DE2540349B2 - Transistor-Differenzverstärker - Google Patents

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Transistor-Differenzverstärker der im Oberbegriff des Anspruchs angegebenen Art.

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 zeigt

Fig.4 und 5 Beispiele für bekannte Differenzver-Stärkerschaltungen,

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

F i g. 7 eine graphische Darstellung, die die Fang- und Mitnahmebereichs-Kennlinien eines bekannten PLL-FM-Demodulators wiedergibt, und

F i g. 8 eine graphische Darstellung, die die Übertragungs-Kennlinien des in F i g. 5 dargestellten, sowie des erfindungsgemäßen, in F i g. 1 dargestellten Differenz-Verstärkers wiedergibt.

In Fig.4 ist ein bekannter Differenzverstärker dargestellt. In diesem Falle werden Konstantstromquellen, die aus Seitentransistoren Q₄, Qs und Qe, Qi im Multikollektor-Aufbau bestehen, normalerweise als bo Last für die Differenzverstärker-Transistoren Qi und Qi verwendet. Ein Transistor Q₄ (Qt), der einen Multikollektor-Aufbau aufweist, dient als Konstantstrom-Versorgungstransistor, wogegen der andere Transistor Qs (Qi) als Ausgangsstufe dient.

In den Fällen, in denen eine hohe Verstärkung mit dem Differenzverstärker erreicht werden soll, werden die Differenzverstärker-Transistoren 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 DE-AS 22 26 471 bekannt Ein Schaltungsdiagramm dieses Differenzverstärkers ist in F i g. 5 dargestellt

Dieser Differenzverstärker nützt die Stromverstärkungswirkung der Transistoren Q₄ und Q₆, die als Last dienen, aus. In der genannten Druckschrift 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 der Druckschrift nicht angegeben. Im Falle, daß einer 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 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 F i g. 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 AusgangskleLime 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 /V-Typ, und die Bezugszeichen 5 und 10 die Emitterbereiche vom P-Typ an.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben die Eigenschaften des bekannten Demodulators hinsichtlich des Fang- und Mitnahmebereichs untersucht. Dabei hat sich, wie anhand des in F i g. 7 dargestellten Beispieles dargestellt ist, gezeigt, daß der Fangbereich A (ausgezogene Linie) und der Mitnahmebereich /2 (gestrichelte Linie) bezüglich der Frequenz Z₀ (19 KHz) eines Steuersignals asymmetrisch sind, das in einem zusammengesetzten Signal, welches von einer FM-Stereophon-Radiostation übertragen wird, enthalten ist. (Obgleich nicht alle gefertigten Bausteine des bekannten Demodulators die dargestellten Eigenschaften aufweisen und etwas unterschiedlich sind, so läßt sich doch die zuvor beschriebene Tendenz erkennen).

Wenn der Fang- und der Mitnahmebereich auf diese Weise asymmetrische Eigenschaften haben, wird der zulässige Streubereich der Eigenfrequenz eines spannungsgeregeiten Oszillators (VCO) in 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 bekannten PLL-FM-Demodulator, 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 Q₄ und Qb, die konstante Ströme

liefern, unterschiedliche Stromverstärkungen Iife auf. Als Folge davon werden die Ströme, die von den beiden Transistoren Q» und Q₆ bereitgestellt werden, nicht gleich, und der sogenannte verschobene oder Offsetstrom steigt an, und zwar auch dann, wenn die Differenzeingangssignale-, die an die Verstärkertransistor-εη Qi und φ angelegt werden, ausgeglichen sind.

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

Der vorliegenden Erfindung liegen die zuvor beschriebenen Untersuchungen zugrunde, und sie hat daher die Aufgabe, einen Transistor-Differenzverstärker zu schaffen, um einen Offsetstrom des Differenzverstärkers zu verhindern und dadurch die Übertragungskennlinie desselben zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im kennzeichnenden Teil des Anspruchs angegebene Merkmale gelöst.

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

F i g. 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 F i g. 1 hervorgeht, ist der erfindungsgemäße Transistor-Differenzverstärker in der nachfolgend beschriebenen Weise aufgebaut.

Die Emitter der Differenzverstärker-Transistoren Q\ und Qi sind zusammengeschaltet. Die zusammengeschalteten Emitter liegen über eine Konstantstrom-Stufe an Erde, die aus den Widerständen R\ und R2, einer Diode D und einem Transistor Qi besteht. Die pnp-Seitentransistoren Q₄, Q₅ und Q₆, Qi liegen in der Multikollektor-Bauweise vor, wobei die Basen und die Emitter aus jeweils gemeinsamen Halbleiterbereichen gebildet werden. Die Kollektoren der Verstärkertransistoren Qi und Qj sind jeweils mit den zusammengeschalteten Basen der Multikollektor-Transistoren Q4, Qs und Qb, Qr verbunden. Bei den in Multikollektor-Bauweise ausgebildeten Transistoren Qi bis Qi sind die Kollektoren der Transistoren Qt und Qf, miteinander verbunden, und die Widerstände R3 und A₄ liegen zwischen den Basen und den Kollektoren der Transistoren Qi und Q5. Der Kollektor des einen Transistors Qj der beiden Transistoren Qs und Qi steht mit einer Ausgangsklemme AUSG über einen Widerstand Rs in Verbindung, während der Kollektor des anderen Transistors Qs geerdet ist.

Die Basen der Transistoren Qi und Q2 sind jeweils mit den Eingangsklemmen EING verbunden.

