DE2256964C3

DE2256964C3 - Transistorverstärkerschaltung

Info

Publication number: DE2256964C3
Application number: DE2256964A
Authority: DE
Inventors: Veikko Reynold Spring Lake Heights N.J. Saari (V.St.A.)
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1971-11-24
Filing date: 1972-11-21
Publication date: 1978-04-06
Also published as: AT337252B; CA948720A; KR780000360B1; DE2256964A1; FR2163043A5; HK35576A; NL7215669A; SE381149B; NL162263C; CH545038A; US3739293A; GB1389715A; JPS4860850A; BE791687A; IT975808B; NL162263B; DE2256964B2; JPS5333026B2; ATA985972A

Description

Die Erfindung betrifft eine Transistorverstärkerschaltung mit einer ersten Eingangsdifferentialverstärkerstufe in Darlington-Schaltung, deren Eingangsanschlüsse mit dem Schaltungseingang bzw. mit Masse verbunden sind, mit einer nachfolgenden zweiten Differentialverstärkerstufe, die einen ersten und zweiten, in gemeinsamer Basiskonfiguration betriebenen Transistor aufweist, deren Basen mit einer ersten Bezugsspannung verbunden sind, wobei der Kollektor des ersten Transistors an einer zweiten Bezugsspannung liegt, mit einem ersten, zwischen einem ersten Ausgangsanschluß der Eingangsdifferentialverstärkerstufe und dem Emitter des ersten Transistors der zweiten Differentialverstärkerstufe liegenden ersten Widerstand, mit einem zweiten, zwischen dem zweiten Ausgangsanschluß der Eingangsdifferentialverstärkerstufe und dem Emitter des zweiten Transistors der zweiten Differentialverstärkerstufe liegenden zweiten Widerstand und mit einer Ausgangsstufe, deren Eingang mit dem Kollektor des zweiten Transistors der zweiten Differentialverstärkerstufe und deren Ausgang mit dem Lastkreis verbunden sind.

Während der letzten Jahre folgte die Entwicklung integrierter Operationsverstärker allgemein bestimmten, zuvor aufgestellten Prinzipien. Diese Verstärkerschaltung weisen gewöhnlich eine Eingangsdifferentialverstärkerstufe, die als Darlington-Schaltung ausgeführt sein kann (US-PS 3 510 791), und einen nachfolgenden Emitterfolger auf. Der Ausgang des Emitterfolgers wird danach pegelverschoben und zur Ansteuerung entweder eines Einzeltransistors oder eines komplementären B-Verstärkers verwendet.

Diese Art von integrierten Operationsverstärkern hat jedoch in der Regel eine begrenzte Bandbreite und Nachführgeschwindigkeit, wobei die Nachführgeschwindigkeit als diejenige maximale Spannungsänderung definiert ist, welche die Schaltung in einem vorgegebenen Zeitintervall hervorzurufen vermag, gemessen z. B. in V///S. Die relativ geringe Bandbreite und Nachführgeschwindigkeit sind auf die

niedrigen Vorströme zurückzuführen, welche für eine geringe Eingangsspannungsversetzung bzw, -korrektur der Eingangsstufen des Verstärkers erforderlich sind. Als Spannungsversetzung wird im folgenden diejenige Größe der Eingangsspannung verstanden, welche am Eingang zur Erzeugung der Ausgangsspannung Null erforderlich ist. In einem idealen Verstärker wäre diese Eingangsspannung Null. Aufgrund unvermeidbarer Fehlanpassungen zwischen den Komponenten einer realisierbaren Schaltung tritt jedoch eine Spannungsversetzung auf. Sie wird in der Regel mit Hilfe eines Vorstrom-Netzwcrkes kompensiert, wobei jedoch ihr Einfluß mit der Temperatur und der Versorgungsspannung veränderlich ist. Die niedrigen Vorströme in den Eingangsstufen des Verstärkers verhindern, daß große Ladungsmengen innerhalb kurzer Zeitintervalle übertragen werden. Dadurch werden große und rasche Spannungsänderungen am Verstärkerausgang verhindert und der Frequenzgang des Verstärkers bei einem relativ niedrigen Wert gehalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Transistorverstärkerschaltung verfügbar zu machen, bei dem die Spannungsversetzung am Eingang konstant ist.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs definierten Schaltung dadurch gelöst, daß eine erste Konstant-Stromquelle an die gemeinsame Emitterverbindung der Transistoren der Eingangsdifferentialverstärkerstufe angeschaltet ist, daß eine zweite Konstant-Stromquelle an die gemeinsame Basisverbindung der Transistoren der zweiten Differentialverstärkerstufe angeschaltet ist, daß ein Steuerstromzweig zwischen die gemeinsame Basisverbindung und einen Steueranschluß der ersten Konstant-Stromquelle geschaltet ist und daß die zweite Differentialverstärkerstufe mit der zweiten Konstant-Stromquelle gekoppelt ist.

Durch die Maßnahmen gemäß der Erfindung ist es möglich, bei einem monolithischen, integrierten Operationsverstärker die Spannungsversetzung auf der Eingangsseite stabil zu halten und zusätzlich bei einer extrem hohen Nachführgeschwindigkeit eine große Bandbreite zu gewährleisten. In der Zeichnung zeigt

Fi g. 1 ein Schaltbild eines Ausiührungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 2 und 3 detailliertere Teilschaltbilder der Schaltung gemäß Fig. 1 und

Fig.4 ein schematisciies Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Verwendung einer anderen Ausführungsform eines kreuzgekoppelten Verstärkers.

