DE2340849B2 - Differenzverstärker mit symmetrischem Eingang und asymmetrischem Ausgang - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Differenzverstärker mit symmetrischem Eingang und asymmetrischem Ausgang, bestehend aus einem Paar von mit ihren Emittern zusammengeschalteten und mit einer ersten Stromquelle verbundenen ersten und zweiten Transistören, wobei im Lastkreis des ersten und zweiten Transistors die Kollektor-Emitterstrecke je eines weiteren dritten und vierten Transistors angeordnet ist. deren Basen miteinander verbunden und an eine Vorspannungsquelle gelegt sind, und mit einem, mit seinem Emitter an die Emitter des dritten und vierten Transistors angeschlossenen fünften Transistor.

Es erpibt sich gelegentlich die Notwendigkeit, vielstufige Verstärker zu schaffen, die in der Lage sind, Glcichstromsignale oder Signale mit einer nicdrigfrequenten Komponente zu verstärken, wobei diese Amplituden aufweisen, die sich langsam in Abhängigkeit von der Zeit ändern. Ein solcher Verstärker wird z. B. für einen Analog-Digitalwandler benötigt, der auf analoge Signale mit gegenläufig ansteigenden und abfallenden Flanken anspricht. Wegen der geringen Änderungsgeschwindigkeit der Signalamplitude sind Kondensatoren mit handlichen Kapazitätswerten kaum in solchen Verstärkern verwendbar, und zwar weder als Koppelkondensatoren noch als Ableitungskondensatoren. Jedoch sind auch Transformatoren zur Entkopplung in der Regel unzweckmäßig. Als Folge davon wird eine Verstärkerstufe in der Regel direkt mit dem Verstärkereingang gekoppelt und die Ausgangsklemme jeder Verstärkerstufe direkt mit der 'Eingangsklemme der nachfolgenden Stufe verbunden. Damit werden die Vorspannungsströmc in jeder Stufe nicht notwendigerweise von den Signalströmen getrennt. Die Entwicklung derartiger glcichstromgekoppelter Verstärker bringt spezielle Problcme mit sich, da man nur eine begrenzte Wahl bezüglich der Vorspannungspotentiale und der Herstellungstechnik hat. Insbesondere transistorisierte Gleichstromverstärker zeigen wesentlich größere Schwierigkeiten im Vergleich mit Röhren-Gleichstromverstärkcrn, da die thermischen Ströme mit den Signalströmen verstärkt werden können.

Differenzverstärker mit zumindest zwei in Differenzschaltung betriebenen Transistoren wurden sehr vorteilhaft für transistorisierte Gleichstromverstärker verwendet. Ein wesentlicher Vorteil derartiger Differenzverstärker besteht darin, daß unter idealen Bedinciingcii am Eingang wirkende Gleichtaktsignale das ausgangsseitige Nutzsignal nicht beeinflussen. Jegliches Signal, das die Kollcktorströmi; der beiden in Diffcrcntialschaltung betriebenen Transistoren in gleicher Weise anhebt bzw. absenkt, hat keinen Einfluß auf das ausgangsseitige Nutzsignal, das zwischen den beiden Kollektoren der differenzgeschalteten Transistoren sich ausbildet. Daher beeinflussen die Amplitude de:; Ausgangssignals auch keine Änderun-

gen des Kollektorleckstromes I_co mit offenem Emitter sowie Änderungen der Basis-Emitterspannung V_Bll in Abhängigkeit von Temperaturänderungen. Voraussetzung hierfür ist, daß Jie in Differenzschaltung betriebenen Transistoren aneinander angepaßte charakteristische Werte haben und im wesentlichen auf derselben Temperatur gehalten werden. Darrit können thermische Ströme ausgeglichen werden, und eine V/eiterübertragung der thermischen Einflüsse auf die nächste Stufe wird verhindert.

Differenzverstärker sind besonders zweckmässig für Gleich^ctiomverstärker in integrierter Bauweise. Die Zunahme der Schaltkreiskomponenten bei Differenzverstärkern im Vergleich mit anderen Gleichstromverstärkern beeinflußt nicht in proportionaler Weise den zunehmenden Preis solcher monolithischer Schaltungen. Außerdem sino aktive Komponenten wesentlich billiger und leichter in monolithisch integrierter Form herzustellen als passive Elemente, so daß es zweckmäßig ist, so wenige als möglich dieser passiven Elemente in einer Schaltung zu verwenden. Die gute Anpassung der aktiven Elemente aneinander läßt sich bei der monolithisch integrierten Schaltung wesentlich leichter erzielen, da alle Schaltkreiskomponenten auf jeder Halbleiterscheibe gleichzeitig hergestellt werden. Vor allen Dingen können Komponenten, die besonders kritisch bezüglich der Temperalurabhängigkeit sind, nahe nebeneinander angebracht werden, so daß die Temperaturänderungen für die Teile im wesentlichen gleich sind. Die Notwendigkeit, möglichst auf Kapazitäten bei der Herstellung von integrierten Schaltungen zu verzichten, ist ein weiterer Grund, daß ein Gleichstrom-Differenzverstärker von besonderem Vorteil ist, da die Notwendigkeit für die Verwendung von Kapazitäten weitestgehend entfällt.

Ein Differenzverstärker der eingangs genannten Art ist beieits bekannt und hat die Eigenschaften, daß seine charakteristischen Werte und Kenngrößen durch äußere Mittel an die Erfordernisse des jeweiligen Anwendungsfalles anpaßbar sind (DT-OS 19 48 850).

