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Differenzverstärker für den Subnanosekundenbereich.
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Differenzverstiårker mit zwei,
jeweils einen npn-Transistor enthaltende Verstärkerstufen. Derartige Differenzverstärker
sind aus der Zeitschrift "Der Fernmeldeingenieur" vom 15.7.1973, insbesondere aus
dem Abschnitt 2.4, Seite 5 ff bekannt. Dort wird in dem Bild 4 ein Differenzverstärker
dargestellt, der als Grundlage der emittergekoppelten Logik (ECL) dient. Zu diesem
c Zweck ist nur der Basisanschluß des einen Transistors mit einer Signalspannungsquelle
verbunden, der Basisanschluß des anderen Transistors ist an eine Referenzspannungsquelle
geführt, wobei durch die Höhe der Referenz.spannung der Umschaltpunkt der Logikschaltung
festgelegt werden kann.
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Weiterentwicklungen dieser ECL-Schaltungen im Hinblick auf höhere
Taktfrequenzen, also niedrigere Signalverzögerungszeiten, sind auf Seite 13 der
obengenannten Veröffentlichung vorgestellt. Durch die steigende Leistungsaufnahme
bei steigender Taktfrequenz einerseits und die gewünschte hohe Packungsdichte andererseits
sowie durch die verwendeten Bauelemente ergeben sich Grenzen beim Einsatz dieser
ECL-Schaltungen, die bei Signalverzögerungszeiten von etwa 1 ns liegen.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Differenzverstärker
zu entwickeln, der bei kleiner Leistungsaufnahme Schaltverzögerungszeiten im Subnanosekundenbereich
aufweist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Emitteranschluß
jedes der beiden npn-Transistoren sowohl mit einem Signaleingang als auch über einen
Widerstand m-it der Betriebsspannung verbunden ist, daß der Kollektoranschluß jedes
der beiden npn-Transistoren jeweils mit einem Signalausgang und über einen Widerstand
mit Masse verbunden ist, daß die Basisanschlüsse der beiden npn-Transistoren miteinander
und über eine Stromquelle mit Masse verbunden sind und daß als npn-Transistoren
solche gleicher Kollektor-Basis-Gleichstromverstärkung vorgesehen sind.
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Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, daß die Verbindung
der Basisanschlüsse der beiden Transistoren einen schnellen Ausgleich der Basisladungen
der beiden Transistoren gewährleistet und die beiden Verstärkerstufen des Differenzverstärkers
dadurch schnellen Wechseln der Eingangsspannungen entsprechend schnell folgen können.
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Besonders vorteilhaft ist der einfache Aufbau des erfindungsgemäßen
Differenzverstärkers, der gute Voraussetzungen für eine Integrierung bietet.
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Bei einer wegen ihres besonders einfachen Aufbaus bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist als Stromquelle ein Widerstand vorgesehen.
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Eine, durch die günstigen Ein- und Ausgangspegel besonders vielseitig
einsetzbare Weiterbildung der Erfindung ergibt sich dadurch, daß zwei weitere, als
Emitterfolger geschaltete npn-Transistoren vorgesehen sind, deren Emitteranschlüsse
getrennt jeweils mit dem Emitteranschluß eines der beiden npn-Transistoren verbunden
sind und bei der die Eingangsanschlüsse der beiden Emitterfolger die Signaleingänge
des Differenzverstärkers
darstellen. Eine günstige Anwendung dieser
erfindungsgemäßen Differenzverstärkerschaltung ergibt sich, indem zur Verstärkung
einer einzigen Signalfolge der eine Signaleingang mit einer Quelle für die zu verstärkende
Signalfolge und der andere Signaleingang mit einer Quelle für die zur ersten komplementären
Signalfolge verbunden ist und das Ausgangssignal die Differenz der Ausgangsspannungen
der beiden Signalausgänge ist.
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Die Erfindung soll im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
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Dabei zeigt Fig. 1 die Grundschaltung eines basisgekoppelten Differenzverstärkers
nach der Erfindung und Fig 2 eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Differenzverstärkers.
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Die Fig. 1 zeigt die Grundschaltung des basisgekoppelten Differenzverstärkers
mit den beiden npn-Transistoren T1 und T2, deren Basisanschlüsse miteinander und
mit dem einen Anschluß einer Stromquelle IO verbunden sind, wobei der andere Anschluß
der Stromquelle an dem mit UBO bezeichneten Massenanschluß liegt. Der Emitteranschluß
jedes der beiden npn-Transistoren TI, T2 ist mit einem der beiden Signaleingänge
El, E2 direkt verbunden und außerdem über einen Widerstand RI, R2 = 200 Ohm an die
Betriebsspannung -UB angeschlossen.
