DE2507361A1

DE2507361A1 - Operationsverstaerker

Info

Publication number: DE2507361A1
Application number: DE19752507361
Authority: DE
Inventors: Thomas Allan Hamilton
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-02-20
Filing date: 1975-02-20
Publication date: 1975-08-21
Also published as: US4030043A; GB1496782A; CA1037134A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. RWeickmann,

Dipl.-Ing. H.Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K.Fincke Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

8 MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

Thomas Allan Hamilton, 222 Newkirk Road, Richmond Hill, Ont., Canada

Operationsverstärker

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Operationsverstärker.

Operationsverstärker sowohl in monolitischer Form als auch in Modulform sind zu einer fundamentalen Komponente in Systemen und Schaltungen geworden. Der Operationsverstärker mit Rückkopplung, dem eine große Verstärkung eigen ist, wird zur Realisierung vieler Schaltungsfunktionen verwendet, obwohl er auch einige beträchtliche Nachteile besitzt. Diese Nachteile ergeben sich aus der Tatsache, daß der Operationsverstärker primär eine Spannungskomponente ist, wodurch seine Anwendung auf die Nutzbarmachung der Ausgangsspannung beschränkt ist. Mit anderen Worten kann

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ein einziger Operationsverstärker (ohne wesentliche Schwierigkeiten) nicht als spannungsgesteuerte Stromquelle oder als stromgesteuerte Stromquelle verwendet 'werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Operationsverstärker anzugeben, welcher auch als Stromquelle betrieben werden kann.

Ein Operationsverstärker ist zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß durch folgende Merkmale gekennzeichnet:

zwei Stromeingänge, die für einen zwischen ihnen fließenden Strom einen Zweig kleiner Eingangsimpedanz bilden, eine große Stromverstärkung, und zwei Stromeingänge, die für einen zwischen ihnen fließenden Strom einen Zweig großer Ausgangsimpedanz bilden.

Während ein konventioneller Operationsverstärker eine große oder sogar unbegrenzte Spannungsverstärkung, zwei Spannungseingänge und wenigstens einen Spannungsausgang besitzt, besitzt der Operationsverstärker gemäß der Erfindung eine große oder sogar unbegrenzte Stromverstärkung, zwei Stromeingänge und zwei Stromausgänge. Beim Operationsverstärker gemäß der Erfindung können in einfacher Weise zusätzliche Ausgänge vorgesehen werden, wobei seine Bandbreite lediglich durch die fundamentalen Grenzen von Transistoren und durch Schwingungen der Ausgangsspannung begrenzt ist. Die Bandbreite von Standard-Operationsverstärkern ist durch Miller-Rückkopplung in den Kapazitäten und durch die Spannungsverstärkung begrenzt. Die Eingänge und Ausgänge des Operationsverstärkers gemäß der Erfindung

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können auf schwimmendem Potential liegen, während für die Eingänge und Ausgänge eines Standard-Operationsverstärkers generell ein Erdbezug erforderlich ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in denFiguren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein einfaches Ersatzschaltbild eines Operationsverstärkers gemäß der Erfindung;

Fig. 2a bis 2d jeweils ein Ersatzschaltbild von vier Anwendungsfällen des Operationsverstärkers nach Fig. 1;

Fig. 3 ein Schaltbild eines Operationsverstärkers; und

Fig. 4a bis 4f mögliche Schaltungsanwendungen des Operationsverstärkers nach Fig. 1.

Der Operationsverstärker nach Fig. 1 besitzt zwei Eingangsklemmen, wobei eine Impedanz R. des Stromzweiges zwischen diesen Klemmen klein ist, d.h., in der Größenordnung von Null liegt. Die Ausgangsimpedanz für den Strom zwischen Ausgangsklemmen 01 und 02 ist groß, d.h., sie liegt in der Größenordnung von unendlich. Die Leerlauf-Stromverstärkung B ist hoch, d.h., sie liegt ebenfalls in der Größenordnung von unendlich. In Fig. 2 sind lediglich zwei Ausgangsklemmen dargestellt. Es können jedoch leicht auch weitere Ausgänge ohne wesentliche Erhöhung der Kosten vorgesehen werden, da in monolithischer Form des Operationsverstärkers in einfacher Weise angepaßte Ströme und Nachlaufströme erzeugt werden können.

