DE2322466A1 - Operationsverstaerker - Google Patents

Description

• Anlage zur Patentanmeldung Operationsverstärker Die Erfindung betrifft einen Operationsverstärker, bestehend aus einer aus zwei NPN-Transistoren, deren Emitter mit einer Stromquelle verbunden sina, gebildeten Differenzverstärker-Eingangsstufe und aus einer Auskoppelstufe.
• Unter der Bezeichnung CTA (Operational Transconductance Amplifier, ACn CA 3G60) ist bereits ein Operationsverstärker dieser Art bekanntgeworden, der zur Auskopplung aus der Differenzverstärker-Eingangsstufe ein aus fünf PNP-Transistoren bestehendes Netzwerk besitzt, dessen Ausgänge direkt bzw. über einen WPN-Stromspiegel mit dem auf diese Weise im Gegentakt betriebenen Ausgang verbunden sind. Diese Schaltung hat aber den Nachteil, dass das aus fünf PNP-Uransistoren bestehende Netzwerk die maximale Eingangsspannung und die Ausgangsspannung des Verstärkers auf einen um eine Dioden-Flußspannung unterhalb der positiven Betriebsspannung liegenden Wert begrenzt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Operationsverstärker der eingangs genannten Art zu beseitigen. Es soll eine einfache Schaltung angegeben werden, welche bei niedriger Offset~spannung eine Aussteuerung des Eingangs und des Ausgangs bis fast an die positive Versorgungsspannung ermöglicht und sich gut als Spannungsfolger eignet.
• Der Operationsverstärker soll monolithisch integrierbar sein und in IC-Standard-Technologie hergestellt werden können.
• Erfindungsgemäss ist diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Auskoppelstufe zwei gleiche ESP-Transistoren enthält, deren Emitter gemeinsam mit dem positiven Pol einer Versorgungsquelle galvanisch verbunden sind, deren Basen jeweils mit den Kollektoren der Eingangsstufentransistoren galvanisch verbunden sind, und dass der Kollektor des einen PNP-Transistors direkt mit dem Ausgang des Verstärkers, und dass der Kollektor des anderen PtT-Transistors mit den Eingang einer Stromspiegel-Schaltung verbunden ist, deren Ausgang ebenfal s mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden ist.
• Weitere Einzelheiten und zweckdienliche Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen in-Verbindung mit der nun folgenden Beschreibung von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen.
• Es zeigen: Fig. 1 bis Fig. 5 Ausführungsbeispiele von Operationsverstärkern gemäss der Erfindung.
• Fig. 1 zeigt die Schaltung eines Operationsverstärkers in der einfachsten Ausführung der Erfindung mit zwei zur Auskopplung dienenden PNP-Transistoren 9 und 10. Die Verstärkerschaltung gemäss Fig. 1 besitzt zwei Eingangsklemmen 1 und 2, eine Klemme 3 für den Pluspol, eine Kleine 4 für den Ilinuspol der Versorgungsspannung sowie eine Ausgang kleine 5. Die mit den Emittern verbundenen NET-Transistoren 6 und 7 bilden die Diff erenz-Eingangs stuf e des Verstärkers.
• Die Emitter sind wie üblich mit einer Stromquelle 8 verbunden.
• Die Basen der Auskopplungs-Transistoren 9 und 10 sind erfindungsgemäss mit den Kollektoren der Eingangs stufen-Transistoren 6 und 7, ihre beiden Enitter gemeinsam mit der Versorgungsspannung über Klemme 3 verbunden. Der Kollektor des Auskopplungstransistors 10 ist direkt mit der Ausgangsklemme 5 verbunden, während der Kollektor des Auskoppeltransistors 9 mit dem Eingang des aus den NPN-Transistoren 11, 12 gebildeten, an sich bekannten Stromspiegels verbunden ist. Der Ausgang des Stromspiegels ist direkt mit der Ausgangsklemme 5 verbunden.
• Wenn der Ausgangsstrom über Klemme 5 genügend klein gegen den Kollektorstrom des Transistors 10 ist, so ist - bei hinreichend hoher Stronverstärkung der Transistoren 11 und i2 -der Kollektorstrom des Transistors 9 nur wenig vom Kollektorstrom des Transistors 10 verschieden. Wenn ausserdem die nebeneinander in gleicher Geometrie integrierten PNP-Transistoren 9 und 10 annähernd gleiche Stromverstärkungen aufweisen, dann sind die Kollektorströme der Eingangstransistoren 6, 7 annäher@d gleich. Da die Transistoren 6, 7 in gleicher Geometrie nebeneinander integriert sind, ist dann auch die Offsetspannung zwischen 1 und 2 gering.
• Gegenüber der mit OTA bezeichneten bekannten Grundschaltung ergibt sich neben der Verinfachung der Vorteil, dass die Eingangsspannung von 1 gegen 4 bzw. an 3 gegen 4 sowie die Ausgangsspannung an 5 fast bis an die an 3 liegende Versorgungsspannung herangeführt werden darf.
• In einer weiteren Verbesserung der Schaltung nach Fig. 1 sind die iNP-Auskoppeltransistoren 9 und 10 erfindungsgemäss durch an sich bekannte PNP-Lateral-Transistoren 13, 14 mit äe einem zweiten Kollektor, der mit der Basis verbunden ist, ersetzt, wie in Fig. 2 dargestellt. Der zweite Kollektor kann dabei dieselbe oder eine kleinere Randlänge besitzen wie der erste Kollektor. Verhalten sich die Randlängen wie 1/1, so ist die resultierende Stromverstärkung des gegengekoppelten Transistors etwas kleiner als 1 und relativ unabhängig von der Stror verstärkung des nicht gegengekoppelten Transistors. Macht man den zweiten Kollektor z.B. nur halb so lang wie den ersten, dann ist die resultierende Verstärkung stets kleiner als 2 und etwas mehr von der ursprünglichen Stromverstärkung abhängig.
• Die Schaltung nach B> 2 weist demnach gegenüber der nach Fig. 1 zwei Vorteile auf. Zum einen werden Stromverstärkungsstreuungen der beiden Auskoppeltransistoren untereinander durch ie Gegenkopplung unterdrückt, dadurch wird die Offsetspannung zwischen 1 und 2 kleiner; zum anderen können die Kollektorströme der Auskoppeltransistoren nicht unzulässig hoch ansteigen, wenn die Stromverstärkung sehr hoch ist. Diese Vorteile hat die Schaltung gemäss der Erfindung nach Fig. 2 mit der erwähnten ODA'-Schaltung gemeinsam. Der günstigere Spannungshub von Eingang und Ausgang bleibt jedoch wie in der Schaltung nach Fig. 1 erhalten.
• In Fig. 3 sind zwei weitere Verbesserungen der Schaltung gemäss der Erfindung zu erkennen. Es sind sowohl bei den gegengekoppelten Auskoppeltransistoren 13, 14 als auch beim Stromspiegel 11, 12 (Fig. 1, 2) weitere Transistoren zur Verminderung der Abhängigkeit von den Stromverstärkungen hinzugefügt. Die PNP-Transistoren 15, 16 bringen die Basisströme für die Transistoren 13, 14 auf. Sie können als Lateraltransistoren oder auch als vertikale Substrattransistoren ausgeführt sein.
• Die resultierende Stromverstärkung der Transistorkombination 13, 15 bzw. 14, 16 hängt praktisch nur noch vom Längerlverhältnis des ersten zum zweiten Kollektor des Transistors 13 bzw.
• 14ab. Dieses Verhältnis kann beispielsweise zu 3 gemacht werden. Als Stzwomspiegel dient die bekannte Schaltung 17, 18, 19 (nacn Camenzind).
• Infolge der hinzugefügten Transistoren 15, 16 darf die Eingangsapannung an 1 bzw. 2 gegen 4 nur bis auf eine Diodenflussspannung an die Versorgungsspannung an 3 herangeführt werden.
• Im Gegensatz zur "OTA"-Grundschaltung kann jedoch der Ausgang 5 bis nahezu auf die Versorgungsspannung an 3 durchschalten.
• Damit der Ausgang 5 andererseits auch bis nahezu auf das Minuspotential an 4 heruntergeschaltet werden kann, karin mah die Stromspiegel :Schaltung 17, 18, 19 in Fig.,3 durch die Schaltung 20, 21, 22 in Fig. 4 ersetzen, bei der die Basisströme der Transistoren 20, 21 vom Emitterfolger 22 aufgebracht werden.
• Der Kollektor des Transistors 22 kann direkt oder zum Schutz bei Uberspannungen über einen Widerstand 23 mit der Versorgungsspannung von 3 verbunden werden. Wenn die Schaltung bei hoher Temperatur arbeiten soll, wird zweckuässig das Reststrom-Ableitelement 24, das eine Diode oder ein Transistor sein kann, hinzugefügt.
• Eine weitere, der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Ausgangsstufe zu ergänzen, die für grosse Stroanahme bei grossem Ausgangsspannungshub auszulegen ist und die eine einfache und sichere Frequenzgangkorrektur ermöglicht.
• In Fig. 5 ist entsprechend dieser Aufgabe eine Endstufe hinzugefügt, deren Ausgang einen erheblich grösseren Strom aufnehmen kann als dieSchaltung nach Fig. 4. Über den an den bisherigen Ausgang angeschlossenen Emitterfolger 25 wird der Endtran-sistor 26 angesteuert, der wegen der Entkopplung über den Widerstand 27 den Ausgang 5 bis nahezu auf das Minuspotential an 4 herunterschalten kann. Der RTP-Transistor mit 2 Kollektoren 28 dient als Stromspiegel. Der durch den Widerstand 29 eingestellte Strom fliesst über seine Basis und den ersten Rollektor. Der Strom aus dem zweiten Kollektor dient als Vorstro für die Endtransistoren 25, 26.
• Diese Transistoren wirken zusammen mit dem äusseren oder integrierten Kondensator 30 als Miller-Integratör zur Frequenzgang-Kompensation und behalten so auch bei unbelastetem ausgang die hierfür erforderliçhe Stronverstärkung. Der durch den Widerstand 29 begrenzte Strom dient gleichzeitig als Referenzstron für die aus den Transistoren 31 und 32 und dem Widerstand 33 gebildete an sich bekannte Stromquelle.

