DE2528424A1 - Differenzverstaerker - Google Patents
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Description
PHN.7625.
Va/EVH. . , (J ' 17.^.1975.
·'"'·"·'· ':|:!;: N.Y.Philips1 GIoeilampenfabrleken
Akte, PHN- 7625
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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PHN.7625. 17.4.75. -Z-
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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PHN.7625. 17.4.75. .· - 3 -
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,
50 9 8 85/0832
PHN.7625.
17.4.75.
■ '- h -
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-
509885/083 2
PHN.7625. 17.4,75.
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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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PHN.7625. 17.^.75.
- 6 -.
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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PIDT. 7625. 17.^.75. - 7 -
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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. · . PHN.7625»
17.4.75.
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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' · ' PHN.7625. .
. . 17.h.75. - 9 -
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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PHN.7625.
17.k.75. - 10 -
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
509885/0832
PHN.7625. : . · . 17.^.75.
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
509885/0832
PHN.7625.'
17Λ.75.
- 12 -
- 12 -
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.
werden.
509885/0832
Claims (1)
- PHN.7625. 17.^.75. - 13 -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, dadurchgekennzeichnet, 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 ±htt wobei dor Emitter mit der zweiten Strom»5 09885/083 2._ . . PHN.7625·17.4.75. - 14 -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.509835/0832Leerseite
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OD | Request for examination | ||
D2 | Grant after examination | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |