schaltungselemente hervorgerufenen Spanmmgsabwciclumgcn.
Eine Schwierigkeil bei der Herstellung von Differenlialvcrstärkern in integrierter Bauweise besteht in der genauen Anpassung der aktiven Elemente. Typischerweise ergeben sich auch bei der mit modernen inte-
frierten 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 Nichtvorhaniensein von Abgleich- oder Ausgleich vorrichtungen zu Ausgangssignalabweichungen, die sich für ein Eingangssignal Null an Hand eines von Null abweichenden Ausgangssignals zeigeu.
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 Diffprentialverstärkers 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 Differenlialverstärkerschaltung 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-Potcntiale (Vnn) der Schaltungselemente wahlweise einstellbar sind.
Diese Aufgabe wird bei einer integrierten Difterentialverstärkerschaltung 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 Doppclcmittertransistors 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 Abgreiferkontakl 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 Different.ia'iverstärkers mit Abwcichungsausgleich 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 Schahplan einer weiteren Ausführungsform einer Differentialverstärkerschaltung nach der Erfindung;
F ι 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 IO und 20 mit den npn-Doppelemitter-Verstärkertransistoren ΤΛ und T2 und den gleich großen Lastso widerständen A1 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 Ci des Transistors T1 über einen Lastwiderstand R1 mit einer ersten Potentialquelle V* an einer Klemme II 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 βλ\, des Transistors Tx 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 F2 über den Lastwidersland 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 e.ia mit dem Emitter eia des Transistors T1 und dem Abgreiferkontakt 18 verbunden. Der zweite Emitter c2s des Transistors T2 ist mit dem entgegengesetzten Endanschluß 21 des Potentiometers 16 verbunden. Die Basen bl von Transistor T1 und b2 von Transistor T2 sind jeweils mit den Differentialeingangsklemmen 22 bzw. 24 verbundcn, während die Differcntialausgänge 26 und 28 jeweils mit dem Kollektor c, 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 /J1 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 eLb kurzschließt, und daß d.;r Widerstand RT des Potentiometers 16 groß genug bemessen ist, so daß
kT
Rt-
Wenn nun der Widerstand Rr in Reihe mit einem
S5 der beiden Emitter e,h und c2i, liegt, ist der von diesem Emitter ausgehende Emitterstrom vernachlässigbar klein im Vergleich zu den anderen Emitterströmen.
Unter diesen Bedingungen läßt sich zeigen, daß die
Emitter eia, elb und e2a sämtlich gleich hoch vorgespannt und daher ihre Emitterströme gleich groß sind, d. h.
lea _ j _ j φ)
Die drei gleich großen Emitterströme werden am Knotenpunkt 17 summiert, so daß die Summe dieser drei Emitterströme gleich ist dem von der Stromquelle 12 gelieferten Strom h, d. h.
Kollektorströme IC1 und /C2 die Stellung des Ab greiferkontakts 18 zum »Auskompensieren«, d. h. Ab gleichen jedes an den Ausgangsklemmen 26 und 28 er scheinenden Abweichungspotentials, verwendet wer den kann.
Der Unterschied im Basis-Emitter-Potential Δ VBi. bei einem Doppelemitter-Transistor wie z. B. T1 läßi sich ausdrücken durch die Gleichung
h = hla + hlb + 1eto
Da die Kollektorströme In und /^ (in Transistoren mit hoher Verstärkung) im wesentlichen gleich den betreffenden Emitterströmen sind, ergibt sich
= /eM +
wobei Ie10 vernachlassigbar klein ist. Aus den obigen Zusammenhangen folgt daher, wenn sich der Abgreiferkontakt 18 an dem Endanschluß 14 befindet
— 2
und wenn sich der Abgreiferkontakt 18 an dem Endanschluß 21 befindet
Ic1 =έ
Wenn sich der Abgreiferkontakt 18 m entsprechender Weise in der elektrischen Mitte des Potentiometers 16 befindet, sind die im S romkreis jeweils mit Emitter eis bzw. e» liegenden Teilwiderstande: Ra bzw. Rb des Widerstandes RT gleich groß, woraus folgt
und somit
Jelb — ie2b
_
Ic1-I
c2-
(9) (10)
(11)
Δ Vbb = -*— In -*
(12)
Wenn alle Emitter gleich sind, beträgt der Einstell· bereich 36 mV (d. h. 18 mV auf jeder Seite des Potentiometers).
