DE2420158C3 - Differenzverstärker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Differenzverstärker mit Halbleiterverstärkerelementen komplementären Leitungstyps.

Ein bekannter Typ von Differenzverstärkern ist der emittergekoppelte Transistordifferenzver^ctärker. Ein grundlegendes Problem dieser Differenzverstärker besteht darin, daß ihre Ausgangssignale nichit den gesamten Potentialbereich durchfahren können., der zwischen der dem Verstärker zugeführten Betriebsspannung und dem Bezugspotential liegt. Dies, gilt insbesondere, wenn man zur Linearisierung einen nennenswerten Gegenkopplungswiderstand beim Zusammenschließen der Emitter der Verstärkertransistoren verwendet.

Eine mehrere Transistoren enthaltende Schaltung, die im folgenden als »Lin-Schaltung« bezeichnet ist, wird im US-Patent 28 96 029 sowie in der Zeitschrift »Proceedings of the IEEE« vom Dezember 1964, Seiten 1491 bis 1495 beschrieben. Die Lin-Schakung hat einen Eingangstransistor, dessen Kollektor und Emitter entsprechend an Basis und Kollektor eines nachgeschalteten Transistors vom entgegengesetzten Leitungstyp angeschlossen sind. Basis, Emitter und Kollektor dieser Schaltung sind die Basis des iRingangstransistors, der Verbindungspunkt von Emitter und Kollektor bzw. der Emitter des '■achgeschaltäten Transistors. Die Schaltung arbeitet wie ein Transistor vom gleichen Leitungstyp wie der Eingangstransiütor. In F i g. 5 der erwähnten Zeitschrift »Proceedings ...« ist ein Differenzverstärker dargestellt, deren normalen, in üblicher V/eise als Differenzverstärker geschalteten Eingangstransistoren entsprechend Lin geschaltete Verbundtransistoren nachgeschaltet sind. In Fig.7 dieser Literaturstelle ist eine Stromquelle erläutert, die ebenfalls mit Lin-Verbundtransistciren bestückt ist, wobei die als Emitter fungierenden Anschlüsse jeweils über einen Festwiderstand an ein Festpotential gelegt sind, den beiden als Basen fungierenden Anschlüssen Eingangssignale zugeführt werden und an den als Kollektor wirkenden Anschlüssen Ausgangssignale abgenommen werden. Diese Ausgangssignale werden außerdem über einen kapazitiven Rückkopplungszweig dem Verbindungspunkt des Kollektors des ersten mit der Basis des zweiten Verbundtransistors zugeführt.

Weiterhin ist in der DE-OS 16 38 014 ein mit konstantem Strom gespeister Differenzverstärker beschrieben, bei dessen Ansteuerung an der Basis eines der beiden Verstärkertransistoren sich das Stromverteilungsverhältnis zwischen diesen beiden Transl· stören verändert. Zwischen Kollektor und Arbeitswiderstand dieser Differenzverstärkertransistoren ist jeweils die Basis eines von zwei komplementären Transistoren angeschlossen, deren Emitter über einen Widerstand miteinander verbunden sind und deren einer mit seinem Kollektor an die Betriebsspannung

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geführt ist, während am Kollektor des anderen das und einen nachgeschalteten npn-Transistor 22 und noch weiter zu verstärkende Ausgangssignal abge- seine »Basis« ist mit 20 b, sein »Emitter« mit 20 e

nommen wird. Dieser zuletzt genannte der beiden und sein »Kollektor« mit 20 c bezeichnet,

komplementären Transistoren ist als monolithisch Die »Emitter« 1Oe und 20e sind zur Bildung der

integrierter Verbundtransistor ausgebildet, der aus 5 grundlegenden emittergekoppelten Differenzverstäreiner lateralen Transistorstruktur und einer dazu kerschaltung galvanisch miteinander gekoppelt und

komplementären üblichen Transistorstniktur besteht. so geschaltet, daß ihnen ein Ruhe-»Emitter«-Sirom