Bei dem zuvor beschriebenen Aufbau der Schaltung haben die beiden als Last dienenden Transistorpaare, die aus den pnp-Seitentransistoren Qi, Qs bzw. Qs, Q? bestehen, einen Aufbau mit gleichen Abmessungen, wie dies beispielsweise aus Fig.2 hervorgeht. Die Transistoren Q₄ und Qs werden 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-Typ bildet den Kollektor des Transistors Q₄, und ein Kollektorbereich 2 vom P-Typ bildet den Kollektor des Transistors Qs. In entsprechender Weise sind die Transistoren Qs 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 Q& und ein Kolleklorbereich 7 vom P-Typ bildet den Kollektor des Transistors Q₆ und ein Kollektorbereich 7 vom P-Typ bilden den Kollektor des Transistors Q7. Wie aus F i g. 2 hervorgeht, weisen die beiden pnp-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 Q₄ und Q₆ zur Bereitstellung der konstanten Ströme baumäßig identisch ausgebildet sind, ist die Stromverstärkung /jp_£der beiden Transistoren Q₄ und Q₆ 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 U (gestrichelte Kurve) zwischen der Differenzeingangsspannung und dem Ausgangsstrom des erfindungsge-

JO mäßen Differenzverstärkers hervor. Bei dem erfindungsgemäßen Differenzverstärker fällt der Ausgangsstrom zu dem Zeitpunkt, bei dem die Differenzeingangsspannung Null ist, im wesentlichen mit dem Mittelpunkt (—10 μΑ) zusammen. Die Kennlinie U bei der vorliegenden Erfindung ist wesentlich besser als die Kennlinie /3 bei den bekannten Schaltungen.

Es ist sehr wesentlich, daß bei der vorliegenden Erfindung der Kollektor des Transistors Qs, der dem das Ausgangssignal bereitstellenden Transistor Q? entspricht, geerdet ist. Die gewünschte Kennlinie gemäß der Erfindung läßt sich nicht erhalten, wenn die Lasttransistoren 1 (Q₄, Qs) und 2 (Qs, Qi), die mit den jeweiligen Kollektoren der Differenzverstärkertransistoren Qi und Q? in Verbindung stehen, nur einen symmetrischen Aufbau besitzen, wobei der Kollektor des Transistors Qs elektrisch »driftet«, also spannungsmäßig nicht festliegt. Dies wird aus folgenden Erläuterungen deutlich.
Wenn der Transistor Qs nur vorliegt, ohne daß der

">ü Kollektor an einer festen Spannung liegt, wenn also die Kollektorspannung elektrisch »driftet«, arbeitet der Transistor Qs im Sättigungsbereich. Ein vom gemeinsamen Emitter des Transistors mit Multikollektor-Aufbau kommender Strom wird mehr zum Isolationsbereich

S3 vom P⁺-Typ der integrierten Halbleiterschaltung hinfließen, der um den Kollektor herum liegt. Dies wirkt sich auf die Basis-Emitter-Durchlaßspannung Vbe aus. Als Folge davon wird die Stromverstärkung Are des Transistors Q₄, der den Emitter und die Basis mit dem

b» Transistor Qs gemeinsam hat, stark verringert. Das Gleichgewicht zwischen der Stromverstärkung Are des Transistors Q₄ und der des entsprechenden Transistors Q₆ geht daher verloren. Die Übertragungskennlinie zwischen der Differenzeingangsspannung und dem

b-5 Ausgangsstrom wird daher ziemlich nach unten verschoben.

Wenn der erfindungsgemäße Differenzverstärker als Gleichstromverstärker für den zuvor beschriebenen

»PLL-FM-Detektor« verwendet wird, wird die Fangbereich- und Mitnahmebereich-Kennlinie der PLL-Schaltung bezüglich der Frequenz /Ό des Steuersignals streng symmetrisch, und die Ausbeute des Detektors wird erhöht. Darüberhinaus wird die Trenneigenschaft usw. auch dann nicht verringert, wenn der Detektor in einer gewissen Masse säkularen Änderungen bzw. 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 F i g. 3 dargestellt ist. Wenn bei der Verstärkerschaltung, die — wie in den F i g. 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 Ausführungssignal 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 abgegriffen wird, des ersten seitlichen Transistors entspricht, mit der zweiten Versorgungsklemme in Verbindung steht.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1
Patentanspruch:

Transistor-Differenzverstärker mit einem ersten und einem zweiten Transistor von einem ersten Leitungstyp, einem dritten und einem vierten Transistor, die jeweils einen lateralen Aufbau mit einem zweiten Leitungstyp, sowie wenigstens einen ersten und einen zweiten Kollektor aufweisen, gemeinsamen Impedanzeinrichtungen, Kopplungseinrichtungen, einer ersten Versorgungsklemme, einer zweiten Versorgungsklemme, sowie einem Ausgang, wobei die Emitter des ersten und zweiten Transistors in Differenzschaltung verbunden sind und Ober die gemeinsame Impedanzeinrichtung mit der zweiten Versorgungsquelle in Verbindung stehen, die Kollektoren des ersten und zweiten Transistors jeweils mit den ersten Kollektoren der dritten und vierten Transistoren, die Emitter des dritten und vierten Transistors jeweils mit der ersten Versorgungsklemme verbunden sind, der zweite Kollektor des vierten Transistors mit dem Ausgang in Verbindung steht, die Basen des dritten und vierten Transistors über die Kopplungseinrichtung miteinander in Verbindung stehen, und der Ausgang ein Ausgangssignal bereitstellt, das eine Differenzkomponente zwischen den beiden an den Basen des ersten und zweiten Transistors anliegenden Eingangssignalen darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kollektor des dritten Transistors (1; Q₄, Q₅) mit der zweiten Versorgungsklemme verbunden ist.