DE2344216A1 - Differentialverstaerker - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE DIPL.-ING. JOACHIM K. ZENZ · DIPL.-ING. FRIEDRICH G. HELBER

ESSEN-BREDENEY - ALFREDSTRASSE 383 · TELEFON: (O 2141) 47 26

TELEGRAMMADRESSE: EL ROPATENTE ESSEN 2 3 A A 2 1

NeUanmeldUng Commerzbank. Essen Kto. 1516202 Aktenzeichen: ^a Postacheckkonto Essen Nr. 76

YASmCA CO., LTD.

Name d. Anm.: *

Mein Zeichen: γ 29 ^Datum 29. August 1973

YASHICA CO. LTD.,

27-8, 6-chome, Jingumae, Shibuya-ku, Tokyo, Japan

Differentialverstärker

Die Erfindung befaßt sich mit der Verbesserung von Differentialverstärkern. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Differentialverstärker mit zwei Feldeffekttransistoren, dessen Ausgangsanschlüsse rait den Drain-Elektroden und dessen Eingangsanschiüsse mit den Gate-Elektroden der Feldeffekttransistoren verbunden sind, und mit einem zwischen die Source-Elektroden der Feldeffekttransistoren eingeschalteten veränderlichen Widerstand, der mit einem Zwischenabgriff an eine Konstantstromquelle angeschaltet ist.

Feldeffekttransistoren werden aufgrund ihres hohen Eingangswiderstandes gegenwärtig in weitem Umfang als Gleichstromver s tärker, Wechselstromverstärker und dergleichen eingesetzt. Da solche Verstärker jedoch in der Regel Driftfehler haben, wurde bereits ein Differentialverstärker vorgeschlagen, bei dem dieser Drifteffekt beseitigt ist.

Z/wo

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Es sind verschiedene Arten solcher Differentialverstärker vorgeschlagen worden, und typische Ausführungsbeiepiele sind in den Fig. 1 und 2 der Zeichnung dargestellt· Bei der Schaltung gemäß Fig. 1 sind die Source-Elektroden eines Paars von Feldeffekttransistoren mit einer Konstantstromquelle verbunden und von dieser angesteuert. Die Gate-Elektroden G₁ und G» der Feldeffekttransistoren Tr^ und Tr- sind mit Eingangsanschlüssen verbunden, die Source-Elektroden S. und Sp liegen über eine gemeinsame Konstantstromquelle I an Erde, und die Drain-Elektroden Di und D« sind über einen Widerstand R₁ und einen einstellbaren Widerstand VR₁ mit einer Spannungsquelle V_ß verbunden. Die Ausgangsanschlüsse O₁ und 0_ der Differentialverstärker sind mit den Drain-Elektroden D₁ bzw D_ verbunden.

Der in der Fig. 1 gezeigte Differentialverstärker arbeitet wie folgt:

Den Gate-Elektroden G₁ und G₂ aufgedrückte Eingangssignale

V. und -V. werden von den Feldeffekttransistoren Tr₄

in in T.

bzw. Tr» verstärkt, wobei ein Ausgangssignal an den Ausgangs anschlüssen O₁ und 0- entwickelt wird. Der einstellbare Widerstand VR₁ ist so eingestellt, daß die Transistoren Tr₁ und Tr_ bei gleichen Eingangssignalen an ihren Gate-Elektroden gleiche Ausgangssignale erzeugen. Unter diesen Bedingungen sind die Gate-Source-Spannungen der beiden Feldeffekttransistoren gleich, während ihre Drain-StrSme nicht regelmäßig gleich sind. Da die Drain-Ströme auch bei übereinstimmenden Eingangsspannungen von den Charakteristiken der Feldeffekttransistoren abhängig sind, sind sie nicht immer gleich. Aus diesem Grunde ist die Vortwärt»übertragung sadmittanz des Feldeffekttransistorpaars nicht gleich, wodurch das Verhältnis der gleichen Phasenkomponente zur umgekehrten Phasenkomponente des Ausgangs, d.h. das Diskriminationsverhältnis verschlechtert wird. Damit ist eine

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Verminderung der Stabilität des Verstärkerbetriebs verbunden. Aus diesem Grunde ist es notwendig, Feldeffekttransistoren mit übereinstimmenden Betriebscharakteristiken auszuwählen. Anderenfalls ist es unmöglich, Driftinderungen aufgrund von Temperatüränderungen perfekt zu kompensieren. Daher wird die Drift aufgrund der Unterschiede in den Temperaturcharakteristiken der beiden Feldeffekttransistoren so weit erhöht, daß selbst bei vergrößertem Verstärkungsfaktor des Verstärkers die Eingangsdrift beachtlich wird»

