DE2247471A1

DE2247471A1 - Differentialverstaerker-schaltung

Info

Publication number: DE2247471A1
Application number: DE19722247471
Authority: DE
Inventors: Yoshio Sakamoto
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1971-09-27
Filing date: 1972-09-27
Publication date: 1973-04-19
Also published as: NL7213031A; GB1360292A; FR2155389A5; JPS5435057B2; JPS4841653A

Description

1-5-1» Marunouchi, CMyoda-ku,

Tokyo, Japan

Differentialverstärke^Schaltung

Priorität: 27. September 1971, Jdp&u, Hr. 74 685/71

Die Erfindung bezieht sich auf eine Differentialverstärker-Schaltung und betrifft insbesondere eine derartige Schaltung, bei der die Anstiegszeit eines Ausgang;ssignals beim Einschalten der Versorgung verkürzt und das Rauschen (ein Knack- oder Explosions-Signal oder -Ton) infolge eines plötzlichen Anstiegs des Ausgangssignals beseitigt ist. *

Wie im folgenden im einzelnen beschrieben wird, sind die Differentialverstärker-Schaltungen nach dem Stand der Technik' in den Anstiegskennlinien des Ausgangssignals nachteilig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Differentialverstärker-Schaltung zu schaffen, die einen raschen Anstieg des
Ausgangssignals vermittelt. Dabei soll ein plötzlicher Anstieg des Ausgangssignals beim Einschalten der Versorgung unterbleiben. ■ ·

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ORIGINAL INSPECTED

Dazu umfaßt eine Differentialyerstärker-Schaltung eitlen Emitterfolger-Transistor, der so geschaltet ist, daß er gleichzeitig mit dem Einschalten der Versorgung arbeitet und dessen Ausgangssignal dem ersten Eingang eines Differentialverstärkers zugeführt wird und einen mit dem'zweiten Eingang des Differentialverstärkers verbundenen Kondensator lädt, wodurch der Anstieg des Ausgangssignals rasch erfolgt und der Knackton beseitigt wird.

Zum besseren Verständnis der Erfindung dient die nachstehende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen; in den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 ein Schaltbild einer Differentialverstärker-Schaltung nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 ein Impulsdiagramm zur Darstellung der Arbeitsweise einiger Elemente der Schaltung nach l'ig. 1; Fig. 3 ein Schaltbild einer Differentialverstärker-Schal:- tung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbei£i;isl der Erfindung; und

Fig. 4 ein Impulsdiagramm zur Darstellung der Arbeitsweise einiger Elemente der Schaltung nach Fig. 3·

In dem Schaltbild nach Fig. 1 bedeuten T1 und T2 einen ersten und einen zweiten Transistor mit im wesentlichen gleichen Kennlinien für Differentialbetrieb. Mit T3 ist ein dritter Transistor bezeichnet, der als Gleichstromquelle für die Transistoren T1 und T2 dient. R1 ist ein Lastwiderstand, der zwischen dem Kollektor des Transistors T1 und einer Versorgungsklemme Vcc liegt. Die drei Transistoren T1 bis T3 und der 7/iderstand R1 bilden einen Differentialverstarker. Dioden D1, D2 und Widerstände R2 , R3 bilden eine Serienschaltung, die zwischen der Versorgungskieraine Vcc und Erde liegt. Sin v/eiterer Widerstand R4 ist zwischen die Basiselektrode des ersten Transistors TT und den Verbindungspunkt der beiden V/iderstähde H2, R3 eingeschaltet und dient zur Zuführung eines Vorspannstroias für den ersten Transistor T1. C1 ist ein ulättungskondensator, der zwischen dem Verbindungspunkt der Widerstände R2, R3 und Erde

