DE2551068B2

DE2551068B2 - Verfahren zum Verringern der beim Übersteuern eines Differenzverstärkers auftretenden Verzerrungen und Operationsverstärkeranordnung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2551068B2
Application number: DE2551068A
Authority: DE
Inventors: Carl Franklin Somerset Wheatley Jun.; Harold Allen Pennington Wittlinger
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1974-11-14
Filing date: 1975-11-13
Publication date: 1978-09-07
Also published as: DE2551068A1; US3921090A; DE2551068C3; IT1043589B; JPS5172252A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verringern der Verzerrungen, die beim Übersteuern eines Differenzverstärkers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 auftreten. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Operationsverstärkeranordnung, bei welcher ein derartiges Verfahren angewendet wird.

Beim Übersteuern eines Differenzverstärkers mit zwei Transistoren und zwei Stromspiegelverstärkern, deren Eingangskreise jeweils als Kollektorlast der beiden Differenzverstärkertransistoren geschaltet sind, entstehen in den Ausgangskreisen der Stromspiegelver- so stärker Verzerrungen als Folge von Verzögerungserscheinungen bei der Erholung der übersteuerten Schaltung. Die Grundaufgabe der Erfindung besteht in der Vermeidung solcher Verzerrungen.

Eine spezielle Art von Operationsverstärkern sind die sogenannten Transkonduktanz-Operationsverstärker, deren Steilheit, also Verstärkungsgrad, sich beeinflussen läßt. Solche Verstärker werden weithin als Analogmultiplizierer verwendet Dabei wird eine erste Signalspannung (X) zwischen die Basen zweier Transistoren, die als &u emittergekoppelter Differenzverstärker geschaltet sind, gelegt und mit einem zweiten Signalstrom (Y), der den zusammengeschalteten Emittern dieser Transistoren zugeleitet wird, multipliziert, wodurch man Gegentakt-Kollektorströme erhält, die dem Produkt der beiden f>5 Eingangssignale proportional sind. Diese Gegentakt-Kollektorströme werden dem Eingang eines ersten Stromspiegelverstärkers bzw. dem Eingang eines zweiten Stromspiegelverstärkers zugeleitet. Der Ausgang des ersten Stromspiegelverstärkers ist an den Eingang eines dritten Stromspiegelverstärkers angeschaltet Dieser dritte Stromspiegelverstärker liefert an seinem Ausgang einen Ausgangssignalstrom, der dem vom ersten Stromspiegelverstärker empfangenen Signalstrom proportional, jedoch in der Polarität umgekehrt ist und daher zum Ausgangssigualstrom des zweiten Stromspiegelverstärkers addiert werden kann. Durch diese additive Vereinigung der Signale erhält man schließlich ein Ausgangssignal, das dem Produkt der beiden Eingangssignale (X und Y) proportional ist. Ein solcher Analogmultiplizierer läßt sich als Modulator für die Erzeugung von Doppelseitenband-AM-Signalen benutzen. Man kann auch zwei solche Analogmultiplizierer in Brückenschaltung verwenden, um gewünschtenfalls den Träger im Doppelseitenband-AM-Signal zu unterdrücken. Ein spezielles Anwendungsgebiet wäre das Aufmodulieren von Videosignalen auf Trägersignale z.B. im Frequenzbereich von 10 bis 50MHz. Jedoch zeigen diese Modulatoren, sei es einzeln oder in Kombination, eine schlechte Linearität während der Wellentäler der Modulation, besonders wenn die Trägerfrequenz ungefähr 1 MHz übersteigt.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß diese schlechte Linearität großenteils die Folge der bereits erwähnten Verzögerungen bei der Erholung der Schaltung von Übermodulation ist, und daß diese Verzögerungen sich durch die Entladung von Streuka-