In der in Fig. 2 gezeigten Schaltung ist ein veränderlicher Widerstand VR- zwischen die Source-Elektröden S₁ und S₂ der beiden Feldeffekttransistoren Tr. und Tr. derart eingeschaltet, daß ihre Vorwärtsübertragungswiderstände abgeglichen sind, und der verschiebliehe Abgriff des Widerstandes VR_ ist an eine gemeinsame Konstantstromquelle I angeschaltet. Die Schaltungskoaponenten entsprechen denjenigen gemäß Fig.l und sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Xn der Schaltung gemäß Fig. 2 ist anstelle des einstellbaren Widerstandes VR, zwischen der Drain-Elektrode D. des Feldeffekttransistors Tr« und der Quelle V_g ein fester Widerstand R, eingeschaltet.

Bei der Schaltung gemäß Fig. 2 ist es durch entsprechende Einstellung des veränderlichen Widerstandes VR. möglich, die Vortwartsübertragungeadmittanzen der beiden Feldeffekttransistoren im wesentlichen gleich zu machen, wodurch das Diskriminationsverhältnis gegenüber demjenigen der Schaltung gemäß Fig. 1 verbessert werden kann. Außerdem kann die Temperaturdrift verbessert werden, da es möglich ist, die Temperaturkoeffizienten der beiden

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Feldeffekttransistoren im wesentlichen gleich zu machen. Die durch die Änderung der Quellenspannung hervorgerufene Spannungsdrift ist jedoch nahezu gleich derjenigen der Schaltung gemäß Fig. 1, so daß die Verstärkung der Verstärkerschaltung um einen Betrag abnimmt, der der Ober den veränderlichen Widerstand zwischen den Source-Elektroden S und S_ hervorgerufenen Rückkopplung entspricht. Dadurch ist die Spannungsdrift, bezogen auf die Eingangsspannung, wesentlich größer als diejenige bei der Schaltung gemäß Fig« I.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die bisher bekannten Differentialverstärker in Bezug auf Verstärkung, Diskriminations— bzw. Differentialverstärkung und Drift zu verbessern. Außerdem sollen die Verstärker-Abgleichsbedingungen unabhängig von den Betriebscharakteristiken der Feldeffekttransistoren ohne Schwierigkeit herstellbar sein.

Ausgehend von einem Differentialverstärker der eingangs angegebenen Art, wird erfindungsgemäß zur Lösung dieser Aufgabe vorgeschlagen, daß jedem Feldeffekttransistor ein Transistor zugeordnet ist, dessen Basis mit der Drain-Elektrode des zugehörigen Feldeffekttransistors und dessen Kollektor mit der Source-Edlektrode des anderen Feldeffekttransistors gekoppelt ist.

Bei einem Verstärker mit einem Feldeffekttransistor, dessen Gate-Elektrode mit einem Eingangsanschluß, dessen Source-Elektrode'Ober einen Widerstand mit Erde und dessen Drain-Elektrode mit einem Ausgangsanschluß und über einen Widerstand mit einer Spannungsquelle verbunden ist, ist erfindungsgemäß ein Transistor vorgesehen, dessen Basis mit der Drain-Elektrode des Feldeffekttransistors, dessen

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Emitter mit der Source-Elektrode des Feldeffekttransistors und dessen Kollektor mit der Spannungsquelle verbunden sind·

Im folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen?

Fig. 1 und 2 die Schaltbilder von zwei bekannten,

Feldeffekttransistoren verwendenden Dif f erentialOber tr agem ;

Fig. 3 und 4 Schaubilder der Betriebscharakteristiken des bei dem erfindungsgemäßen Differentialverstärker verwendeten Feldeffekttransistor;

Fig. 5 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Differentialverstärkers ;

Fig. 6 ein Schaubild zur Erläuterung der Betriebsweise des in Fig. 5 gezeigten Differentialverstärkers; und

Fig. 7 ein Schaltbild eines abgewandelten

Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Zum besseren Verständnis der Erfindung werden zunächst die Charakteristiken des verwendeten Feldeffekttransistors anhand der Schaubilder gemäß Fig. 3 und 4 beschrieben. In dem Schaubild gemäß Fig. 3 ist die Beziehung zwischen dem Drain-Strom I_D und der Vorwärtsübertragungsadmittanz G^ gezeigt. Bei den nach den gleichen Kenndaten hergestellten Feldeffekttransistoren ist es generell möglich, deren Vortwärtsübertragungsadmittanz durch Einstellung gleicher Drain-Ströme Ι_β im wesentlichen gleich zu machen.

Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen der Umgebungstemperatur Ta und dem Drain-Strom Ι_βϊ wobei V_GS die Spannung zwischen den Gate=- und Source-Elektroden des Feldeffekttransistors darstellt« Wie durch die Kurve b gezeigt ist,

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ist es bei geeigneter Wahl des Drain-Stroms I_D (0,5 mA in diesem Falle) möglich, den Drain-Strom I_D unabhängig von Änderungen der Umgebungstemperatur im wesentlichen konstant zu halten.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß Fig· 5 ist die Gate-Elektrode G. eines ersten Feldeffekttransistors Tr., mit einem Eingangsanschluß verbunden, während dessen Source-Elektrode S₁ über einen veränderlichen Widerstand VR₃ mit der Souree-Elektrode S« eines zweiten Feldeffekttransistors Tr „ gekoppelt ist, dessen Gate-Elektrode G„ mit dea anderen Eingangsanschluß verbunden ist. Der bewegliche Abgriff des veränderlichen Widerstands VR₃ ist über eine Konstant stromquelle -*- geerdet. Die Drain-Elektrode D. des ersten Feldeffekttransistors Tr₁ ist über einen Widerstand R. mit einer Spannungsquelle V_ß sowie direkt mit der Basis eines Transistors Tr₃ verbunden. Der Kollektor des Transistors Tr^ ist mit der Source-Elektrode S* des zweiten Feldeffekttransistors Tr« gekoppelt, während der Emitter des Transistors Tr₃ über einen Widerstand R₃ an die Spannungsquelle V„ angeschaltet ist. Die Drain-Elektrode D_ des zweiten Feldeffekttransistors Tr₃ ist über einen Widerstand R₂ mit der Spannungsquelle V_ß und direkt mit der Basis eines Transistors Tr₄ gekoppelt. Der Kollektor des Transistors Tr₄ liegt an der Source-Elektrode S^ des ersten Feldeffekttransistors Tr₁, und sein Emitter ist über einen Widerstand R₄ mit der Spannungsquelle V_ß verbunden.

Der in Fig. 5 gezeigte Differentialverstärker arbeitet wie folgt? Zunächst wird der einstellbare Widerstand VR₃ so eingestellt, daß der Differentialverstärker seine Abgleichbedingungen erreicht. Da die Drain-Str5rae der ersten und zweiten Feldeffekttransistoren Tr^ und Tr₂ wie die Kollektorströme durch die Transistoren Tr₃ und

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Tr. gleichgemacht werden können, wenn gleiche Eingangssignale an den Gate-Elektroden G. und G^ der Feldeffekttransistoren Tr,. und Tr- anstehen, ist es möglich, die Vorwärtsübertragungsadmittanzen dieser Feldeffekttransistoren durch Einstellung des veränderlichen Widerstandes VR- im wesentlichen gleichzumachen.

Nach Anlegen eines Eingangssignals +ÄV^n an die Gate-Elektrode G.. des ersten Feldeffekttransistors Tr₁ sowie eines Eingangssignal "^^y, ^{an d:}*-^e Gate-Elektrode G-des zweiten Feldeffekttransistors Tr. nimmt der Drains-Strom des ersten Feldeffekttransistors Tr₁ in Abhängigkeit von diesen Eingangssignalen zu, während der Drain-Strora des zweiten Feldeffekttransistors Tr„ um einen der Zunahme des Drain-Stroms des ersten Feldeffekttransistors Tr^ gleichen Betrag abnimmt. Wenn Transistoren mit einem großen Stromverstärkungsfaktor h„_E als Transistoren Tr^ und Tr. verwendet werden, arbeiten diese als Emitterfolger mit vollen Gegenkopplungen, so daß ihre Spannungsverstärkungsfaktoren im wesentlichen gleich sind· Demzufolge nimmt der Kollektorstrom des Transistors Tr- uia einen Wert gleich dem Drain-Stromanstieg des ersten Feldeffekttransistors Tr₁ zu, während der Kollektorstrom des Transistors Tr₄ um denselben Wert abnimmt. Da der Drain-Strom des ersten Feldeffekttransistors Tr₁ und der Kollektorstroia des Transistors Tr₄ durch den mit der Source— Elektrode S₁ des ersten Feldeffekttransistors Tr₁ verbundenen linken Teil des veränderlichen Widerstandes VR₃ fließe», wird der durch den linken Teil des veränderlichen Widerstandes VR₃ fließende Gesamtstrom von den Eingangssignalen nicht verändert· Da der Drain-Strom des zweiten Feldeffekttransistors Tr₂ und der Kollektorstrom des Transistors Tr₃ durch den mit der Source-Elektrode S- des zweiten Feldeffekttransistors Tr* verbundenen rechten Teil des veränderlichen Widerstandes