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liegt. Ein vierter Transistor T4- ist mit seiner Basiselektrode an den Kollektor" des ersten Transistors T1 angeschlossen, während ein fünftel· Transistor T^ mit seiner Basiselektrode an den Kollektor des vierten Transistors T4- angeschlossen ist. Die "beiden Transistoren T4- und T5 "bilden eine Darlington-Schaltung und' arbeiten in einem einem einzigen pnp-Transistor äquivalenten Betrieb. Llit T6 ist ein sechster Transistor bezeichnet, der die Last für den Darlington-Transistor T5 bildet. Ein zwischen dem Emitter des sechsten Transistors T6 und Erde liegender "Widerstand E5 dient dazu, den Arbeitspunkt des sechsten Transistors T6 auf einen geeigneten Wert zu bringen. Die Transistoren T4-, T5 und T6 sowie der Widerstand R 5 bilden einen Inverter. Zwischen der Basiselektrode des zweiten Transistors T2 und dem' Emitter des fünften Transistors T5 liegt ein Rückkopplungselement R6^ um dem Transistor T2 einen Vorspannstrom zuzuführen' und um eine negative Rückkopplung für die Schaltung zu besorgen. Zum Ausschalten oder Blockieren von Gleichstrom dient ein Kondensator C2. Ein weiterer 'widerstand R7 liegt zwischen der -Basiselektrode des Transistors T2 und über den Kondensator C2 an Erde. Die "Widerstände R6 und R? sowie der Kondensator C2 bilden einen Rückkopplungspfad. Mit "EIN" ist eine Eingangsklemirie bezeichnet, die über einen Kondensator C3 an die Basiselektrode des Transistors T1 angeschlossen ist, während mit "AUS" eine Ausgangsklemme bezeichnet ist, die mit dem Emitter des Transistors T5 verbunden ist. Beim Betrieb der Schaltung liegt eine (nicht gezeigte) Signalquelle zwischen der Eingangsklemme, EIN und Erde. Gewöhnlich hat die Signalquelle eine niedrige Impedanz .

Wie im folgenden dargelegt, treten nach Einschalten einer Versorgung· an der Klemme Vcc und vor Erreichen des Normalbetriebs Spannungs— und Stromänderungen an verschiedenen Schaltungselementen der so aufgebauten Schaltung auf.

Beim Schließen eier Versorgung an der Klemme Vcc ändern sich zuerst die elektrischen I-otentitle an verschiedenen j-unkten der die Dioden D1, D2, die 'Widerstünde ad, R3, R4 und die Kcnden-

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satoren C1, C 3 enthaltenden Schaltung. Der Transistor T1 zieht keinen Kollektorstrom, bevor seine Basisspannung höher wird als seine Schwellenspannung zwischen Basis und Elektrode. Daher liegt an der Darlington-Schaltung T4-, T5» der als Eingangs-Vorspannung die Klemmenspannung des Widerstands R1 dient, einige Zeitlang nach Einschalten der Versorgung eingangsseitig keine Vorspannung an der Basis. Das Potential an der Kollektorseite dieser Schaltung, das heißt das Po- ■ tential an der Ausgangsklemme AUS ist daher Null. Ebenso ist auch das Basispotential des Transistors T2 Null·

Die Kondensatoren C1 und C3 laden, so daß das Basispotential des Transistors T1 die Schwellenspannung überschreitet. Sodann beginnt durch den Transistor T1 Kollektorstrom zu fliessen. Zu diesem Zeitpunkt ist das Basispotential des Transistors T2 noch Null, so daß der gesamte Strom der Differentialverstärker-Schaltung durch den Transistor T1 fließt. Dies bedeutet, daß der Kollektorstrom des Transistors T1 nahezu doppelt so groß ist wie im Normalbetrieb des Verstärkers. Aus diesem Grund liegt an der eingangsseitigen Basis der Darlington· Schaltung T4-, T5 eine starke Vorspannung, die das Potential an der Ausgangsklemme AUS abrupt auf einen Wert anhebt, der· nahezu gleich der Versorgung an der Klemme Vcc ist. Der Kondensator C2 im Basiskreis des Transistors T2 hat gleichzeitig mit der Entstehung der Spannung an der Ausgangsklemme AUS angefangen, über die V7iderstände R6 und E? zu laden. Beim Laden des Kondensators C2 steigt das Basispotential des Transistors T2. Nähert sich dieses Potential dem Basispotential des ersten Transistors T1, so wird der Transistor T2 leitend. Ist der Widerstand R1 etwa doppelt so groß wie der Widerstand HS, so ist der Kollektorstrom des Transistors T2 schließlich nahezu ebenso groß wie der des-Transistors T1. In der Zeitspanne, während der die Kollektorströme der Transistoren T1 undT2 gleiche Vierte annehmen, nähert sich die Vorspannung an der einrjangsseitigen Basis der Darlington-Schaltung T4-, T5 allmählich dem Wert, den sie im normalen oder ständigen Zustand hat. Das Potential an der Ausgangsklemme AUS wird daher schließlich gleich dem Wert der halben Versorgungsspannung 'an

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der Klemme Vcc.