Die Differenzverstärkerschaltung wird als Basisschaltung für viele Breitband-Linearverstärker verwendet, die Signale mit Frequenzkomponenten verstärken, weiche zwischen der Frequenz 0 und einer hohen Frequenz liegen.

Symmetrisch betriebene Differenzverstärker sind besonders geeignet für die Verstärkung von Eingangssignalen aus symmetrischen Signalqueücn, die z. B. aus Briickenschaltungen, aus symmetrischen Übertragungsleitungen oder aus Dehnungsgattern bestehen können. Jede dieser Schaltungen liefert ein symmetrisches Signal, das nicht auf ein Bezugssigna! bzw. Masse bezogen ist. Asymmetrische Differenzverstärker sind auch für die Verstärkung von Eingangssignalen geeignet, die auf Masse bzw. auf ein Bezugssignal bezogen sind. Die Ausgangssignale von asymmetrischen und symmetrischen Differenzverstärkern sind in der Regel symmetrisch und können direkt in eine symmetrische Last eingespeist werden, wie sie sich z.B. in Form eines nachgeschaltelen symmetrischen Verstärkers ergeben kann. Es gibt jedoch auch Anwendungsfälle, für die es wünschenswert ist, die symmetrischen Ausgangssignale des Differenzvcrstärkcrs in asymmetrische Signale umzuwandeln. Hierfür sind Schaltungen bekannt, tue jedoch den Nachteil haben, daß sie häufig die Symmetrie des Differenzverstärkers stören und dadurch dessen auf Grund der Schaltung günstige und wünschenswerte Eigenschaften stören.

Insbesondere ist eine Transformationsschaltung für einen symmetrischen in einen asymmetrischen Betrieb bekannt, die erfordert, daß die Basis eines PNP-Transistors mit dem Kollektor des ersten Differenztransistors und die Basis eines NPN-Transistors mit dem Kollektor des zweiten Differenztransistors

ίο verbunden ist. Daraus ergibt sich, daß der Basisstrom des PNP-Transistors zu dem Kollektorstrom des ersten Differenztransistors addiert und der Basisstrom des NPN-Transistors von dem Kollektorstrom des zweiten Differenztransistors subtrahiert wird.

Wenn diese Basisströme nicht sehr klein sind, was in der Regel sehr schwer zu erreichen oder gar unpraktisch ist, ergibt sich eingangsseitig eine Versetzungsspannung an den Eingangsklemmen des Differenzverstärkers. Diese Versetzungsspannung ist definiert als die Differenz der Basis-Emitterpotentiale, welche für gleiche Emitterströme in den Differenztransistoren erforderlich sind. Die sich daraus ergebende Stromfehlanpassung der beiden Differenztransistoren, welche in Abhängigkeit von der Temperatur veränderlich ist, verursacht, daß sich die eingangsseitige Versetzungsspannung ebenfalls in Abhängigkeit von der Temperatur ändert. Zusätzlich ändert sich auch der Betrag der Kollektorstrom-Fehlanpassung der Differenztransistoren in Abhängigkeit von der Änderung der Beta-Werte der PNP- und NPN-Transistoren, die fchlangepaßt sein können, und zwar bezüglich des Beta-Wertes als auch des Temperaturkoeffizienten und somit eine weitere unerwünschte Drift der eingangsseitigen Versetzungsspannung verursachen.

Bei der vorausstehend erwähnten und allgemein verwendeten Schaltungskonfiguration für eine solche Transformationsschaltung ist der Emitter des NPN-Transistors in der Regel mit Masse verbunden, wogegen der Emitter des PNP-Transistors in der Regel an einem hohen Versorgungspotential liegt. Damit werden die Kollektoren der beiden in Differenzschaltung betriebenen Transistoren auf einem im wesentlichen verschiedenen Ruhepotential gehalten, was bewirkt, daß die Anreicherungszone dieser Transistoren verschieden dick ist. Daraus ergibt sich, daß die Beta-Werte der beiden Transistoren zwangsweise ungleich sind. Dies wiederum führt dazu, daß die selbstsymmctrierenden Eigenschaften eines Differenzverstärkcrs beeinträchtigt werden, und das Unterdrückungsverhältnis für Gleichtaktsignale schädlich beeinflußt wird. Dieses Verhältnis ergibt sich aus der Spannungsamplitude der Gleichtakt-Ein^angssignale und der Spannungsamplitude der Eingangssignale unterschiedlicher Signalart, welches zu derselben Ausgangsspannung bei unterschiedlicher Signalart führt. Die bekannten Schaltungen bewirken auch, daß sich die Kollektorspannungen der in Differenzspannung oetriebenen Transistoren ungleich in Abhängigkeit

6u von der Auslenkung der Ausgangsspannung ändern und einer Temperaturänderung in entgegengesetzter Richtung folgen, wodurch weitere unvorhersehbare Fehler entstehen. Auch werden Änderungen der Stromversorgung auf das asymmetrische Signal übertragen, womit sich diese Änderungen im Ausgangssignal widerspiegeln.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung für die Umwandlung von

symmetrischen in asymmetrische Signale unter Ver- lung ermöglicht, daß die symmetrischen, an der ersten rn^a(

wendung von gleichstromgekoppclten Verstärkern, und zweiten aktiven Last wirksamen Spannungen ^U11C

vorzugsweise Differenzverstiirkern, zu schaffen, die gleichzeitig an die Ausgangsklemme eier Transforma- ^ma'

ihre günstigen charakteristischen Eigenschaften be- lionsschaltmn; angelegt werden und eine asymmetri- l^e'¹

züglich des Unterdrückungsverhältnisses für Gleich- 5 sehe Ausgangsspannung bewirken. Ferner trägt diese det

taktsignale behalten. Dabei sollen sowohl Änderun- dritte Schaltung zur Stromkonstanthaltung im Ver- tek

gen der Stromversorgung als auch Änderungen, die stärker bei. Tr

durch Temperatureinflüsse bedingt sind, ausgeschal- Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben

tet werden und die Schaltung in monolithisch inte- sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines ko

grierter Bauweise herstellbar sein. Schließlich soll die 10 Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den An- Π¹