pazitäten im Transkonduktanz-Operationsverstärker ergeben, die auftritt, wenn die Kollektorströme der emittergekoppelten Transtoren während der Wellentäler der Modulation auf Null absinken. Die Basis-Emitterübergänge der Transistoren in den Stromspiegel verstärkern werden während der Wellentäler nicht mehr im Dauerdurchlaßzustand gehalten. Während einer anhaltenden Stromentziehung fallen die Spannungen an diesen Basis-Emitter-Übergängen nicht nur bis auf den Wert der Schwellenpotentiale für das Einsetzen der Stromleitung ab. Vielmehr werden die Streukapazitäten in der Schaltung durch Leckstrom weiter aufgeladen, so daß die Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren auf Werte weit unterhalb der Leitungsschwelle absinken. Bei Wiedereinsetzen des Eingangsstromes der Stromspiegelverstärker ist dann eine kurze Zeitspanne nötig, um die Streukapazitäten der Basis-Emitter-Übergänge der Stromspiegelverstärker wieder aufzuladen, bevor diese Übergänge in den Leitungszustand zurüc'cgeschaltet werden können.

Der im Anspruch 1 angegebenen'Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verstärkerschaltung zu schaffen, welche die auf diese Verzögerungseffekte zurückzuführenden Verzerrungen vermeidet

Erfindungsgemäß werden also den Eingängen des ersten und des zweiten Stromspiegelverstärkers Hilfsströme zugleitet, die bewirken, daß die Transistoren in den Stromspiegelverstärkern einen zusätzlichen Durchlaßstrom erhalten und daß auch während der Wellentäler der Modulation ein erheblicher Strom in den Basis-Emitter-Übergängen dieser Transistoren fließt. Wegen der Gleichtaktunterdrückung (Unterdrückung gleichphasiger Signale), die sich bei einer Zusammenschaltung von drei Stromspiegelverstärkern zwangsläufig ergibt, machen sich diese Hilfsströme, die von Natur aus gleichphasig sind, am Ausgang des Transkonduktanz-Operationsverstärkers nicht bemerkbar.

Obwohl diese Hilfsströme nicht besonders klein gegenüber den Kollektorruheströmen der Differenzverstärkertransistoren zu sein brauchen, ist es, da der Gleichtakt-Spannungsabfallfehler am Ausgang des Analogmultiplizierers dem Wert dieser Hilfsströme proportional ist, gewöhnlich erwünscht, diesen Fehler so klein wie möglich zu halten. Die Hilfsströme betragen daher vorzugsweise ungefähr 1% oder weniger der Kollektorruheströme der Differenzverstärkertransistoren. Der am Ausgang des ersten Stromspiegelverstärkers aufgrund des eingangsseitig zugeleiteten Hilfsstromes auftretende Strom reicht aus, um die unerwünschte Entladung der Streukapazität im dritten Stromspiegelverstärker zu verhindern.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 das Schaltschema eines typischen Transkonduktanz-Operationsverstärkers gemäß dem Stand der Technik;

F i g. 2 und 3 Schaltschemata von Transkonduktanz-Operationsverstärkern in erfindungsgemäßer Ausbildung.

In Fig. 1 werden der Klemme 11 eine positive und der Klemme 12 eine negative Betriebsspannung zugeleitet. Eine erste Eingangssignalspannung (X) wird differentiell zwischen die Klemmen 13 und 14 gelegt und mit einem zweiten Eingangssignalstrom (Y), welcher der Klemme 15 zugeleitet wird, multipliziert, wobei an der Ausgangsklemme 16 ein Ausgangssignalstrom verfügbar ist, der dem Produkt XY der Eingangssignale DroDortional ist.