Bei der Eingangsdifferentialverstärkerstufe in Darlington-Schaltung wird das Eingangssignal der Basis des ersten Transistorpaares zugeführt, während die Basis des zweiten Transistorpaares geerdet ist. Die Emitter der beiden Transistorpaare sind mit einer herkömmlichen, an negativem Potential liegender Stromquelle gekoppelt. Die Ausgangssignale der Eingangsstufe, die von den Kollektoren der beiden Tran- 6" sistorpaare abgenommen werden, werden über Widerstände einer zweiten Differentialverstärkerstufe aus einem ersten und einem zweiten, in Basisschaltung betriebenen Transis.or zugeführt. Der Kollektor des ersten Transistors ist mit einer Spannungsquelle und der Kollektor des zweite Transistors mit einer an positivem Potential liegenden Stromquelle verbunden, die mit der auf negativem Potential liegenden Stromquelle der Eingangsstufe starr gekoppelt ist. Eui kreuzgekoppelter Transistorverstärker liegt parallel zu einem der beiden Koppelwiderstände. Diese Schaltung tastet das Signal am Kollektor des zweiten Transistorpaares ab und liefert in Abhängigkeit von diesem Signal einen zusätzlichen Strom an den zweiten Transistor der zweiten Differentialverstärkerstufe.

Der Kollektor des zweiten Transistors der zweiten Differentialverslärkerstufe ist ebenfalls mit einer Darlington-Verstärkerschaltung verbunden, die eine Spannungspegel-Schieberschaltung steuert. Der Ausgang dieses Verstärkers wird von einem Einzeltransistor in Emitterschaltung abgenommen, der mit dem Ausgang der Spannungspegel-Schieberschaltung verbunden ist.

Wie bereits erwähnt, ist die an positivem Potential liegende Stromquelle, die mit dem Kollektor des zweiten Transistors der zweiten Differentialverstärkerschaltung verbunden ist, mit der an -cgativem Potential liegenden Stromquelle der Eingan.osdifferentialverstärkerstufe starr gekoppelt. Diese starre Kopplung ermöglicht es, nach einer Einstellung der Schaltung die Spannungssetzung am Eingang auf tinem niedrigen Wert zu halten.

Kondensatoren liegen zwischen dem Eingang der Schaltung und dem Emitter des zweiten Transistors der zweiten Differentialverstärkerstufe sowie zwischen dem Kollektor dieses Transistors und der Basis des Ausgangstransistors. Diese Kondensatoren bilden für hohe Frequenzen einen Nebenschluß zur Eingangsstufe und zur Darlington-Stufe des Verstärkers. Diese Maßnahme ermöglicht hohe Nachführgeschwindigkeiten, große Bandbreiten und gewährleistet eine rasche Übertragung großer Ladungsmengen zur Basis des Ausgangstransistors.

Ein vereinfachtes Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung ist in Fig. 1 gezeigt. Diese vereinfachte Darstellung dient zur Verbesserung der Übersichtlichkeit der in F i g. 2 und 3 dargestellten vollständigen Schaltung. Die Eingangsstufe der Schaltung ist ein Differentialverstärker, bei dem zwei Transistorenpaare in Darlington-Schaltung vorliegen. Das erste dieser Paare besteht aus Transistoren 104 und 105. Der Eingang dieses ersten Paares, d. h. die Basis des Transistors 104. ist mit dem Schaltungseingang verbunden, und der Ausgang wird von dem gemeinsamen Kollektorpunkt der beiden Transistoren

104 und 105 abgenommen. Das Signal am Emitter des Transistors 104 wird an die Basis des Transistors

105 angelegt, und eine Stromquelle 107 ist so angeordnet, daß sie den Emitterstrom des Transistors 104 abzieht.

Das zweite Transistorpaar besieht aus Transistoren 102 und 103, welche in ähnlicher Weise wie die Transistoren 104 und 105 geschaltet sind. Der Eingang dieses zweiten Transistorpaares ist geerdet, und sein Ausgang ist ebenso wie bei dem ersten Transistorpaar am Ko'.lektor-Verbindungspunkt der beiden Transistorenpaare 102 und 103 vorgesehen. Eine Stromquelle 106 ist mit dem Emit'crstrom de? Transistors 102 verbunden. Außerdem sind die Emitter der Transistoren 103 und 105 mit dem Ausgang einer auf negativem Potential liegenden Stromquelle verbunden, welche aus Transistoren 112 und 113 aufgebaut ist. Diese Eingangsstufe wirkt ähnlich einem herkömmlichen Diffcrentialverstärkcr mit komplementären Ausgangssignalen an den Kollektoren der beiden Transistorpaare. Der Ausgang des ersten

Transistorpaares ist über einen Widerstand 109 mit dem Kmittcr eines Transistors 111 verbunden, der Bestandteil der zweiten Differentialvcrstärkerstufe ist. In ähnlicher Weise ist auch der Ausgang des zweiten Transistorpaarcs über einen Widerstand 108 mit dem Emitter eines Transistors 110 der zweiten Differentialvcrstärkerslufe verbunden.

Der Kollektor des zur auf negativem Potential liegenden Stromquelle der Eingangsstufe gehörigen Transistors 112 ist in einen gemeinsamen Emitterpunkt der Transistoren 103 und 105 angeschaltet; sein Emitter ist über einen Widerstand 114 mit einem Anschluß 141 verbunden, an welchem eine negative Spannung K, ansteht. Die Basis des Transistors 112 ist mit der Basis und dem Kollektor eines Transistors 113 gekoppelt. Außerdem liegt der Emitter des Transistors 113 über einen Widerstand 115 an der über den Anschluß 141 zur Verfügung gestellten negativen Spannung i _r im einstellbarer Widerstand 170 liegt zwischen dem Kollektor des Transistors 113 und dem Anschluß 141 und dient zum Abgleich der Schaltung. Mit Hilfe dieses Widerstandes kann die anfängliche Eingangsspannungsversctzung der Schaltung auf Null korrigiert werden, indem das geometrische Mittel der Stromdichten der Basis-Emilter-Strcckcn in den beiden Transistorpaaren gleich gemacht wird. Da die Transistoren 112 und 113 zu einer integrierten Schaltung gehören, haben sie im wesentlichen die gleichen Charakteristiken. Aus diesem Grunde bewirkt die Kopplung ihrer Basiselektroden, daß das Verhältnis der sie durchfließenden Ströme von dem Verhältnis der Widerstünde 114 und 115 und ihrer relativen Emitterfiächen abhängig ist. Der absolute Strom durch den Transistor 113 ist gleich der Differenz /wischen den Spannungen an den Anschlüssen 150 und 141 abzüglich der V_n, des Transistors 113. dividiert durch die Summe der Widerstände 120, 118 und 115. Daher bestimmt der Strom/, durch den Widerstand 120 den durch den Transistor 112 von den Emittern der Transistoren 103 und 105 gezogenen Strom, da die Differenz zwischen der Basisspannung des Transistors und der Spannung am Anschluß 141 durch die V₁₁, des Transistors 113 + /,/?,„ bestimmt ist. Das Verhältnis der die Transistoren 112 und 113 durchfließenden Ströme hängt außerdem zum Teil von ihren relativen Emitterflächen ab.