Eine entsprechende Einstellung des Abweichpotentials läßt sich erhalten, wenn die Doppelemitter-Transistoren als aktive Lastelemente in einer Schaltung der m F i g. 3 der Zeichnung dargestellten Ausführungsform verwendet werden. Diese Schaltung weist einen ersten npn-Verstärkertransistor T1, einen zweiten npn-Verstärkertransistor T2, ein Paar passiver Lastwiderstände R1 und R2 und ein Paar aktiver pnp-Doppelemitter-Lastelemente T3 und T1 in Diodenschaltung auf. Die Schaltungselemente sind so eng wie möglich aneinander angepaßt, um zu gewährleisten, daß nur ein kleines Abweichpotential auftreten kann. Toleran- ?en in der Größenordnung von 10 mV liegen durchaus im Rahmen der Möglichkeiten der heutigen integrierten SchaIt"ngstechnik. Die Kollektoren C1 von Transistor T1 und c3 von Transistor T3 sind über den Widerstand A1 und die Kollektoren C2 von Transistor T2 und c? von Transistor T4 sind über den Widerstand R2 miteinander verbunden. Die Emitter ex von Transistor T1
35 und e2 von Transistor T2 sind miteinander und über die StromqueUe 30 mit einer Potentialquelle F-an der Klemme32 verbunden. Der erste Emitter«,, des Doppelemitter-Transistors T3 ist mit dem ersten Emitter eia des Doppelemitter-Transistors T4 sowie mit
40 einer Potentialquelle K+ an der Klemme 34 und dem Abgreiferkontakt 36 des Potentiometers 38 verbunden. Der zweite Emitter e3b des Transistors T3 ist mit dem Endanschluß 40 des Potentiometers 38 verbunden, während der zweite Emitter eib des Transistors Tx mit
45 dem entgegengesetzten Endanschluß 42 des Potentiometers 38 verbunden isL Die Basen b3 von Transistor Tl und. b* von Transistor Tt sind entsprechend herkömmlichen Diodenschaltungen jeweils mit ihrem Kollektor verbunden.
- „λiff "srtTftr1 Vmr 1T Tr
ήΑΖΊ"ν"ά"Ζ"ο"""~Ί·"^Ί ":" j1 md,T*UT}dl 6s SchaItung das Prinzip der AbweichungseTnsteliung dem
oder fur A1 φ R2 natürlich etwas verandern, laßt sich in Verbindung mit F i g. 1 beschriebenen ähnlich ist,
ohne weiteres ersehen, daß verm.ttels der durch die erfolgt die Einstellung lüer nkhtfn den Verstärket
Schaltung möglichen wahlweisen Einstellung der elementen, sondern in den Lasten. Die Einstellung des
Potentiometers 38 läßt sich zur Unterdrückung von Abweichungen verwenden, die durch Fehlanpassung der Transistoren T1 und T2, der Widerstände R1 und K2 oder der Transistoren T3 und T4 bedingt sind.
In F i g. 4 der Zeichnung ist eine weitere Ausführungsform einer Differentialverstärkerschaltung entsprechend der Erfindung dargestellt. Diese Ausführungsform mit einer Ausgangsklemme weist ein Paar npn-Verstärkertransistoren T1 und T2, die auf ein zwischen den Eingangsklemmen 54 und 56 angelegtes ία Eingangssignal Kein ansprechbar sind, und ein Paar pnp-Doppelemitter-Transistoren T3 und T4 auf. Die Emitter ex von Transistor T1 und et von Transistor Tt sind miteinander und durch eine Stromquelle 60 mit einer Potentialquelle V- an der Klemme 62 verbunden. Die Kollektoren C1 von Transistor Tx und cs von Transistor Ta sind jeweils mit dem Kollektor c3 von Transistor T3 bzw. C4 von Transistor T4 verbunden, während die Emitter e3a von Transistor T3 und e4O von Transistor T4 miteinander, mit einer Potentialquelle V+ an ao der Klemme 64 und mit dem Abgreiferkontakt 66 des Potentiometers 68 verbunden sind. Der Emitter ezi von Transistor T3 ist mit dem Endanschluß 70 des Potentiometers 68 verbunden, während der Emitter e4o von Transistor T4 mit dem entgegengesetzten Endanschluß as 72 des Potentiometers 68 verbunden ist. Die Basen b3 von Transistor T3 und bx von Transistor T4 sind miteinander und mit dem Kollektor C3 von Transistor T3 verbunden. Bei dieser Schaltungsverbindung der Transistoren T3 und T4 wird der Kollektorstrom /C1 effektiv invertiert und am Kollektor C4 des Transistors T4 in Form eines Kollektorstroms /C4 wiedergegeben.
