DE2540349A1 - Transistor-differenzverstaerker - Google Patents

Description

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dr. O. DITTMANN

K. L. SCHIFF 2 5 A 0 3 4 9 £°B SS! B3

DR. A. V. PÜNBR POSTFACH Oo Ol OO

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dr. U. SCHUBBL-HOPF TiiLKGH. auromahcpat München

Dipl.ing. D. EBBINGHATJS telex 5-23.565 auro d

HITACHI, LIMITED ' 10. September 1975

DA - 11 842

Priorität: 13. September 1974, Japan, Nr. 105 023

Transistor-Differenzverstärker

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Transistor-Differenzverstärker und insbesondere einen Transistor-Differenzverstärker, dessen Übertragungskennlinie zwischen der Differenz-Eingangsspannung und dem Ausgangsstrom verbessert ist.

Üblicherweise werden Differenzverstärker, die als integrierte Halbleiterschaltungen gefertigt werden, sehr häufig eingesetzt.

An Hand der Fig. 4 bis 8 sollen nachfolgend bekannte Differenzverstärker und deren Eigenschaften beschrieben werden. Es zeigen:

Fig. 4 und 5 Beispiele für bekannte Differenzverstärkerschaltungen,

Fig. 6 ein Beispiel für die Halbleiterbauart von Lasttransistoren, die bei bekannten Differenzverstärkern verwendet werden,

Fig. 7 eine graphische Darstellung, die die Fang- und Mitnahmebereichs-Kennlinien eines bekannten PLL-FM-Demodula-

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tors wiedergibt, und

Fig. 8 eine graphische Darstellung, die die Übertragungs-Kennlinien des in Fig. 5 dargestellten, sowie des erfindungsgemässen, in Fig. 1 dargestellten Differenzver-• stärkers wiedergibt.

In Fig. 4 ist ein bekannter Differenzverstärker dargestellt. In diesem Falle werden KonstantStromquellen, die aus Seitentransistoren Q^, Qc und Q^, Qr₇ im Multikollektor-Aufbau bestehen, normalerweise als Last für die Differenzverstärker-Transistoren Qx, und Qp verwendet. Ein Transistor Q^ (Q^), der einen Multikollektor-Aufbau aufweist, dient als Konstantstrom-Versorgungstransistor, wogegen der andere Transistor Qc- (Qo) als Ausgangsstufe dient.

In den Fällen, in denen eine hohe Verstärkung mit dem Differenzverstärker erreicht werden soll, werden die Differenzverstärker-Transistören üblicherweise als Darlington-Schaltung zusammengeschaltet. Diese Schaltungsart erhöht jedoch die für die Schaltung erforderliche Spannung und ist oft nachteilig.

Ein Differenzverstärker, bei dem diese Schwierigkeiten nicht auftreten, ist aus der japanischen Patentanmeldung Nr. 5328/1973 mit dem Titel "Stromverstärker" bekannt, wobei diese japanische Patentanmeldung auf der US-PS 3 783 400 der Firma Motorola Inc. beruht. Ein Schaltungsdiagramm dieses Differenzverstärkers ist in Fig. 5 dargestellt.

Wie aus der Zusammenfassung dieser Anmeldung gemäss dem Patentblatt hervorgeht, nützt dieser Differenzverstärker die Stromverstärkungswirkung der Transistoren Q^ und Qg, die als Last dienen, aus. In der genannten Patentanmeldung ist beschrieben, dass dann, wenn die Schaltung eine einzige Ausgangsklemme aufweisen soll, eine der Ausgangsklemmen weggelassen werden kann. Ein Beispiel einer konkreten Schaltungsanordnung ist jedoch in dem Patentblatt nicht angegeben. Im Falle, dass einer

