DE2443137A1

DE2443137A1 - Differentialverstaerkerkreis

Info

Publication number: DE2443137A1
Application number: DE2443137A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Furuno; Ryuji Oki; Ikuo Shimizu
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1973-09-11
Filing date: 1974-09-10
Publication date: 1975-03-13
Also published as: JPS5052844U; GB1471727A; DE2443137C2; US3918004A; JPS5424601Y2; NL7412089A; NL189060C; NL189060B; AU7309874A; IT1021284B; CA1031044A; FR2243551A1; FR2243551B1

Description

It 3011

SONY CORPORATION Tokyo / Japan

Differentialverstärkerkreis

Die Erfindung betrifft allgemein einen Differentialverstärkerkreis und insbesondere einen Differentialverstärkerkreis, bei dem die Zone der Emitter-Basis-Strecke des einen Transistors größer als die des anderen ist.

Ein bekannter Differentialverstärker entsprechend Fig. 1 der anliegenden Zeichnungen weist zwei Transistoren 1 und 2 auf, deren Emitter zusammen mit einer Konstantstromquelle wie einem Widerstand 3 verbunden sind. Ein Eingangsanschluß 4 ist von der Basis des ersten Transistors 1 herausgeführt, ein Lastwiderstand 5 mit dem Kollektor des zweiten Transistors 2 verbunden und ein Ausgangsanschluß 6 ist von dem Kollektor des Transistors 2 herausgeführt, wie Fig. 1 zeigt. Um hierbei die Eingangsimpedanz des Differentialverstärkerkreises zu erhöhen und ein Eingangssignal gegenphasig auf die Basen der Transistoren 1 und 2 zu geben, ist es erforderlich, einen Widerstand 7 zwischen die Basen der Transistoren 1 und 2 einzuschalton, wie Fig. 1 zeigt. In Fig. 1 ist mit 8 ein iJpunnunqfjcjuo ] lencinBchluß +B und mit 9 eine Gleichspannungs· quelle für die Ii an i «vorspannung der Transistoren 1 und 2 i cnnet.

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Wenn bei dem bekannten, in Fig. 1 gezeigten Kreis die Transistoren 1 und 2 als integrierter Halbleiterkreis mit im wesentlichen den gleichen Eigenschaften ausgebildet werden und angenommen wird, daß ihr Stromverstärkungsfaktor, die Steilheit gm, der Basisvorspannungsstrom des Transistors bzw. der durch den Transistor 7 fließende I_ und der KoI-

lektorgleichstrom des Transistor 1 I₁ ist, erhält man die folgende Gleichung:

¹I

Wenn kein Widerstand 7 vorgesehen ist bzw. wenn die Basen der Transistoren 1 und 2 direkt verbunden sind, fließt der gleiche Kollektorstrom durch die Transistoren 1 und Wenn hierbei der Kollektorgleichstrom des Transistors 2 I₂ ist, erhält man die folgende Gleichung (2),t

¹I = H ⁽²⁾

Wenn jedoch der Widerstand 7 vorgesehen ist, wie Fig. 1 zeigt, erhält man die folgende Gleichung (3) unter der Annahme, daß der Widerstandswert des Transistors 7 R^ ist:

¹B

.I₁
Wenn man I_B =-^-( aus Gleichung (1) erhalten) in der Gleichung

(3) substituiert und die Gleichung (3) neu ordnet, erhält man die folgende Gleichung (4):

_χ = ρ . I₂ - R₆ . I₁ . gm (4)

Wenn der durch den Transistor 3 fließende Strom I ist, kann der Strom I„ wie folgt ausgedrückt werden:

^τ2 = ¹O - ¹I ⁽⁵⁾

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Wenn man durch Substitution der Gleichung (5) die Gleichung (4) neu ordnet, erhält man die folgende Gleichung (6):

¹I " 2 fb+ Rg . gm ¹O ..... (6)

Aus der Gleichung (6) ist offensichtlich, daß man I = -w- bzw. Links-und Rechts-Balance nur dadurch erhält, daß unendlich, gm Null bzw. Rg Null (Rg = 0) gemacht werden. Wenn jedoch R_. = 0 bzw. die Basen beider Transistoren 1 und 2 direkt verbunden sind, kann der obige Kreis nicht als Verstärker arbeiten. Da es außerdem unmöglich ist, bei einem Transistor p> unendlich bzw. gm Null zu machen, ist es unmöglich, bei diesem Kreis Links- und Rechts-Balance aufrecht zu erhalten.