Die Widerstände 114 und 115 tragen auch zum thermischen Rauschen bei. indem sie die Rauschströme in dem sie selbst und die Basis-Emitter-Strecken der Transistoren 112 und 113 enthaltenden Netzwerk verringern.

Um zusätzliche Verstärkung in der Eingangsstufe hervorzurufen, ist ein kreuzgekoppelter Verstärker mit Transistoren 116 und 117 parallel zum Widerstand 108 geschaltet. Der Kollektor des Transistors

116 ist mit dem Emitter des Transistors 110 und einer Seite des Widerstandes 108 verbunden. Auch die Basis des Transistors 117 ist mit dem Ausgang des zweiten Transistorpaares gekoppelt, wobei der Ausgang mit der anderen Seite des Widerstandes 108 verbunden ist. Die Emitter der Transistoren 116 und

117 sind miteinander und über einen Widerstand 119 mit der negativen Speisespannung V _% am Anschluß 141 verbunden. Ein Widerstand 118, dessen Widerstandswert im wesentlichen gleich demjenigen des Widerstandes 108 ist, liegt zwischen dem Kollektor des Transistors 117 und der Basis des Transistors 116. Außerdem liegt ein Widerstand 120 zwischen der Basis des Transistors 116 und dem Kollektor de; Transistors 113 der negativen Stromquelle. Die Span nung an den Basiselektroden der Transistoren IH und Hl ist im wesentlichen gleich der Vcrsorgungsspannung K₁ am Anschluß 143 abzüglich der doppelten Spannung V₁₁₁. Dies ergibt sich aus dem Umlaul der Basis-Eniitter-Spannungsabfällen (Anstiegen] vom Anschluß 143 über die Anschlüsse 153. 154 und 155 zum Anschluß 152. Daher bleiben die Spannungen an den Kollektoren der Transistoren 116 und 117 im wesentlichen konstant bei V₁ 3 V₁₁₁ . Untci Berücksichtigung dieser Zusammenhänge können die Stromverstärkungseigenschaften des kreuzgckoppelten Verstärkers aufgezeigt werden. Wenn das zweite Transistorpaar zusätzlichen Strom aus dem Transistor 110 über den Widerstand 108 in Abhängigkeil vom anstehenden Eingangssignal abzieht, so wird die Spannung an der Basis des Transistors 117 geringer Dadurch sinkt die Spannung an den Emittern dci

»o Transistoren 116 und 117 und der Kollektorstrom des Transistors 116 nimmt zu, da dessen Basisspannung im wesentlichen konstant bleibt. Demzufolge wird zusätzlich Strom dem Transistor 110 entnommen und eine Stromverstärkung erreicht.

»5 Die zweite Differentialvcrstärkcrstufe besteht au« den beiden Basisschaltung betriebenen Transistorcr

110 und IM. Der Kollektor des Transistors 111 isl mit einer arn Anschluß 142 liegenden positiven Spannungsquellc V₁ verbunden. Dagegen ist der Kollektoi des Transistors 110 mit einer an positivem Potential liegenden Stromquelle verbunden. Wie zuvor erwähnt wird die Basisspannung der Transistoren 110 und

111 auf einem im wesentlichen konstanten Werl V₁ 2 V₁₁₁ gehalten. Bei dieser Anordnung wird das Ausgangssignal des ersten Transistorpaares des Eingangsdifferentialvcrstärkers nicht weiter in die Schaltung übertragen. Dagegen wird das Ausgangssignal des zweiten Transistorpaarcs nach Verstärkung durch den kreuzgckoppelten Verstärker von dem Transistoi HO durchgelassen. Diese Transistoren in Basisschaltung rufen eine niedrige Impedanz an den Kollektoren des Eingangsdifferentialverstärkers hervor, wodurch dessen Stromverstärkung und Abgleich infolge Verringerung der Signalspannung an den Kollektoren der Transistorpaare verbessert werden. Dies hat den Effekt, daß die interne Rückkopplung in den Eingangspaaren, welche die Schaltungsverstärkung begrenzt und die Symmetrie bzw. den Abgleich heraufsetzt, verringert wird.

Die mit dem Kollektor des Transistors 110 ν .--bundene an positivem Potential liegende Stromquelle umfaßt pnp-Transistoren 121 und 122, deren Emitter an der am Anschluß 143 anstehenden Spannung V₁ liegen und deren Basiselektroden miteinander gekoppelt sind. Da diese Schaltung zur Verwendung in einer monolithischen integrierten Schaltung konzipiert wurde, welche für npn-Transistoren optimiert worden ist, haben diese pnp-Transistoren sehr geringe Verstärkung. Wegen dieser geringen Verstärkung können die Transistoren nicht in derselben Weise wie die Transistoren 112 und 113 verbunden werden. Statt dessen müssen Maßnahmen getroffen werden, um die hohen Basisströme dieser Transistoren niedriger Verstärkung von der Steuerspannung am

'5 Anschluß 155 abzutrennen, während diese Spannung gleichzeitig am Anschluß 153 den Basiselektroden dieser Transistoren zur Verfügung gestellt wird. Dies geschieht durch Kopplung der Steuerspannung am

Anschluß 155 mil diesen Basiselektroden iiher Transistoren 123 und 124. Da die Hasisclcktnulcn und Imitier der Transistoren 121 und 122 zusammenpesehiillel sind, führen sie im wesentlichen den gleichen Kollektorsimm. Der Kollektorstrom des Transistors 122 ist im wesentlichen gleich

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wohei V₁ die Spannung am AnschltiU 143; K₁ die Größe der negativen Spannung am Anschluß 141; I'm die Basis-limitter-Spannung der Transistoren und K_llK. Ii₁., _(l und Ii₁₁. die Widcrstandswerle der Wideislande l"l8. 120 und 115 sind. Daher hat der Transistor 122 einen im wesentlichen konstanten kollektorstrom. der zu einem im wesentlichen auf demselben konstanten Wert liegenden Kollektorstrom des Transistors 121 führt.