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der Ausgangsklemmen bei einem solchen Differenzverstärker weggelassen wird, wird der Kollektor des Seitentransistors normalerweise als ein Ring ausgebildet. Bei einem "PLL FM-Demodulator", der als integrierte Halbleiterschaltung unter dem Handeisn amen MCI310P von dem zuvor erwähnten Patentanmelder hergestellt wird, wird der zuvor beschriebene Differenzverstärker als Gleichstromverstärker verwendet.(Die Einzelheiten dieser integrierten Halbleiterschaltung sind der Veröffentlichung in "Electronics", November 22', 1971, Seiten 62 bis 66 zu entnehmen.) Wie in Fig. 6 dargestellt ist, wird ein Transistor 6 im Multikollektor-Aufbau, der Kollektorbereiche 7 und 8 vom P-Typ aufweist, als Ausgang verwendet, wogegen ein Transistor 1, bei dem die Ausgangsklemme weggelassen wurde, einen Kollektorbereich 3^! vom P-Typ aufweist, der als Ring ausgebildet ist. In Fig. 6 geben die Bezugszeichen 4 und 9 die Basisbereiche vom N-Typ, und die Bezugszeichen 5 und 10 die Emitterbereiche vom P-Typ an.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben die Fang- und Mitnahmebereichs-Kennlinie der PLL-Schaltung des Bausteins MCI310P gemessen (PLL ist die Abkürzung für Phase Locked Loop, also die Abkürzung für eine Schaltung zur Zwangssynchronisierung eines Oszillators auf eine Signalfrequenz durch Vergleich der Phasenwinkel). Dabei hat sich, wie anhand des in Fig. 7 dargestellten Beispieles dargestellt ist, gezeigt, dass die Fangbereich-Kennlinie l^j (ausgezogene Linie) und die Mitnahmebereich-Kennlinie I2 (gestrichelte Linie) bezüglich der Frequenz f (19 KHz) eines Steuersignals asymmetrisch sind, das in einem zusammengesetzten Signal, welches von einer FM-Stereophon-Radiοstation übertragen wird, enthalten ist. (Obgleich nicht alle Schaltungen des Detektors WCI3IOP die dargestellten Kennlinien aufweisen und etwas unterschiedlich sind, so lässt sich doch die zuvor beschriebene Tendenz erkennen.)

Wenn der Fang- und der ilitnahmebereich auf diese Weise asymmetrische Kennlinien haben, wird der zulässige Streubereich der Eigenfrequenz eines spannungsgeregelten.Oszillators (VCO) in

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der PLL-Schaltung durch den Fangbereich festgelegt, der kleiner ist und damit die Ausbeute bei der Herstellung des Bausteines verringert. Darüberhinaus sind die Verteilungszentren inkonsistent, so dass Eigenschaften, wie die Trennung auf Grund einer leichten säkularen Änderung schlechter sind, usw.

Die Erfinder haben den Grund hierfür analysiert. Dabei hat sich folgendes ergeben.

Betrachtet man die Lasttransistoren des als Gleichstromverstärker dienenden Differenzverstärkers, im PLL-FM-Detektor (MCI3IOP), der bereits beschrieben wurde, so sieht man, dass der Transistor, der den Ausgang darstellt, einen Multikollektor-Aufbau aufweist, wogegen der Transistor, der nicht als Ausgang dient, einen Einkollektor-Aufbau mit dem ringförmigen Kollektorbereich aufweist. Aus diesem Grunde weisen die Lasttransistoren Q^ und Qg,die konstante Ströme liefern, unterschiedliche Stromverstärkungen h-p-g auf. Als Folge davon werden die Ströme, die von den beiden Transistoren Q^, und Qc bereitgestellt werden, nicht gleich, und der sogenannte verschobene Strom (offset current) steigt an, und zwar auch dann, wenn die Differenzeingangssignale, die an die Verstärkertransistoren Q₁^ und Q₂ angelegt werden, ausgeglichen sind.

