DE2505460A1

DE2505460A1 - Operationsverstaerker

Info

Publication number: DE2505460A1
Application number: DE19752505460
Authority: DE
Inventors: Veikko Reynold Saari
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1974-02-11
Filing date: 1975-02-10
Publication date: 1975-08-14
Also published as: CA1055576A; JPS50115957A; FR2260898B1; FR2260898A1; US4240040A; GB1473999A

Description

BLUMBACH · WESER ■ ΒιΓ^βΕΚ -Γ. ^KRA^^E

PATENTANWÄLTE IN WIESBADEN UND MÜNCHEM J .:

DlPl -.NG. P. G. OLUMBACH · DIPL-PHYS. DR. W. WESHR - D.PUNC; DB JUK. Γ. BEKCtH Z '

S WIESBADEN · SONNENBEiIGER STRASSIf 43 ■ TH. (36121) 563?,3, M1999

Western Electric Company

Incorporated
New York, N. Y., 10007/ USA Saari, V. R. 15

Operationsverstärker

Die Erfindung betrifft einen Operationsverstärker mit einer Differenz-Eingangs stuf e, deren Eingänge mit dem invertierenden und dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbtinden sind, mit einer Ausgangs stufe, deren Ausgang mit dem Ausgang des Operationsverstärkers verbunden ist, und mit einer Anzahl von Stufen, die zwischen die Differenz-Eingangs stufe und die Ausgangsstufe, geschaltet sind.

Es ist eine Anzahl unterschiedlicher Güte-Kennwerte bekannt, die für die Anwender von Operationsverstärkern wichtig sind. Dazu zählen die Lee rl aufver Stärkung, die Eingangs- und Ausgangs -Impedanz,, niedriger Leistungsverbrauch, die Bandbreite, die Erholungszeit, d.h., ein Maß für die Geschwindigkeit, mit der der Verstärker in

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einen Ruhezustand nach Durchlauf eines Signals oder Störimpulses zurückkehrt, das Rauschverhalten, die Gleichtakt-Unterdrückung und die Eingangs -Fehlkennwerte (offset). Die letztgenannte Eigenschaft bezieht sich auf diejenige Eingangsspannung, die zur Erzeugung der Ausgangsspannung Null erforderlich ist. Sie ist nur für einen idealen Verstärker Null und bei den meisten Verstärkern tritt wegen Abweichung zwischen den Schalungselementen eine gewisse Fehlspannung auf.

Es ist bekannt, daß die erläuterten Güte-Kennwerte untereinander in Beziehung stehen. Das bedeutet, daß ein Versuch zur Verbesserung eines bestimmten Kennwertes im allgemeinen bedeutet, daß in einer anderen Beziehung eine Verschlechterung in Kauf genommen werden muß. Darüberhinaus müssen die Konstrukteure von integrierten Verstärkerschaltungen auf der Grundlage von Silizium mit den Beschränkungen rechnen, die sich aufgrund der Technologie von integrierten Schaltungen ergeben. Diese Beschränkungen haben zu einer Vielzahl von integrierten Operationsverstärkerschaltungen geführt, von denen einige in Richtung auf eine Optimierung einer be~

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stimmten Betriebseigenschaft und andere so ausgelegt worden sind, daß sich Allzweckschaltungen ergeben, die in einem verhältnismäßig großen Anwendungsbereich benutzt werden können. In beiden Fällen ist man nach dem Stand der Technik generell davon ausgegangen^ daß die Erzielung eines hohen Gleichtalrt-Unterdrückungsbereiches notwendigerweise eine verhältnismäßig hohe Kolle.ktor-Basis-Vorspannung für die Verstärkereingangsstufen verlangt. Die Verwendung höherer Vorspannungen macht jedoch häufig Pegelstufen notwendig, um im Bereich annehmbarer Betriebsspannungen zu bleiben»

Es ist zwar bereits erkannt worden, daß Vorwärtskoppelverfahren zur Verbesserung der Bandbreite und der Nachlaufgeschwindigkeit verwendet werden können, man ist aber generell davon ausgegangen, daß diese Verfahren nur für Verstärker anwendbar sind, die allein im invertierenden Betrieb eingesetzt sind. Schließlich hat die Schwierigkeit, auf wirtschaftliche Weise pnp-Transistoren zu integrieren, die gute Verstärkungseigenschaften insbesondere bei hohen Frequenzen besitzen, bekannte Schaltungen auf npn-Ausgangs stufen oder

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komplementäre Ausgangs stufen beschränkt, die seitlich diffundierte pnp-Transistoren verwenden. Demgemäß haben im Fall von komplementären Ausganges tufen mit seitlichen php-Transistoren bekannte Schaltungen begrenzte Bandbreite gezeigt.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die erläuterten Nachteile zu beseitigen. Sie geht dazu aus von einem Operationsverstärker der eingangs genannten Art und ist dadurch gekennzeichnet, daß eine getriebene Vorspannungsschaltung mit einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Dioden zwischen einen ersten und einen-zweiten Betriebs-Spannungsanschluß geschaltet ist und daß eine Spannungsfolgeschaltung zwischen dem nichtinvertierenden Eingang und einem Knotenpunkt der in Reihe geschalteten Dioden liegt.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Ausgangsstufe eine Kbmplementär-Gegentaktstufe mit einem ersten und einem zweiten Transistor in Basisschaltung ist, deren Emitter am Eingang der Ausgangsstufe und deren Basen an einem ersten bzw« zweiten Bezugs-Spannungspunkt liegen, und daß die Ausgangsstufe weiterhin einen

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dritten und einen vierten Transistor in Emitterschaltung enthält, deren KoUelctoren gemeinsam am Ausgang des Operationsverstärkers liegen,, deren Emitter mit dem ersten bzw. zweiten Betriebsspannungsanschluß verbunden sind und deren Basen einzeln je an einem Kollektor der Transistoren in' Basisschaltung liegen.

Zusätzliche Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.

