DE2528424A1

DE2528424A1 - Differenzverstaerker

Info

Publication number: DE2528424A1
Application number: DE19752528424
Authority: DE
Inventors: Rudy Johan Van De Plassche
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1974-07-08
Filing date: 1975-06-26
Publication date: 1976-01-29
Also published as: DE2528424C2; GB1472670A; JPS5132156A; IT1036448B; US4002993A; CA1025067A; NL7409191A; FR2278198B1; JPS5739683B2; FR2278198A1

Description

PHN.7625. Va/EVH. . , _(J ' 17.^.1975.

·'"'·"·'· '^:|:!;: N.Y.Philips¹ GIoeilampenfabrleken
Akte, PHN- 7625

vorat -24« Juni 1975

"Differenzver stärker"

Die Erfindung betrifft einen Differenzverstärker mit einem ersten und einem zweiten Transistor gleichen Leitfähigkeitstyps, deren Emitter über je einen Widerstand mit einem gemeinsamen Punkt verbunden sind.

Bei Differenzverstärkern tritt bei hohen Frequenzen und grossen Signalen eine Beschränkung auf, die durch die sogenannte "slew rate" bestimmt wird. Unter "slew rate" ist die Höchstgeschwindigkeit zu verstehen, mit der sich das Ausgangssignal ändern kann. U.a. aus dem Aufsatz "IC Electronica toegepast in analoge

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bouwblokkeu" (= "IC Elektronik, in analogen Bausteinen angewandt") von R.J.v.d.Plassche, erschienen in "Tijdschrift van het Nederlandse Electronica- en Radiogenootschap", Band 38, Nr. 2/3, 1973t S. 47-56, ist bekannt, dass diese "slew rate" bei gleichbleibender Bandbreite durch das Verhältnis zwischen dem Ruhestrom und der Steilheit der Transistoren des Differnzpaares bestimmt wird. Bei einem Differenzpaar mit gemeinsamem Emitterkreis ist die Steilheit der Ruhestromeinstellung proportional, so dass die "slew rate" konstant ist. Durch Gegenkopplung des Differenzpaares durch Anordnung von Widerständen in den Emitterleitungen wird erreicht, dass die Effektivsteilheit in geringerem Masse von der Ruhestromeinstellung abhängig wird, so dass Vergrösserung des Ruhestroms eine grBssere "elew rate" ergibt. Für verhältnismässig kleine Signale bedeutet jedoch eine Vergrösserung des Ruhestroms eine beträchtliche Herabsetzung des Signal-Rausch-Verhältnisses, während ausserdem Vergrösserung des Ruhestroms eine Zunahme der Temperaturdrift herbeiführt. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass diese Probleme dadurch verringert werden können, dass die Ruhestromeinstellung des Di'fferenzpaares mit dem Eingangssignal geändert wird.

Aenderungen der Ruhestromeinstellung mit dem Eingangssignal iet u.a. bei Signalexpansionsschaltungen

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bekannt, wie sie z.B.. in der österreichischen Patentschrift 174 421 beschrieben sind. Bei Differenzverstarkern ist aus der'USA-Patentschrift 3 668 538 als eine die "slew rate" erhöhende Massnahme bekannt, die Emitter eines Eingangstransistorpaares kreuzweise über die Basis-Emitter-Strecken eines Transistorenpaares von einem dem der Eingangstransistoren entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp miteinander zu koppeln. Die Kollektorströme dieser Kopplungstransistoren bilden dabei das Ausgangssignal des Differenzverstärkers. In der Praxis führt die Anwendung von Transistoren vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp zu einem schlechteren Hochfrequenzverhalten der Schaltung.

Um die "slew rate¹' eines Differenzpaares,

deren Emitter über je einen Widerstand mit einem gemeinsamen Punkt verbunden sind, zu vergrössern, ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Emitter der Transistoren ausserdem über mindestens die gegeiisinnige Reihenschaltung zweier Halbleiterübergänge miteinander verbunden sind, wobei eine erste Stromquelle die Einstellströae für diese Halbleiterübergänge liefert, und dass der gemeinsame. Punkt mit dem Emitter eines dritten Transistors verbunden ist, dessen Basis mit der Verbindungsleitung zwischen den beiden Halbleiterübergängen gekoppelt ist, während die Ruhestromeinstellung des dritten Transistors durch eine zweite Stromquelle bestimmt wird,

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Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen»

Fig. 1 eine erste Ausführungsform, Pig» 2 eine zweite Ausführungsform und Fig· 3 eine dritte Ausführungsform eines Differensverstärkers nach der Erfindung,