Bei Summation der Ströme an dem Knotenpunkt 74, der mit der Ausgangsklemme 76 verbunden ist, läßt sich ersehen, daß der Ausgangsstrom /aus ausgedrückt werden kann durch
/AUS — hi —
(13)
Da la gleich groß ist /ri, ist /aus ebenfalls gleich dem Unterschied zwischen /C1 und /C2. Wenn daher die Transistoren T1 und T8 aneinander angepaßt sind, die Transistoren T3 und T4 ebenfalls aneinander angepaßt sind und der Abgreiferkontakt 66 sich in der elektrischen Mitte des Potentiometers 68 befindet, ergibt sich für ein Eingangspotential Fein gleich Null ein Ausgangsstrom /aus gleich Null. In der Praxis sind jedoch die Transistoren nicht einwandfrei aneinander angepaßt, und da sich /C4 durch Verstellen des Abgreiferkontakts 66 an dem Potentiometer 68 in positiver oder in negativer Richtung zur Abweichung gegenüber In bringen läßt, kann eine im Ausgangsstrom /aus erscheinende Abweichung genau wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsfoimen vermittels einer einfachen Einstellung des Potentiometers 68 abgeglichen werden.
An Stelle der in den drei hier beschriebenen Ausführungsbeispielen zum Ausgleich verwendeten Potentiometer kann abweichend davon auch zunächst der ir den zusätzlichen Emitterkreisen der Doppelemitter Transistoren benötigte Wert der Abgleichsimpedanzei ermittelt werden, wonach an Stelle des hier darge stellten Potentiometers Festwiderstände eingebau werden.
Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Integrierte Differential verstärkerschaltung 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 e-~) 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. 2i, 42, 72) dieses Potentiometers je mit einem der anderen, einander entsprechenden Emitteranschlüsse (^1;,, e3t, bzw. ?ib, Pib) der Doppelemittertransistoren verbunden ist, daß jeweils eine für den Betrieb des Differentialverstärkers erforderliche Poteniialquelle (V ~ 13, V-32, V 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 (e,„, eza, e2b, eXb bzw. eaa, e4a, e3n, e4ft) 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 (O1) des einen ersten Kollektor (C1) und einen ersten Emitter (^1) aufweisenden ersten Transistors (T1) ein erstes Eingangssignal und an die zweite Basis (I)2) des einen zweiten Kollektor (c2) und einen mit dem ersten Emitter (e,) gekuppelten 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 (r,) des ersten Transistors (7",) verbunden ist, daß ein einen init dem dritten Emitter (c3a) gekoppelten fünften Emitter (eAa) und einen sechsten Emitter (i>4b) aufweisender vierler Transistor (T4) mit seinem vierten Kollektor (r„) mit dem zweiten Kollektor (c2) des zweiten Transistors (T2) verbunden ist, daß die dritte Basis (b3) des dritten Transistors (T3) mit dem dritten Kollektor (c3) des dritten Transistors (T3) verbunden ist, daß der vierte Transistor (T4) eine vierte Basis (bt) aufweist, die mit dem vierten Kollektor (c4) dieses Transistors verbunden ist, derart, daß der dritte und der vierte Transistor (Tj, T11) aktive Lasiimpedanzen des Differentialverstärkers bilden, daß eine erste Potentialquelle (P 34) mit dem dritten und fünften Emitter (e:l„, eia) des dritten (Γ;)) und vierten Transistors (T4) verbunden ist, daß eine Stromquelle (30) den ersten und /weilen Emitter (<?,, i>2) des ersten (T1) und zweiten Transistors (T2) mit einer zweiten Potentialquelle (V 32) verbindet und daß ein Potentiometer mit einem Widerstandselcment (38, 68) mit seinem einen Endanschluß (40, 70) mit dem vierten Emitter (c3i) des dritten Transistors (T3), der entgegengesetzte Endanschluß (42, 72) mit dem sechsten Emitter (e4h) des vierten Transistors (T4) verbunden ist und der verstellbare Abgreiferkontakt (36, 66) mit dem dritten und fünften Emitter (<?.,„, e*a) des dritten (T3) und vierten Transistors (T4) verbunden ist, derart, daß das über den ersten und zweiten Kollektor (c„ c2) abgenommene Signal durch Verändern der Stellung des Abgreiferkontaktes (36, 66) auf dem Widerstandselement (38, 68) eingestellt werden kann.