Die Erfindung sieht also vor, daß die Ausgänge der Differenz-Eingangsstufe, die aktive Belastungsschaltungen enthält, mit den Eingängen einer symmetrischen, komplementären Stufe in Basisschaltung verbunden sind. Die Differenz-Eingangs stufe und die Stufe in Basisschaltung wirken so zusammen, daß sich die erforderliche Eingangsimpedanz,Verstärkung und Signalverarbeitungsfähigkeit. ergeben, während aber ein niedriger Ruhestrom und Freiheit von Aufschaukeln (latch-up) beibehalten werden. Der Ausgang der symmetrischen Stufe in Basisschaltung ist mit einer zusammengesetzten Emitterfolgerstufe verbunden, die eine Stromverstärkung lie-

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fert und als Impedanzwandler arbeitet. Der Ausgang der Emitterfolgerstufe ist mit einer komplementären Gegentakt -Ausgangs stufe verbunden, von der jeder Zweig einen Transistor in Basisschaltung und einen Transistor in Emitterschaltung enthält. Vorzugsweise ist der komplementäre pnp-Ausgangstransistor der Ausgangsstufe ein vertikal diffundierter Transistor, der entsprechend einem Verfahren hergestellt ist, das in einem Aufsatz von P. C. Davis und S. F. Moyer "lon Implanted Compatible Complementary PNPs for High Slew Rate Operational Amplifiers" veröffentlicht ist, der vorgelegt wurde auf dem International Electron Devices Meeting am 4. - 6. Dezember 1972 in Washington, D.D.

Eine Bereichsvergrösserungsschaltung, die zwischen den Ausgang der Differenz-Eingangsstufe und den Eingang der Ausgangsstufe geschaltet ist und damit die symmetrische Stufe in Basisschaltung und die zusammengesetzte Emitterfolgerstufe überbrückt, liefert ein Bandmittensignal an die Ausgangsstufe zur Verbesserung sowohl des Bandmittenbetriebes als auch der Nachführ- oder Impulseigenschaften. Ein Vorwärtskoppel-Kondensatorj der zwischen den in-

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vertierenden Eingang der Differenz-Eingangsstufe und den Eingang der Ausgangsstufe geschaltet ist und demgemäß alle Stufen vor der Ausgangsstufe überbrückt, verbessert das Impuls verhalten (slew rate) weiter.

Zusätzlich werden die internen Vor- odex· Betriebsspannungen auf die Spannung am nicht invertier enden Eingang der Differenz-Eingangsstufe bezogen oder mit dieser verrastet. Die internen Vorspannungen werden demgemäß im Effekt durch das angelegte Eingangssignal gesteuert. Dadurch wird eine hohe Gleichtakt-Unter drückung ermöglicht, ohne daß hohe Kollektor-Basis-Vorspannungen und Pegelschiebestufen erforderlich sind. Diese Vorspannungstechnik begrenzt außerdem die Spannung über den Schaltungskapazitäten so weit, daß Sperrschicht-Kondensatoren verwendet werden können, wodurch eine Realisierung der Schaltung in monolithischer Form möglich ist. Außerdem kann mit Hilfe dieser Vorspannungstechnik sichergestellt werden, daß bestimmte Transistoren innerhalb des Verstärkers nicht gesättigt werden, und zwar bei impulsformigen Signalen oder aufgrund von Bauteilschwankungen innerhalb nor-

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maler Herstellungstoleranzen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben, es zeigen:

Fig. 1 und 2 die Schaltung eines prinzipiellen Ausführungs-

beispiels für einen Operationsverstärker nach der Erfindung;

Fig. 3 die Zusammengehörigkeit der Fig. 1 und 2;

Fig. 4 ein genaues Schaltbild für ein Ausführungsbei

spiel einer getriebenen Vorspannungsschaltung zur praktischen Verwirklichung der Erfindung;

Fig. 5 ein genaues Schaltbild für ein Ausführungsbei

spiel einer komplementären Gegentakt-Ausgangs stufe zur praktischen Verwirklichung
der Erfindung;

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Pig. 6 und 7 die Innen schaltung eines monolithischen Aus

führungsbeispiels der Erfindung mit innerer

Kompensation;

Fig. 8 die Zusammengehörigkeit der Fig. 6 und

Zur Erleichterung des Verständnisses sind die Fig. 1 und 2 in-Abschnitte unterteilt, die die funktionellen Beziehungen zwischen den verschiedenen Stufen verdeutlichen. Gemäß Fig. 1 sind die Ausgänge der Differenz-Eingangsstufe 11,, die die aktive Lastschaltung 12 enthält, mit der Bereichsvergrößerungsschaltung 16 und der symmetrischen Gegentakt stufe 13 in Basisschaltung verbunden. Der Ausgang der Stufe 13 liegt an der zusammengesetzten Emitterfolgerstufe 14 (Fig. 2), die wiederum an die Gegentakt-Ausgangsstufe 15 angeschaltet ist. Die Ausgänge der Bereichsvergrößerungsschaltung 16 sind, mit dem Eingang der Ausgangsstufe 15 verbunden. Außerdem liegt der Kondensator 17 zwischen dem invertierenden Eingang 22 des Verstärkers und demEingang der Ausgangsstufe 15. Die Betriebsspannung wird an die Anschlüsse 33 und 40 angelegt.

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Man erkennt, daß die Differenz-Eingangsstufe 11 in erster Linie aus dem emittergekoppelten Transistorpaar 25 und 26 besteht, dessen Basiselektroden mit dem invertierenden Eingangsanschluß 22 bzw. dem nichtin vertierend en Eingangsanschluß 23 verbunden sind. Die miteinander verbundenen Emitter der Transistoren 25 und 26 liegen am Kollektor des Transistors 27. Dessen Emitter ist über den Widerstand 31 mit dem Schaltungspunkt 60 verbunden. Wie noch erläutert wird, liefert der Schaltungspunkt 60 eine Vorspannung, die von der an den niclitiiivertierenden Eingangs anschluß 23 angelegten Signalspanmmg abhängt. Eine Vorspannung für den Transistor 27 wird mit Hilfe einer üblichen Stromquelle 24 erzeugt, die zwischen die Basis des Transistors 27 und den Betriebs Spannungsanschluß geschaltet ist. Der Widerstand 29 und die in Reihe geschaltete Diode 28 vervollständigen den Stromweg und liegen zwischen der Basis des Transistors 27 und dem Schaltungspunkt 60. Die Stromquelle 32 ist zwischen den Punkt 60 und den Betriebsspannungsanschluß 33 geschaltet.

Die aktive Belastungsschaltung 12 enthält zwei als Differenzverstärker

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geschaltete Transistoren 35 und 36, deren Emitter verbunden sind und deren Kollektoren an den Kollektor des Transistors 25 bzw. des Transistors 26 angeschaltet sind. Die Basis des Transistors 36 liegt am Kollektor des Transistors 25 und die Basis des Transistors 35 am Kollektor des Transistors 26. Ein Betriebsstrom für die aktive Belastungs Schaltung 12 wird von der Stromquelle 37 geliefert, die zwischen dem Betriebsspannungsanschluß 40 und den zusammengeschalteten Emittern der Transistoren 35 und 36 liegt.

Als Beispiel für die Betriebsweise der Belastungs schaltung kann die Vorsj>annung der aktiven Belastungs schaltung 12 so eingestellt sein, daß ein doppelt so großer Signalstrom in den Eingangskreis der Basisschaltungsstufe 13 wie in die Emitterkreise der aktiven Belastungsschaltung fließt, wodurch eine Stromverstärkung von 6 dB erzielt wird. Diese Stromverstärkung bewirkt in voi-teilhafter Weise eine Trennung der Differenz-Eingangsstufe .11 von nachfolgenden Stufen, um sowohl das Rauschen als auch die Eingangsfehlspannung möglichst klein zu machen. Der Fachmann erkennt, daß eine zusätzliche Verstärkung durch Einschalten von Widerständen (nicht gezeigt) zwischen jeden

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Kollektor der Transistoren 25 und 26 in der Eingangsstufe 11 und die entsprechende Basis-Elektrode der Transistoren 35 und 3 6 in der aktiven Belastungsschaltung 12.

Die Basisschaltungs stufe 13 ist eine symmetrische Schaltung mit den Transistoren 38, 39, 41, 42 und den Dioden 45, 46, 47 und Die Emitter der komplementären Transistoren 38 und 39 liegen gemeinsam am Kollektor des Transistors 25 in der Differenz-Eingangsstufe 11. Die Basen der Transistoren 39 und 42 liegen gemeinsam über den Widerstand 44 am Anschluß 58 der getriebenen Vorspannungsschaltung 18. Auf entsprechende Weise liegen die Basen der Transistoren 38 und 41 über den Widerstand 34 am Anschluß 54 der Schaltung 18. Der Kollektor des Transistors 39 ist mit dem Anschluß 60 und der Kollektor des Transistors 38 mit dem Anschluß 52 der getriebenen Vorspannungsschaltung 18 verbunden. Die zusammengeschalteten Emitter der Transistoren 41 und 42 liegen am Kollektor des Transistors 26 in der Differenz-Eingangsschaltung 11. Die Kollektoren der Transistoren 41 und 42 sind über in Reihe geschaltete Dioden 45, 46, 47 und 48 verbunden. Diese Dioden stellen

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einen Weg kleiner Impedanz zur Ankopplung des Signals an die Emitterfolgerstufe 14 dar, während gleichzeitig die richtigen Vorspannungen in der Basisschaltungsstufe 13 sichergestellt \verden. Der Kollektor des Transistors 41 ist mit der Konstantstromquelle 43 und der Kollektor des Transistors 42 mit der Konstant stromquelle 49 verbunden.

Die zusammengesetzte Emitterfolgerstufe 14 weist das komplementäre Transistorpaar 61, 62 und das komplementäre Transistorpäar 63, 64 auf. Die Basen der Transistoren 61, 63 sind miteinander verbunden. Gleiches gilt für die Kollektoren der Transistoren 61 und 63. Die. zusammengeschalteten Basen der Transistoren 61 und 63 dienen als Eingangsanschluß der zusammengesetzten Emitterfolgerstufe 14 und liegen am Ausgang der Basisschaltungsstufe 13. Die zusammengeschalteten Kollektoren der Transistoren 61 und liegen am Eingangs ans chluß -70. Es sei darauf hingewiesen, daß die Kollektoren der Transistoren 61 und 63 individuell mit den Betriebsspannungsanschlüssen 33 bzw. 40 verbunden sein könnten. Die gemeinsame Anschaltung an den Eingangs ans chluß 70 hat sich jedoch

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als vorteilhaft herausgestellt, da dann ein kleinerer Betriebsstrom erforderlich ist. Die Vorspannung für die Emitterfolgerstufe 14 wird durch die positive Stromquelle 65, die zwischen den Betriebsspannungsanschluß 40 und den gemeinsamen Verbindungspunkt zwischen Emitter und Basis der Transistoren 61, 62 geschaltet ist, sowie die negative Stromquelle 66 geliefert, die zwischen den Betriebsspannungsanschluß 33 und den Verbindungspunkt zwischen Emitter und Basis der Transistoren 63, 64 liegt. Der Kollektor des Transistors 62 ist mit dem Betriebsspannungsanschluß 40 und der Kollektor des Transistors 64 mit dem Betriebs Spannungsanschluß 33 verbunden. Die Widerstände 67 und 68 liegen in Reihe zwischen den Emittern der Transistoren 62 und 64. Der Widerstand 69 ist zwischen den Verbindungspunkt der Widerstände 67, 68 und den Eingangsanschluß 70 der Gegentakt-Ausgangsstufe 15 geschaltet. Der Kondensator 76 liegt zwischen den miteinander verbundenen Kollektoren bzw. Basen der Transistoren 61 und 63.

Die Widerstände 67, 68, 69 bewirken in Verbindung mit dem Kondensator 76 einen Übertragungswert Null und bestimmen demgemäß

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das Frequenzansprechen der Emitterfolgerstule 14. Die Widerstände 67 und 68 stellen einen Widerstand in Reihe mit dem wirksamen Emitterwiderstand der Transistoren 62. und 64 dar. Diesel" Reihenwiderstand stellt sicher, daß der Übertragungswert Null und demgemäß das Frequenzansprechen nicht bei Signalzuständen mit hohem Strom auswandern, die den inneren Emitterwiderstand der Transistoren 62 und 64 modulieren. Man beachte, daß verschiedene \¥iderstandsnetzwerke oder andere Netzwerke, die die erforderliche Trennung und einen Widerstand in Reihe mit den Emittern der Transistoren 62 und 64 ergeben, benutzt werden können. Beispielsweise ist ein zweites Widerstandsnetzwerk in den Fig. 6 und 7 gezeigt, die ein spezielles monolithisches AusführungsbeisxDiel für einen Operations verstärker nach der Erfindimg darstellen.

Die Ausgangsstufe 15 ist eine Gegentakt schaltung mit einer Kombination der Transistoren 71, 73 in Basisschaltung und der Transistoren 72, 74 in Emitterschaltung. Der Eingangs ans chluß 70 der Ausgangsstufe 15 ist mit den Emittern der Transistoren 71, 73 in Basisschaltung verbunden. Die Kollektoren der Transistoren 71 und 73 sind mit

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der Basis der Transistoren 72 bzw. 74 verbunden. Diese sind komplementäre Ausgangstransistoren, deren Kollektor-Emitterstrecken in Reihe zwischen den Vorspannungsanschlüssen 40 und 33 liegen. Die zusamrnengeschalteten Kollektoren der Transistoren 72 und 74 liegen am Ausgangsanschluß 75 des Verstärkers. Jeder Zweig der Ausgangsstufe 15 erhält seine Vorspannung über eine Transistorschaltung, die mit der getriebenen Vorspannung sschaltung 18 verbunden ist. Die Transistoren 71 und 72 erhalten ihre Vorspannung über die Transistoren 77, 79 und die Dioden 78, 84. Der Emitter des Transistors 77 ist mit der Basis des Transistors 71 verbunden , und die Basis des Transistors 77 liegt am Anschluß 52 der getriebenen Vorspannungsschaltung 18. Der Kollektor des Transistors 77 ist mit der Kathode der Diode 78 und der Basis des Transistors 79 verbunden. Die Anode der Diode 78 liegt am Betriebsspannungsanschluß 40, ebenso wie der Emitter des Transistors 79. Der Kollektor des Transistors 79 ist an die Basis des Transistors 72 angeschaltet.

Im zweiten Zweig der im A-B-Betrieb laufenden Ausgangsstufe

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wird die Vorspannung auf entsprechende Weise durch die Transistoren 81 und 83 in Verbindung mit den Dioden 82 und 85 geliefert. Die Basis des Transistors 81 ist mit dem Anschluß 60 der Schaltung 18 verbunden. Der Emitter des Transistors 81 liegt an dei^Basis des Transistors 73. Der Kollektor des Transistors 81 ist mit der Anode der Diode 82 und der Basis des Transistors 83 verbunden. Die Kathode der Diode 82 und der Emitter des Transistors 83 liegen am Betrieb s sp.annungs ans chluß 83. Der Kollektor des Transistors-83 ist an die Basis des Transistors 74 angeschaltet.

Die Dioden 84 und 85 sind in Reihe zwischen die Basen der Transistoren 71 und 73 gelegt. Der Verbindungspunkt der Dioden 84 und 85 liegt am Ausgangs ans chluß 93 der Bereichsvergrößerungsschaltung 60., deren Ausgangsanschluß 92 mit dem Eingangsanschluß 70 der Ausgangsstufe 15 verbunden ist. Der Kondensator 17 ist zwischen den invertierenden Eingangsanschluß 22 und den Eingangs ans chluß 70 der Ausgangsstufe 15 geschaltet.

Die getriebene Vorspannungsschaltung 18 enthält die Dioden 53, 55,,

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57j 59, die Stromquellen 50, 51 und die Sp annungs folge schaltung 56. Die Dioden und Stromquellen sind in Reihe zwischen die Betriebsspannungsansehlüsso 33, 40 gelegt und die Sp annungs folge schaltung

56 stellt die Spannung am Verbindungspunkt der Dioden 55 und 57 auf einen Wert ein, der im wesentlichen identisch mit der Spannung am nichtirrvertierenden Eingangsanschluß 23 ist. Man erkennt dann, daß gewisse vorbestiinmte Spannungsbeziehungen an entsprechenden Knotenpunkten der Vorspannungsschaltung bestehen. Beispielsweise liegt der Knotenpunkt 54, der eine Vorspannung an die Transistoren 41, 38 der Basisschaltungsstufe 13 legt, auf einer Spannung, die gleich der Signalspannung am nichtinvertierenden Eingangsanschluß 23 zuzüglich dem Spannungsabfall an der Diode 55 ist. Auf entsprechende Weise ist die Spannung am Knotenpunkt 58, der eine Vorspannung an die Transistoren 39, 42 der Basisschaltungsstufe liefert, auf einer Spannung, die gleich der Spannung am nichtinvertierenden Eingangs ans chluß 23 abzüglich des Spannungsabfalls an der Diode

57 ist. Auf ähnliche Weise stellt man fest, daß die Spannung des Knotenpunktes 60 auf der Spannung am nichtinvertierenden Eingangsanschluß 23 abzüglich der Summe der Sp annungs ab fälle an den Dioden

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57 und 59 gehalten wird, während die Spannung am Knotenpunkt 52 gleich der Spannung am nichtinvertierenden Eingangs ans chluß 23 zuzüglich dem Spannungsabfall über den Dioden 53 und 55 ist.

Die Bereichsvergrößerungsschaltung 16 ist eine Schaltung mit symmetrischem Eingang und symraetrischem Ausgang tind enthält die komplementären Transistoren 86, 87 und die komplementären Transistoren 88, 89. Die Basen der Transistoren 86 und 87 liegen gemeinsam am Kollektor des Transistors 25 der Differenz-Eingangsstufe 11, und die Basen der Transistoren 88 und 89 sind gemeinsam an den Kollektor des Transistors 26 der Stufe 11 angeschaltet. Die Emitter der Transistoren 86 und 88 liegen gemeinsam ander Stromquelle 9Oj während die Emitter der Transistoren 87 und 89 mit der Stromquelle 91 verbunden sind. Die Ausgangs spannung der Schaltung 19 steht an den Anschlüssen 92 und 93 zur Verfügung. Wie oben erläutert, werden diese Ausgangsspannungen an zwei unterschiedliche Schaltungspunkte der Ausgangsstufe 15 angelegt.

Die Bereich? Vergrößerungsschaltung 16 koppelt Signale vom Ausgang

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dei" Differenz-Eingangs stufe 11 im Impulsbetrieb oder unter Bedingungen mit hoher Nachführgeschwmdigkeit direkt an den Eingang der Ausgangsstufe. Ohne die Bereichsvergrößerungsschaltung 16 wäre die Nachführgeschwindigkeit des Verstärkers anfänglich gut, da aber der Vorwärtskoppelkondensator 17 nur eine begrenzte Ladungsmenge zwischen dem invertierenden Eingang 22 und dem Eingangsanschluß 70 der Ausgangsstufe 15 übertragen kann, wäre für Eingangssignale mit größeren impulsförmigen Anteilen keine ausreichende Nachführgüte möglich. Man beachte, daß die Bereichs Vergrößerungsschaltung besonders vorteilhaft bei einem monolithischen Verstärker beispielsweise entsprechend Fig. 6 und 7 ist, da in einem solchen Fall der Vorwärtskoppelkondensator 17 notwendigerweise nur eine kleine Kapazität haben kann.

Die Bereichs vergrößerungs schaltung 16 verbessert das Impulsverhalten beträchtlich, beispielsweise um einen Faktor von etwa Drei. D. h., daß in einem Betriebszustand mit hoher Nachführgeschwindigkeit die Bereichsvergrößerungsschaltung 16 einen doppelt so großen Treibstrom an die Ausgangsstufe liefert wie die zusammengesetzte EmitterJblgerstufe 14. Man beachte, daß diese Verbesserung des

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Impulsansprechens ohne Verschlechterung des Ausgangsrauschens, erhalten wird, da die Meine Signal verstärkung der Bereichsvergrößerungsschaltung 16 wesentlich niedriger als die Vetstärlcung der Basisschaltungsstufe 13 und der Emitterfolgerstufe 14 ist, die sie umgeht. .

Fig. 4 zeigt im einzelnen ein Ausiührungsbeispiel der getriebenen Vorspannungsschaltung 18. In dieser Figur sind Bauteile, die den Bauteilen in Fig. 1 und 2 entsprechen, auf die gleiche Weise wie dort bezeichnet,. Die Stromquellen 50 und 51 in Fig. 2 sind durch den Transistor 108 und den Widerstand 107 bzw. den Transistor 112 und den Widerstand 120 ersetzt. Die Vorspannungen für diese Stromquellen werden durch den Reihenzweig mit den Dioden 109, 110, 113, 114 und den Widerstand 111 geliefert. Der Reihenzweig ist zwischen die Betriebsspannungsanschlüsse 40 und 33 gelegt. Die Basis des Transistors 108 liegt am Anschluß 121, nämlich dem Verbindungspunkt zwischen der Kathode der Diode 110 und dem Widerstand 111, und die Basis des Transistors 112 liegt am Anschluß 122, dem Vez'bindungspunkt des Widerstandes 111 mit

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der Anode der Diode 113. Bei Überprüfung des monolithischen Ausfuhrungsbeispiels gemäß Fig. 6 und 7 stellt man fest, daß die Anschlüsse 121 und 122 auch die Vorspannungen für die Stromquellen liefern können, die als Bauteile 24, 32," 37, 43, 49, 65, 66, 90 und 91 in Fig. 1 und 2 dargestellt sind.

Die Spannungsfolgeschaltung 56 in Fig. 2 ist durch die Transistoren 102 und 103 ersetzt. Die Basen der Transistoren 102 und 103 sind gemeinsam an den nichtinvertierenden Eingangs ans chluß 23 des Verstärkers angeschaltet. Der Kollektor des Transistors 102 ist mit dem Betriebsspannungsanschluß 33 über die Diode 106 verbunden,, und der Kollektor des Transistors 103 liegt über die Diode 104 am Betriebsspannuiigsanschluß 40. Die Emitter der Transistoren 102 und 103 sind mit dem Anschluß 54 bzw. 58 der getriebenen Vorspannungsschaltung verbunden. Man erkennt, daß die Transistoren 102 und 103 im wesentliehen als Emitterfolger betrieben werden, so daß die Spannungen an den getriebenen Vorspannungs anschluss en 52, 54, 58 und 60 veranlaßt werden, der an den nichtinvertierenden Eingang 23 angelegten Spannung genau zu folgen. Insbesondere er-

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kennt man, daß die Basis-Emitterübergänge der Transistoren 102 und 103 die Dioden 55 bzw. 57 in Fig. 2 ersetzen.

Die bisher beschriebene Schaltung liefert zwar die gewünschten getriebenen Vorspannungen, aber es sind zusätzliche Schaltungsanordnungen erwünscht, damit die Vorspannungsschaltung auf sich schnell ändernde Spannungen ansprechen kann, die an den nicht invertierenden Eingang 23 angelegt sein können, wobei aber trotzdem ein niedriger Ruhestrom über die Vorspannungskette beibehalten sein soll. Dadurch wird also eine Begrenzung der Nachführgeßchwindigkeit vermieden, ohne den Ruheleistungsverbrauch unnötig zu erhöhen. In der Schaltung gemäß Fig. 4 ermöglichen die Eusammenwirkenden Stromquellen mit den Transistoren 116, 117, 118 und 119 dieses vorteilhafte Merkmal. Die Basen der Transistoren 118 und 119 sind gemeinsam mit dem Kollektor des Transistors 102 verbunden, und die Emitter der.Transistoren 118 und 119 liegen am Betriebsspannungsanschluß 33. Die Kollektoren der Transistoren 118 und 119 sind an die Anschlüsse 52 bzw. 60 angeschaltet. Die Basen der Transistoren 116 und 117 liegen gemeinsam am Kollektor

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des Transistors 103 und die Emitter gemeinsam am Betriebsspannungsanschluß 40. Die Kollektoren der Transistoren 116 und 117 sind mit den Anschlüssen 60 bzw. 52 verbunden.

Man erkennt, daß die von den Transistoren 117 und 118 gelieferten Ströme durch die Kollektorströme der Transistoren 103 bzw. 102 gesteuert werden. Da die Kollektoren der Transistoren 117 und 118 gemeinsam mit dem Verbindungspunkt 52 der Diodenkette verbunden sind, bestimmen die Transistoren 117 und 118 dai Ruhestrom, der durch den die Diode 53 und den Transistor 52 enthaltenden Teil der Diodenkette fließt. Auf entsprechende Weise werden die Transistoren 116 undll9 von den Kollektorströmen der Transistoren 103 und 102 gesteuert. Da die Kollektoren der Transistoren 116 und 119 gemeinsam am Verbindungspunkt 60 der Diodenkette liegen, bestimmen diese Transistoren den Ruhestrom über denjenigen Teil der Diodenkette, welcher die Diode 59 und den Transistor 103 enthält.

Wenn während der nichtinvertierenden Betriebsweise die Höhe des

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angelegten Signals entweder den Transistor 102 oder den Transistor 103 veranlaßt, in den Sperrbereieh zu gehen, so wird der vom Transistor 117 oder 119 gelieferte Strom entsprechend ansteigen, wodurch sichergestellt wird, daß die T reib spannungen der Diodenkette die richtige Spannungsbeziehung hinsichtlich des an den nichtiiTver- / tier enden Eingang 23 angelegten Signals beibehalten. Die Transistoren 116, 117, 118 und 119 liefern also den Strom so an die Diodenkette, daß eine niedrige Ruheleistung möglich ist, während eine hohe Nachführgeschwindigkeit nicht nur in der invertierenden, sondern auch in der liichtinvertierenden Betriebs weise erreicht wird.

Fig, 5 zeigt ein ins einzelne gehendes Schaltbild der Gegentakt-Alisgangs stufe 15. Zur Erleichterung sind diejenigen Baiiteile in Fig. 5, die identisch mit den Bauteilen in Fig. 2 sind, auf die gleiche Weise wie dort bezeichnet. Im wesentlichen weicht die Schaltung gemäß , Fig. 5 von der Ausgangsstufe 15 in Fig. 2 dadurch ab, daß zusätzliche Vorspanrmngsschaltungen verwirklicht sind, die zu einer . niedrigen Ruheleistung und außerdem kleiner "Verzerrung des Ausgangs signals im Übernahmebereich bewirken. Die Dioden 78 und 82

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in Fig. 2 sind dtirch die als Dioden geschalteten Transistoren 203 und 204 ersetzt. Die Transistoren 71 vind 73 in Fig. 5 weisen zwei Emit terübergange auf, die mit den zusätzlichen Eingangsanschlüssen bzw. 202 verbunden sind. Anhand des monolithischen Ausführungsbeispiels in Fig. 6 und 7 ergibt sich, daß diese getrennten Eingangsanschlüsse die Möglichkeit geben, daß die Ausgangsstufe auf die Ausgangssignale der Bereichsvergrößerungsschaltung 16, den Vorwärtskoppelkondensator 17 und die Ausgangs signale der Emitterfolger stufe 14 anspricht, während gleichzeitig jede dieser Signalquellen von den anderen isoliert ist.

Der Transistor 72 in Fig. 2 ist durch die Transistoren 217, 218 und den als Diode geschalteten Transistor 219 ersetzt. Der Kollektor des Transistors 218 ist mit dem Emitter des Transistors 217 und die Basis des Transistors 218 mit dam Kollektor des Transistors 217 verbunden, Der als Diode geschaltete Transistor 219 ist zwischen die Basis und den Emitter des Transistors 218 geschaltet. Der Fachmann erkennt, daß der Transistor 218 ur.d der als Diode geschaltete Transistor 219 ein Stronivcrdoppelungsnetzwerk dar-

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stellen, das im Effekt den Stromverstarkungsfaktor P des Transistors 217 verdoppelt. Darüberhinaus erhöht diese Schaltung die Grenzfrequenz f des Transistors 217 bis zu einem Faktor Zwei, solange die Grenzfrequenz des Transistors 218 die des Transistors 219 übersteigt. Obwohl die Notwendigkeit einer Stromverdoppelung und der genaue Wert des realisierten Multiplikationsfaktors von den Eigenschaften der pnp-Transistorstruktur abhängen, besitzen typische integrierte pnp-Transistoren nicht die Ve r star kungs werte und Grenzfrequenzeigenschaften integrierter npn-Bauteile. Es kann also eine zusätzliche Verstärkung, die beispielsweise durch die Transistoren 217 und 218 erzeugt wird, mit Vorteil benutzt werden, um die Gleichstromverstärkung und die Anstiegszeit der komplementären Ausgangsbauteile anzugleichen.

Die Widerstände 206 und 211 regeln in Verbindung mit dem als Diode geschalteten Transistor 213 den Ruhestrom über den Transistor 217. Der Widerstand 206 liegt zwischen der Basis des Transistors 79 und dem Kollektor des Transistors 71. Der als Diode geschaltete Transistor 213 und der Widerstand 211 sind in Reihe zwischen den Emitter und

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die Basis des Transistors 217 geschaltet. Diese Schaltungsanordnung bewirkt einen Emitterruhestrom des Transistors 217, der etwa gleich dein über den als Diode geschalteten Transistor 203 fließenden Strom ist. Man erkennt, daß der mit der Basis des Transistors 79 verbundene Anschluß des Widerstandes 206 auf einer Spannung liegt, die gleich der an den Betriebsspannungsanschluß 40 angelegten Spannung abzüglich des Basis-EmitterSpannungsabfalls des Transistors 79 ist. Auf entsprechende Weise ist die Spannung am anderen Anschluß des Widerstandes 206 gleich der an den Anschluß 40 angelegten Betriebsspannung abzüglich des Basis-Emitterspannungsabfalls des Transistors 217. Wenn daher der Basis-Emitterspannungsabfall der Transistoren 79 und 217 gleich ist, fließt kein Strom über den Widerstand 206. Bei einer Störung dieser Symmetrie fließt ein Strom über den Widerstand 206, wodurch eine Änderung des über den Transistor 79 fließenden Stromes bewirkt wird. Dieser Stromfluß beeinflußt den Basisstrom des Transistors 217 derart, daß die Schaltung in den symmetrischen Zustand zurückkehrt. Es ist also ein Gegenkopplungsweg vorhanden, der den Strom der Ausgangsstufe im Übernahmebereich stabilisiert.