Der Verstärker nach Pig. 1 besteht aus einem Transistorpaar T1 und T2, deren Emitter über Widerstände 7 bzw. 8 mit einem gemeinsamen Punkt 13 verbunden sind. Die Kollektoren der Transistoren T1 und T2 sind jnit den Ausgangsanschlusspunkten 3 bzw, 4 und über die Widerstände 9 bzw. 10 mit einer Klemme 6 einer Speisequelle, in dem dargestellten Beispiel dem positiven Anschlusspunkt, verbunden. Die Basis-Elektroden 1 und 2 der Transistoren T1 bzw. T2 bilden die Eingangsanschlusspunkte, zwischen denen eine Eingangsspannung angelegt werden kann, während die Ausgangsspannung zwischen den Punkten 3 und k entnehmbar ist. Die Emitter der Transistoren TI und T2 sind mit den Basis-Elektroden der Transistoren Tk bzw, T5 verbunden, deren Leitfähigkeitstyp dem der Transistoren T1 und T2 entgegengesetzt ist. In dem dargestellten Beispiel sind die Transistoren T4 und T5 vom pnp-Leitfähigkeitstyp. Die Emitter der Transistoren Tk und T5 sind miteinander und über eine Stromquelle 12 mit dem positiven Speisungs-

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anschlusspunkt 6 verbunden, so dass zwischen den Emittern der Tranaistoren T1 und T2 die gegensinnige Reihenschaltung zweier Hialbleiterübergänge - die durch die Emitter-Basis-Uebergänge der Transistoren Τ4 und T5 gebildet werden - vorhanden ist. Die Kollektoren der Transistoren Tk und T5 sind mit einem negativen Speisungsanschlusspunkt 5 verbunden, Ausserdem sind die Emitter der Transistoren Tk und T5 mit der Basis eines Transistors T3 verbunden, der im dargestellten Beispiel vom npn-Leitfähigkeitstyp ist und dessen Kollektor mit dem positiven Speisungsanschlusspunlct 6 und dessen Emitter mit dem geraeinsamen Punkt 13 verbunden ist, der über eine Stromquelle 11 mit dem negativen Speisungsanschlusspunkt 5 verbunden ist» I

Beim Fehlen einer Spannung zwischen den

Basis-Elektroden der Transistoren T1 und T2 sollen die Transistoren T1 und T2 einen verhältnismässig niedrigen Ruhestrom führen, Ausserdem ist eine gute Symmetrie wünschenswert, d.h., dass die Runeströme, die die Transistoren T1 und T2 führen, einander gleich sind. Sind die Transistoren T1 und T-2 miteinander identisch und sind die Basisströme der Transistoren Tk und T5 einander gleich, so bedeutet dies, dass die Widerstände 7 und einander gleich sein sollen; Die Spannungen über den Widerständen 7 und 8-sind dann einander gleich, so dass

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bei identischen Transistoren Tk und T5 der Strom 112, der von der Stromquelle 12 geliefert wird, sich gleichmassig über die Transistoren T*f und T5 verteilt. Beim Fehlen eines Differenzsignals an den Basis-Elektroden der Transistoren T1 und T2 gilt dann, dass die Basis-Emitter-Spannung des Transistors gleich der Summe der Basis-Emitter-Spannting des Transistors Τ4 und der Spannung über dem Widerstand 7 und auch gleich der Summe der Basis-Emitter-Spannung des Transistors T5 und der Spannung über dem Widerstand 8 ist» Wenn angenommen wird, dass es erwünscht ist, dass die Kollektorströme der Eingangstransistoren maximal um einen Paktor 10 variieren und dass bei vollständiger Aussteuerung der Strom, der dann durch die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors T3 fliesst, vernachlassxgbar klein gegenüber dem von der Stromquelle 11 gelieferten Strom 111 ist, muss der Ruhestrom der Transistoren TI und T2 beim Fehlen eines Eingangssignals gleich 0,1 111 sein, wobei durch die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors T3 ein Strom von 0,8 fliesst. Die Ströme 0,1 111 fliessen dabei durch die Widerstände 7 und 8. Unter Berücksichtigung der vorerwähnten Gleichheit der Basis-Emitter-Spannung des Transistors T3 und der Summe der Basis-Emitter-Spannung des Transistors Tk und der Spannung über dem Widerstand 7 kann dann ein geeigneter Wert für die Widerstände 7 und 8 und

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für den. Strom 112 gefunden werden.