Ferner ist in der DE-AS 20 50 881 ein Differenz- der Größe /„ zugeführt wird. Die Figur zeigt einen verstärker beschrieben, dessen beide Eingänge durch der üblichen Wege hierfür, wobei die Emitter 1Oe jeweils eine Kaskodenstufe gebildet werden, durch io und 20 e mit Hilfe eines Widerstandes 30 miteinwelche die Eingangsstreukapazitäten verringert wer- ander verbunden sind und ihnen Ruheströme von den sollen. Der Kollektorausgang der Kaskodenstufe Stromquellen 13 bzw. 23 zugeführt werden.
ist jeweils an Basen zweier mit ihren Basis-Emitter- Alternativ kann statt des Widerstandes 30 auch Strecken parallelgeschalteter Transistoren angeschlos- eine direkte Verbindung zwischen den Emittern tresen, die emitterseitig an der Betriebsspannung liegen 15 ten, und die Stromquellen 13 und 23 können durch und deren einer mit seinem Kotlektor an eine auch eine einzige Stromquelle ersetzt v/erden. Eine andere die Kaskodenstufe speisenden Konstantstromquelle Alternative bestünde darin, den Widerstand 30 und liegt, während der Kollektor des anderen Transistors die Stromquelle 13 und 23 durch eine einzige Stromeinen der beiden Ausgangsanschlüsse des Differenz- quelle zu ersetzen, welche einen Strom der Größe 2 /₀ Verstärkers bildet, dessen andere HiHfte in gleicher 20 über gleichgroße Widerstände an di. »Emitier« 1Oe Weise aufgebaut ist. und 20 e liefert.

Schließlich sind in den US-Patentschriften 32 62 064 Die Stromquellen 13 und 23 (oder ihre Ersatz-

und 34 27 560 mit Lin-Verbundtransistoren aufge- schaltungen) können beispielsweise je einen nnp-

baute Differenzverstärker beschrieben, deren Aus- Transistor enthalten, dessen Basis-Emitter-Strecke so

gangssignale an den als Kollektor der Verbundtransi- 25 vorgespannt ist, daß sie an ihren Kollektoren einen

stören wirkenden Anschlüssen als Spannungsabfall an konstanten Strom liefert. Alternativ können auch

einem Widerstand abgenommen wird, über den im andere Arten von Stromquellen verwendet werden,

jeweiligen Verbundtransistor der Betriebsstrom züge- Normalerweise können die Stromquellen keinen

führt wird. Gleichstrom liefern, wenn die Spannungen an den

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun in der 30 »Emittern« 1Oe und 2Oe positiver als eine Betriebs-Schaffung eines mit Lin-Verbundtransistoren aufge- spannung B+ sind, welche diesen Stromquellen zubauten Differenzverstärkers, der sich in einem weite- geführt wird. Benutzt man pnp-Transistoren, die zur ren Bereich aussteuern läßt, als es bisiher möglich Lieferung eines konstanten Kollektorstromes vorgewar, derart, daß seine Ausgangssignale praktisch spannt sind, wie dies ober für diese Stromquellen innerhalb des gesamten Bereiches der den Verstärker 35 vorgeschlagen ist, dann können die Spannungen an speisenden Betriebsspannung sich verändern können. den Emittern 1Oe und 2Oe nicht positiver als ein Ferner soll die Vorspannung an den Verstärkerein- Spannungswert werden, der etwa 0,2 Volt negativer gangen ebenfalls in einem weiten Bereich wählbar als die Spannung B+ ist, weiche den Emittern der sein, so daß sich der Verstärker ohne besondere den konstanten Kollektorstrom liefernden pnp-Tran-Potentialanpassungsmaßnahmen an unterschiedliche 40 sistoren zugeführt wird.

Signalquellen mit Gleichstromkupplung anschließen Die »Basen« 10 b und 20 ό werden über Widerläßt, stände 14 bzw. 24 auf das gleiche Ruhepotential A f

Diese Aufgabe wird bei einem Differenzverstärker vorgespannt, und zwischen sie kann das Eüigangs-

der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierter. Art signal angelegt werden.

durch die für sich teilweise bekannten kunnznehnen- 45 Die »Kollektoren« 10 c und 20 c sind an ein Beden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. zugspotential angeschlussen, das in der Figur als