Differenzverstärkerschaltung nur einen geringen Sprüchen und der Zeichnung. Es zeigt ^c

Strom benötigen, so daß der Differenzverstärker mit Fig. 1 das Schaltbild eines Differenzverstärkers K

sehr kleinen Eingangssignalen ansteuerbar ist und die zum Übergang von einem symmetrischen auf ein m

Signalquelle kaum durch den Verstärkereingang be- asymmetrisches System gemäß der Erfindung, ^sl

lastet wird. 15 Fig. 2 das Schaltbild eines direkt gekoppelten ^u

Diese Aufgabe wird erfingungsgemäß dadurch ge- Verstärkers mit Differenzstufen und einer Transfor- ^sl

löst, daß der fünfte Transistor mit seinem Kollektor mationsschaltung von einem symmetrischen auf ein ^v

mit der Stromversorgungsklemme verbunden ist, daß asymmetrisches System. S

die Basis des fünften Transistors an eine zweite Der Differenzverstärker 10 gemäß F i g. 1 umfaßt '

Stromquelle geführt ist, welche an der Stromversor- 20 in Differenzschaltung betriebene elektronische EIe- ^l

gungsklemme angeschlossen ist, daß der Kollektor mcnte in Form von vorzugsweise bipolaren NPN- ί

des ersten Transistors des Differenzverstärkers mit Transistoren 12 und 14, deren Emitter über eine '

der Basis eines sechsten Transistors verbunden ist. Stromquelle 16, die einen Strom I₇ mit begrenzter

dessen Kollektor an die Basis des fünften Transistors Amplitude liefert, an eine Stromversorgungsklemme

bzw. an die zweite Stromquelle angeschlossen ist, 25 18 angeschlossen ist, an welcher eine negative Ver-

daß der Kollektor des zweiten Transistors des Diffe- sorgungsspannung V— zur Verfügung steht. Die

renzverstärkers mit der Basis eines siebten Transi- Kollektoren der Transistoren 12 und 14 stellen eine

stors verbunden ist, dessen Kollektor sowohl an die Quelle für ein symmetrisches Signal dar und sind je-

Ausgangsklemme als auch an eine dritte Stromquelle wcils über eine aktive Last mit einer Stromversor-

geschaltet ist, die an die Stromversorgungsklemme 30 gungsklemme 20 verbunden, an welcher eine positive

angeschlossen ist. Versorgungsspannung V+ anliegt. Der Kollektor des

Weitere Ausgestallungen der Erfindung ergeben Tiansistors 12 ist mit dem Kollektor des bipobren

sich aus weiteren Ansprüchen. PNP-Transistors 22 verbunden und liegt ferner an

Bei einer besonders vorteilhaften Verwirklichung der Basis eines NPN-Transistors 24. Eine Stromder Erfindung findet eine Schaltung für die Um- 35 quelle 26, die einen Strom /, mit begrenzter Ampliwandlung eines symmetrischen in ein asymmetrisches tudc liefert, liegt zwischen der Stromversorgungs-Signal Verwendung, bei dem das symmetrische Si- klemme 20 und dem Kollektor des Transistors 24 gnal am Ausgang eines Differenzverstärkers entsteht und ferner an der Basis eines Rückkopplungstransi- und das asymmetrische Signal zur Ansteuerung einer stors 28. Der Kollektor des Transistors 14 ist mit weiteren Stufe benötigt wird. Diese Umwandlung des 40 dem Kollektor des PNP-Transistors 30 und mit der symmetrischen Signals in ein asymmetrisches Signal Basis eines NPN-Transistors 32 verbunden,
erfolgt, ohne daß die Symmetrie des Differenzver- An einer Klemme 34 wirkt ein Vorspannungspostärkers beeinträchtigt wird. Diese Schaltung enthält tentiai mit einer Amplitude zwischen V+ und V-eine erste aktive Last, die zwischen eine erste auf die Basen der Transistoren 22 und 30 ein. Eine Klemme des Differenzverstärkers und eine erste 45 Stromquelle 26, welche einen Strom /„ mit begrenz-Stromversorgung geschaltet ist und ein erstes elektro- ter Amplitude liefert, liegt zwischen der Stromversornisches Steuerelement umfaßt, das die erste Aus- gungsklemme 20 und dem Kollektor des Transistors gangsklemme des Differenzverstärkers auf einem be- 24 sowie der Basis des NPN-Puffertransistors 28. stimmten Spannungsniveau festhält. Ferner ist eine Eine Ausgangsklemme 39 ist mit der Basis des Tran-Stromquelle vorgesehen, die einen kontrollierten 5° sistors 38 verbunden. Eine Spannungsquelle 40, die Strom dem Differenzverstärker zuführt. Entspre- einen Strom /₃ begrenzter Amplitude liefert, ist zwichend ist eine zweite aktive Last zwischen die erste sehen den Emitter des Transistors 38 und eine Stromversorgungsklemme und den zweiten Ausgang Klemme 41 geschaltet, die entweder Massepotential des Differenzverstärkers geschaltet. Diese zweite ak- oder ein anderes Bezugspotential liefert. Die Austive Last umfaßt eine zweite elektronische Steuerein- 55 gangsklemme 42 liegt am Emitter des Transistors 38. richtung, welche die zweite Ausgangsklemme des Die Emitter der Transistoren 24 und 32 liegen eben-Differenzverstärkers auf einem bestimmten Span- falls an dem Bezugspotential der Klemme 41. Wenn nungsniveau festhält und dafür sorgt, daß eine zweite diese Schaltung 10 in monolithisch integrierter Form Stromquelle einen kontrollierten Strom dem Diffe- aufgebaut ist, können die Klemmen 18, 20, 34 und renzverstärker zuführt Diese zweite aktive Last ist 60 41 als leitende Metallisationsstreifen in bekannter im wesentlichen gleich der ersten aktiven Last aufge- Weise hergestellt sein.