Die Kollektorströmc der Transistoren 121 und 122 würden von den großen Basisströnien beträchtlich verringert, wenn der Anschluß 153 direkt mit dem Anschluß 155 gekoppelt wäre. Die Anordnung zum Abtrennen bzw. Ableiten dieses liasisslroms, welche demzufolge verhindert, daß der Uasisstrom dem Kollektorstrom des Transistors 122 überlagert wird, umfaßt eine Verbindung der üasiselckttoden der Transistoren 121, 122 und 123. Außerdem ist der Kollektor ties Transistors 123 mit seiner Basis verbunden. Der limitier des Transistors 123 ist an dem limitler lies Transistors 124 angeschlossen. Die Steuerspannung am Anschluß 155 wird an die Basis des Transistors 124 angelegt, dessen Kollektor mit der positiven Spannungsquellc V₁ am Anschluß 142 verbunden ist. Eine an negativem Potential liegende Stromquelle, welche aus Transistoren 126 und 127 aufgebaut ist. wird zur Abführung der Emittcrslrömc der Transistoren 122 und 123 benutzt.

Bei dieser Anordnung wird die am Anschluß 155 ansiehende Steuerspannung über die Basis-Emitter-Streckcn, der Transistoren 123 und 124 an die Basiselektroden der Transistoren 121 und 122 angelegt. Die hohen Basisströme der Transistoren 121 und 122 gehen jedoch über die Transistoren 123 und 124 nach Erde. Ein Widerstand 128 liegt zwischen der positiven Spannungsquelle V₁ am Anschluß 142 und den Basiselektroden von Transistoren 126 und 127. Der Kollektor des Transistors 127 ist unter Bildung einer Diode mit seiner Basis verbunden. Die Emitter der Transistoren 126 und 127 sind zusammen an Erde geführt. Da die Basiselektroden und Emitter der Transistoren 126 und 127 zusammengeschlossen sind, führen sie gleiche Kollektorströme, wenn ihre Emitterflächen gleich sind. Dieser Kollektorstrom wird von der Versorgungsspannung V₁, dem Basis-Emitter-Abfall des Transistors 127 und dem Widerstand 128 bestimmt. Daher führen die Emitter der Transistoren 123 und 124 einen konstanten Strom.

Der über den Anschluß 155 der an positivem Potential liegenden Stromquelle in dem Widerstand 120 fließende Steuerstrom und der aus dem Widerstand 120 am Anschluß 156 der aus den Transistoren 112 und 113 bestehenden, am negativen Potential liegenden Stromquelle austretende Steuerstrom sind gleich und haben dieselbe Größe, wobei der Strornweg über die Transistoren 125 und 129 und dem Widerstand 118 geschlossen ist. Da diese Steuerströme starr gekoppelt sind, sind die Ausgänge der beiden Stromquellen zusammengeschlossen. Der Ausgangsstrom der an positivem Potential liegenden Stromquelle ist im wesentlichen gleich dem Kollektorslrom des Transistors 122. Dieser Strom /, fließt über den in Fig. 1 bezeichneten Strompfad zum Anschluß 156. Daher ruft eine Erhöhung des Ausgangssignals am Anschluß 155 eine entsprechende Erhöhung des Ausgangssignals am Anschluß 156 hervor.

Diese Stromkopplungsanordnung ermöglicht es,

ίο die Eingangsspannungsversetzung bzw. -korrektur auf einem niedrigen Wert zu halten, sobald die Schaltung eingestellt ist. Wenn die beiden Stromquellen nicht starr gekoppelt wären und die am positivem Potential liegende Stromquelle einen erhöhten Strom liefern würde, so würde ein kleinerer Strom durch das erste Transislorpaar im EingangsdifTcrentialverslärkei aufgrund der durch den Widerstand 138 gebildeten Rückkopplung Hießen. Da der (iexamistrnm :111s ili-n beiden Transisto^rpaarcn von der am negativem Polential liegenden Stromquelle gesteuert wird, würde dieser verringerte Strom einen Anstieg des Stroms durch das zweite Transistorpaar hervorgerufen. Dadurch ergäbe sich eine Spannungsversetzung des Eingangsdilfcrcnlialverstärkcrs. Bei der beschriebenen

3$ starren Kopplung der beiden Stromquellen wird jedoch jede Änderung dieser Art von der zusätzlichen stromführenden, am negativem Potential liegenden Stromquelle verhindert. Dies bewirkt ein Anwachsen des Vorstroms der beiden Transistorpaare und verhindert die Spannungsversetzung. Bei dieser Stromkopplungsanordnung sind die Basis und der Kollektor des Transistors 125 mit dem Anschluß 155 verbunden. Der Emitter des Transistors 125 liegt über dem Anschluß 152 an den Basiselektroden der Transistoren 129, 110 und 111. Dadurch wird die Spannung am Anschluß 152 gleich der Versorgungsspannung V₁-I- V_Bli. Außerdem ist der Kollektor des Transistors 129 mit dem Emitter des Transistors 125 gekoppelt, um einen Strompfad für den Strom /, zu bilden. Der Emitter des Transistors 129 ist mit dem Verbindungspunkt 150 des Kollektors des Transistors 117 und des Widerstands 118 verbunden. Ferner liegen die Widerstände 118 und 120 in Tandemschaltung zwischen den Anschlüssen 150 und 156.

Das Ausgangssignal der zweiten Differentialverstärkerstufe des Verstärkers am Kollektor des Transistors 110 wird an einen Darlington-Verstärker angelegt, der aus Transistoren 130 und 131 besteht. Der Kollektor des Transistors 110 ist mit der Basis des Transistors 130 verbunden; die Kollektoren der Transistoienl30 und 131 liegen an der positiven Spannungsquelle V₁ am Anschluß 144. Außerdem wird das Ausgangssignal von der zweiten Differentialverstärkerstufe zur Basis des Transistors 131 über den Emitter des Transistors 130 gekoppelt. Ein Widerstand 132 liegt zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors 131 und dient zum Abführen des Emitterstroms des Transistors 130. Dieser Darlington-Verstärker wirkt im Sinne einer Stromverstärkung des

Signals ohne einen Spannungsanstieg, so daß er zum Treiben der Ausgangsstufe geeignet ist.