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Fig. 2a zeigt die Beschaltung des Operationsverstärkers nach Fig. 1 (im folgenden als GOA-Verstärker bezeichnet) zur Bildung einer Spannungsquelle. Impedanzen R1 und R2 sind Widerstände, welche die Verstärkung festlegen, während R ein Lastwiderstand zur Festlegung der Ausgangsimpedanz ist. Die drei Gleichungen, welche eine spannungsges Spannungsquelle bilden, sind die folgenden:

R1 R2

h + ^V2 - ^V3 (2)

^Ro TU

- R._n i (3)

Die Lösung dieser drei Gleichungen für die Spannungsüber tragungsfunktion ergibt:

B + 1 _{4)

1 + Γ 1 1 FR_1n R₁ , R₁

^B+Ul^r ⁺ <C⁺K

dadie Leerlaufverstärkung B gegen Unendlich und die Eingangsimpedanz R. gegen Null geht, ergibt sich aus Gleichung (4):

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V V

1 +

Diese Gleichung ist der gebräuchliche Ausdruck für eine spannungsgesteuerte Spannungsquelle mit positiver Verstärkung.

Aus der Betrachtung der Eingangs- und Ausgangsxrapedanz der spannungsgesteuerten Spannungsquelle wird ersichtlich, wie sich die gegen Null gehende Eingangsimpedanz und die große Ausgangsimpedanz des GOA-Verstärkers bei dieser Art von Rückkopplung verhalten. Die Eingangsimpedanz Z. ergibt sich zu:

.[B + 1]

= R,_ +L" " 'J ^Ro^R2 ⁺

^+R2

für R = unendlich ο

^Zin = ^Rin ^{+ (B+1) R}2

Für R₁ und R₂ in der Größenordnung von mehreren Kiloohm und B größer als 1ooo hat diese Impedanz einen Wert in der Größenordnung von über 1 MegOhm. Im Idealfall ist die Eingangsimpedanz bei unendlich großem B ebenfalls unendlich groß.

Für die Eingangsimpedanz des EOA-Verstärkers gleich Null ergibt sich Gleichung (4) zu:

— 6 —

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ι ι +pi

Aus dieser Gleichung ergibt sich für die Ausgangsimpedanz:

^zo -LsSt-I ⁽⁶⁾

Für entsprechende wie oben angegebene Werte von B und R₁ sowie R„ zeigt sich, daß die Ausgangsimpedanz klein ist (in der Größenordnung von 1 Ohm), wie dies für eine Spannungsquelle zu erwarten ist. Obwohl also die ideale Eingangsimpedanz eines GOA-Verstärkers klein und die Ausgangsimpedanz unendlich groß ist, ergibt sich durch Rückkopplung,daß der GOA-Verstärker die geforderte hohe Eingangsimpedanz und die kleine Ausgangsimpedanz einer idealen spannungsgesteuerten Spannungsquelle besitzen kann.

Fig. 2b zeigt das Ersatzschaltbild einer spannungsgesteuerten Stromquelle. Eine derartige Stromquelle ist bei Verwendung eines Standard-Operationsverstärkers schwer realisierbar, während die durch einen Verstärker nach Fig. 1 leicht realisierbar ist. Eine Analyse hinsichtlich des Gegenscheinleitwertes ergibt:

(B-1)R ^K (7)

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Da B gegen unendlich geht, ergibt dies die geforderte übertragungsfunktion. Es ist zu bemerken, daß in diesem Fall die Polarität von I₃ negativ ist. Aufgrund der leichten Herstellung von angepaßten Nachlaufstromquellen ist auch die Erzeugung eines Ausgangsstroms der anderen Polarität leichttrealisierbar.

Die Eingangsimpedanz der Schaltung ergibt sich zu:

Z_1n = R_±n + (B+1) R (8)

Auch hier kann gezeigt werden, daß diese Eingangsimpedariz sehr groß ist. Die Ausgangsimpedanz der spannungsgesteuerten Stromquelle ist diejenige einer Stromquelle und sehr groß. Es ist interessant zu bemerken, daß der GOA-Verstärker bei diesem Betrieb eine echte Realisierung eines Stromübertragers ist.

Fig. 2c zeigt ein Ersatzschaltbild der Realisierung einer stromgesteuerten Spannungsquelle des Verstärkers nach Fig. 1. Dieser Fall ist auch mit einem Standard-Operationsverstärker realisierbar, da die zusätzliche Ausgangsklemme des Verstärkers nach Fig. 1 nicht ausgenutzt wird.

Die Übertragungsfunktion dieser Schaltung ergibt sich zu:

	F	B	B	1 R -	^Rin
		1	+	1\|^R	B+1
1			+	^R+Rin
			B₊DR₀

(9)

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Bei einer Eingangsimpedanz Null und einer unendlich großen Lastimpedanz ergibt sich die Schleifenverstärkung zu:

^V2 = - R ^L1

Die Eingangsimpedanz ist gleich:

Z. = RR. in in

Diese Größe wird zu Null, wenn die Eingangsimpedanz gegen Null und B gegen unendlich geht.

