DE2344216C3 - Differentialverstärker - Google Patents

Description

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

Feldeffekttransistoren werden auf Grund ihres

ίο hohen Eingangswiderstandes gegenwärtig in weitem Umfang als Gleichstromverstärker, Wechselstromverstärker und dergleichen eingesetzt. Da solche Verstärker jedoch in der Regel Driftfehler haben, wurde bereits ein Differentialverstärker vorgeschlagen, bei dem dieser Drifteffekt beseitigt ist.

Es sind verschiedene Arten solcher Differentialverstärker vorgeschlagen worden, und typische Ausführungsbeispiele sind in den F i g. 1 und 2 der Zeichnung dargestellt. Bei der Schaltung gemäß Fig. 1 sind die Source-EIektroden eines Paares von Feldeffekttransistoren mit einer Konstantstromquelle verbunden und von dieser angesteuert. Die Gate-Elektroden G₁ und C, der Feldeffekttransistoren Tr₁ und Tr., sind mit Eingangsanschlüssen verbunden, die

»5 Source-EIektroden S₁ und 5., liegen über eine gemeinsame Konstantstromquelle / an Erde, und die Drain-Elektroden D₁ und D., sind über einen Widerstand R₁ und einen einstellbaren Widerstand VR₁ mit einer Spannungscjuelle V_n verbunden. Die Ausgangsan-Schlüsse O₁ und O₂ der Differentialverstärkcr sind mit den Drain-Elektroden D₁ und D₂ verbunden.

Der in der F i g. 1 gezeigte Differentialverstärker arbeitet wie folgt:

Den Gate-Elektroden C₁ und G., aufgedrückte Ein-

gangssignale V_1n und - V_1n werden von den Feldeffekttransistoren Tr₁ bzw. Tr₂ verstärkt, wobei ein Ausgangssignal an den Ausgangsanschlüssen O₁ und O., 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-Ströme nicht regelmäßig gleich sind. Da die Drain-Ströme auch bei übereinstimmenden Eingangsspannungen von der Charakteristik der Feldeffekttransistoren abhängig sind, sind sie nicht immer gleich. Aus diesem Grunde ist die Vorwiirtsübertragungsadmittanz des Feldeffekttransistorpaares nicht gleich, wodurch das Verhältnis der gleichen Phasenkomponente zur umgekehrten Phasenkomponente des Ausgangs, d. h. der Rejektionsfaktor verschlechtert wird. Damit ist eine Verminderung der Stabilität des Verstärkerbetriebs verbunden. Aus diesem Grunde ist es notwendig, Feldeffekttransistoren mit übereinstimmenden Betriebscharakteristiken auszuwählen. Anderenfalls ist es unmöglich, Driftänderungen auf Grund von Temperaturänderungen perfekt zu kompensieren. Daher wird die Drift auf Grund 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 ver änderlicher Widerstand VR., zwischen die Source-EIektroden .V₁ und S., der beiden Feldeffekttransistoren Tr_x und Tr., derart eingeschaltet, daß ihre Vorwärtsübertragungswidersta'nde abgeglichen sind, und

der verschiebbare Abgriff des Widerstandes VR., ist an eine gemeinsame Konstantstromquelle / angeschaltet. Die Schaltungskomponenten entsprechen denjenigen gemäß F i g. 1 und sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. In der Schaltung gemäß F i g. 2 ist an Stelle des einstellbaren Widerstandes VR₁ zwischen der Drain-Elektrode D., des Feldeffekuransistors Tr., und der Quelle V_B ein fester Widerstand R., eingeschaltet.

Bei der Schaltung gemäß Fig. 2 ist es durch entsprechende Einstellung des veränderlichen Widerstandes VR., möglich, die Vorwärtsübertragungsadmittanzen der beiden Feldeffekttransistoren im wesentlichen gleich zu machen, wodurch der Rejektionsfaktor gegenüber demjenigen der Schaltung gemäß F i g. 1 verbessert werden kann. Außerdem kann die Temperaturdrift verbessert werden, da es möglich ist, die Temperaturkoeffizienten der beiden 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 über den veränderlichen Widerstand zwischen den Source-Elektroden S₁ und S., hervorgerufenen Rückkopplung entspricht. Dadurch ist die Spannungsdrift, bezogen auf die Eingangsspannung, wesentlich größer als diejenige bei der Schaltung gemäß Fig. 1.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die bisher bekannten Differentialverstärker in Bezug auf Verstärkung, Rejektionsfaktor 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-Elektrode des anderen Feldeffekttransistors gekoppelt ist.