Eine Spannungspegel-Schieberschaltung 133 verschiebt die Ausgangsspannung am Emitter des Transistors 131 auf einen niedrigeren Mittelwert und legt

sie an die Basis des Ausgangstransistors 134. Ein Widerstand 135 liegt zwischen der Basis des Transistors 134 und dessen Emitter. Außerdem ist der Emitter des Transistors 134 mit der negativen Spannungs-

quelle V., am Anschluß 145 verbunden. Der Ausgang der Schaltung am Anschluß 101 wird vom Kollektor des Transistors 134 abgeleitet. Der Kollektor des Transistors 134 ist außerdem über einen Widerstand 136 mit einer positiven Spanniingsquclle V_x und über einen Widerstand 137 mit Erde verbunden.

Die bisher tjschriebcne Anordnung ist einfach ein rückkopplungs-frcier DilTcrentialverstärker hoher Verstärkung mit einer besonderen Anordnung zur Verringerung von Versetzungsunterschieden durch gekoppelte Stromversorgung. Das Eingangssignalwird in zwei verstärkte, komplementäre Signale im EingaiigsdilTerentialverslärker umgesetzt. Hines dieser Signale wird stromvcrstiirkt und an eine Transistorslufe in Basisschaltung angelegt, welche es an einen Darliiigton-Verstiirker überträgt. Der Darlinglon-Vci stärker erhöht die Stromstärke des Signals vor

V.-

li: Ti

bersignal für die Ausgangsstufe. Durch Einschaltung eines Widerstandes 138 zwischen dem Eingang lies ersten Transistorpaares am Anschluß 100 und dem Schaltungsausgang am Anschluß 101 wirkt diese Anordnung als Operationsverstärker, wobei der Widerstund 138 einen Rückkopplungswiderstand bildet.

Um die Nacliführgeschwindigkeit und die Handbreite des Verstärkers zu vergrößern, sind Kapazitäten 139 und 140 als Nebenschluß des Verslarknabschnitts bzw. der Darlington-Stufe vorgesehen. Der Eingangsabschnilt begrenzt normalerweise die Nachführgeschwindigkcit, da er für niedrige Eingangsversctzung vorgespannt ist und daher nur relativ kleine Signale überträgt. Aus diesem Grun.le können nur kleine Ladiingsmcngcn durch den Eingangsabschnitt in einem kurzen Zeitintervall übertragen werden.

Bei Einschaltung dieses Kondensators 139 ist ein weiterer Kondensator 160 erforderlich, um die Spanmingsvcrstärkung des nehengeschiosscncn Teils der Schaltung unter eins zu bringen, bevor die Wirkungen des Kondensators 139 beachtlich werden. Dadurch wird eine positive Rückkopplung über die vom Kondensator 139 geschaffene Schleife verhindert, welche die Schaltung instabil machen würde. Durch Einschaltung des Kondensators 160 zwischen dem gemeinsamen Kollektorpunkt des zweiten Eingangstransistorpaares und dem gemeinsamen Emitterpunkt des kreuzgekoppcltcn Verstärkers wird die Verstärkung verringert. Der Kondensator 140 überbrückt die Darlington-Stufe und die Spannungspegel-Schieberschaltung für hohe Frequenzen. Diese trägt auch dazu bei, die Stabilitätsgrenzen des Verstärkers zu vergrößern. Tatsächlich geben diese Kondensatoren den Hochfrequenzkomponenten des Eingangssignals die Möglichkeit, die angegebenen Verstärkerstufen, die einen schlechten Frequenzgang und eine geringe Nachlaufgeschwindigkeit haben, zu umgehen.

F i g. 2 und 3 sind vollständige Schaltbilder eines Ausführungsbeispiels des integrierten Operationsverstärkers. Die meisten Elemente sind die gleichen wie diejenigen in F i g. 1 und tragen demgemäß die gleichen Bezügszeichen. Die verschiedenen Funktionseinheiten des Verstärkers sind strichpunktiert umrandet, und die gesamten Elemente der integrierten Schaltung selbst sind von unterbrochenen Linien umgeben. Die außerhalb der unterbrochenen Linien dargestellten Komponenten sind externe Komponenten, welche an die integrierte Schaltung angeschlossen sind.

Fn Fig. 2 ist die Stromquelle 106 der F i g. 1 durch einen Transistor 206 und einen Widerstand 208 ersetzt. Der Kollektor des Transistors 206 ist mit dein Emitter lies Transistors 102. und sein Emitter über einen Widerstand 208 mit dem Anschluß 141 verbunden. Die Basis des Transistors 206 liegt an der Basis des 'Transistors 113. Diese Stromquelle wirkt in derselben Weise wie die Stromquelle mit dem Transistor 112 und dem Widerstand 114. Der'Transistor 113 und der Widerstand 115 entwickeln eine Sleiierspan-

niing an der Basis des Transistors 206 in Abhängigkeit von dem durch die positive Stromquelle gelieferten Strom /,. Diese Sleuerspannung ruft ihrerseits den Kollektorslrom des 'Transistors 206 hervor, der von dem Widerstandswert des Widerstandes 208 abhängig ist. In ähnlicher Weise ist die Stromquelle 10^T der Ausführiingsform gemäß F i g. I ersetzt durch einen Transistor 207, dessen Kollektor mit dem Eiuit- !'J!' des ! r:::;'.is!;;r'. !!!4 i::ic! ;!l'v;c:; Fi"i!'"' ■"■' ·'··*" Emitter des Transistors 206 verbunden ist. Diese Stromquelle wirkt in derselben Weise wie die vom Transistor 206 gebildete Stromquelle, da die Basiselektroden der Transistoren 206 und 207 zusammengeschlossen sind.