baut, um das Spannungs- und Stromgleichgewicht in Während des Ruhebetriebs der Schaltung 10

dem Differenzverstärker aufrechtzuerhalten. Ferner macht die über die Stromversorgungsklemme 20

ist eine dritte Schaltung vorgesehen, die als Teil der wirksame positive Spannung die Stromquellen 36

aktiven Last die erste und zweite aktive Last mit dem 65 und 26 wirksam, so daß diese nur einen bestimmten

Verstärkerausgang verbindet und auf Grund ihres Strom über ihre Ausgangsanschlüsse führen. Ein Teil

Aufbaus nur vernachlässigbar die Symmetrie des Dif- des Stroms der Stromquelle 26 dient der Basisan-

ferenzverstärkcrs beeinträchtigt. Diese dritte Schal- steuerung des Transistors 28, um diesen leitend zu

7 V 8

machen. Deir von dem Transistor 28 geführte Strom ten Zuständen des Eingangssignals leitet der Transi

und die über die Klemme 34 angelegte Vorspannung stör 14 mehr Strom von der Basis des Transistors 3'.

machen den Transistor 22 sowie den Transistor 30 ab und führt der Transistor 30 weniger Strom de

leitend, so daß diese entsprechend einen Basisstrom Basis des Transistors 32 zu. Auf diese Weise nimm den Transistoren 24 und 32 zuführen und den KoI- 5 der Basisstrom des Transistors 32 in Abhängigkei

Iektorstrom für die in Differenzschaltung betriebenen sowohl von der Abnahme der Amplitude des von

Transistoren 12 und 14 liefern. Transistor 30 zugeführten Stromes als auch von de

Die Transistoren 24 und 28 sind Teil einer Rück- durch den Transistor 14 geforderten Zunahme de

kopplungsschleife, welche zur Einstellung des Strom- Amplitude des Stromes ab. Auf diese Weise ist dii flusses durch den Transistor 12 in Abhängigkeit von io gesamte Änderung des Basisstromes des Transistor:

der Einstellung des Vorspannungspolentials an der 32 größer, als wenn nur einer der Transistoren 1<

Klemme 34 dient. Wenn der Transistor 22 versucht oder 30 angeschlossen wäre. Die Schaltung 10 gemäi

mehr als den gewünschten Strombetrag dem Transi- F i g. 1 bewirkt eine zweimal so große Änderung de

stör 12 zuzuführen, wird der Transistor 24 mehr lei- Stromes des Transistors 32, als es der Fall sein würde

tend und zieht die Spannung an der Basis des Transi- 15 wenn der Transistor 30 z.B. nicht mit der Basis de:

stors 28 von dem positiven Potential weg. Davon Transistors 32 verbunden wäre,

wird der Transistor 28 weniger leitend, so daß weni- Andererseits, wenn die Eingangsklemme 46 nega

ger Strom von der Stromversorgungsklemme 20 zum tiv angesteuert wird, während Masse bzw. das Bezugs

Emitter des Transistors 22 fließt. Folglich führt auch potential an der Eingangsklemme 44 liegt, tendier

der Transistor 22 zu Transistoren 12 und 24 einen 20 der Transistor 14 dazu, weniger leitend zu werden

geringeren Strom zu. Das Gleichgewicht wird da- Entsprechend wird der Transistor 32 mehr leitenc

durch über die negative Rückkopplungsschleife auf- und der Transistor 38 weniger leitend, so daß di<

rechterhalten. Spannungen an den Klemmen 39 und 42 abnehmen

Im dynamischen Betrieb der Schaltung sei ange- Auch der resultierende Stromanstieg im Transisto

nommen, daß das Bezugspotential an der negativen 25 12 bewirkt, daß der Transistor 24 weniger leitenc

Eingangsklemme 44 wirksam ist, welche an der Basis wird. Folglich führt der Transistor 28 mehr Stron

des Transistors 12 liegt, und daß ferner eine positive und vergrößert dadurch den Stromfluß über der

Spannung in der Größenordnung von einigen Milli- Transistor 30, um ferner die Leitfähigkeit des Transi

volt über dem Bezugspotential an der positiven Ein- stors 32 zu erhöhen und die Amplitude der Aus

gangsklemmc 46 liegt, die mit der Basis des Transi- 30 gangsspannung an den Klemmen 39 und 42 zu ver

stors 14 in Verbindung steht. Die positive Eingangs- ringern. Damit folgen die Amplituden der Ausgangs

spannung macht den Transistor 14 leitend, wodurch spannungen der Amplitude der Eingangsspannung ai

der von diesem Transistor geführte Strom ansteigt. der Klemme 46. Aus diesem Grund wird die Ein

Dies verursacht entsprechend eine Abnahme des gangsklemme 46 auch grundsätzlich als nicht inver

über den Transistor 12 geführten Stroms, da die 35 tierende Eingangsklemme des Verstärkers bezeich

Stromquelle 16 nur einen bestimmten festliegenden net.

Strom I_T akzeptiert. Wenn der Transistor 14 stärker Wenn andererseits das Bezugspotential an de

leitend wird, fällt die Kollektorspannung, und damit Klemme 46 liegt und die Amplitude der Eingangs

wird die Basisspannung des Transistors 32 negativer, spannung an der Klemme 44 abnimmt, wird de

was dazu führt, daß der Transistor 32 weniger Strom 4° Transistor 12 weniger leitend und der Transistor I^

führt. Als Folge davon nimmt die an die Ausgangs- mehr leitend gemacht, um einen entsprechenden An

klemme 39 und die Basis des Transistors 38 ange- stieg der Amplitude der Ausgangsspannungen zi

legte Spannung in positiver Richtung zu. Dadurch bewirken. Wenn die Amplitude der Eingangsspan-

wird der Transistor 38 stärker leitend, so daß an der nung an der Klemme 44 ansteigt, nehmen die Am-

Klemme 42 eine Auscangsspannung wirksam ist, die 45 plituden der Ausgangsspannungen ab. Aus diesen

entsprechend der Amplitude der positiven Eingangs- Grund wird die Eingangsklemme 44 auch als dei

spannung an der Klemme 46 ansteigt. invertierende Eingang des Verstärkers 10 bezeichnet

Wenn die Amplitude der Eingangsspannung an Wenn ein symmetrisches Differenzsignal zwischer der Eingangsklemme 46 ansteigt, ninimt die Ampli- den Klemmen 44 und 46 angelegt wird, dann wire tude des Stromes, der über den Transistor 12 fließt, 50 die Klemme 46 positiv und die Klemme 44 negam ab. Wenn der Transistor 12 weniger leitend wird, angesteuert und umgekehrt. Ein positiver Anstieg ar sieict die Spannung an der Basis des Transistors 24 der Klemme 46 und ein negativer Abfall an dei in positiver Richtung an und macht diesen Transistor Klemme 44 arbeiten in der Weise zusammen, _uao die mehr leitend. Auf diese Weise fällt die Basisspan- Amplitude der Ausgangsspannung m positiver Riehnung des Transistors 28, was dazu führt, daß dieser 55 tung ansteigt. Entsprechend W!rd em sich negam Transistor weniger Strom führt und dadurch weniger veränderndes Eingangssignal an der Klemme 46 unc Emitterstrom den Transistoren 22 und 30 zuführt. ein sich positiv veränderndes Eingangssignal an dei Auf diese Weise wird der Stromfluß durch den Tran- Klemme 44 in der We.se zusammenarbeiten daß die sistor 22 eingestellt, um einen kleineren Strom für Amplitude der Ausgangsspannung s.ch ,η negative, den Transistor 12 _?u liefern und um vom Transistor 60 Richtung ändert. Daher ist die Schaltung gemaC 30 weniger Basisstrom zum Transistor 32 zu übertra- F i g. 1 gee.gnet, einerseits em asymmetrisches Eingen. Damit wird durch die Wirkungsweise der Tran- gangssignal zwischen der Klemme 46 und Masse zi sistoren 12, 22 24 28 und 30 der Transistor 32 we- verstärken, andererseits em asymmetrisches Einiger leitend gemacht, um dadurch eine zusätzliche gangssignal zwischen Masse und der Klemme 44 η Vergrößerung der positiven Spannung an der Aus- 6₅ verstärken und zu invertieren und andererseits e.r gangsklemmi 39 und an der gepufferten Ausgangs- symmetrisches Differenzsignal, das zwischen der klemme 42 zu bewirken Klemmen 44 und 46 wirkt, zu verstarken. In all die

In Abhängigkeit von den vorausstehend definier- sen Fällen ergibt sich zwischen den Ausgangsklem

ίο

tige Beeinflussung des Beta-Wertes ergibt und sich ein unerwünschter Abfall für das Gleichsignal-Unterdrückungsverhältnis des Differenzverstärkers einstellt.

Wenn die Temperatur des Halbleiterplättchens ansteigt, haben die Änderungen der Basis-Emitterspannungen und der Süttigungsströme der Transistoren der aktiven Lasten 49 und 50 im wesentlichen denselben Einfluß auf die Kollektoren der Transistoren

Transistoren 28 und 38 dazu tendieren, einander
auszugleichen und in der Praxis zu keiner nennenswerten Ausgangsspannung führen. Selbst wenn der

d üd di dh

men 39 oder 42 und dem Bezugspotential ein erdasymmetrisches Signal.