2 zeigt die Übergangs-Spannungsänderungen der betreffenden Elemente der Schaltung nach Fig. 1. Dabei gibt die Kurve a das Basispotential des-Transistors 11 an, die Kurven b und b¹ stellen das Potential an der Ausgangsklemme AUS dar, und die Kurve c gibt das Basispotential des Transistors T2 an.

Gemäß Pig. 2 findet eine Verstärkung eines der Eingangsklemme EIN zugeführten Signals in der obigen Verstärkerschaltung innerhalb einer Zeitspanne ti nicht statt, bevor das Potential an der Ausgangsklemme AUS abzunehmen beginnt. Eine weitere Zeitspanne benötigt die Schaltung danach, um ihren ständigen Arbeitszustand zu erreichen. Darüberhinaus bedeutet die Tatsache, daß die Spannung an der Ausgangsklemme AUS einmal auf die Versorgungsspannung an der Klemme Vcc angehoben wird, die Entstehung eines impulsartigen Signals. Dies ergibt ein Rauschen oder einen Knackton, wenn der Verstärker mit Sprache betrieben wird.

Wird der Verstärker mit niedrigen Frequenzen betrieben, so ist für die Zeitkonstante, die sich aus dem einen Teil des Rückkopplungspfades in der Schaltung nach Fig. 1 bildenden Widerstand R6 und dem Kondensator G2 ergibt, ein gewisser.unterer Grenzwert erforderlich, um sowohl eine bestimmte Spannungsverstärkung als auch einen bestimmten Frequenzgang, zu -erzielen. Es ist daher unmöglich, die Zeitspanne ti durch Verkürzen dieser Zeitkonstante, das heißt durch Verschnellern de's Anstiegs der Kurve c in Fig. 2, kleiner zu machen. Daher ist es unzweckmäßig, zu versuchen, die Anstiegscharakteristik an der Ausgangsklemme AUS durch Verkürzen der Zeitkonstante aus den Werten G2 und R6 zu'erhöhen.

■ Im folgenden wird anhand von Fig,, 3 und 4 eine Differentialverstärker-Schaltung gemäß der Erfindung im einzelnen erläutert.

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Fig.3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer solchen erfindungsgemäßen Differentialverstärker-Schaltung, wobei für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet sind. In Fig. 3 ist mit T7 ein siebter Transistor bezeichnet, dessen Eingangsklemme an den Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R2 und R3 angeschlossen ist, und dessen Ausgangsklemme von seinem Emitter gebildet wird. R9 ist ein zwischen dem Verbindungspunkt des Widerstands R7 mit dem Kondensator C2 und dem Emitter des Transistors T7 liegender ".Widerstand. Unterschiede zu der bekannten Schaltung nach Fig. 1 liegen darin, daß das Ausgangssignal des Transistors T7,der gleichzeitig nit dem Einschalten der Versorgung arbeitet, als Basisvorspannung dem ersten Transistor T1 zugeführt wird, und daß der Kondensator C2, der das Gleichstrom-Blockierelement des Rückkopplungspfades bildet, vom Ausgangssignal des Transistors T7 geladen wird.

Die Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 3 wird im folgenden im einzelnen erläutert.