Die vorliegende Erfindung befaßt sich nun mit Masse dargestellt ist. Diese Verbindung kann eine einem emittergekoppelten Transistordiflerenzverstär- galvanische Verbindung sein. Alternativ kann die ker. dessen Transistoren durch Verbundtransistoren Veroindung, wie es die Figur zeigt, auch über Widergebildet werden, deren »Kollektoren« an ein Bezugs- 50 stände 15 und 25 erfolgen, deren Widerstandswert potential angeschlossen find. Die Eingangssignale genügend klein ist, daß ihr Spannungsabfall kleiner werden zwischen die »Basen« der Verbundtransisto- als 1 Volt ist. Unter diesen Bedingungen kann das ren angelegt, und die Ausgangssignale werden von Po.ent.al A f, welches die »Basen« 106 und 206 mindestens einem in Emittergrundschaltung betriebe- vorspannt, einen Wert innerhalb des gesamten Potrnnen Transistor abgenommen, dessen Basisemitter- 55 tialbereiches zwischen dem Massepotential und B-V strecke parallel zu derjenigen des nachfolgenden haben. Es ist kein nennenswerter Spannungsabfall an Transistors einer der Verbundtransistoren geschaltet den Kollektorlastwiderständen 15 und 25 erforderistlieh, so daß das Potential A -f beispielsweise als

Die Erfindung ist im fo genden an Hand der Dar- Massepotential gewählt werden kann. Am anderen

stellung eines Ausfuhrungsbeispiels näher erläutert. 60 Ende des Bereiches kann das Potential A 4- so ge-

Der Differenzverstärker 5 enthält einen ersten und wählt werden, daß es innerhalb etwa ) Volt vom einen zweiten Verbundtransistor 10 bzw. 20 in Lin- β+ -Potential bleibt und dennoch die Basis-Emitter-Schaltung, Der Verbundtransistor 10 enthält einen Übergänge der Transistoren 11 und 21 in dem für die pnp-Eingangstramsistor 11 und einen michgeschalte- richtige Betriebsweise erforderlichen Durchlaßzuten npn-Trarisislior 12. Die »Basis« des Verbund- 6? stand vorspannt.

transistors ist mit 10 f>, sein »Emitter« mit 1Oe und Um diesen Vorteil im Hinblick auf die Wahl der

sein »Kollektor« mit 10c bezeichnet. Der Verbund- Eingangsvorspannung, auszunutzen, muß irgendeine

transistor 20 enthält einen pnp-Eingangstransistor 21 Möglichkeit vorgesehen werden, den Ausgangsstrom

von den praktisch auf Massepotential liegenden »Kol- !ektorer.Ä 10 c und 20 c abzunehmen, Die Basis-Emitter-Strecken der Transistoren 12 und 22 entwickeln Potentiale U₁ bzw. U₂ als Folge ihrer jeweiligen Köllektorstromwerte. Werden die Potentiale H₁ S und H₂ den Basis-Emitter-Strecken der in Emittergrundschaltung betriebenen Verstärkertransistoren 16 und 26 zugeführt, deren Steilheitseigenschaften jeweils proportional denjenigen der Transistoren 12 und 22 sind, dann sind die Kollektorströme der Transistoren 16 und 26 proportional denjenigen der Transistoren 12 bzw. 22. Die Kollektorströme der in Emittergrundschaltung betriebenen Verstärkertransistoren 16 und 26 werden im dargestellten Ausführungsbeispiel den Kollektorlasten 17 bzw. 27 zügeführt, welche Strompfade für den von der Spannungsquelle B + oder einer anderen Spannungsquelle an

uib i\uiibh(uiui u<*i χ 1 anaiaiuiuii iu uiiu au gciiciciten Ruhestrom darstellen.

Wenn die Elektroden 10 c und 20 c unmittelbar mit Masse verbunden sind, dann würden auch die Emitter der Transistoren 16 und 26 direkt an Masse angeschlossen sein. Solche Verbindungen sind praktisch für integrierte Schaltungen, wo die Transistoren 12, 16 (und 22, 26) thermisch miteinander gekoppelt »5 sind. Das Verhältnis des Kollektorstroms des Transistors 16 (oder 26) zu demjenigen des Transistors 12 (oder 22) würde dann ebenso sein wie das Verhältnis der effektiven Flächen ihrer Basis-Emitter-Übergänge, sofern man gleiche Stromdichten in diesen Basis-Emitter-Ubergängen annimmt. Das heißt, das Verhältnis der Kollektorströme der Transistoren 12 und 16 (oder 22 und 26) und ihrer Emitterströme hängt von ihren geometrischen Abmessungen ab und ist unabhängig von ihren individuellen Durchlaß-Stromverstärkungen.