Bei einem Gleichstromverstärker mit einem Feldeffekttransistor, dessen Gate-Elektrode mit einem Eingangsanschluß dessen Source-Elektrode über einen Widerstand nut Erde und dessen Drain-Elektrode über einen Widerstand mit einer Spannungsqucile verbunden sind, und mit einem Transistor, dessen Basis an die Drain-Elektrode, dessen Emitter an die Source-Elektrode des Feldeffekttransistors und dessen Kollektor an die Spannungsquelle angeschaltet sind, wird zur Lösung der obengenannten Aufgabe erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß im Verbindungsweg zwischen dem Emitter des Transistors und der Source-Elektrode des Feldeffekttransistors ein Widerstand angeordnet ist und ein Ausgangsanschluß des Verstärkers von dem Verbindungspunkt zwischen der Basis des Transistors und der Drain-Elektrode des 6u Feldeffekttransistors abgeleitet ist.

Bei einer aus der Zeitschrift »radio, fernsehen, elcktronik«, 18, Heft 2, 1969, Seite 53 und 54, bekannten Spannungsdiskriminatorschaltung sowie einer Kondensatormikrophon-Verstärkerschaltung entsprechender Gattung wird zwar die dem Feldeffekttransistor innewohnende, gegenüber Normaltransistorcn verbesserte Temperaturcharakteristik ausgenutzt, ohne daß jedoch die Temperaturcharakteristik lies Feldeffekttransistors selbst durch Schaltungsmaßnahmen verbessert wird. Die Verbesserung dieser Betriebscharakteristik des Feldeffekttransistors erfolgt jedoch erfindungsgemäß durch eine Gegenkopplung zum Transistor über den im Verbindungsweg zwischen dem Emitter des Transistors und der Source-Elektrode des Feldeffekuransistors liegenden Widerstand, der eine temperaturbedingte Änderung des Drain-Stroms im Feldeffekttransistor unterdrückt.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigen

F i g. 1 und 2 die Schaltbilder von zwei bekannten, Feldeffekttransistoren verwendeten Differsntialverstärkern,

F i g. 3 und 4 Schaubilder der Betriebscharakteristiken des bei dem erfindungsgemäßen Differentialverstärker verwendeten Feldeffekttransistors.

F i g. 5 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Differentialverstärkers,

F i g. 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 an Hand der Schaubilder gemäß F i g. 3 und 4 beschrieben. In dem Schaubild gemäß F i g. 3 ist die Beziehung zwischen dem Drain-Strom I_n und der Vorwärtsübertragungsadniittanz G₁₁, gezeigt. Bei den nach den gleichen Kenndaten hergestellten Feldeffekttransistoren ist es generell möglich, deren Vorwärtsübertragungsadmittanz durch Einstellung gleicher Drain-Ströme I_n im wesentlichen gleich zu machen.

F i g. 4 zeigt die Beziehung zwischen der Umgebungstemperatur Ta und dem Drain-Strom I_n, wobei V_as die Spannung zwischen den Gate- und Source-Elektroden des Feldeffekttransistors darstellt. Wie durch die Kurve b gezeigt ist, ist es bei geeigneter Wahl des Drain-Stroms /„ (0,5 mA in diesem Falle) möglich, den Drain-Strom /„ unabhängig von Änderungen der Umgebungstemperatur im wesentlichen konstant zu halten.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 ist die Gate-Elektrode G₁ eines ersten Feldeffekttransistors Tr₁ mit einem Eingangsanschluß verbunden, während dessen Source-Elektrode 5, über einen veränderlichen Widerstand VR₃ mit der Source-Elektrode S₁ eines zweiten Feldeffekttransistors Tr., gekoppelt ist, dessen Gate-Elektrode C, mit dem anderen Eingangsanschluß verbunden ist. Der bewegliche Abgriff des veränderlichen Widerstands VR_:i ist über eine Konstantstromquelle / geerdet. Die Drain-Elektrode D₁ des ersten Feldeffekttransistors Tr_x ist über einen Widerstand R₁ mit einer Spannungsquelle V₁₁ sowie direkt mit der Basis eines Transistors Tr₃ verbunden. Der Kollektor des Transistors Tr₁ ist mit der Source-Elektrode S₂ des zweiten Feldeffekttransistors Tr₁ gekoppelt, während der Fmittei jes Transistors 7Y.< über einen Wider'and /?., un die Spannungsi]uel!e V_H angeschaltet ist. Die Drain-Elektrode D., des zweiten Feldeffekttransistors Tr., ist über einen Widerstand R₂ mit der Spannungsquelle V₁₁ und direkt mit der Basis eines Tran-

sistors 7>₄ gekoppelt. Der Kollektor des Transistors Tr₄ liegt an der Source-Elcktrode S_x des ersten Feldeffekttransistors Tr_v und sein Emitter ist über einen Widerstand R₄ mit der Spannungsquelle V_H verbunden.