Claims (17)

Ansprüche

1. Operationsverstärker, bestehend aus einer aus zwei NPN-Transistoren, deren Emitter mit einer Stromquelle verbunden sind, gebildeten Differenzverstärker-Eingangsstufe und einer Auskoppelstuie, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskoppelstufe zwei gleiche RTP-Transistoren enthält, deren Emitter gemeinsam mit dem positiven Sol einer Versorgungsquelle galvanisch verbunden sind, deren Basen jeweils mit den Kollektoren der Eingangsstufentransistoren galvanisch verbunden sind, und dass der Kollektor des einen RXP-Transistors direkt mit dem Ausgang des Verstärkers, und dass der Rollektor des anderen PNP-Transistors mit den Eingang einer Stromspiegel-Schaltung verbunden ist, deren Ausgang ebenfalls mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden ist.

2. Operationsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Auskoppelstufe enthaltenen PNP-Transistoren jeweils neben dem erwähnten Kollektor einen zweiten Kollektor besitzen,welcher jeweils mit der Basis desselbe Transistors galvanisch verbunden ist.

3. Operationsverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem zweiten Kollektor und der Basis der in der Auskoppelstufe enthaltenen iNP-Transistoren Jeweils ein zweiter PNP-Transistor eingeschaltet ist, derart, dass jeweils die Basis des ersten PNP-Transistors mit dem Emitter des zweiten ENP-ransistors, die Basis des zweiten ENP-Transistors mit dem zweiten Kollektor des ersten PNP-Transistors und mit dem entsprechenden Kollektor des NPN-Transistors der Eingangsstufe verbunden ist, und dass der Kollektor des zweiten PNP-Transistors galvanisch mit dem Minuspol der Versorgungsspannung verbunden ist.

4. Operationsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromspiegel, mit dessen Eingang der Kollektor eines der IT--Transistoren der Auskoppel stufe und mit dessen Ausgang der Ausgang des Verstärkers verbunden ist, aus 2 NPN-Transistoren besteht, deren Emitter gemeinsam mit dem Minuspol der Versorgungsquelle und dessen Basen direkt miteinander und galvanisch mit dem Kollektor des ersten NPN-Transistors, der mit dem Eingang des Stromspiegels verbunden ist, verbunden sind, und dass der Eollektor des zeiten NPN-Transistors mit dem Ausgang des Stromspiegels verbunden ist.

5. Operationsverstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kollektor des ersten Transistors des Stromspiegels und die beiden Basen d.-s ersten und des zweiten Transistors ein dritter NPN-Transistors eingeschaltet ist, derart, -dass die Basis des 3. Transistors mit dem Kollektor des ersten, sein Emitter mit den Basen des ersten und zweiten Transistors und sein Kollektor galvanisch mit den Pluspol der Versorgungsquelle verbunden ist.

6. Operationsverstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor des dritten NPN-Transistors des Stromspiegels über einen Schutzwiderstand mit dem Pluspol der Versorgungsquelle verbunden ist.

7. Operationsverstärker nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Basen des ersten und des zweiten NPN-Uransistors des Stromspiegels über ein Element zur Ableitung von Restströmen mit dem Minuspol der Versorgungsspannung verbunden ist.

8. Operationsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass an den Ausgang des Verstärkers eine Endstufe zur Verarbeitung grosser Ausgangsströme angeschlossen wird.

3. Operationsverstärker nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Endstufe aus 2 NRT-Transistoren besteht, wobei die Basis des ersten Transistors mit dem Ausgang des Verstärkers nach einen der Ansprücne 1 bis 7, sein Emitter mit der Basis des zweiten Transistors, sein Kollektor galvanisch mit den Leistungsausgang oder dem Pluspol der Versorgungsspannung, der Emitter des zweiten Transistors mit dem minuspol der Verzugs spannung, sein Kollektor mit dem Leistungsausgang verbunden ist.

10. Operationsverstärker nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollektoren des ersten und des zweiten Transistors der Endstufe galvanisch miteinander und galvanisch über eine Stromquelle mit dem Pluspol der Versorgungsspannung verbunden sind.

11. Operationsverstärker nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle von einem PNP-Transistor mit 2 Kollektoren gebildet wird, deren erster Kollektor den Ausgangsstrom der Stromquelle liefert, und deren zweiter Kollektor über eie Widerstand zur minstellung des Referenzatromes galvanisch mit dem Minuspol der Versorgungsquelle und deren Basis galvanisch mit dem zweiten Kollektor verbunden ist,

12. Operationsverstärker nach Anspruch 11,- dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzstrom für die StromRuelle für die Endstufe gleichzeitig als Referenzstrom für die Stromquelle in der Eingangsstufe verwendet wird.

13. Operationsverstärker nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor des ersten Transistors der Endstufe direkt mit der Stromquelle und der Kollektor des zweiten Transistors, der mit dem Leistungsausgang des genannten Verstärkers verbunden ist, über einen Widerstand mit der Stromquelle verbunden ist.

14. Operationsverstärker nach einem der Ansprüche 9 - 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis des ersten Transistors der Endstufe über einen Kondensator oder über die Reihenschaltung eines Kondensators mit einem Widerstand mit dem Leistungsausgang verbunden ist.

15. Operationsverstärker nach einen der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung monolithisch integriert wird.

16. Operationsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle der angegebenen Transistoren d5.e hierzu komplementären, und dass anstelle der positiven Versorgungsspannung eine negative verwendet wird.

17. Operationsverstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite RgP-Transistor, der dem ersten Auskoppel-RIP-Transistor als Emitterfolger vorgeschaltet ist, ein Substrattransistor ist.