Um diesen Nachteil zu vermeiden, kann in Betracht gezogen werden, eine Spule anstelle des Widerstands 7 zu verwenden. Solch ein Ersatz erfordert jedoch eine erhöhte Anzahl von Anschlüssen, wenn der Kreis als integrierter Kreis ausgebildet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Differentialverstärkerkreis zu schaffen, der von den Nachteilen des Standes der Technik frei ist, bei dem, wenn eine Vorspannung an Transistoren erster und zweiter aktiver Teile angelegt wird, die Balance zwischen den aktiven Teilen bzw. die linke und rechte Balance verbessert wird, bei dem die Impedanz hoch gemacht werden kann, und der zur Ausbildung als integrierter Kreis geeignet ist.

Durch die Erfindung wird ein Differentialverstärkerkreis geschaffen, der.einen ersten aktiven Teil, bestehend aus einem Transistor, und einen zweiten aktiven Teil, bestehend aus einem Transistor aufweist, und bei dem die Bereiche der Emitter-Basis-Strecke der Transistoren in den jeweiligen aktiven Teilen verschieden ausgebildet sind, eine Konstantstromquelle an die Emitter der Transistoren in

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den beiden aktiven Teilen angeschlossen ist und ein Widerstand zwischen die Basen der Transistoren in beiden aktiven Teilen geschaltet ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren 1 bis 3 beispielsweise erläutert. Es zeigt:

Figur 1 ein Schaltbild eines bekannten Differentialverstärkerkreises,

Figur 2 ein Schaltbild einer Ausführungsform des Differentialverstärkerkreises gemäß der Erfindung, und

Figur 3 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Es wird nun eine Ausführungsform des Differentialverstärkerkreises gemäß der Erfindung anhand der Fig. 2 beschrieben. In Fig. 2 sind mit 11 und 12 zwei aktive Teile bezeichnet, die einen Differentialverstärker bilden. Einer dieser aktiven Teile bzw. der erste aktive Teil 11 besteht z.B. aus drei Transistoren HA, HB und HC, deren Basen, Emitter und Kollektoren miteinander verbunden sind, während der andere aktive Teil bzw. der zweite aktive Teil 12 aus einem einzigen Transistor 12A bei der gezeigten Ausftihrungsform besteht. Die Emitter der Transistoren HA, HB und HC in dem ersten aktiven. Teil 11 sind mit dem Emitter des Transistors 12A in dem zweiten aktiven Teil 12 verbunden und der Verbindungspunkt der Emitter ist über eine Konstantstromquelle, z.B. einen Widerstand 13 geerdet. Ein Eingangsanschluß 14 ist mit den Basen der Transistoren HA, HB und HC verbunden, um daran ein Eingangssignal anzulegen. Ein Widerstand bzw. ein Lastwiderstand 15 ist mit dem Kollektor des Transistors 12A verbunden und ein Ausgangsanschluß 16 ist von dem Kollektor des Transistors 12A herausgeführt, an den ein Ausgangssignal abgegeben

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wird. Ein Widerstand 17 ist zwischen die Basen der Transistoren HA, HB und HC, die verbunden sind, und die Basis des Transistors 12A geschaltet. Von einem +B-Spannungsquellenanschluß 18 wird eine Spannung an die Transistoren angelegt. Eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 19 und mehreren Dioden 20 ist zwischen den Spannungsquellenanschluß 18 und Erde geschaltet, um eine Vorspannung an den Transistor 12A anzulegen. Dies bedeutet, daß der Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 19 und der ersten Diode 20 mit der Basis des Transistors 12A verbunden ist. Nötigenfalls kann eine geeignete Anzahl von Dioden 21 parallel zu dem Widerstand 19 geschaltet v/erden