Die Klemme 15 bildet den Eingang eines Stromspiegelverstärkers 20, der mit einem gemeinsamen Anschluß 21 an die Klemme 12 und mit seinem Ausgang 22 an die zusammengeschalteten Emitter zweier Differenz-Verstärkertransistoren 17 und 18 angeschlossen ist Der der Klemme 15 zugeleitete zweite Eingangssignalstrom fließt hauptsächlich durch eine Diode 23 unter Erzeugung einer Spannung an dieser Diode und am Basis-Emitter-Übergang eines Transistors 24, so daß in

ι ο diesem Transistor ein dem zweiten Eingangssignalstrom proportionaler Kollektorstrom fließt Dieser Kollektorstrom wird von den vereinigten Emitterströmen der Transistoren 17 und 18 (die im wesentlichen gleich den Kollektorströmen dieser Transistoren sind) geliefert

is und bestimmt diese Emitterströme. Der vom Transistor 24 aufgrund des zweiten Eingangssignals geforderte Kollektorstrom beeinflußt daher in linearer Weise den Verstärkungsgrad des Differenzverstärkers mit den Transistoren 17 und 18. Diese lineare Verstärkungs-

?() steuerung stellt den Kernpunkt des AnaJogmultipliziererbetriebes dar.

Zugleich wird die Stromleitung der Transistoren 17 und 18 relativ zueinander durch die Differenz zwischen den Spannungen an den Basen dieser Transistoren

?^r> bestimmt. Herkömmlicherweise werden beide Basen auf die gleiche Ruhespannung, die zwischen der positiven und der negativen Betriebsspannung liegt, vorgespannt.

Der Kollektorstrom des Transistors 17 ist der an der

jo Klemme 31 fließende Eingangsstrom eines Stromspiegelverstärkers 30, der einen Ausgang 33 und einen an die positive Betriebsspannungsklemme 11 angeschlossenen gemeinsamen Anschluß 32 aufweist In entsprechender Weise wird der Kollektorstrom des Transistors

)3 18 vom Eingang 41 eines Stromspiegelverstärkers 40 entnommen, der einen Ausgang 43 und einen gemeinsamen Anschluß 42 aufweist. Die Verstärker 20 und 40 sind Signalumkehrverstärker, deren Ausgangsströme in der Größe ihren Eingangsströmen proportional sind.

■w Änderungen ihrer Ausgangsströme stehen daher im ungekehrten Verhältnis zueinander. Ein weiterer signalumkehrender Stromspiegelverstärker 50 ist mit seinem Eingang 51 an den Ausgang des Stromspiegelverstärkers 30 und mit seinem gemeinsamen Anschluß 52 an die

4i negative Betriebsspannungsklemme 12 angeschlossen. Durch die Verbindung seines Ausgangs 53 mit; dem Ausgang 43 des Verstärkers 40 ergibt sich eine konstruktive Vereinigung der Ausgangssignalstromänderungen der beiden Verstärker sowie eine destruktive

so Vereinigung der Ruhekomponenten ihrer Ausgangssignalströme, soweit der Anschluß an den Schaltungsausgang 16 betroffen ist.

Dadurch, daß das Produkt der Stromverstärkungsfaktoren der Verstärker 30 und 50 gleich dem Stroimver-

v> Stärkungsfaktor des Verstärkers 40 gemacht ist, wird erreicht, daß der vom Verstärker 40 gelieferte Ruheausgangsstrom gerade gleich dem vom Ausgang des Verstärkers 50 verlangten Strom ist, vorausgesetzt, daß die Differenzverstärkertransistoren 17 und 18 auf

W) gleiche Kollektorströme ruhevorgespannt sind. Dies ist erwünscht, da dann kein Ruhestrom für eine an den Ausgang 16 angeschaltete Last vorhanden ist. Die Ruhespannung am Ausgang 16 wird durch die angeschaltete Last eingestellt und kann im Bereich von

h". ungefähr 1 Volt von entweder der positiven oder der negativen Betriebsspannung liegen.