Dies geht aus der Übertragungskennlinie I^ (ausgezogene Linie) zwischen der Differenzeingangsspannung und dem Ausgangsstrom des Differenzverstärker hervor, wie dies in Fig. 8 dargestellt ist. Wenn die Differenz-Eingangsspannung also Null ist, so weicht der Ausgangsstrom vom Mittelpunkt (-10 11A) nach rechts ab.

Der vorliegenden Erfindung liegen die zuvor beschriebenen Untersuchungen zugrunde, und sie hat unter anderem zur Aufgabe, die Übertragungskennlinie zwischen der Differenzeingangsspannung und dem Ausgangsstrom eines Transistor-Differenzveretärkers, welcher ein Ausgangssignal von nur einem Lasttransistor bereitstellt, zu verbessern.

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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch, angegebenen Merkmale gelöst.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Pig. 1 eine Schaltungsanordnung, die eine Ausführungsform der Erfindung wiedergibt,

Fig. 2 ein Beispiel für die Halbleiter-Bauart der Lasttransistoren, die bei dem erfindungsgemässen Differenzverstärker verwendet wird, und

Fig. 3 eine Schaltungsanordnung, die eine weitere Ausführungsform der Erfindung wiedergibt.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist der erfindungsgemässe Transitor-Differenzverstärker in der nachfolgend beschriebenen Weise aufgebaut.

Die Emitter der Differenzverstärker-Transistoren Q^ und Q~ sind zusammengeschaltet. Die zusammengeschalteten Emitter liegen über eine Konstantstrom-Stufe an Erde, die aus den Widerständen R^ und Rp, einer Diode D und einem Transistor Qu besteht. Die p-n-p-Seitentransistoren Q^, Qc und Qg, Qr₇ liegen in der Multikollektor-Bauweise vor, wobei die Basen und die Emitter aus jeweils gemeinsamen Halbleiterbereichen gebildet werden. Die Kollektoren der Verstärkertransistoren Q^ und Q₂ sind jeweils mit den zusammengeschalteten Basen der Multikollektor-Transistoren Q^, Q,- und Qg, Qr₇ verbunden. Bei den im Multikollektor-Bauweise ausgebildeten Transistoren Q^ bis Qr, sind die Kollektoren der Transistoren Q^ und Qg miteinander verbunden, und die Widerstände R, und R^ liegen zwischen den Basen und den Kollektoren der Transistoren Q^ und Qg. Der Kollektor des einen Transistors Qr₇ der beiden Transistoren Qc und Qr, steht mit einer Ausgangsklemme AUSG über einen Widerstand Rr in Verbindung, während der Kollektor des anderen Transistors Qc geerdet ist.

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Die Basen der Transistoren QL ^und Qp ^si-ⁿ& jeweils mit den Eingangsklemmen EING verbunden.

Bei dem zuvor beschriebenen Aufbau der Schaltung haben die beiden als Last dienenden Transistorspaare, die aus den p-n-p-Seitentransistoren Q^, Qc- bzw. Qg, Qr; bestehen, einen Aufbau mit gleichen Abmessungen, wie dies beispielsweise aus Fig. 2 hervorgeht. Die Transistoren Q^, und Qt- v/erden als ein Transistor 1 mit Multikollektor^Aufbau hergestellt, bei dem ein Emitterbereich 5 vom P-Typ und ein Basisbereich 4- vom N-Typ jeweils als gemeinsame Emitter bzw. gemeinsame Basen dienen. Ein Kollektorbereich 3 vom. P-Tj¹P bildet den Kollektor des Transistors Q^,und ein Kollektorbereich 2 vom P~Typ bildet den Kollektor des Transistors Qc. In entsprechender V/eise sind die Transistoren Qg und Q,-, als ein Transistor 6 mit Multikollektor-Aufbau hergestellt, bei dem ein Emitterbereich 10 vom P-Typ und ein Basisbereich 9 vom N-Typ jeweils als gemeinsame Emitter bzw. als gemeinsame Basen dienen. Ein Kollektorbereich 8 vom P-Typ bildet den Kollektor des Transistors Qg und ein Kollektorbereich 7 vom P-Typ bildet den Kollektor des Transistors Qr₇. Wie aus Pig. 2 hervorgeht, weisen die beiden p-n-p-Seitentransistoren 1 und 6 in der Multikollektor-Bauweise gleiche Emitter-Basis-Übergangsbereiche, gleiche Basis-Breiten, und gleiche Bereiche für die beiden Kollektor-Basis-Übergänge auf, usw.