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- fließen9 wird auch der durch den rechten Teil

des veränderlichen Widerstandes VR- fließende Gesaratstrom nicht von der Größe der Eingangssignale beeinflußt. Demgemäß ist es möglich, Ausgangssignale bei hohen Verstärkungen an den Ausgangsanschlüssen zu entwickeln, ohne die Verstärkung der Schaltung Ober den veränderlichen Widerstand VR₃ in irgendeiner Weise zu beeinträchtigen·

Fig. 6 zeigt die Beziehung zwischen der Eingangssigna !spannung V_in und dem Drain-Strom I_D und den» Kollektorstrom I_c, wobei die Kurve a den Drain-Strom des ersten Feldeffekttransistors Tr^ und den Kollektorstrom des Transistors Tr-, die Kurve b den Drain-Strom des zweiten Feldeffekttransistors Tr- und den Kollektorstrom des Transistors Tr- und die Kurve c

den durch den veränderlichen Widerstand VR₃ zwischen den Source-Elektroden der ersten und zweiten Feldeffekttransistoren Tr.. und Tr- fließenden Strom zeigen.

Bezeichnet man die Vorwärtsübertragungsadraittanz der ersten und zweiten Feldeffekttransistoren mit g . die

Hi

Last mit R und den zwischen den Source-Elektroden liegenden veränderlichen Abgleichewiderstand mit V_R, so ergibt sich eine Verstärkung für die Schaltung gemäß Fig. 2 von g_m ^R/d+f_ra ^v _R) > während diejenige der Schaltung nach Fig. 5 g R 1st. Das bedeutet, daß der veränderliche Widerstand VR₃ allein zum Abgleich der Charakteristiken der beiden Feldeffekttransistoren beiträgt, aber niemals als Gegenkopplung auf das Eingangssignal rückwirkt«

Die den Differentialverstärker bildenden Feldeffekttransistoren arbeiten mit ihren geerdeten Source-

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Elektroden in Abhängigkeit von an ihren Gate-Elektroden anstehenden Eingangssignalen. Gleichzeitig damit werden durch die Kollektorstrome der den Feldeffekttransistoren zugeordneten Transistoren Signale an die Source-Elektroden derart angelegt, daß die Feldeffekttransistoren so arbeiten, als wären ihre Gate-Elektroden geerdet. Demzufolge entspricht die Funktion jedes Feldeffekttransistors einer Kaskadenschaltung von zwei Feldeffekttransistoren. Im Vergleich zu dem bekannten DifferentialverstSrker gemäß Fig. 2 ist es daher möglich, das Diskrirainations- bzw. Differentialverhältnis geeignet zu verbessern und die Drift in Bezug auf das Eingangssignal durch Erhöhung der Verstärkung zu verringern. Bei der bekannten Schaltung schwankt der Drain-Strom I_DSS (der Drain-Strom bei ^VGS * ^ entsprechend Kurve a in Fig. 4) von nach denselben Richtwerten hergestellten Feldeffekttransistoren um einen Faktor von zwei oder drei, so daß es unmöglich war, den Differentialverstärker zum Zwecke der Erhöhung seiner Verstärkung genau abzugleichen, sofern nicht ein veränderlicher Widerstand mit einem großen Widerstandswert unter Schaffung einer hohen Gegenkopplung an die Source-Elektroden der Feldeffekttransistoren angeschaltet wurde. Demgegenüber ermöglicht die Erfindung nicht nur die mehrfache Verbesserung der Verstärkung, sondern verbessert auch wesentlich das Diskriminationsverhältnis und die Drift« Darüberhinaus macht es die Erfindung möglich, die Schaltungskonstanten so zu wählen, daß die Kollektorströme der Transietoren viel größer als die Drain-Ströme der Feldeffekttransistoren sind, wodurch die Verstärkung weiter verbessert wird.