Die negative Stromquelle liefert bei der Ausfiihriingsform gemäß F i g. 2 einen im Vergleich zu derjenigen nach F i g. I erhöhten Ausgangsstrom. da ein zusätzlicher Transistor 212 und ein Willerstand 214 parallel zu dem Transistor 112 und dem Widerstand 114 liegen. Der Kollektor des Transistors 212 ist mit dem Kollektor des Transistors 112 verbunden, und die Basiselektroden der Transistoren 112 und 212 sind zusammengeschlossen. Die negative Spannung am Anschluß 141 liegt über einen Widerstand 214 am Emitter des Transistors 212. Diese Spannung ist angenähert gleich V.„ da der Widerstand 205 einen relativ geringen Widerstandswert hat.

Die positive Stromquelle gemäß F i g. 2 ist nahezu identisch derjenigen der Ausführiingsform nach Fig. I. Die Stromabführung für die Transistoren 123 und 124 wurde jedoch bei dieser Ausfüh-.ingsform dadurch verstärkt, daß ein Transistor 215 parallel zum Transistor 126 geschaltet wurde. Diese beiden Transistoren sind mit ihren Basiselektroden, Kollektoren und Emittern jeweils zusammengeschlossen.

Die Versorgungsspannung V₁, welche in der integrierten Schaltung gebracht wird, wird von einer Transistoren 221 und 222 aufweisenden Spannungsquelle erzeugt. Eine externe positive Spannung wird am Anschluß 265 angelegt. Dadurch wird ein Strom durch einen Widerstand 220 geschickt, der zwischen einem Anschluß 265 und dem Kollektor des Transistors 111 liegt. Widerstände 223 und 224 liegen zwischen dem Kollektor und der Basis bzw. zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors 222. Der Kollektor des Transistors 222 ist mit dem Kollektor des Transistors 111 gekoppelt, und sein Emitter ist mit der Basis des Transistors 221 verbunden. Ein Widerstand 225 liegt zwischen Basis und Emitter des Transistors 221, und der Kollektor des Transistors 221 ist mit dem Kollektor des Transistors 222 gekoppelt. Während des normalen Betriebs fließt ein Strom durch den Widerstand 220 und ruft am Anschluß 142 eine Spannung hervor. Außerdem sind die Transistoren 221 und 222 stromführend, da über den Widerstand 223 eine Spannung an der Basis des Transistors 222 ansteht, und der Emitter des Transistors 222 liefert eine Spannung an die Basis des Transistors 221. Wenn eine erhöhte Strommenge von dem übri-

gen Teil der Schitllung von ilein Anschluß 142 gezogen wird. M> ergibt sich ein entsprechender Spannungsabfall im diesem Anschluß. Dieser Spannungsabfall wird an die Basiselektroden der Transistoren 221 und 222 angelegt und bewirkt, daß diese Transistoren weniger Strom ziehen. Dadurch wird die Spannung am Anschluß 142 wieder hergestellt. Diese Operationsweise bewirkt, daß die Spannung am Anschluß 142 auf einem im wesentlichen konstanten Wert bleibt.

F i g. 3 zeigt eine Schaltung, welche für die gesamte integrierte Schaltung die negativen Spannungen V., und K, entwickelt. Die Spannung K₁ wird von einer Reihe von Transistoren 230, 2il". 232, 235 und 236, deren Kollektoren an Finle bzw. Masse liegen, erzeugt. Die Basis des Transistors 230 ist ebenfalls geerdet, und sein !-miller ist mil der Basis des Transistors 231 verbunden. In ähnlicher Weise liegt der F'.mitler des T'aiisistors 231 an der Basis des Transistors 232; de Emitter des Transistors 232 ist mit der Basis des Transistors 23S verbunden: und der F-.mitler des Transistors 235 ist mit der Basis des Transistors 236 gekoppelt. Hin Widerstand 234 liegt zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors 232 und dient der Abfuhr lies Emitterstroms des Transistors 231. Außerdem ist ein Widerstand 233 zwischen der Basis und dem Fimitter des Transistors 235 zum Abführen der Strome der Transistoren 231 und 232 vorgesehen. Der Emitter des Transistors 235 ist ebenso wie der Emitter des Transistors 236 mit dem Κ,-Ausgang am Anschluß 261 verbunden. Ein Widersland 227 liegt zwischen der Basis des Transistors 236 und dessen Emitter. Dieser Widerstand ist jedoch bei tier dargestellten Schaltung ebenso wenig wie der Transistor

236 wirksam. Durch Entfernen des Widerstandes 227 kann jedoch die Spannung K, erhöht werden. I3iese Spannung K₁ wird zur Verwendung in der negativen Stromquelle über den Widerstand 205 verfügbar gemacht.

Die Größe der Ausgangsspannung K₁ wird von den Basis-Emitterspannungen der Transistoren der Transistorreihe bestimmt.

Die Ausgangsspannung K₁ wird jedoch durch Anliegen der Spannung K₁ an die Basis des Transistors

237 erzeugt, wobei die Ausgangsspannung K, von dessen Emitter abgenommen wird. Ein Widerstand

238 liegt zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors 237, dessen Kollektorwiderstand 239 an Masse liegt. Außerdem bildet ein Widerstand 250 zusammen mit der negativen Spannung V. am Anschluß 266 eine Schaltung zum Abführen des Emitterstroms von den Transistoren 237 und 134, wobei der Strom durch den Transistor 238 fließt.

Die Spannungspegel-Schieberschaltung 133 in F i g. 1 wurde durch eine Schaltung mit den Transistoren 240, 242 und 243 ersetzt. Der Kollektor des Transistors 240 ist mit dem Ausgang der Darlington-Schaltung am Emitter des Transistors 131 verbunden, und sein Emitter ist mit der Basis des Ausgangstransistors 134 gekoppelt. Ein Widerstand 241 liegt zwischen der Basis und dem Kollektor des Transistors 240. Eine aus Transistoren 242 und 243 gebildete Stromquelle zieht Strom durch den Widerstand 241 und erzeugt dadurch die Basis-Kollektor-Spannung. Die verbleibende Spannungspegelverschiebung erfolgt durch die im wesentlichen konstanten Basis-Emitter-Spannung des Transistors 240. Die Stromquelle mit den Transistoren 242 und 243 ist in derselben Weise wie die Stroiiiabführsehaltung mit den Transistoren 126 und 127 eier positiven Stromquelle angeordnet. Insbesondere sind die Basiselektroden und die Emitter tier Transistoren 242 und 243 jeweils zusaniniengeschaltet. Der Kollektor des Transistors 242 ist mit der Basis des Transistors 240 und der Kollektor des Transistors 243 mit der Basis lies Transistors 242 gekoppelt. Firn Widersland 244 liegt /wischen der Basis des Transistors 242 und dem Emitter

Ό des Transistors 230 der negativen Versorgungsspanniingsquclle. Die negative Spannung K, am Anschluß 262 wird an den gemeinsamen Fimillerpunkl der Transistoren 242 und 243 über einen Widerstand 245 angelegt. Da die Basiselektrode und Emitter der Transistoren 242 und 243 zusammengesehallet sii.d, haben diese Transistoren angenähert gleiche Kollektorströme. Der Kollektorstrom des Transistors 243 wird ic

K, u'cv Basis

Spannung der Transistoren 230 und 243 und dem Wert der Widerstände 244 und 245 beeinflußt. Daher bleibt der Strom durch den Widerstand 241 konstant. F^:.in Temperaturanstieg verursacht aufgrund der Verminderung der Basis-Emitter-Spannungen in der Vo rsorgungsspanniingsschaltung ein Abfallen der Spanas nung K₁. Daher muß die Spannungspogel-Schieberschaltung diese Verschiebung korrigieren, um die Vorspannungen in anderen Teilen der Schaltung in geeigneter Weise aufrecht zu erhallen. Eine Temperaturerhöhung verursacht auch ein Abfallen der V_m des Transistors 240. Diese Spannlingsverminderung wird jedoch durch ein Abfallen der V^ der Transistoren in der Stromquelle kompensiert, welche eine sprunghafte Zunahme des Stromes im Willerstand 241 hervorruft. Diese sprunghafte Stroni/unahmc wird jedoch durch die viel größere Stromabnahme durch den Widerstand 241 in Folge der Änderung von K, kompensiert. Dadurch wird die Spannung am Emitter des Transistors 1.¹I auf einem im wesentlichen konstanten Wert gehalten, wodurch die Cicsamt-4" Spannungsverschiebung eine Änderung mit der Spannung K, erfährt. Ein Kondensator 246 liegt zwischen dem Kollektor und dem Emiller des Transistr rs 240 und dient zur Verbesserung des Frequenzganges für hohe Frequenzen des Spannungspegel-Schiebeis und zur Verringerung von dessen Rauscheitilluß.

Ein Widerstand 200 liegt zwischen der Eingangssignalquelle und dem Eingang des zweiten Transistorpaares an der Basis des Transistors 104. Auch Widerstände 252 und 253 liegen zwischen der Eingangsso basis des Transistors 104 unu dem Schaltungsausgang am Kollektor des Transistors 134 in Reihe. Diese Widerstände gehören zur integrierten Schaltung und wirken als Riickkopplungswiderstände. Da sie einen Teil der Schaltung selbst bilden, ermöglichen sie eine Prüfung der Schaltung ohne Anschluß von äußeren Rückkopplungswiderständen. Da diese Widerstände relativ große Widerstandswerte im Vergleich zu normalen Rückkopplungswiderständen haben, kann ihr Einfluß durch Erdung ihres Verbindungspunktes am Anschluß 264 ausgeschaltet werden. Der normale Rückkopplungswiderstand 138 hat nach der Darstellung einen parallel geschalteten Kondensator 254. Dieser Kondensator dient der Frequenzformung.

Kondensatoren 226 und 251 bewirken eine Entkopplung der externen Spannungen K₄ und V. an den Anschlüssen 142 und 262. Ferner entkoppelt ein Kondensator 270 die Basisschaltungsstufe am Anschluß 152.

Im folgenden werden die Werte für Widerstände, Kondensatoren und Spannungen im Verstärker für ein Ausführungsbeispiei angegeben. Diese Werte wurden in einer bereits realisierten und erfolgreich betriebenen Verstärkerschaltung verwendet. Sie sind jedoch nur als Anhaltspunkt für ein Ausführungsbeispiel anzusehen.

Spannungen	-t- 3 Volt
'ι	-3,2VoIt
. ,-	2,4 Volt
	τ 8 Volt 8 Volt
¹ 4 '5

Externe Widerstände

«₆

K_n 25012

R..' 500 Ω

Κ 250Q

*,,,
R 220 Ω

Interne Widerstände

R,

ι R,

.,„„
J₁₄

#2 «2

252
25.1

C,

M 39

400 Ω

K₁₁₄ 303 Ω

K₁₁ 345 Ω

#π, ^400Ω

#„., 2.2 k«

R 4.0 kΩ

Κ",, 750 Ω

2,0 kΩ

1,4 kΩ

veränderlich

2,0 k«

303 Ω

1300 Ω

600 H

300 Ω

2.2 kΩ

3.3 k« 80 Ω

1.0 k«

2.1 kΩ 2,1 k«

100 Ω 24 kΩ 10 kΩ

Externe Kondensatoren

0,01 ,.F 0,001 μΡ

0,1

1„F
4,7 |iF
0,001

F i g. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer anderen Verbindung für den kreuzgekoppelten Verstärker. Die meisten Komponenten dei F i g. 4 cntsprechen denjenigen der F i g. 2 und tragen dieselben Bezugszeichen.