Mit der zuvor beschriebenen, erfindungsgemässen Schaltung kann die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe aus folgenden Gründen gelöst werden.

Da die Transistoren Q₂^ und Qg zur Bereitstellung der konstanten Ströme baumässig identisch ausgebildet sind, ist die Stromverstärkung h-grg der beiden Transistoren Q^ und Qg im wesentlichen gleich . Demzufolge steigt der zuvor erläuterte "verschobene" Strom nicht an, wenn die Differenzeingangsspannung Null ist. Dies geht aus der in Fig. 8 dargestellten Übertragungs-Kennlinie I4. (gestrichelte Kurve) zwischen der Differenzeingangsspannung

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und dem Ausgangsstrom des erfindungsgemässen Differenzverstärkers hervor. Bei dem erfindungsgemässen Differenzverstärker fällt der Ausgangsstrom zu dem Zeitpunkt, bei dem die Differenzeingangsspannung Null ist, im wesentlichen mit dem Mittelpunkt (-10 uA) zusammen. Die Kennlinie 1^. bei der vorliegenden Erfindung ist wesentlich besser als die Kennlinie L· bei den bekannten Schaltungen.

Es ist sehr wesentlich, dass bei der vorliegenden Erfindung der Kollektor des Transistors Q_n-, der dem das Ausgangssignal bereitstellenden Transistor Q₁-, entspricht, geerdet ist. Die gewünschte Kennlinie gemäss der Erfindung lässt sich nicht erhalten, wenn die Lasttransistoren 1 (Q^, Qc) und 2 (Qg₁, Qn) > die mit den jeweiligen Kollektoren der Differenzverstärkertransistoren Q^ und Qp in Verbindung stehen, nur einen symmetrischen Aufbau besitzen, wobei der Kollektor des Transistors Qc elektrisch "driftet", also spannungsmässig nicht festliegt. Dies wird aus folgenden Erläuterungen deutlich.

Wenn der Transistor Qc nur vorliegt, ohne dass der Kollektor an einer festen Spannung liegt, wenn also die Kollektorspannung elektrisch "driftet", arbeitet der Transistor Qc im Sättigungsbereich. Ein vom gemeinsamen Emitter des Transistors mit Multikollektor-Aufbau kommender Strom wird mehr zum Isolationsbereich vom P⁺-Typ der integrierten Halbleiterschaltung hinfliessen, der um den Kollektor herum liegt. Dies wirkt sich auf die Basis-Emitter-Durchlasspannung V-rvp aus. Als Folge davon wird die Stromverstärkung h-^g des Transistors Q^, der den Emitter und die Basis mit dem Transistor Qc gemeinsam hat, stark verringert. Das Gleichgewicht zwischen der Stromverstärkung hj,_E des Transistors Q^ und der des entsprechenden Transistors Qg geht daher verloren. Die Ubertragungskennlinie zwischen der Differenzeingangsspannung und dem Ausgangsstrom wird daher ziemlich nach unten verschoben.

Wenn der erfindungsgemässe Differenzverstärker als Gleichstromverstärker für den zuvor beschriebenen "PLL-FM-Detektor" ver-

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wendet wird, wird die Fangbereich- und Mitnahmebereich-Kennlinie der PLL-Schaltung bezüglich der Frequenz f des Steuersignals streng symmetrisch, und die Ausbeute des Detektors wird erhöht. Darüberhinaus wird die Trenneigenschaft usw. auch dann nicht verringert, wenn der Detektor in einem gewissen Masse säkularen Änderungen usw. ausgesetzt ist und das Betriebsverhalten wird verbessert.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das hier beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, vielmehr können verschiedene Ausführungen und Änderungen vorgenommen werden.