Obwohl in dem zuvor erläuterten Ausführungsbeispiel ein doppelseitiger Differentialverstärker mit zwei Eingangsanschlüssen und zwei Ausgangsanschlüssen behandelt wurde,

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ist die Erfindung auf diesen Differentialverstärker— typ nicht beschränkt, sondern kann auch auf einen Eintaktdifferentialverstärker mit einem Eingang und einem Ausgang angewandt werden.

Fig. 7 zeigt ein derartiges Ausführungsbeispiel mit einem Feldeffekttransistor Tr₅, dessen Gate-Elektrode G mit einem Eingangsanschluß verbunden ist, dessen Source-Elektrode S über einen Widerstand R_g geerdet ist und dessen Drain-Elektrode D über einen Widerstand R₅ mit einer Spannungsquelle V_ß verbunden ist. Außerdem ist ein npn-Transistor Trg vorgesehen, dessen Basis mit der Drain-Elektrode des Feldeffekttransistors Tr₅, dessen Kollektor mit der Spannungsquelle V_ß und dessen Emitter über einen Widerstand R₇ mit der Source-Elektrode S des Feldeffekttransistors verbunden ist. Wenn eine Eingangsspannung V. an der Gate-Elektrode G des in der zuvor beschriebenen Weise aufgebauten Eintaktverstärkers ansteht, wird das Eingangssignal von dem Feldeffekttransistor Tr_g verstärkt und am Ausgangsanschluß eine entsprechende Ausgangsspannung entwickelt.

Der neue Differentialverstärker ermöglicht bei einfachem Aufbau eine Verbesserung des Diskriminations-Verhältnisses, der Temperatur- und Spannungsdrifte und kann mit hohen Verstärkungen selbst dann stabil betrieben werden, wenn die Umgebungstemperatur und die Quellenspannung über weite Bereiche schwanken.

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Claims (4)

PATENTANWÄLTE ZENZ & HELBER · ESSEN 1, ALFREDSTRASSE 333 · TEL.: (0214l) 472687 ff!;- αι -23LAl PatentansprQche

1. Differentialverstärker mit zwei Feldeffekttransistoren, dessen Ausgangsänschlüsse mit den Drain-Elektroden und dessen Eingangsanschlüsse mit den Gate-Elektroden der Feldeffekttransistoren verbunden sind, und mit einem zwischen die Source-Elektroden der Feldeffekttransistoren eingeschalteten veränderlichen Widerstand,der mit einem Zwischenabgriff an eine Konstantstromquelle angeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Feldeffekttransistor (Tr^, Tr₂) ein Transistor {Tr-, Tr-) zugeordnet ist, dessen Basis mit der Drain-Elektrode (D., D₂) des zugehörigen Feldeffekttransistors und dessen Kollektor mit der Source-Elektrode (S₃, S^) des jeweils anderen Feldeffekttransistors (Tr₂, Tr^) gekoppelt sind.

2. Differentialverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit der Source-Elektrode (S^) des einen Feldeffekttransistors (Tr₁) verbundener Anschluß des veränderlichen Widerstands (VR-) mit dem Kollektor des dem anderen Feldeffekttransistor (Tr₂) zugeordneten Transistors (Tr₄) gekoppelt ist und der andere, mit der Source-Elektrode (S₂) des anderen Feldeffekttransistors (Tr₂) verbundene Anschluß des veränderlichen Widerstandes mit de© Kollektor des dem einen Feldeffekttransistor (Tr,*) zugeordnetem Transistors (Tr₃) gekoppelt ist.

3. Differentialverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Drain-Elektroden (D., D₂) der Feldeffekttransistoren (Tr^, Tr₂) und die Emitter der beiden Transistoren (Tr₃, Tr.) jeweils über Widerstände (R^ ...R,) mit einer Spannungsquelle (V„) verbunden sind.

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4. Verstärker mit einem Feldeffekttransistor, dessen Gate-Elektrode mit einem Eingangsanschluß, dessen Source-Elektrode über einen Widerstand mit Erde und dessen Drain-Elektrode mit einem Ausgangsanschluß und über einen Widerstand mit einer Spannungsquelle verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Transistor (Tr-) vorgesehen ist, dessen Basis mit der Drain-Elektrode (D) des Feldeffekttransistors (Tr₅), dessen Emitter mit der Source-Elektrode (S) des Feldeffekttransistors und dessen Kollektor rait der Spannungsquelle (V„) verbunden sind·

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L e e r s e i t e