Wenn Widerstände 15 und 25 benutzt werden, wie es in der Figur dargestellt und vorstehend angenommen ist, dann sind die Emitter der Transistoren 16 und 26 über Widerstände 18 bzw. 28 mit Masse-

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18

ηηΐρπίϊϊΐΐ vprhiinHpn ΓΊϊα W Widerstand? 18

und 28 werden vorzugsweise folgendermaßen gewählt:

1. im Verhältnis zu den Werten der Widerstände 15 und 25 und

2. im umgekehrten Verhältnis zu dem Verhältnis der effektiven Basis-Emitter-Übergangsflächen der Transistoren 16 und 26 zu denjenigen der Transistoren 12 und 22.

Wenn dies so isi oder wenn die Emitter der Transistoren 12, 22, 16 und 26 alle an Masse liegen, dann sind die Kollektorströme der Transistoren 12 und 16 proportional zueinander, ebenso wie diejenigen der Transistoren 22 und 26, auch wenn Verzerrungen der Signale M₁ und K₂, verglichen mit den den An-Schlüssen 10 b und 2Öö zugeführten Eingangssignalen, vorliegen. Das heißt, daß die Verbundtransistoren 10 und 20 die Spannungen U₁ und M₂ vorverzerren, so daß Verzerrungen kompensiert werden, die durch Nichtlinearitäten der Übertragungseigenschaften der in Emittergrundschaltung betriebenen Verstärkertransistoren 16 und 26 bedingt sind.

Die Linearität der Gesamtübertragungscharakteristik des Differenzverstärkers 5 im Vergleich zu derjenigen eines üblichen emittergekoppelten Transislordiflerenzverstärkcrs wird auch durch die Gegenkopplung verbessert, welche durch die Verbundtransistoren 10 und 20 durch Verbindung der entsprechenden Emitter ihrer Eingangstransistoren 11 und 21 mit den entsprechenden Kollektoren ihrer nachfolgenden Transistoren 12 und 22 gegeben ist.

Aüsgartgssigrtalspännungen, die zwischen den CoI-iektoren der Transistoren 16 und 26 erscheinen, haben dieselbe Phasenlage wie die zwischen den Anschlüssen 10 ft und 20 ύ zugeführten Eingangssignale. Der Grund hierfür liegt in den Umkehrverstärkereigenschaften des emittcrgekoppclten Transistor-Differenzverstärkers mit den Verbundtransistoren 10 und 20, denen die in Emittcrgrundschaltung betriebenen Transistoren 16 und 26 mit Umkchrverstärkercharakierisiik iiucngesdiaiiei sind.

Wenn die Transistoren 12, 22. 16 und 26 gleich sind und auch die Werte der Widerstände 15, 25, 18, 28 gleich sind, wenn also der Leitwert ihrer Basis-Emitter-Kreise gleich ist, dann ist die Spannungsverstärkung des Verstärkers 5 gleich der Summe der Impedanzen der Lasten 17 und 27, dividiert durch die folgende Größe: Wert des Widerstands 30 plus Summe der Kehrtwerte der Steilheiten der Transistoren 11 «ind 21. Wenn die Leitsverte der Basis-Emitter-Kreise der Transistoren 16 und 26 gleich und um ein bestimmtes Vielfaches größer als die entsprechenden Leitwerte der Transistoren 12 und 22 sind, dann wird die Signalspannungsverstärkung um dieses bestimmte Vielfache gegenüber demjenigen Wert vergrößert, welcher sich bei Gleichheit all dieser Leitwerte ergibt.

Die den Lasten 17 und 27 zugeführten Ausgangssignale können jeweils den gesamten Potentialbereich von Masse bis zum Potential B + einnehmen. Der Verstärker 5 kann daher so große Ausgangssignalamplituden liefern, wie es für eine gegebene Betriebsspannung B möglich ist. Alternativ kann ein

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Kollektoren der Transistoren 16 und 26 geschaltet werden, wobei diese Kollektoren dann auf andere Weise ü'ier Gleichspannungspfade mit der Spannung B+ verbunden würden, beispielsweise über Widerstände oder die Kollektor-Emitter-Strecken von pnp-Transistoren. Wenn der Verstärker 5 keine symmetrischen Ausgangssignale liefern muß, kann eine der in Emitter-Grundschaltung betriebenen Verstär^verstufen 16,17, 18 oder 26, 27, 28 entfallen.