Fig. 2d zeigt ein Ersatzschaltbild einer stromgesteuerten Spannungsquelle mit einem Verstärker nach Fig. 1. Ein derartiger Fall ist mit einem Operationsverstärker mit nur einem einzigen Ausgang-nicht relalisierbar, da zwei Ausgänge erforderlich sind.

Die Stromübertragungsfunktion dieser Schaltung ist gleich:

^R1

¹O I¹⁺R

O K

Ϊ7 - J=.

¹ 1+1 Γΐ-*- 1 +in

Geht B gegen unendlich und der Eingangswiderstand gegen Null so ergibt sich:

^R2

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Die Ausgangsimpedanz ist diejenige einer Stromquelle und daher sehr groß.

Da für den Operationsverstärker nach Fig. 1 eine Stromverstärkung undkeine Spannungsverstärkung erforderlich ist, ergibt sich die Bandbreitenbeschränkung hauptsächlich aus den fundamentalen Transistorfrequenzgrenzen im Verstärker, wenn die Spannungsschwingungen klein gehalten werden. Diessteht im Gegensatz zu Beschränkungen durch die Miller-Rückkopplung in den Kapazitäten, welche einem Spannungsverstärker eigen ist. Es kann gezeigt werden, daß bestimmte Klassen von Stromverstärkern Bandbreiten bis zu 5oo MHz besitzen. Wird der Verstärker nach Fig. 1 in monolithischer Form ausgebildet, so können in einfacher Weise Nachlaufstromquellen und angepaßte Stromquellen realisiert werden, so daß in einfacher Weise zusätzliche Nachlaufausgangssignale erzeugt werden können, welche eine größere Vielseitigkeit hinsichtlich der Anwendung gewährleisten, wobei abgesehen von zusätzlichen Anschlüssen für die integrierte Schaltung kein weiterer Aufwand erforderlich ist.

In der Schaltung nach Fig. 3 sind Paare von PNP-Transistoren Q13 und Q14 sowie ©15 und Q16 in differentieller Basisschaltung zur Realisierung einer kleinen differentiellen Eingangsimpedanz, eines differentiellen Stromeingangs und eines differentiellen Stromausgangs für wetere Verstärkerstufen vorgesehen. Die Eingänge sind mit den Emittern der PNP-Transistoren verbunden, während die Ausgangssignale an den Kollektoren abgenommen werden. Die Basen dieser Transistoren werden über als Dioden geschaltete Transistoren Q19 und Q2o vorgespannt. Die PNP-Eingangspaare schwimmen zwischen der oberen und der unteren Stromquelle und er-

- 1o -

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zeugen zwei gleiche und gegensinnige Signalströme für die weiteren Schaltungsteile.

Diese Signalströme werden dann in eine Stromverstärkungsstufe eingespeist, welche in Darlington-Schaltung miteinander verbundene Transistoren Q17 und Q18 sowie Q21 und Q24 enthält, die darüber hinaus jeweils als differentielles Paar geschaltet sind. Diese Schaltung ergibt eine Stromverstärkung über die Betas der Darlington-Paare. Die Ausgangssignale dieser kombinierten Eingangs- und Verstärkerstufe sind zwei differentielle Ströme in den Kollektorzweigen der Darlington-Paare, welche in eine Ausgangsstufe mit weiterer Stromverstärkung eingespeist werden.

Die Ausgangsstufe arbeitet ähnlich einem kommerziell erhältlichen Gegenwirkleit-wert-Operationsverstärker. Dieser Schaltungsabschnitt wird durch Transistoren Q5 bis Q12 gebildet. Es ergibt sich.dabei eine differentielle Stromverstärkung durch das Beta der PNP-Paare Q9 und QIo sowie Q11 und Q12, wobei ein Paar von Stromspiegeln vorhanden ist, um die nunmehr hochverstärkten Stromsignale zu invertieren und sie in der geforderten Form an den Ausgängen anzubieten.