Bei der Ausführungsform des in Fig. 2 gezeigten Kreises sind Transistoren, die im wesentlichen die gleichen Kennlinien haben, als Transistoren HA, HB, HC und 12Ä verwendet, und diese Transistoren können durch den gleichen Integrationsprozeß zusammen mit Halbleitersubstraten gleich nach Größe, Form usw. hergestellt werden. Damit wird der Gesamtbereich der Emitter-Basis-Strecke der Transistoren HA, HB und HC in dem aktiven Teil 11 dreimal größer als der Bereich der Emitter-Basis-Strecke des Transistors 12A in dem aktiven Teil 12.

Wenn angenommen wird, daß der Basisvorspannungsstrom der Transistoren HA, HB und HC bzw. der durch den Widerstand 7 fließende Strom I_ß und der Kollektorgleichstrom der Transistoren HA, HB und HC I₁ ist, kann der Strom I. wie folgt ausgedrückt werden:

¹B

Wenn der Widerstand 17 nicht benutzt wird, bzw. die Basen der Transistoren HA, HB und HC in dem ersten aktiven Teil 11 und die Basis des Transistors 12A in dem zweiten

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aktiven Teil 12 direkt verbunden werden, ist der Kollektorgleichstrom, der durch jeden Transistor HA, HB und HC in dem aktiven Teil 11 fließt, gleich dem Kollektorgleichstrom der durch den Widerstand 12A in dem anderen aktiven Teil 12 fließt. Nimmt man daher an, daß die Anzahl der Transistoren, die den aktiven Teil 11 bilden η (bei dem gezeigten Beispiel 3) und der Kollektorgleichstrom in dem Transistor, der den anderen aktiven Teil 12 bildet (bei dem gezeigten Beispiel der einzige Transistor 12A) I₂ ist, erhält man die folgende Gleichung (8):

I₁ = η . I₂ (8)

Wenn der Widerstand 7 so wie in Fig. 2 geschaltet und der Widerstandswert des Wii
wie folgt ausgedrückt:

Widerstandswert des Widerstand 7 R_n ist, wird der Strom I₁

O X

= η . I₁, - η . R_ . I . gm (9)

Wenn I_ = -β- aus der Gleichung (7) in die Gleichung (9) substituiert und diese neu geordnet wird, erhält man die folgende Gleichung (10):

ß. I₁ =n . fr . I₀ -n . R-. . I₁ . gm .. (10) (1 ( 2 Bl

Wenn der Strom, der durch die Konstantstromquelle bzw. den Widerstand 13 fließt, als I
die folgende Gleichung (11):

Widerstand 13 fließt, als I angenommen wird, erhält man

^Σ2 = ¹O" ¹I

Wenn die Gleichung (11) in die Gleichung (10) substituiert und diese neu geordnet wird, erhält man die folgende Gleichung (12):

1 (n+1)+ η . Rg . gm 0 ^v '

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Wie oben beschrieben wurde, wird der Bereich der Emitter- . Basis-Strecke der Transistoren des ersten aktiven Teils 11 größer als der des Transistors in dem zweiten aktiven Teil 12 gewählt und der erste aktive Teil 11 wird aus mehreren Transistoren bzw. η Transistoren gewählt, vrobei die Anzahl der Transistoren gleich oder größer als 2(n^2) gewählt wird, so daß, wenn der Widerstandswert R_ in Verbindung mit den Werten von n, £> und gm in geeigneter Weise

I '

gewählt wird, I = -*- erfüllt werden kann bzw. zwischen den beiden aktiven Teilen die Balance aufrecht erhalten werden kann.

Da bei der Ausführungsform der Fig. 2 η = 3, kann die Gleichung (12) wie folgt neu geschrieben werden:

¹I ⁼ 4 [³L . gm ¹O ····· ⁽¹³⁾

I ^B -

Wenn daher die folgende Gleichung (14):

3R₀ . gm= 2(1 bzw. ^ --^EL ..... (14)

erfüllt ist, erhält man I₁ = -s- und damit wird zwischen den beiden Teilen Balance aufrecht erhalten. Es ist offensichtlich, daß, wenn die Anzahl der Transistoren, die den einen aktiven Teil bzw. den ersten aktiven Teil 11 bilden, größer ist, der Widerstandswert R_. des Widerstands 17 umso mehr erhöht werden kann.