Der Verstärker 5 läßt sich mit npn-Transistoren anstatt der pnp-Transistoren und umgekehrt aufbauen. Er kannri auch mit anderen Transistortypen als bipolaren Transistoren realisiert werden. Der Ausdruck »Transistor« in den Ansprüchen ist im allgemeinen, bipolare und Feldeffekttransistoren umfassenden Sinne zu verstehen. Die Ausdrücke »Eingangselektrode«, »Ausgangselektrode« und »Bezugselektrode« stehen für Basis, Kollektor bzw. Emitter eines bipolaren Transistors ebenso wie für Gate-, Abfluß- bzw. Quellenelektrode eines Feldeffekttransistors.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. 24

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   1CQ

   Patentansprüche:

   1. Verstärker mit einem ersten und einem zweiten Transistor eines ersten Leitungstyps, die jeweils eine Eingangselektrode (beispielsweise die Basis), eine Bezugselektrode (beispielsweise den Emitter) und eine Ausgangselektrode (beispielsweise den Kollektor) aufweisen und deren Bezugselekfroden galvanisch miteinander und mit einer Stromquelle derart gekoppelt sind, daß die Transistoren als Differenzverstärker arbeiten, und nnit einer Eingangsschaltung zum Anlegen von Eingangssignalen zwischen die beiden Eingangselektroden, ferner mit einem dritten und einem vierten Transistor eines zweiten, entgegengesetzten Leitungstyps, die jeweils mit dem ersten bzw. zweiten Transistor verbunden sind, indem die Eingangselektroden (beispielsweise die Basen) des drilten und vierten Transistors direkt mit den Ausgangselektroden des ersten bzw. zweiten Transistors gekoppelt sind, und die Ausgangselektroden (beispielsweise die Kollektoren) des dritten und vierten Transistors galvanisch mit den Bezugselektroden des ersten bzw. zweiten Transistors verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein fünfter Transistor (16) vom zweiten Leitungstyp mit seiner Bezugselektrode (beispielsweise Emitter) galvanisch an den Festpotentialpunkt gekoppelt ist, mit seiner Eingangselektrode (beispielsweise Basis) direkt an die Eingangselektrode des dritten Transistors (12) und die Ausgangselektrode des ersten Trjnsisto j (11) angeschlossen ist und mit seiner Ausgangsslektrode (beispielsweise Kollektor) mit eint Last (17) verbunden ist.

   2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannungskopplung zwischen der Ausgangselektrode des ersten Transistors (11) und den Eingangselektroden des dritten und fünften Transistors (12, 16) ein Strompfad vernachlässigbar kleinen Widerstandes ist (beispielsweise ein Draht oder Leiter) und daß die Gleichstromkopplung zwischen der Ausgangselektrode des zweiten Transistors (21) und der Eingangselektrode des vierten Transistors (2i!) ebenfalls ein Strompfad vernachlässigbar kleinen Widerstandes ist (Draht oder Leiter).

   3. Verstärker nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen sechsten Transistor (26) vom zweiten Leitungstyp, dessen Eingangselektrcide direkt mit der Ausgangselektrode des zweken Transistors (21) und mit der Eingangselektrcide des vierten Transistors (22) verbunden ist und dessen Bezugselektrode galvanisch mit einem Festpotentialpunkt verbunden ist und dessen Ausgangselektrode an eine Last (271 angeschlossen ist.

   4. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugselektroden des drillen, vierten und fünften Transistors (12, 22, ]16<) miteinander und mit dem Festpotentialpunkt über einen Gleichspannungspfad vernachlässigbar ktei* nen Widerstandes verbunden sind.

   5. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch |»ekennzeichnet, daß der dritte und vierte Transistor (12, 11) je einen Halbleiterübergang zwischen Eingangs- und Bezugselektrode haben, daß iiili erstes und ein zweites Widerstandselement (115:,

   18) jeweils die nczugseieKiroden des dritten bzw. fünften Transistors (12, 16) mit dem Festpotentialpunkt verbinden und daß das Verhältnis der Widerstandswerte des ersten und zweiten Widerstandselementes (15, 18) umgekehrt proportional zum Verhältnis der effektiven Halbleiterübergangsflächen des dritten bzw. fünften Transistors (12, 16) ist.