Beispielsweise ist die erfindungsgemässe Schaltung auch bei dem grundlegenden Differenzverstärker anwendbar, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Wenn bei der Verstärkerschaltung, die wie in den Fig. 4- oder 5 dargestellt ist - zwei Ausgangsklemmen aufweist, das Ausgangssignal von nur einer der Ausgangsklemmen abgenommen werden soll, sollte die Ausgangsklemme geerdet sein.

Die vorliegende Erfindung kann auch besonders gut bei den allgemein üblichen Differenzverstärker-Schaltungen verwendet werden.

Die Erfindung schafft also einen Transistor-Differenzverstärker, bei dem ein erster und ein zweiter seitlicher Transistor als Last zwischen die jeweiligen Kollektoren eines Differenzverstärker-Transistorpaares und einer ersten Versorgungsklemme geschaltet sind. Die miteinander in Verbindung stehenden Emitter der Verstärkertransistoren sind mit einer zweiten Versorgungsklemme über gemeinsame Impedanzeinrichtungen verbunden. Der erste seitliche Transistor ist in Multikollektor-Bauweise hergestellt, und es wird ein Ausgangssignal von nur einem Kollektor des ersten seitlichen Transistors abgegriffen. Die Verbesserung der erfindungsgemässen Schaltung gegenüber bekannten -Schaltungen besteht darin, dass der zweite seitliche Transistor ebenfalls in Multikollektor-Bauweise ausgebildet ist, und dass ein Kollektor des zweiten seitlichen Transistors, der dem zuvor genannten Kollektor, an dem das Ausgangssignal abgegrif-

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fen wird, des ersten seitlichen Transistors entspricht, mit der zweiten Versorgungsklemme in Verbindung steht.

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Claims (1)

1. Anspruch

   Transistor-Differenzverstärker, gekennzeichnet durch einen ersten und einen zweiten Transistor (Q^, Qo) von einem ersten Leitungstyp, einem dritten und einem vierten Transistor (1; Q^., Q,- bzw. 2; Qg, Qr₇), die jeweils einen seitlichen Aufbau mit einem zweiten Leitungstyp, sowie wenigstens einen ersten und einen zweiten Kollektor aufweisen, gemeinsame Impedanzeinrichtungen, Kopplungseinrichtungen, eine erste Versorgungsklemme (V ), eine zweite Versorgungsklemme (Erde), sowie einen Ausgang (AUSG), wobei die Emitter des ersten und zweiten Transistors (Q^, Qp) in Differenzschaltung verbunden sind und über die gemeinsame Impedanzeinrichtung mit der zweiten Versorgungsquelle (Erde) in Verbindung stehen, die Kollektoren des ersten und zweiten Transistors (Q^, Qo) jeweils mit den ersten Kollektoren der dritten und vierten Transistoren (1; Q^, Qc bzw. 2; Qg, Qr₇), die Emitter des dritten und vierten Transistors (1; Q^, Qc bzw. 2; Qg, Qr₇) jeweils mit der ersten Versorgungsklemme (V ) verbunden sind, der zweite Kollektor des drit-

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   ten Transistors (1; Q^, Q₁-) mit der zweiten Versorgungsklemme (Erde) und der zweite Kollektor des vierten Transistors (2; Qg, Qr₇) mit dem Ausgang (AUSG) in Verbindung steht, die Emitter des dritten und vierten Transistors (1; Q^, Qc bzw. 2; Qg, Qr₇) über die Kopplungseinrichtung miteinander in Verbindung stehen, und der Ausgang (AUSG) ein Ausgangssignal bereitstellt, das eine Differenzkomponente zwischen den beiden an den Basen des ersten und zweiten Transistors (Q^, Qo) anliegenden Eigangssignalen darstellt.

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