Wird eine Eingangsdifferenzsparinung zwischen den Basis-Elektroden der Transistoren T1 und T2 angelegt und nimmt diese zu, wobei die Spannung an der Sasis des Transistors T1 positiv gegenüber der Spannung an der Basis des Transistors T2 wird, so wird der Emitterstrom des Transistors T1 zunehmen und der Emitterstrom des Transistors T2 abnehmen, wodurch die Spannung über dem Widerstand 7 zunimmt und die Spannung über dem Widerstand abnimmt» Demzufolge nimmt die Basis-Emitter-Spannung des Transistors Th ab und die Basis-Emitter-Spannung des Transistors T5 zu» Der Strom 112 wird dann allmählich auf den Transistor T5 übertragen. In erster Linie übt dies nahezu keinen Einfluss auf die Basis-Emitter-Spannung des Transistors T3 aus, so dass die Summe der EmitterstrSm'e der .Eingangstransistoren T1 und T2 für kleine Eingangssignale nur wenig zunimmt« Wenn eine derartige Eingangsdifferenzspannung erreicht ist, dass der Transistor Tk nichtleitend wird, fliesst der Strom 112 völlig durch die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors T5, so dass die Basis-Emitter-Spannung des Transistors T5 sich nicht mehr ändert. Eine weitere Zunahme der Eingangsdifferenzspannung führt eiiae Herabsetzung der Spannung über dei.i Widerstand 8 herbei, wobei die Basis-Emitter-Spannung des Transistors T3 unmittelbar dieser Spannungs-

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herabsetzung· folgt« Der Emitterstrom des Transistors T3 nimmt dabei ab, so dass der zu dem Differenzpaar fliessende Teil des Stromes 111 zunimmt« Eine maximale Eingangadifferenzspannung ist erreicht, wenn der Transistor T2 in den nichtleitenden Zustand gelangt ist. Venn der Basisstrom des Transistors T5 vernachlässigt wird, ist die Spannung über dem Widerstand 8 zu diesem Zeitpunkt 0 V und ist die Basis-Emitter-Spannung des Transistors T3 gleich der Basis-Emitter-Spannung des Transistors T5. Wenn beide Transistoren identisch sind, ist der dann durch die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors T3 fliessende Strom gleich 112. Da der Unterschied zwischen den Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren T1 und T2," wobei der Transistor T2 gerade in den nichtleitenden Zustand gelangt ist, verhältnismässig gering ist, wird die maximale Eingangsdifferenzspannung annähernd durch das Produkt des Stromes 111 und des Wertes des Widerstandes 7 bzw. 8 bestimmt. Der maximale Ausgangsspannungshub wird bei Gleichheit der Widerstände 9 und 10 durch den Strom 111 und den Wert des Widerstandes 9 bzw» 10 bestimmt» Wenn die Spannung an der Basis des Transistors T2 gegenüber der Spannung an der Basis des Transistors.Ti positiv wird¹, findet ähnliches auf symmetrische Weise statt»

Obgleich die Transistoren Τ4 und T5 pnp-Transistoren und also bei Integration laterale Transistoren

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sind, sind die Hochfrequenzeigenschaften wegen der geerdeten Kollektoren dieser Transistoren nicht ungünstiger· Ausserdem ist es möglich, in integrierten Schaltungen die Transistoren Tk und T5 als vertikale Substrat-pnp-Transistoren auszubilden.

Statt die Kollektoren der Transistoren T^ und T5 mit dem negativen Speisungsanschlusspunkt zu verbinden, können diese mit den Basis-Elektroden der Transistoren Tk bzw, T5 verbunden werden, wodurch diese als Dioden geschaltet sind.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform eines Differenzverstärkers nach der Erfindung, bei der die Transistoren Tk und T5 durch Dioden D1 und D2 ersetzt sind» Der Verstärker ist weiter .gleich dem Verstärker nach Fig. 1·

Die Wirkungsweise des Verstärkers nach Fig. entspricht der des Verstärkers nach Fig. 1, wobei jedoch, die die Dioden D1 und D2 durchfliessenden Ströme zu · berücksichtigen sind,.Diese Ströme fHessen ja auch durch die Widerstände 7 bzw. 8, Wenn der Strom 112 klein gegenüber dem Strom 111 ist, übt dies nahezu keinen Einfluss auf die Wirkung des Verstärkers aus.

Statt den die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors T3 durchfliessenden Strom in einem mit der Eingangsdifferenzspannung zunehmendem Masse auf die

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Transistoren des Differenzpaares zu übertragen, kann der Transistor T3 durch, einen Transistor vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp ersetzt werden, durch den die Summe der Emitterströme der Transistoren T1 und T2 fliesst.