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Der Widerstand 211 und der als Diode geschaltete Transistor 213 bewirken eine weitere Steuerung des Stromes im Übernahmebereich. Wenn die Ausgangs spannung am Anschluß 75 nahe bei Null ist, d.h. nahe der Übernahme, so fließt nur ein sehr kleiner Strom über den als Diode geschalteten Transistor 213 und den Widerstand 211. Dieser kleine Strom reicht jedoch aus, um den Basisstrom des Transistors 217 zu verringern, wodurch also die Stabilisierung des Ruhestroms über den Transistor 207 unterstützt wird. Wenn die Spannung am Ausgangsanschluß 75 wesentlich größer als Null ist, so hat der über den Widerstand 211 und den Transistor 213 fließende Strom einen wesentlich kleineren Einfluß auf den über den Transistor 217 fließenden Strom und damit auf das Verhalten der Schaltung. Der Widerstand 208 ist zwischen den Kollektor des Transistors 79 und die Basis des Transistors 217 geschaltet. Dieser Widerstand verdeckt oder beseitigt die parasitären Kapazitäten des Transistors 79.

Die Vorspannungsschaltung für denjenigen Zweig der Ausgangsstufe 15, welcher den Transistor 74 enthält, beinhaltet den Transistor 207,

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der zwischen die Basis des Transistors 74 und die Basis des Transistors 83 geschaltet ist, sowie den Widerstand 209, der zwischen den Kollektoren der Transistoren 73 und 83 liegt, und den Widerstand 212 in Reihe mit dem als Diode geschalteten Transistor 214, die zusammen zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors 74 liegen. Diese Schaltung stellt eine komplementäre Anordnung zu der oben erläuterten Vorspannungsschaltung für den Transistor 217 dar und arbeitet im wesentlichen auf die gleiche Weise.

In den Fig. 6 und 7 ist das Schaltbild eines monolithischen Ausführungsbeispiels der Erfindung mit interner Kompensation dargestellt. Man erkennt, daß die verschiedenen Stromquellen in Fig. 1 und 2 durch Transistor-Widerstandskombinationen ersetzt sind. Im einzelnen ist die Stromquelle 90 ersetzt durch den Transistor 301 und den Widerstand 302, die Stromquelle 37 durch den Transistor 303 und den Widerstand 304, die-Stromquelle 43 durch den Transistor 308 und den Widerstand 307, die Stromquelle 24 durch den Transistor 310 und den Widerstand 309, die Stromquelle 65 durch den Transistor 314 und den Widerstand 313, die Stromquelle 49 durch den Transistor

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311 und den Widerstand 312, die Stromquellen 91, 66 durch den Transistor 306 bzw. 316 mit einem gemeinsamen.Emitterwiderstand 318. Die Stromquellen 32 und 51 sind durch einen einzigen Transistor 317 ersetzt. Wie in Verbindung mit Fig. 4 erläutert, verwendet jede dieser Stromquellen die Vorspannungen, an den Anschlüssen 121 und 122.

Der Widerstand 321 liegt mit dem in Reihe geschalteten Kondensator 322 zwischen der Basis des Transistors 25 und dem Kollektor des Transistors 26. Diese Bauelemente sind hinzugefügt worden, um das an den Eingang der Basisschaltungsstufe 13 angelegte Signal insbesondere während des Impulsbetriebes zu vergrößern. Die in Reihe geschalteten Dioden 324 und 325 liegen zwischen den Basen der Transistoren 41 und 42, um eine niedrige dynamische Impedanz an den Basen der Transistoren 38, 39, 41 und 42 aufrechtzuerhalten , während gleichzeitig der Ruhestrom über jeden dieser Transistoren gesteuert wird. Der Kondensator 326 überbrückt die in Reihe geschalteten Dioden 45, 46, 47, 48 und läßt Signalimpulse durch, die kurzzeitig den Ruhestrom der Dioden übersteigen können.

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Die Diode 323 liegt zwischen dem Verbindungspunkt des Widerstandes 321 und des Kondensators 322 und dem Verbindungspunkt der Dioden 46 und 47. Die Diode 323, die alternativ auch zwischen den invertierenden Eingang 22 und den Verbindungspunkt der Dioden 46 und 47 geschaltet sein könnte, verhindert, daß der Verstärker in einen Kipp-(latch-up)-Zustand kommt. Der Kondensator 327 liegt zwischen dem Ausgangsanschluß 75 des Verstärkers und dem invertierenden Eingangsanschluß 22 und bewirkt eine. Gegenkopplung, um den Phasengang des Verstärkers zu verbessern und seine Stabilität sicherzustellen.

Die Widerstände 331, 332, 333 und 334 bilden eine Kopplungsbegrenzung zwischen der Emitter folger stufe 14 und den Eingängen der Gegentakt-Ausgangsstufe 15. Sie ersetzen die Widerstände 67, 68 und 69 in Fig. 2 und führen zu einer höheren Güte bei Verwendung der Gegentakt-Ausgangs stufe in Fig. 5. Im einzelnen liegt der Widerstand 332 zwischen den Emittern der Transistoren 62 und 64. Der Widerstand 331 ist zwischen den Emitter des Transistors 62 und den Eingangs ans chluß 202 der Ausgangsstufe geschaltet. Der