Zunächst wird eine Versorgungsspannung an der Klemme Vcc aus einer (nicht gezeigten) Versorgungsquelle zugeführt. Danach wird der Transistor T7 durch einen Strom, der durch eine■aus den Widerständen R2 und R3 und der Diode D2 bestehende Serienschaltung fließt, in seinen Betriebszustand gebracht. Das Ausgangssignal des Transistors T7 wird über den Widerstand R4- den Kondensator 03 zugeführt. IVie in der Kurve a in Fig. 4 dargestellt, steigt das Basispotential des Transistors T1 demgemäß nach einer Zeitkonstante, die durch die V/erte des Vi'iderstands R4 und des Kondensators C3 bestinmt wird, und stabilisiert sich auf einem -Vert von etwa o,5 Vcc. Befindet sich andererseits der Transistor T7 in Betrieb, so lädt sein Ausgangssignal den Kondensator C2 über den V/iderstand R9. Das Basispotential des Transistors T2 steigt dementsprechend gemäß der Kurve c in iIg. 4. Der Gleichstrom-Blockierkondensator G2 des Rückkopplungspfades hat gleichzeitig init dem Einschalten der Versorgung zu landen begonnen. Die Ladegeschv/indigkeit des Kondensators C2 bestimmt sich nach dem Produkt aus dem'Wert des Widerstands R9

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und der Kapazität des Kondensators C2. Die Schaltung nach 3 bewerkstelligt einen abrupten Anstieg des Basispotentials des Transistors T2, der einen der Transistoren für den Differentialbetrieb darstellt. Die Zeitspanne -vom Einschalten der Versorgung bis zur Aufnahme des Normalbetriebs der Schaltung läßt sich daher merklich verkürzen.

In einem Zustand, in dem die Eingangsklemme EIN mit der (nicht gezeigten) Signalquelle verbunden ist, wird die Ladegeschwindigkeit für den Kondensator C3 nach Einschalten der Versorgung durch das Produkt aus dem Wert des V/i der stands"- R4- und der Kapazität des Kondensators C3 bestimmt. Dabei sind die Zeitkonstanten so gewählt, daß R9.C2= R4.C3 ist, zusätzlich jedoch R9.C2<R4.C3 ist. Daher arbeitet der Transistor T2 ,zuerst. Das Basispotenti'al des Transistors T2 weist einen ansteigenden Verlauf auf, dessen stetige Spannung sich aus der Subtraktion einer Spannung vom Emitterpotential des Transistors T7 ergibt, wobei man diese letztere. Spannung, dadurch erhält, daß man die Summe der Widerstände R9 und R7 mit dem Summenwert des Basisstroms des Transistors T2 und eines durch den Widerstand R6 nach Erde fließenden Stroms multipliziert. Andererseits weist das Basispotential des Transistors T1 einen steigenden Verlauf auf, dessen stetige Spannung gleich dem Emitterpotential des Transistors T7 ist. Aus diesem Grund holt.das Basispotent.ial des Transistors T1 selbst dann, wenn R9.C2<.R4.C3 ist, das Basispotential des Transistors T2 nach Ablauf einer bestimmten Zeitspanne ein, und das Potential an der Ausgangskiemme AUS beginnt zu diesem Zeitpunkt zu steigen. In der Schaltung nach Fig. 3 beginnt also das Potential an der Ausgangsklemme AUS nach der in der Kurve b in Pig. 4- angegebenen Zeitspanne to zu steigen. Der Verstärker beginnt nach dieser Zeitspanne tO zu verstärken, in Pig. 4 bedeutet der Abstand E zwischen der gestrichelten Linie und dem mittleren Potentialwert (Pegel 0,5 Vcc) den Wert des Spannungsabfalls an dem Widerstand R9«

Da die Anstiegsgeschwindigkeiten der Basispotentiale an den den Differentialbetrieb bewirkenden Transistoren T1 und T2 im wesentlichen von den Zeitkonstanten G2_OR9 bzw. C^.B4 be~