Der in F i g. 5 gezeigte DifTerentialverstärker arbeitet wie folgt: Zunächst wird der einstellbare Widerstand Fß, so eingestellt, daß der Diffcrentialverstärker seine Abgleichspannungen erreicht. Da die Drain-Ströme der ersten und zweiten Feldeffekttransistoren Tr_x und Tr., wie die Kollektorströme durch die Transistoren Tr_x und Tf₄ gleichgemacht werden können, wenn gleiche Eingangssignale an den Gate-Elektroden G₁ und G₂ der Feldeffekttransistoren Tr_x und Tr₁, anstehen, ist es möglich, die Vorwärtsübertragungsadmittanzen dieser Feldeffekttransistoren durch Einstellung des veränderlichen Widerstandes VR., im wesentlichen gleichzumachen.

Nach Anlegen eines Eingangssignals +.1K_1n an die Gate-Elektrode G₁ des ersten Feldeffekttransistors Tr₁ sowie eines Eingangssignals —AV_in an die Gate-Elektrode G₂ des zweiten Feldeffekttransistors Tr₂ nimmt der Drain-Strom des ersten Feldeffekttransistors Tr_x in Abhängigkeit von diesen Eingangssignalen /.u, während der Drain-Strom des zweiten Feldeffekttransistors Tr., um einer, der Zunahme des Drain-Stroms des ersten Feldeffekttransistors Tr_x gleichen Betrag abnimmt. Wenn Transistoren mit einem grofkn Stromverstärkungsfaktor h_IF als Transistoren Tr., und Tr_A verwendet werden, arbeiten diese als Emitterfolger mit vollen Gegenkopplungen, so daß ihre Spannungsverstärkungsfaktoren im wesentlichen gleich 1 sind. Demzufolge nimmt der Kollektorstrom des Transistors Tr., um einen Wert gleich dem Drain-Stromananstieg des ersten Feldeffekttransistors Tr_x zu. während der Kollektorstrom des Transistors Tr₁₁ um denselben Wert abnimmt. Da der Drain-Strom des ersten Feldeffekttransistors Tr_x und der Kollektorstrom des Transistors Tr_t durch den mit der Source-Eleklrode S_x des ersten Feldeffekttransistors Tr_x verbundenen linken Teil des veränderlichen Widerstandes VR., fließen, wird der durch den linken Teil des veränderlichen Widerstandes VR., fließenden Gesamtstrom von den Eingangssignalen nicht verändert. Da der Drain-Strom des zweiten Feldeffekttransistors Tr., und der Kollektorstrom des Transistors Tr., durch den mit der Source-Elektrode 5., des zweiten Feldeffekttransistors Tr., verbundenen rechten Teil des veränderlichen Widerstandes VR., fließen, wird auch der durch den rechten Teil des veränderlichen Widerstandes VR., fließende Gesamtstrom 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 über den veränderlichen Widerstand VR₃ in irgendeiner Weise zu beeinträchtigen.

F i g. 6 zeigt die Beziehung zwischen der Eingangssignalspannung V_in und dem Drain-Strom I_n und dem Kollektorstrom /_o wobei die Kurve α den Drain-Strom des ersten Feldeffekttransistors Tr_x und den Kollektorstrom des Transistors Tr^ die Kurve b den Drain-Strom des zweiten Feldeffekttransistors Tr₂ und den Kollektorstrom des Transistors Tr_t und die Kurve c den durch den veränderlichen Widerstand VR._t zwischen den Source-Elektroden der ersten und zweiten Feldeffekttransistoren Tr₁ und Tr₂ fließenden Strom zeigen.

Bezeichnet man die Vorwärlsübertragungsadmittanz der ersten und zweiten Feldeffekttransistoren mit g,„, die Last mit R und den zwischen den Source-Elektroden liegenden veränderlichen Abgleichswidcrstand mit V₁., so ergibt sich eine Verstärkung für die Schaltung gemäß Fig. 2 von g„RI(\ + g_mV_H). während diejenige der Schaltung nach F i g. 5 #„,W ist. Das bedeutet, daß der veränderliche Widerstand VR., allein /um Abgleich der Charakteristiken der beiden ίο Feldeffekttransistoren beiträgt, aber niemals als Gegenkopplung auf das Eingangssignal rückwirkt.