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Claims

BLUMBACH ■ WESER ■ BERGEN & KRAMER

PATENTANWÄLTE IN WIESBADEN UND MÜNCHEN

DlPL-ING. P. G. BLUMBACH · DIPL-PHYS. Dr. W. WESER · DIPL-ING. DR. JUR. P. BERGEN DIPL-ING. R. KRAMER

WIESBADEN · SONNENBERGER STRASSE A3- TEL. (06121) 562943, 561993 MÖNCHEN

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PATENTANSPRÜCHE

Operationsverstärker mit einer Differenz "Eingangs stuf e> deren Eingänge mit dem invertierenden und dem nichtinvertiereiiden Eingang des Operations Verstärkers verbunden sind, mit einer Ausgangsstufe, deren Ausgang mit dem Ausgang des Operationsverstärkex-s verbunden ist und mit einer Anzahl von Stufen, die zwischen die Differenz-Eingangsstufe und die Ausgangsstufe geschaltet sind.,

dadurch gekennzeichnet, daß eine getriebene Vorspannungsschaltung (18) mit einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Dioden (53, 55, 57, 59) zwischen einen ersten und einen zweiten Betriebsspannungsanschluß (40, 33) geschaltet ist und daß

eine Spannungsfolgeschaltung (56) zwischen dem nichtintervieren« den Eingang (23) und einem Knotenpunkt der in Reihe geschalteten Dioden liegt.

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Widerstand 333 liegt zwischen dem Emitter des Transistors 61 und dem Eingang 201 der Ausgangsstufe. Der Widerstand 334 ist zwischen die Eingangsanschlüsse 201 und 202 der Ausgangsstufe geschaltet. Diese Widerstandsanordnung hat sich als besonders vorteilhaft he raus ge stellt, da sie eine gute Trennung des Kondensators 17 vom Kondensator 76 zur Vermeidung einer unerwünschten Rückkopplung und außerdem eine gute Trennung zwischen den Emitterkreisen der Transistoren 76, 64 und dem Kondensator 76 bewirkt, um eine Frequenzformung durch den in Form einer Sperrschicht-Kapazität verwirklichten Kondensator 76 zu ermöglichen.

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2. Operationsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die getriebene Vorspannungsschaltung (18) gesteuerte Stromleitungseinrichtungen (116, 117, 118,, 119) aufweist, die unter Ansprechen auf das an den nichtinvertierenden Eingang (23) angelegte Signal einen zusätzlichen Strom an die in Reihe geschalteten Dioden bei schnellen Änderungen des an den nichtinvertierenden Eingangs an Schluß angelegten Signals liefern. ■
3. Operationsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die getriebene Vorspannungsschaltung (18) folgende Bauteile aufweist:

einen ersten und einen zweiten Transistor (103, 102)j eine erste und eine zweite Stromquelle (112, 108), eine erste und eine zweite Diode (59, 53), wobei die Basen des ersten und zweiten Transistors mit dem nichtinvertierenden Eingangsanschluß, die Kollektoren des ersten und zweiten Transistors

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mit einem ersten (40) bzw. zweiten (33) Betriebsspannungsanschluß verbunden sind, der Emitter des ersten Transistors mit der Anode der ersten Diode (59), die erste Stromquelle (112) mit der Kathode der ersten Diode., der Emitter des zweiten Transistors (102) mit der Kathode der zweiten Diode (53) verbunden sind und die zweite Stromquelle (108) zwischen den ersten Betriebsspannungsanschluß (40) und die Anode der zweiten Diode geschaltet ist, dann

eine dritte und vierte Stromquelle (118, 119), wobei die dritte Stromquelle zwischen die Anode der zweiten Diode (53) und den zweiten Betriebsspannungsanschluß und die vierte Stromquelle (119) zwischen die Kathode der ersten Diode (59) und den zweiten Betriebsspannungsanschluß geschaltet sind, und die dritte und vierte Stromquelle auf den Stromfluß über den Kollektor des zweiten Transistors (102) ansprechen, eine fünfte und sechste Stromquelle (116, 117), wobei die fünfte Stromquelle zwischen den ersten Betriebsspannungsanschluß (40) und die erste Diode (59) und die sechste Stromquelle zwischen die Anode der zweiten Dbde und den ersten Betriebs-

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Spannungsanschluß geschaltet sind und die fünfte und sechste Stromquelle auf den Stromfluß über den Kollektor des ersten Transistors ansprechen.
4. Operationsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsstufe eine Kbmplementär-Gegentaktstufe mit einem ersten und einem zweiten Transistor (71, 73) in Basisschaltung ist, deren Emitter am Eingang der Atisgangs stufe (70) und deren Basen an einem ersten bzw. zweiten Bezugs Spannungspunkt (52, 60) liegen, und

daß die Ausgangsstufe weiterhin einen dritten und einen vierten Transistor (72, 74) in Emitterschaltung enthält, deren Kollektoren gemeinsam am Ausgang (75) des Operationsverstärkers liegen, deren Emitter mit dem ersten bzw. zweiten Betriebsspannungsanschluß (40; 33) verbunden sind und deren Basen einzeln je an einem Kollektor der Transistoren (71, 73) in Basisschaltung liegen.

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5. Operationsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereichs Vergrößerungsschaltung (16) zwischen den ersten und zweiten Ausgangsanschluß der Eingangsstufe (11) geschaltet ist, um den Nächführbereich des Operationsverstärkers zu vergrößern, und daß der Ausgang der Bereichsvergrößerungsschaltung an den Eingang der Ausgangsstufe (15) angeschaltet ist.
6. Operationsverstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereichsvergrößerungsschaltung einen ersten (86), zweiten (87), dritten (88), vierten (89) Transistor und eine erste (90) und zweite (91) Stromquelle enthält, daß die Emitter des ersten und dritten Transistors gemeinsam an die erste Stromquelle und die Emitter des zweiten und vierten Transistors gemeinsam an die zweite Stromquelle geschaltet sind, daß die Basen des ersten und zweiten Transistors gemeinsam mit dem ersten Aus gangs ans chluß der Differenz-

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Eingangsstufe (11) verbunden sind, daß die Basen des dritten und vierten Transistors gemeinsam am zweiten Ausgang der Differenz-Eingangs stufe liegen, daß die Kollektoren des ersten und zweiten Transistors gemeinsam mit-einem ersten Eingangsanschluß der Ausgangsstufe (15) und die Kollektoren des dritten und vierten Transistors gemeinsam mit einem zweiten Eingai gsanschluß der Ausgangsstufe verbunden sind.

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