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Der Kollektoranschluß jedes der beiden npn-Transistoren T1, T2 ist
mit einem Signalausgang A, A und außerdem über jeweils einen Widerstand R3, R4 =
100 Ohm mit Masse verbunden. Im Hinblick darauf, daß der Signaleingang El dem npn-Transistor
T1 zugeordnet wurde, ist dessen Kollektoranschluß mit dem Signalausgang A verbunden,
während der Kollektoranschluß des zweiten npn-Transistors T2 mit dem Ausgang
A
für das komplementäre Ausgangssignal verbunden ist.
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Als Transistoren wurden im vo rliegenden Falle solche des Typs BFR
35 A verwendet, die Widerstände wurden als sogenannte Chips-Widerstände auf glasfaserverstärkten
Epoxydharzplatten aufgebracht.
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Die Fig. 2 zeigt die Schaltung eines erfindungsgemäßen Differenzverstärkers,
die gegenüber der Grundschaltung zwei zusätzliche, als Emitterfolger geschalteten
npn-Transistoren T3, T4 aufweist. Der Emitteranschluß des den ersten Emitterfolger
bildenden npn-Transistors T3 ist an den Emitteranschluß des Transistors T1 angeschlossen,
während der Kollektoranschluß mit Masse und der Basisanschluß mit dem ersten Signaleingang
Ei verbunden ist. In entsprechender Weise ist der npn-Transistor T4 des zweiten
Emitterfolgers mit dem zweiten Signaleingang E2 und dem Emitteranschluß des zweiten
npn-Transistors T2 verbunden. Der Widerstand R5 = 2,2 k Ohm enspricht der Stromquelle
IO in der Figur 1, die zusätzlichen Transistoren T3, T4 sind ebenfalls vom Typ BFR
35 A, alle anderen Transistoren und Widerstände entsprechen denen der Schaltung
nach der Fig. 1.
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Auch die Signal ausgänge A und z sind entsprechend der Schaltung nach
der Figur 1 mit den Kollektoranschlüssen der Transistoren T1 und T2 verbunden.
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Der Differenzverstärker nach der Fig. 2 ist nicht nur zur Bildung
der Differenz zweier sehr hochfrequenter Signale geeignet, er kann in bekannter
Weise auch zur Verstärkung eines einzigen Signals verwendet werden. Dazu wird dem
Differenzverstärker an dem einen Signaleingang Ei die zu verstärkende Signalfolge
und dem anderen Signaleingang E2 eine konstante Referenzspannung zugeführt.
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Eine demgegenüber vorteilhaftere Anwendung des erfindungsgemäßen Differenzverstärkers
ergibt sich dadurch, daß den
beiden Signaleingängen des Differenzverstärkers
Gegentaktspannungen - also zueinander komplementäre Spannungen -des zu verstärkenden
Signals zugeführt werden.
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Gegenüber dem vorerwähnten Fall bei Verwendung einer festen Referenzspannung
am zweiten Signaleingang werden nun zwar zwei zueinander komplementäre, aber dafür
nur halb so große Eingangsspannungen benötigt, um die gleiche Ausgangsspannung zu
erzeugen. Bei Anwendung in Logikschaltungen sind aber komplementäre Signalspannungen
leicht verfügbar, so daß deren Verwendung als Steuerspannung des Differenzverstärkers
keine wesentliche Beschränkung bedeutet und die komplementären Ausgangs spannungen
des erfindungsgemäßen Differenzverstärkers in vorteilhafter Weise zur Ansteuerung
angeschlossener Logikschaltungen dienen.
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Stehen komplementäre Eingangsspannungen mit jeweils einem Spannungshub
zur Verfügung, wie er bei Verwendung einer Referenzspannung benötigt wurde, dann
kann zum Erreichen der gleichen Ausgangsspannung die Gesamtverstärkung des Differenzverstärkers
um den Faktor 2 geringer sein.
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Die aktiven Verstärkerelemente können nun bis zu einer höheren Frequenz
ausgenutzt werden, da ihr Verstärkungsbeitrag um den Faktor 2 geringer sein darf.
Der in der Fig. 2 dargestellte erfindungsgemäße Differenzverstärker eignet sich
damit in Verbindung mit der Gegentaktansteuerung besonders zur Impulsverstärkung
und Impulsformung bei sehr hohen Frequenzen bzw. für Impulse, deren Anstiegs- und
Abfallzeiten im Subnanosekundenbereich liegen.
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Im Hinblick auf die Verwendung bei hohen Frequenzen wurde eine vorteilhafte
Variante des erfindungsgemäßen Differenzverstärkers aufgebaut, die als Kollektorwiderstände
für die
beiden npn-Transistoren reflexionsarm abgeschlossene Koaxialleitungen
mit einem Wellenwiderstand von 100 Ohm enthält.
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5 Patentansprüche 2 Figuren