3. Differentialverstärker nach Anspruch], dadurch gekennzeichnet, daß der erste Verstärkerzweig (10) eine erste Lastimpedanz (A1) und einen ersten Transistor (T1) aufweist, an dessen erste Basis (bx) ein erstes Eingangssignal anlegbar ist und dessen erster Kollektor (<·,) mit der ersten Lastimpedanz (A1) verbunden ist und der einen ersten und zweiten Emitter (<?,a, <?,«,) aufweist, daß der zweite Verstärkerzweig (20) eine zweite Lastimpedanz (Rs) und einen zweiten Transistor (T2) aufweist, an dessen zweite Basis (b2) ein zweites Eingangssignal anlegbar ist und dessen zweiter Kollektor (C2) mit der zweiten Lastimpedanz (R2) verbunden ist und der einen, mil dem ersten Emitter (eltt) des ersten Transistors (T,) verbundenen, dritten Emitter (e2a) und einen vierten Emitter (e2b) aufweist, daß die erste und die zweite Lastimpedanz (R1, R2) mit einer ersten Potentialquelle (V' 11) verbunden sind, daß eine Stromquelle (12) mit dem ersten Emitter (e,e) des ersten Transistors (T1) und dem dritten Emitter (e2a) des zweiten Transistors (T2) einerseits und mit einer zweiten Potenlialquelle (V-13) andererseits verbunden ist, daß ein Potentiometer (16) mit einem Widerstandselement (RT) einen Endanschluß aufweist, der mit dem zweiten Emitter (<?,&) des ersten Transistors (T1) verbunden ist, und daß der entgegengesetzte Endanschluß (21) des Potentiometers (16) mit dem vierten Emitter (?„„) des zweiien Transistors (T2) verbunden ist, daß der verstellbare Abgreiferkontakt (18) mit dem ersten und dritten Emitter (C1n, 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 Widerstandselemcnt (Rr), einstellbar sind.
4. Diffcrentialverstärkcr nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Basis (b3) des dritten Transistors (TJ mit dem dritten Kollektor U3) dieses Transistors verbunden ist, daß eine erste Potentialquelle (V1 64) an die miteinander verbundenen dritten und fünften Emitter (c3a, eia) des dritten und vierten Transistors angeschlossen ist und daß eine Stromquelle (V 60) vorgesehen ist, die den ersten und den zweiten Emitter (c,, c2) des ersten und zweiten Transistors mit einer /weiten Potentialquelle (K 62) verbindet.
DE2229399A 1971-07-08 1972-06-16 I ntegrlerte Differentialverstärkerschaltung mit Doppelemitter-Transistoren Expired DE2229399C3 (de)

Applications Claiming Priority (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16579671A 1971-07-08 1971-07-08
US50196674A 1974-08-30 1974-08-30
JP49125875A JPS5838965B2 (ja) 1974-10-31 1974-10-31 ゾウフクカイロ
JP49131686A JPS5854524B2 (ja) 1974-11-15 1974-11-15 デンリヨクゾウフクカイロ
GB7660/75A GB1528201A (en) 1975-02-24 1975-02-24 Differential amplifier
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Publications (3)

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