Die den Differentialverstärker bildenden Feldeffekttransistoren arbeiten mit ihren geerdeten Source-Elektroden in Abhängigkeit von an ihren Gate-Elek-(roden anstehenden Eingangssignalcn. Gleichzeitig damit werden durch die Kollektorströme der dem 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 Differentialvcrstärker gemäß F i g. 2 ist es daher möglich, den Rejektionsfaktor 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/„j,-,,; (der Drain-Strom bei K₀S = O entsprechend Kurve λ in Fi g. 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-Liektroden der Feldeffekttransistoren angeschaltet wurde. Demgegenüber ermöglicht die Erfindung nicht nur die mehrfache Verbesserung der Verstärkung, sondern verbessert auch wesentlich dun Rejektionsfaktor und die Drift. Darüber hinaus macht es die Erfindung möglich, die Schaltungskonstanten so zu wählen, daß die Kollektorströme der Transistoren 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, ist die Erfindung auf diesen Differentialverstärkertyp nicht beschränkt, sondern kann auch auf einen Eintaktdifferentialverstärker mit einem Eingang und einem Ausgang angewandt werden.

F i g. 7 zeigt ein derartiges Ausführungsbeispiel mit einem Feldeffekttransistor Tr., dessen Gate-Elektrode G mit einem Eingangsanschluß verbunden ist, dessen Source-Elektrode S über einen Widerstand R_R geerdet ist und dessen Drain-Elektrode D über einen Widerstand R_r> mit einer Spannungsquelle V₁. verbunden ist. Außerdem ist ein npn-Transistor Tr_K vorgesehen, dessen Basis mit der Drain-Elektrode des Feldeffekttransistors Tr-, dessen Kollektor mit der Spannungsquelle V_n und dessen Emitter über einen Widerstand R. mit der Source-Elektrode S des FeIdeffekttransistors verbunden ist. Wenn eine Eingangsspannung V_in an der Gate-Elektrode G des in der zuvor beschriebenen Weise aufgebauten Eintaktverslärkers ansteht, wird das Eingangssignal von dem Feld-

efTekltransistor Tr₅ verstärkt und am Ausgangsanschluß eine entsprechende Ausgangsspannung entwickelt.

Der neue Dilierentialverstärkci ermöglicht bei einfachem Aufbau eine Verbesserung des Diskrimina-

tionsverhältnisses, der Temperatur- und Spannungsdrifte und kann mit hohen Verstärkungen selbst dann stabil betrieben werden, wenn die Umgebungstemperatur und die Quellenspannung über weite Bereiche schwanken.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Differentialverstärker mit zwei Feldeffekttransistoren, dessen Ausgangsanschlüsse mit den Drain-Elektroden und dessen Eingangsanschlüsse mit den Gate-Elektroden der Feldeffekttransistoren verbunden sind, und mit einem zwischen die Source-EIektroden der Feldeffekttransistoren eingeschalteten veränderlichen Widerstand, der mit einem Zwischenabgriff an eine Konstantstromquelle angeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Feldeffekttransistor (Tr₁, Tr₂) ein Transistor [Tr₃, Tr_A) zugeordnet ist, dessen Basis mit der Drain-Elektrode (D₁, D.,) des zugehörigen Feldeffekttransistors und dessen Kollektor mit der Source-Elektrode (S.,, S₁) des jeweils anderen Feldeffekttransistor:. (Tr.,, Tr₁) gekoppelt sind.

2. Differentialverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit der Source-Elektrode (S₁) des einen Feldeffekttransistors (Tr₁) verbundener Anschluß des veränderlichen Widerstands (VR._t) mit dem Kollektor des dem anderen Feldeffekttransistors (Tr₂) zugeordneten Transistors (Tr₄) gekoppelt ist und der andere, mit der Source-Elektrode (S.,) des anderen Feldeffekttransistors (Tr₂) verbundene Anschluß des veränderlichen Widerstandes mit dem Kollektor des dem einen Feldeffekttransistor (Tr₁) zugeordneten Transistors (Tr_x) gekoppelt ist.

3. Differentialverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drain-Elektroden (D₁, D₂) der Feldeffekttransistoren (Tr_v Tr₁) und die Emitter der beiden Transistoren (Tr_:l, Tr_t) jeweils über Widerstände (R₁ ... S₄) mit einer Spannungsquelle (V_B) verbunden sind.

4. Gleichstromverstärker mit einem Feldeffekttransistor, dessen Gate-Elektrode mit einem Eingangsanschluß, dessen Source-Elektrode über einen Widerstand mit Erde und dessen Drain-Elektrode über einen Widerstand mit einer Spannungsquelle verbunden sind, und mit einem Transistor, dessen Basis an die Drain-Elektrode, dessen Emitter an die Source-Elektrode des Feldeffekttransistors und dessen Kollektor an die Spannungsquelle angeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß im Verbindungsweg zwischen dem Emitter des Transistors (Tr₁.) und der Source-Elektrode (S) des Feldeffekttransistors (TrJ ein Widerstand (R₇) angeordnet ist und ein Ausgangsanschluß (Vo) des Verstärkers von dem Verbindungspunkt zwischen der Basis des Transistors und der Drain-Elektrode (D) des Feldeffekttransistors abgeleitet ist (F i g. 7).