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stimmt werden, erfolgt der Anstieg des Kollektorstroms des zweiten Transistors T2 schneller, wenn C2.R.9 in einem gewissen Ausmaß kleiner gemacht wird als CJ.R4-. In der Potentialänderung an der Ausgangsklemme AUS tritt daher beim Einschalten der Versorgung kein Maximalwert auf. In der Schaltung nach Fig. 3 ist das Potential der Ausgangsklemme AUS gegenüber dem Fall der Fig. 1 etwas verschoben. Dieses Verschiebungsproblem läßt sich dadurch lösen, daß der die Elemente R2, R 3 und D2 enthaltende Kreis so eingestellt wird, daß zwischen R3 und D2 eine Diode eingeschaltet wird.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 arbeitet der Transistor T7 als Emitterfolger. Laden die Kondensatoren C2 und C~j> nach Einschalten der Versorgung, so ist die Ausgangsimpedanz an der Emitterseite· wegen des hohen Emitterstromes des Emitterfolgers genügend niedrig. Daher liegt die Spannung des Verbindungspunktes zwischen den Widerständen R2 und R3 gleichzeitig mit dem Einschalten der Versorgung über die nahezu vernachlässigbare Impedanz äquivalent an dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R4 und R9. Dies bedeutet, daß eine rasche Aufladung der Kondensatoren C1, C2 und C3 verwirklicht wird. Im Gegensatz dazu ist dann, wenn die Schaltung im Normalbetrieb arbeitet, der Stromfluß durch den Emitter des Transistors T7 äußerst klein und nur wenig verschieden von dem Basisstrom der differentiell arbeitenden Transistoren T1 und T2. Ein solcher Abfall in dem Emitterstrom des Transistors T7 bedeutet, daß die Emitter-Ausgangsimpedanz des Transistors im Normalbetrieb der Schaltung ansteigt. Dies hat zur Folge, daß die Entkopplungswirkung gegenüber den anderen Schaltungsteilen sowie die Glättungswirkung des Kondensators C1 zufriedenstellend-erfolgen. Aus diesem Grund ist der Kondensator C1 in diesem Ausführungsbeispiel nicht an den Verbindungspunkt zwischen den V/iderständen R2 und R3 sondern an den Emitter des Transistors T7 angeschlossen.

Wie oben beschrieben, vermittelt die Erfindung eine Differentialverstärker-Schaltung, bei der der Transistor zum Aufladen der Kondensatoren so eingesetzt wird, daß der Anstieg eines

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Ausgangssignals bei Einschalten der Versorgung außerordentlich rascher erfolgt als in Schaltungen nach dem. Stand der Technik. Außerdem verläuft erfindungsgemäß der Anstieg des Ausgangssignals beim Einschalten der Versorgung sanft, so daß das Rauschen (Knackton), das bisher beim Einschalten erzeugt wurde, beseitigt wird. Somit werden verschiedene hervorragende Ergebnisse erzielt. In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den '-i-'ransistoren um Bipolar-'Transistoren; ähnliche Ergebnisse werden auch bei Verwendung von Feldeffekt-Transistoren erzielt.

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Claims

- 1ο Patentansprüche

1.) Differentialverstärker-Schaltung, umfassend einen Differentialverstärker mit einem ersten und einem zweiten Eingang, ferner einen zwischen dem ersten Eingang und einer Eingangsklemme eingeschalteten ersten Kondensator, einen einen Hückkopplungspfad zwischen dem zweiten Eingang und einer Klemme einer Versorgung bildenden zweiten Kondensator sowie ein Rückkopplungselement zur Rückführung des Ausgangssignals des Differentialverstärkers an den zweiten Eingang, gekennzeichnet durch einen Emitterfolger-Transistor (T7), der die Spannung zwischen den Klemmen (Vco, Erde) der Versorgung teilt und eingangsseitig mit dieser Spannung beaufschlagt-wird, Ginen zwischen dem Emitter des Emitterfolger-Transistors und dem ersten Ende des Differentialverstärkers (T1, T2, T3, R1) eingeschalteten ersten Widerstand (R4-) und einen zwischen dem Emitter des Emitterfolger-Transistors und dem zweiten Kondensator (C2) eingeschalteten zweiten Widerstand (R9)·

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

03.R4^ C2.R9 ,

worin R4 der ¥iderstandswert des ersten V/iderstands (R4), R°/ der Wert des zweiten Widerstands (R9)» 03 die Kapazität des ersten Kondensators (C3) und G2 die Kapazität des zweiten Kondensators (C2) ist.

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3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Emitter des Emitterfolger-'Transistors (T7) und der einen Klemme (Erde) der Versorgung ein Glättungskondensator (Ci) liegt.

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