Fig» 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines solchen Verstärkers» Die Schaltung entspricht der nach Pig» 1, wobei der Transistor T3 durch einen pnp-Transistor ersetzt ist, dessen Kollektor mit dem negativen Speisungsanschlusspunkt 5 und dessen Basis über die Reihenschaltung zweier Dioden, die als Diode geschaltete Transistoren sein können, mit den Emittern der Transistoren Tk und T5 verbunden ist. Die Stromquelle 11 ist durch eine Stromquelle 13 ersetzt, die die Basis des Transistors T6 mit dem negativen Speisungsanschlusspunkt 5 verbindet.

Beim Fehlen einer Eingangsdifferenzspannung und bei einer guten Symmetrie des Verstärkers verteilt sich der Unterschied zwischen dem Strom 12 und' dem die Dioden D3 und Dk durchflies send en Strom gleichmässig über die Kollektor-Emitter-Strecken der Transistoren Τ4 und T5· Dann gilt, dass der Unterschied zwischen der Spannung über der Reihenschaltung der Dioden D3 und D4 und der Basis-Emitter«-Spannung des Transistors T6 gleich der Summe der Basis-Emitter-Spannung des Transistors T5 und der Spannung über dem Widerstand 8 ist« Wenn, gleich wie bei dem Verstärker nach Fig. 1, sich z.B. der

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Kollektorstrom der Transistoren T1 und T2 tun einen Faktor ändern können.muss, soll sich der Basisstrom des Transistors T6 um einen Paktor 5 ändern können. Dies bedeutet, dass der Strom 113» der von der Stromquelle 13 geliefert wird, zumindest gleich dem Fünffachen des Basisstroms des Transistors T6 bei dem gewünschten Ruhestrom der Transistoren T1 und T2 beim Fehlen einer Eingangsdifferenzspannung sein soll. Mit diesen Daten können die Werte für die Widerstände 7 und 8 und die Stromquellen und 13 bestimmt werden.

Wenn die Spannung an der Basis des Transistors T1 allmählich grosser gegenüber.der Spannung an der Basis des Transistors T2 wird, wird, wie bei dem Verstärker nach Fig. 1, der Transistor- TJ5 mehr Strom führen und der Transistor Tk weniger Strom führen, ohne dass anfänglich die Einstellung des Transistors T6 erheblich beeinflusst wird» Wenn der Transistor Τ4 in den nichtleitenden .Zustand gelangt, wird die Emitterspannung des Transistors T5 der abnehmenden Spannung an der 'Basis des Transistors T2 völlig folgen, wodurch die Basis-Emitter-Spannung des Transistors T6 grosser und die Spannung Über den Dioden D3 und Ok kleiner wird. Ein zunehmender Teil des Stromes 113 wird dabei der Basis des Transistors T6 entzogen und dor Enitterstrom dos Transistors T6 nimmt zu»

Gleich wie bei dem Verstärker nach Fig. 1

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kennen die Transistoren Tk und T5 durch Dioden ersetzt werden, ■ .

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die

beschriebenen Ausführungsformen. Verschiedene Abwandlungen sind möglich, während auch andere Transistortypen verwendet werden können, Ausserdem kann die Schaltung als eine monolithische integrierte Schaltung ausgebildet
werden.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE:

[1 ,) Differenzverstärker mit einem ersten und eineir zweiten Transistor gleichen Leitfähigkeitstyps, deren Emitter über je einen Widerstand mit einem gemeinsamen Punkt verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Emitter der Transistoren ausserdem über mindestens die gegensinnige Reihenschaltung zweier Halbleiterübergänge miteinander verbunden sind, wobei eine erste Stromquelle die Einsteilströme für diese HalbleiterÜbergänge liefert, und dass der genannte gemeinsame Punkt mit dem Emitter eines dritten Transistors verbunden ist, dessen Basis mit der Verbindungsleitung zwischen den beiden Halbleitertibergängen gekoppelt ist, während die Ruhestromeinstellung des dritten Transistors durch eine zweite Stromquelle bestimmt wird»

2, Differenzverstärker nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, dass die Halbleiterübergänge durch die Basis-Emitter-Uebergänge von Transistoren von einem dem des ersten und des zweiten Transistors entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp gebildet werden.

3· Differenzverstärker nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Transistor vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie der erste und der zweite Transistor ±ht_t wobei dor Emitter mit der zweiten Strom»

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quelle und die Basis unmittelbar mit der Verbindungsleitung zwischen den beiden Halbleiterübergängen und ausserdem mit der ersten Stromquelle verbunden ist, 4. Differenzverstärker nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Transistor von einem dem des ersten und des zweiten Transistors entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp ist, wobei die Basis mit der zweiten Stromquelle und über die Reihenschaltung mindestens eines dritten und eines vierten Halbleiterübergangs' mit der Verbindungsleitung verbunden ist, die auch mit der ersten Stromquelle verbunden ist.

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