Da der Differentialverstärkerkreis gemäß der Erfindung aus Transistoren, Widerständen und Dioden besteht, kann er leicht als integrierter Kreis ausgebildet werden. Hierbei wird jeder Transistor HA, HB und HC, der den ersten aktiven Teil 11 bildet, und der Transistor 12A, der den zweiten aktiven Teil bildet, als Planartransistor und der. Widerstand 17 wird als "squeeze"-Widerstand ausgebildet, der durch die gleiche Diffusion gebildet wird, wie die

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jenige, die die Kollektoren, Basen und Emitter der Transistoren bildet und die Zonen entsprechend deren Basiszonen verwendet. Wenn der Widerstand 17 in der oben erwähnten Weise hergestellt wird, ist sein Widerstandswert P_ proportional dem Stromverstärkungsfaktor ρ des Transistors, so daß man R=K .3 (wobei K eine Konstante ist) erhält. Auf der Grundlage der Gleichung (15) erhält man die folgende Gleichung (16):

Wenn man für die Steilheit gm einen bestimmten Wert entsprechend der Anzahl η der Transistoren wählt, die den ersten aktiven Teil 11 bilden, erhält man I. = -γ bzw. es kann zwischen den beiden Teilen unabhängig von dem Stromverstärkungsfaktor p» eines jeden Widerstands Balance aufrecht erhalten werden.

Bei der Ausführungsform der Fig. 2 wird die Basisvorspannung von den Dioden 20 konstant gehalten. Wenn die Spannung der Spannungsquelle jedoch einen normalen Wert hat, fließt ein Strom durch den Widerstand 19 und kein Strom fließt durch die Reihenschaltung der Dioden 21. Wenn die Spannung der Spannungsquelle aus irgendwelchen Gründen einen bestimmten Wert überschreitet, fließt ein Strom durch die Reihenschaltung der Dioden21 und hält die Betriebsspannung, die an den Differentialverstärker angelegt wird, in Zusammenwirkung mit den Dioden 20 konstant. Es ist daher nicht notwendig, den Kreis so auszubilden, daß berücksichtigt wird, daß die Spannung der Spannungsquelle anormal zunimmt, und damit kann der Kreis leicht aufgebaut werden.

Es wird nun eine weitere Ausführungsform der Erfindung anhand der Fig. 3 beschrieben, in der die gleichen Elemente wie in Fig. 2 mit den gleichen Bezugsziffern ver-

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sehen sind.

Bei der Aus führungs form der Fig. 3 wird ein Transistor HM mit drei Emittern HEA, HEB und HEC anstelle der drei Transistoren HA, HB und HC bei der Aus führungs form der Fig. 2 zur Bildung des ersten aktiven Teils verwendet. Wenn hierbei jeder Emitter des Transistors HM und 12A nach Größe und Form gleich ausgebildet wird, ist der Gesamtbereich der Emitter-Basis-Strecke des Transistors HM größer als derjenige des Transistors 12A. Der übrige Schaltungsaufbau der Ausführungsform der Fig. 3 ist im wesentlichen der gleiche wie derjenige der Ausführungsform in Fig. 2. Daher kann auch die durch die Ausführungs— form der Fig. 2 erreichte Wirkung durch die Ausführungsform der Fig. 3 erzielt werden. Dies bedeutet, daß der Kollektorstrom I des Transistors HM im wesentlichen gleich den Gesamtemitterströmen der drei Emitter HEA, HEB und HEC ist. Wenn daher der Emitterstrom eines jeden Emitters HEA, HEB und HEC des Transistors HM I , ist, erhält man die folgende Gleichung (8¹):

η . I_E1 & I₁ = η . I₂ (8¹)

Daher können bei der Ausführungsform der Fig. 3 die Gleichung (9) und die folgenden ebenfalls angewandt werden.