Die Amplitude der Ausgangsspannung an der
Klemme 42 folgt der Amplitude der Eingangsspannung an der Klemme 39. Die Pufferstufe mit dem
Transistor 38 und der Stromquelle 40 könnte für alle
Anwendungsfälle weggelassen werden, außer denjenigen, welche eine hohe Symmetrie erfordern. Besonders hervorzuheben ist, daß tlicimische Strom- und
Spannungsänderungen in Abhängigkeit von Tempe- io 12 und 14, so daß diese praktisch im Gleichgewichtsraturänderungen am Transistor 28 gedämpft weiden, zustand verbleiben. Überdies gilt, wenn man davon und über die hohe Impedanz der in Speirichtung bc- ausgeht, daß die Transistoren 24 und 32 auf dem triebenen Kollektor-Basisstrecke des Transistors 24 Halbleitcrplättclien nahe nebeneinander angeordnet an den Kollektor des Transistors 12 angelegt werden. sind, daß die Basis-Emilterspannung des Transistors Entsprechend werden thermische Stnm- und Span- 15 24 und entsprechend auch die Basis-Emitterspannungsändcrungen in Abhängigkeit von Änderungen nung des Transistors 32 auf Grund eines Temperaturder Temperatur am Transistor 38 gedämpft und über abfallcs ansteigt. Damit wird die Kollektorspannung die hohe Impedanz der sperrvorgespannten Kollek- des Transistors 12 sowie des Transistors 14 um dcntor-Basisstrecke des Transistors 32 an den Kollektor selben Betrag vergrößert, so daß die Beta-Verstärdes Transistors 14 angelegt. Daraus ergibt sich, daß 20 kung der Transistoren 12 und 14 ebenfalls dazu tenthermische Strom- und Spannungsänderungen der dicrt, um denselben Betrag anzusteigen und sich

keine Versetzung der Eingangsspannung oder keine Stromdrift in Abhängigkeit von der Temperaturänderung ergibt. Eine Änderung der Stromversorgungs-Transistor 38 nicht vorhanden wäre, würde die durch 25 spannung an der Klemme 20 auf Grund von z. B. den Transistor 28 ausgelöste Asymmetrie für viele Welligkcit, verursacht denselben Effekt am Kollektor Anwendungsfälle bedeutungslos sein. des Transistors 12, wie am Kollektor des Transistors

Wenn der Transistor 38 in der Schaltung gemäß 14. Eine Änderung der Spannung am Kollektor des Fig. 1 nicht vorhanden ist, dann kann als aktive Transistors 12 tendiert dazu, die Ausgangsspannung Last für den Transistor 12 der Transistor 24 und die 30 des Differenzverstärkers in entgegengesetzter Rich-Stromquclle 26 und als aktive Last für den Transi- tung zu verändern als dieselbe Änderung der Spanstor 14 der Transistor 32 und die Stromquelle 36 be- nung am Kollektor des Transistor 14. Auf diese trachtet werden. Die Transistoren 22, 28 und 30 die- Weise werden gleiche Änderungen an den Kollektonen der Verkopplung der aktiven Last des Transi- ren der Transistoren 12 und 14 bezüglich des Ausstors 12 über die aktive Last des Transistors 14 mit 35 gangssignals im wesentlichen gegeneinander aufgehoder Ausgangsklemme 39 des Differenzverstärker¹!. bcn. d. h. die Unterdrückungsfähigkeit von Gleich-

Wenn der Transistor 38 in der Schaltung gemäß taktsignalcn durch den Verstärker und die Wirkungs-Fig. 1 vorgesehen ist, können die Transistoren 22, weise des Differenzverslärkers hilft dazu, Änderun-24 und 28 und die Stromversorgung 26 als aktive gen auszugleichen, die sonst eine Änderung der aus-Last 49 des Transistors 12 betrachtet werden. Ent- 40 gangsseitigen Spannungsamplitude verursachen sprechend sind die Transistoren 30, 32 und 38 sowie könnten.

die Stromquelle 36 als aktive Last 50 für den Transi- In F i g. 2 ist das Schaltbild eines Verstärkers 53

stör 14 zu betrachten. Wie bereits hervorgehoben. dargestellt, der in vielen Punkten dem Verstärker 10 bilden diese aktiven Lasten 49 und 50 den Differenz- gemäß F i g. 1 entspricht. Deshalb werden auch verstärker von einem symmetrischen auf ein asymme- 45 gleiche Bczugszcichen für gleiche Teile und EIetrisches System für den Differenzverstärker mit den mente benutzt Die Stromquellen 16, 26, 36 und 40 Transistoren 12 und 14. Da die Lasten 49 und 50 im sind aus einem Transistor aufgebaut, bei dem eine wesentlichen symmetrisch in ihrem Aufbau sind, be- Diode zwischen die Basis und den Emitter derart gesteht die Tendenz, an den Kollektoren der Transisto- schaltet ist, daß der Transistor nur bis zu einem beren 12 und 14 Gleichtaktänderungen in Abhängigkeit 5° stimmten maximalen Wert Strom liefern kann. Die von Temperaturänderungen und in Abhängigkeit von Diode 54 der Stromquelle 16 bewirkt eine konstante Änderungen der Versorgungsspannung an der Basis-F.mitterspannung für den Transistor 56, woge-Klemme 20 auszulösen. Diese Änderungen werden gen die Diode 57 eine konstante Basis-Emitterspandurch das Differenzverhalten der Transistoren 12 nung für den Transistor 58 der Stromquelle 40 beurd 14 sowie die Wirkungsweise des Differenzver- 55 wirkt. Ein Widerstand 60 ist an den Emitter des stärkers ausgeglichen, so daß sie keinen uner- Transistors 56 angeschlossen und verursacht, daß die wünschten Einfluß auf die Ausgangsspannung Stromquelle 16 weniger Strom als die Stromquelle 4( haben. führt. Ferner ist eine Diode 62 zwischen die Basil