Der kreuzgekoppelte Verstärker mit den Transistoren 116 und 117 wurde zu einer besser abgeglichenen Anordnung abgewandelt. Der Emitterwiderstand 119 dieser Transistoren ist bei diesem Ausführungsbeispiel mit der Basis des Stromquellentransistors 113 und nicht mit der negativen Spannungsquelle K₃ verbunden. Außerdem entfallen der Transistor 129 sowie die Widerstände 118 und 120. Der Kollektor des

ao Transistors 117 ist mit dem Emitter des Transistors

115 verbunden, und die Basis des Transistors 116 liegt am Kollektor des Transistors 105. Bei dieser Anordnung liefert der kreuzgckoppcltc Verstärker einen erhöhten Verstärkungsfaktor. Bei der Anordnung nach F i g. 2 wurde an die Basis des Transistors

116 eine im wesentlichen konstante Spannung angelegt. Bei der Anordnung gemäß F i g. 4 wird dagegen der Basis des Transistors 116 das Diffcrcnzsignal vom Kollektor des Transistors 105 zugeführt. Daher wirken die Transistoren 116 und 117 ähnlich einem Differentialverstärker mit an den beiden Basen anstehenden komplementären Spannungen. Dies ruft einen entsprechenden Anstieg des vom Transistor 116 dem Transistor 110 zugeführten Signalstroms hervor.

Der Steuerstrom aus der positiven Stromquelle, der am Knotenpunkt 152 eintritt, wird jetzt durch den Transistor 111, der als Diode geschaltet ist, geleitet. Die Stromkopplung ist auch bei dieser Anordnung wirksam, da die Spannung am Anschluß 152 inncrhalb der Spannungsabfälle an zwei Dioden am Anschluß 302 gehalten wird. Der erste Dioden-Spannungs-Abfall tritt an der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 110 und der zweite Spannungs-Abfall an der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 117 auf.

Der Vorspannungsabfall über den Widerstand 108 ist gewöhnlich im Vergleich zu den Spannungsabfällen an diesen Dioden klein und kann daher außer Betracht bleiben. Wenn der in den Verbindungspunkt 152 aus der positiven Stromquelle eintretende Strom direkt an die Basis des Transistors 113 gelegt würde, so könnte der Transistor 111 mit seinem Kollektor wie in Fig. 2 an die positive Spannungsquellc angeschlossen werden.

Es ergibt sich aus der vorhergehenden Beschreibung, daß die erfindungsgemäß getroffenen Maßnahmen zum Aufbau eines Operationsverstärkers mit verbesserter Spannungsversetzungsstabilität, größerer Frequenzbandbreite und Nachfuhrgeschwindigkeit führen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind

ίο selbstverständlich viele konstruktive Abwandlungen möglich.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Transistorverstärkerschaltung mit einer ersten Eingangsdifferentialverstärkerstufe in Darlington-Schaltung, deren Eingangsanschlüsse mit dem Schaltungsemgang bzw. mit Masse verbunden sind, mit einer nachfolgenden zweiten Differentialverstärkerstufe, die einen ersten und einen zweiten, in gemeinsamer Basiskonfiguration betriebenen Transistor aufweist, deren Basen mit einer ersten Bezugsspannung verbunden sind, wobei der Kollektor des ersten Transistors an einer zweiten Bezugsspannung liegt, mit einem ersten, zwischen einem ersten Ausgangsanschluß der Eingangsdifferentialverstärkerstufe und dem Emitter des ersten Transistors der zweiten Differentialverstärkerstufe liegenden ersten Widerstand, mit einem zweiten, zwischen dem zweiten Ausgangsanschluß der Eingangsdifferentialverstärkerstufe und dem Emitter des zweiten Transistors der zweiten Differentialverstärkerstufe liegenden zweiten Widerstand und mit einer Ausgangsstufe, deren Eingang mit dem Kollektor des zweiten Transistors der zweiten Differentialverstärker- as stufe und deren Ausgang mit ,dem Lastkreis verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Konstant-Stromquelle (112 bis 115) an die gemeinsame Emitterverbindung (e) der Transistoren der Eingangsdifferentialverstärkerstufe (102 bis 105) angeschaltet ist, daß eine zweite Konstant-Stromquelle (?21 bis 125) an die gemeinsame Basisverbindung (152) der Transistoren der zweiten DifTerenr^alverstarkerstufe angeschaltet ist, daß ein Steuerstromkreis zwisehen die gemeinsame Basisverbindung (152) und einen Steueranschluß (156) der ersten Konstant-Stromquelle (112 bis 115) geschaltet ist und daß die zweite Differentialverstärkerstufe mit der zweiten Konstant-Stromquelle (121 bis 125) gekoppelt ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stromquelle (112 bis 115) an einem negativen Potential (K₁) und die zweite Stromquelle (121 bis 125) an einem positiven Potential [V₁) liegt.

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stromquelle einen ersten (112) und einen zweiten (113) Transistor aufweist, deren Basen miteinander verbunden (156) sind und deren Emitter über einen ersten (114) bzw. über einen zweiten (115) Widerstand an einer negativen Bezugsspannung (141) liegen, daß der Kollektor des zweiten Transistors (113) über einen veränderbaren Widerstand (170) einerseits mit der negativen Bezugsspannung (141) und andererseits mit den Basen (156) verbunden ist und daß der Kollektor des ersten Transistors (112) an der gemeinsamen Emitterverbindung (e) der Eingangsdifferentiälvefstiirkerstufc liegt.

4. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Stromquelle einen ersten (121) und einen zweiten (122) Transistor aufweist, deren Emitter mit einer positiven Bezugsspannung (143) und deren Basen miteinander (153) verbunden sind, daß der Kollektor des zweiten Transistors (122) mit der ersten Bezugsspannung (155) und der Kollektor des ersten Transistors (121) mit dem Kollektor des zweiten Transistors (HO) der zweiten Differentialverstärkerstufe verbunden sind.

5. Schaltung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren der zweiten Stromquelle pnp-Transistoren und alle übrigen Transistoren npn-Transistoren sind und daß Schaltungsmittel (123, 124) vorgesehen sind, die große Basisströme aus den pnp-Transistoren von der ersten Bezugsspannung (155) wegleiten, während gleichzeitig diese Spannung an den Basen der pnp-Transistoren (121, 123) liegen, um die niedrige Verstärkung der pnp-Transistoren (121, 122) auszugleichen.

6. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand (120) zwischen dem Kollektor des zweiten Transistors (113) der ersten Stromquelle und über einen Widerstand (118) und zusätzliche Transistoren (129, 125) dem Kollektor des zweiten Transistors (122) der zweiten Stromquelle liegt.