Um eine kleine Stromverstärkung an den Eingangsklemmen zu gewährleisten und um die Gleichspannungs-Stabilität zu verbessern, sind zusätzliche Schaltkreise vorgesehen, wodurch eine Anpassung der oberen und der unteren Stromquelle in der Eingangsstufe möglich ist. Dabei handelt es sich primär um ein differentielles Transistorpaar Q22 und Q23 zusammen mit Transistoren Q1, Q2 und Q26 in einer Rückkoppelschleife, welche die Ströme zwischen dem oberen und dem unteren Stromquellenkreis gleich macht. Diese Schaltung

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paßt die Ströme in den Transistoren Q2 und Q26 an und paßt weiterhin auch aufgrund der in einer monolithischen Schaltung verfügbaren Anpassung die Ströme in den Transistoren Q3, Q4 sowie Q27 und Q28 an. Die gesamte Gleichvorspannung wird durch einen einzigen äußeren Widerstand gewonnen, welcher den Strom in dem als Diode geschalteten Transistor Q33 einstellt. In einem praktisch ausgeführten Verstärker liegt der Wert dieses Widerstandes R7 in der Größenordnung von 60 Kilo-Ohm,was zu einem Gesamtruhestrom von etwa 2 Milliampere bei einer Betriebsspannung von + 1o Volt führt. Bei diesem Vorspannungswert liegt die Leerlauf-Stromverstärkung in der Größenordnung von 5ooo. Bei dem neuen Operationsverstärker wurde einer optimalen Frequenzkompensation noch wenig Rechnung getragen. Darüber hinaus können auch die tatsächlichen Streukomponenten und parasitären Komponenten der fertigen monolithischen Schaltung die Ergebnisgen
se noch beeinflußen. Untersuch_un/haben jedoch gezeigt, daß Frequenzkompensatioris-Kapazitäten an zwei Stellen der Schaltung zu besonders guten Ergebnissen führen; solche Frequenzkompensations-Käpazitäten werden durch Kapazitäten C1 und C2 gebildet. Bei einem grundsätzlichen Testversuch wurde die Schaltung überkompensiert, wobei sich jedoch in allen Fällen von geregelten Quellen mit Lastimpedanzen von 1 Kilo-Ohm bis 1o Kilo-Ohm Bandbreiten über 2 MHz ergaben (in bestimmen Fällen ergaben sich Frequenzcharakteristikspitzen) .

Die Fig. 4a bis 4f zeigen weitere Anwendungsfälle des Operationsverstärkers nach Fig. 1, die sich aus der Zeichnung selbst erklären.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansrpüche

"I)J Operationsverstärker, gekennzeichnet durch zwei Stromein- ^' gänge (IN1, IN2), die für einen zwischen ihnen fließenden Strom einen Zweig kleiner Eingangsimpedanz (R. ) bilden, eine große Stromverstärkung, und durch zwei Stromausgänge (01, 02), die für einen zwischen ihnen fließenden Strom einen Zweig großer Ausgangsimpedanz bilden.
2) Operationsverstärker nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Paar von in differentieller Basisschaltung betriebener Transistoren (Q13, Q14; Q15, Q16) in jedem Eingangskreis.
3) Operationsverstärker nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch eine an den Ausgang der Transistoren (Q13, Q14; Q15, Q16) in differentieller Basisschaltung gekoppelte Stromverstärkerstufe, welche durch in Darlington-Schaltung geschaltete Transistoren (Q17, Q18; Q21, Q34) gebildet sind, die als Differenzstufe geschaltet sind.
4) Operationsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch ein Anpassungsnetzwerk für die Eingänge (IN1, IN2) in Form von Transistoren (Q1, Q2, Q22, Q23, Q26) in einer Rückkoppelschleife für die Transistoren (Q13, Q14; Q15, Q16) in differentieller Basisschaltung, welche die Ströme zwischen den Eingängen gleich macht.
5) Operationsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Widerstandsrückkoppelschleife (R₁) zwischen einem ersten Stromausgang (01) und einem zweiten Stromeingang (IN2), eine Widerstandslast (R₃) im zweiten Stromeingangskreis und durch einen Lastwiderstand (R ) im

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ersten Stromausgangskreis zur Bildung einer spannungsgesteuerten Spannungsquelle (Fig. 2a).
6. Operationsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine gemeinsame Widerstandslast (R) im Kreis des zweiten Stromeingangs (IN2) und des ersten Stromausgangs (01) zur Bildung einer spannungsgesteuerten Stromquelle (Fig. 2b).
7) Operationsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Widerstandsrückkoppelschleife (R) zwischen dem zweiten Stromausgangs(02) und dem ersten Stromeingang (IN1) und durch eine Widerstandslast (R.) im Kreis des zweiten Stromausgang (02) zur Bildung einer stromgesteuerten Spannungsquelle (Fig. 2c).
8) Operationsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Widerstandsrückkoppelschleife (R-) zwischen dem ersten Stromeingang (IN1) und dem zweiten Stromausgang (02) und durch eine Widerstandslast (R2) im Kreis des zweiten Stromausgangs zur Bildung einer Stromquelle (Fig. 2b).

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