Im speziellen tendiert der Transistor 24 dazu, den und den Emitter des Transistors 64 der Stromquell· Kollektor des Transistors 12 um einen Diodcnabfall 60 26 und eine Diode 65 zwischen die Basis und dei über dem Bezugspotentiai und der Transistor 32 den Emitter des Transistors 66 der Stromquelle 36 ge Kollektor des Transistors 14 um einen Diodenabfall schaitet, um die Basis-Emitterspannungen diese ebenfalls über dem Bezugspotential festzuhalten. Da- Transistoren zu steuern und damit die über die KoI mit wird an den Transistoren 12 und 14 das Kollek- lektorcn der Transistoren 64 und 66 fließende torpotential einander gleich gemacht. Einige bekannte 65 Ströme zu begrenzen. Ein Transistor 67 spricht au Differenzverstärker dieser Art tendieren dazu, unter- die konstante Spannung an der Diode 62 und de schiedliche Kollektorspannungen an den Differenz- Diode 65 an und liefert einen begrenzten Strom a transistoren auszulösen, wodurch sich eine gegensei- die Basis des Transistors 58 sowie an die Dioden 5

und 57. Ein Widerstand 68 liegt zwischen dem Bezugspotcntial Masse und der Basis der Transistoren 64 und 66 sowie 67 und bestimmt das Stromniveau der Dioden 62 und 65.

Zwischen den Emittern der Transistoren 22, 28 und 30 und den Basen der Transistoren 22 und 30 liegt ein Widerstand 70. In Serie geschaltete Dioden 72 und 74 sind von den Basen der Transistoren 22 und 30 nach den Emittern der Transistoren 24 und 32 geschaltet. Ferner liegt eine Diode 76 zwischen den Emittern der Transistoren 24 und 30 und der Bczugsklemme 41, an der das Bezugspotential wirksam ist. Die Dioden 42, 44 und 46 stellen einen Stmmweg niedriger Impedanz für die Basissirömc der Transistoren 22 und 30 dar. Somit bewirken die Dioden 72, 74 und 76, wenn die Frequenz des Eingangssignals bis zu dem Punkt ansteigt, an dem die Bcla-Wcrlc der Transistoren 22 und 30 abnehmen, einen niedrigimpedanten Stromweg für den sich vergrößcrtcn Basisstrom, womit die Verstärkung bei hohen Frequenzen begünstigt wird.

FJn Transistor 78 ist zwischen die Transistoren 22 und 24 geschaltet. Dieser Transistor 78 ist mit dem Kollektor an die positive Versorgungsspannung angeschlossen und steht mit dem Emitter mit der Basis des Transistors 24 in Verbindung. Seine Basis ist an den Kollektor des Transistors 22 angeschlossen. Entsprechend ist ein Transistor 80 vorgesehen, dessen Kollektor mit der positiven Versorgungsspannung und dessen Emitter an der Basis des Transistors 32 angeschlossen ist, wogegen die Basis dieses Transistor am Kollektor des Transistors 14 liegt. Diese Transistoren 78 und 80 liefern eine zusätzliche Stromverstärkung, um eine Gleichstromsymmetrie selbst dann aufrechtzuerhalten, wenn die Stromquelle 16 einen sehr geringen Strom in der Größenordnung von etwa 2 uA zieht. Zwischen der Basis des Transistors 80 und dem Kollektor des Transistors 32 liegt ein Kondensator 82 und entsprechend liegt ein Kondensator 84 zwischen der Basis des Transistors 78 und dem Kollektor des Transistors 24. Diese Kondensatoren, welche bezüglich ihrer wirksamen Kapa-/lüitswcrtc durch den bekannten Miller-Effekt eine um ein Vielfaches größere Wirkung haben, vergrößern den Phasenrand des Verstärkers.

Der Verstärker 53 arbeitet in entsprechender Weise wie der bereits beschriebene Verstärker 10 gemiiß Fig. 1. Der Vorspannungswiderstand 70 und die Dioden 72, 74 sowie 76 liefern eine Vorspannung, so daß keine äußeren Vorspannungen angelegt werden müssen. Die Transistoren 78 und 80 verstärken jeweils die Ströme an den Kollektoren der Transistoren 12 und 14 und übertragen diese an die Basis der Transistoren 24 und 32. Die in Kollektorschaltung betriebenen Transistoren 78 und 80 bewirken eine Vergrößerung der Stromverstärkung des Verstärkers im Vergleich mit der Stromverstärkung des Verstärkers 10, so daß zur Ansteuerung weniger Strom erforderlich ist, der über die Klemmen 44 und 46 zugeführt wird. Daraus ergibt sich, daß ein Spannungsabfall auf Grund des Innenwiderstands der ansteuernden Stufe die Verstärkung der Eingangsspannung nicht wesentlich bzw. ungünstig beeinflußt. Damit sind die Verstärker zur genauen Verstärkung von Glcichspannungskomponenten geeignet, wie sie z.B. in digitalen Voltmetern benötigt werden, die Analog-Digitalwandler für Signale mit gegenläufig geneigten Flanken verwenden.

Vorausstehend wurde eine Transformationsschaltung für die Umwandlung eines symmetrischen Signals in ein asymmetrisches Signal beschrieben, die sehr einfach in monolithisch integrierter Scbaitkreisform herstellbar ist.