Die obige Beschreibung erfolgte für den Fall, daß der Bereich der Emitter-Basis-Strecke der Transistoren, die den ersten und zweiten aktiven Teil bilden, im wesentlichen gleich und die Elemente der Transistoren der beiden aktiven Teile unterschiedlich gewählt v/erden, es ist jedoch offensichtlich, daß, wenn man beide aktiven Teile eines Differentialverstärkers jeweils aus einem Transistor bildet, der Bereich der Emitter-Basis-Strecke des einen Transistors größer als derjenige des anderen Transistors gewählt wird, um die gleiche Wirkung zu erzielen.

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Wie oben beschrieben wurde, kann bei dem Differentialverstärker gemäß der Erfindung die Balance zwischen den beiden aktiven Teilen leicht aufrecht erhalten werden und der Kreis kann leicht als integrierter Kreis ausgebildet werden. Da hierbei ein externes Element wie eine Spule, die von außen mit dem integrierten Kreis verbunden wird, nicht erforderlich ist, wird die Anzahl der Anschlüsse nicht erhöht, und selbst wenn einer der aktiven Teile aus mehreren Transistoren gebildet wird, ist kein zusätzlicher Herstellungsvorgang erforderlich, so daß der Kreis bei geringen Kosten hergestellt werden kann.

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Claims

Ansprüche

1. Differentialverstärkerkreis, bestehend aus einem ersten aktiven Teil aus einem Transistor mit Basis, Emitter und Kollektor, einem zweiten aktiven Teil aus einem Transistor mit Basis, Emitter und Kollektor und einer Einrichtung zum Anlegen einer Vorspannung an die Basis des Transistors des ersten oder zweiten aktiven Teils, gekennzeichnet durch einen Widerstand, der zwischen die Basen der Transistoren des ersten und zweiten aktiven Teils geschaltet ist, und dadurch, daß der Bereich der Emitter-Basis-Strecke des Transistors des ersten oder zweiten aktiven Teils von demjenigen des Transistors des anderen aktiven Teils verschieden ist.

2. Differentialverstärkerkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Transistoren, die einen der aktiven Teile bilden, von derjenigen der Transistoren des anderen aktiven Teils verschieden ist, und damit die Gesamtbereiche der Emitter-Basis-Strecken der Transistoren des ersten und zweiten aktiven Teils verschieden sind.

3. Differentialverstärkerkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der aktiven Teile aus einem Transistor mit mehreren Emittern besteht, und daß die Gesamtbereiche der Emitter-Basis-Strecken der Transistoren der aktiven Teile verschieden sind.

4. Differentialverstärkerkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer der aktiven Teile aus mehreren Transistoren besteht, daß der andere aktive Teil aus einem einzigen Transistor besteht, und daß der Gesamtbereich der Emitter-Basis-Strecken der Transistoren der aktiven Teile verschieden ist.

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5. Differentialverstärkerkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand ein Zwischenschichtwiderstand ist.

6. Differentialverstärkerkreis, gekennzeichnet durch einen ersten und zweiten aktiven Teil aus einem Transistor

. mit Basis-, Emitter und Kollektor, einer Einrichtung zum Anlegen eines Eingangssignals an die Basis des Transistors des ersten oder zweiten aktiven Teils, eine Einrichtung zur Verbindung der Emitter der Transistoren des ersten und zweiten aktiven Teils miteinander, eine Einrichtung zur Abnahme eines Ausgangssignals von dem Kollektor des Transistors des ersten oder zweiten aktiven Teils, eine Einrichtung zur Verbindung der Basen der Transistoren des ersten und zweiten aktiven Teils., einen Widerstand, der in Reihe zu der Verbindungseinrichtung geschaltet ist, und eine Vorspannungseinrichtung, die mit der Basis des Transistors einer der beiden aktiven Teile verbunden ist, um eine Vorspannung an beide Transistoren des ersten und zweiten aktiven Teils anzulegen, wobei der Bereich der Emitter-Basis-Strecke.des Transistors des ersten oder zweiten Teils größer als derjenige des Transistors des anderen Teils ist, mit dem die Vorspannungseinrichtung verbunden ist.

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