Diese Schaltung liefert eine symmetrische Last für die Kollektoren der Transistoren des Differenzverstärkers. Dadurch haben Änderungen der Amplitude der Versorgungsspannung und auch temperaturabhängige Änderungen der Spannungsamplitude im aktiven Lastteil des Wandlers gleichen Einfluß auf die Kollektorspannung der in Differenzschallung betriebenen Transistoren, wodurch die einem Differenzverstärker an sich zukommende Fähigkeit der Gleichtaktsignal-Unterdrückung weiter verbessert wird und die Wirkungsweise der Schaltung von solchen Signalen nicht beeinflußt wird. Somit ist die eingangsseitige Versetzungsspannung bzw. der Versetzungsstrom im wesentlichen unabhängig von der Temperatur. Bei einer Ausführungsform gemäß F i g. 2 in einer monolithisch integrierten Form ist die eingangsseittge Verselzungsspannung in der Größenordnung kleiner als 0,5 Millivolt, wogegen der Driftstrom weniger als 1 Mikrovolt pro Grad C ist.

Die Verstärkungsschaltung gemäß F i g. 2 hat eine Spannungsverstärkung in der Größenordnung von 100 000 und eine Grenzfrequenz bei der Verstärkung

1 von 1 MHz. Die Frequenz-Kompensationskondensatoren 82 und 84 liegen in der Größenordnung von 5 pF, wogegen der Strom 1_T einen Wert von etwa

2 uA hat, da die Schaltungskonfiguration den Miller-Effekt verwertet zur Vergrößerung der äquivalenten Kapazitäten. Auf diese Weise ist es möglich, mit den Schaltungen gemäß Fig. 1 und2 eine asymmetrische Ausgangsspannung zu schaffen, ohne damit die Unterdrückungsfähigkeit der Gleichtaktsignale zu verschlechtern, die einem Differenzverstärker eigen ist. Obwohl die Schaltung unter Verwendung eines Differenzverstärkers beschrieben wurde, ist es auch möglich, symmetrische Systeme anderer Schaltungstypen in ein asymmetrisches System umzuwandeln.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

PatentansDriiche· Patentansprüche.

1. Differenzverstärker mit symmetrischem Eingang und asymmetrischem Ausgang, bestehend fus einem Paar von mit ihren Eminem zusammengeschalteten und mit einer ersten Stromquelle verbundenen ersten und zweiten Transistoren, wobei im Lastkreis des ersten und zweiten Transistors die Kollektor-Emitterstrecke je eines weiteren diitten und vierten Transistors angeordnet ist, deren Basen miteinander verbunden und an eine Vorspannungsquelle gelegt sind, und mit einem, mit seinem Emitter an die Emitter des dritten und vierten Transistors angeschlossenen fünften Transistor, dadurch" gekennzeichnet, daß der fünfte Transistor (28) mit seinem Kollektor mit der Stromversorgung*- klemme (20) verbunden ist, daß die Basis des fünften Transistors (28) an eine zweite Strom- so quelle (26) geführt ist, welche an der Stromversorgungsklemme (20) angeschlossen ist, daß der Kollektor des ersten Transistors (12) des Differenzverstärkers mit der Basis eines sechsten Transistors (24) verbunden ist, dessen Kollektor an die Basis des fünften Transistors (28) bzw. an die zweite Stromquelle (26) angeschlossen ist. daß der Kollektor des zweiten Transistors (14) des Differenzverstärkers mit der Basis eines siebten Transistors (32) verbunden ist, dessen KoI-lektor sowohl an die Ausgangsklemme (39) als auch an eine dritte Stromquelle (36) geschaltet ist, die an die Stromversorgungsklemme (20) angeschlossen ist.

2. Differenzverstärker nach Anspruch!, dadurch gekennzeichnet, daß der fünfte, sechste und siebte Transistor vom einen Leitfähigkeitstyp und der dritte sowie vierte Transistor vom entgcgengesetzten Leitfähigkeitstyp ist.

3. Differenzverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein achter Transistör (38) vorhanden ist, der als Emitterfolger geschaltet und an die Ausgangsklemme (39) des Differenzverstärkers derart angeschlossen ist, daß sein Kollektor mit der Stromversorgungsklemmc (20) und sein Emitter über eine dritte Stromquelle mit Massepotential verbunden ist.

4. Differenzverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren des einen Leitfähigkeitstyps bipolare NPN-Transistoren und die des anderen Leitfähigkeitstyps bipolare PNP-Transistoren sind.

5. Differenzverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein neunter Transistor (78) mit seinem Emitter an die Basis des sechsten Transistors und mit seiner Basis an den Verbindungspunkt der Kollektoren des ersten und dritten Transistors angeschlossen ist, und daß der Kollektor des neunten Transistors an der Stromvcrsorgungsklemme (20) liegt. 6n

6. Differenzverstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Basis des neunten Transistors (78) und dem Kollektor des sechsten Transistors (24) ein Kondensator (84) geschaltet ist.

7. Differenzverstärker nach Anspruch 5, da durch gekennzeichnet, daß ein zehnter Transistor (80) mit seinem Emitter an die Basis des siebten Transistors (32) und mit seiner Basis an den Verbindungspunkt der Kollektoren des zweiten und vierten Transistors angeschlossen ist, daß der

Kollektor des «^hn?J™ j^st°"^a" ^^r. ^St™";-versorgungsk emme (20) hegt, und daß ein Kondensator (82) die Basis des zehn en T an is ors (80) mit dem Kollektor des s.ebten Transistors (32) verbindet.