Wie eingangs erwähnt, wurde gefunden, daß bei Aussetzen der Stromleitung in einem der Differenzver-

Stärkertransistoren 17 und 18 eine Verzerrung auftritt, da die Durchlaßströme, die normalerweise bestimmten der Halbleiterübergänge in den Verstärkern 30,40 oder 50 zugeleitet werden, Null werden. Wenn dieses Fehlen des Durchlaßstromes andauert, so fließt die in der Streukaoazität dieser Übergänge gespeicherte Ladung weg, wodurch die Spannung an diesen Übergängen noch weiter heruntergedrückt wird. Wenn dann diese Übergänge erneut mit Durchlaßströmen beaufschlagt werden sollen, so dauert es eine gewisse Zeitspanne, bis die dazugehörigen Streukapazitäten wieder auf eine Spannung aufgeladen sind, die es ermöglicht, daß die Übergänge bis in den leitenden Zustand durchlaßgespannt werden. Während dieser Zeitspanne spricht jeder der betroffenen Verstärker ausgangsseitig nicht auf das seinem Eingang zugleitete Signal an. Und dieses Nichtansprechen ist dafür verantwortlich, daß in die Übertragungscharakteristik des Analogmultiplizierers die unerwünschten Nichtlinearitäten eingehen.

Diese Verzögerung wird nun dadurch vermieden, daß man die gänzliche Sperrung der Eingangsströme zu den Stromspiegelverstärkern 30, 40 und 50 verhindert. Die Streukapazitäten der normalerweise durchlaßgespannten Übergänge dieser Verstärker werden dann nicht wegen Aussetzens der Stromleitung eines oder beider der Transistoren 17 und 18 entladen.

F i g. 2 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel für diese Lösung: Ein ohmsches Widerstandselement 61 ist zwischen einen Punkt festen Potentials und den Eingang 31 des Stromspiegel Verstärkers 30 und ein weiteres ohmsches Widerstandselement 62 zwischen den Punkt festen Potentials und den Eingang 41 des Stromspiegelverstärkers 40 geschaltet Stromspiegelverstärker der oben beschriebenen Art neigen dazu, über einen weiten Bereich von Eingangsströmen wohldefinierte Spannungen an ihren Eingängen aufzuweisen, und zwar wegen der Regelwirkung der Transistoren 34, 44, 54). Bei der speziellen Art der hier vorgesehenen Stromspiegelverstärker 30 und 40 werden die Eingänge der Verstärker auf den doppelten Spannungsabfall eines durchlaßgespannten Halbleiterübergangs relativ zur Spannung an der Betriebsspannungsklemme 11 geregelt. An welche bestimmte Spannung die zusammengeschalteten Enden der Widerstandselemente 61 und 62 angeschlossen sind, ist nicht wichtig, vorausgesetzt, daß diese Spannung ausreichend negativ ist, um die Basis-Emitter-Übergänge der Transistoren 36 und 34 im Verstärker 30 und der Transistoren 46 und 44 im Verstärker 40 durchlaßzuspannen.

Das Verhältnis der Hilfsströme, die durch das Widerstandselement 61 zum Eingang des Verstärkers 30 und durch das Widerstandselement 62 zum Eingang des Verstärkers 40 fließen, ist so festgelegt, daß der durch das Widerstandselement 61 fließende Hilfsstrom im wesentlichen gleich dem durch das Widerstandselement 62 fließenden Hilfsstrom, multipliziert mit dem Stromverstärkungsfaktor des Verstärkers 40 und dividiert durch den Stromverstärkungsfaktor des Verstärkers 30 und weiter dividiert durch den Stromverstärkungsfaktor des Verstärkers 50, ist. Wenn die Hilfsströme so proportioniert sind, fließt kein Ruhestrom in den Ausgang 16 oder aus dem Ausgang 16.

Die Hilfsströme bringen zusätzlich noch andere Vorteile mit sich. Die Umkehrverstärkungscharakteristik, die zwischen den Klemmen 13 und 16 besteht, verschwindet, wenn die Stromleitung des Transistors 17 und der Verstärker 30 und 50 in der vorbekannten Schaltung nach Fig. 1 aussetzt. In bestimmten Fällen weist dann der Durchkoppelweg zwischen den Klemmen 13 und 16 (der sich z. B. aufgrund von Streukapazitäten sowie Kopplung durch das integrierte Schaltungssubstrat ergibt) eine nichtumkehrende Charakteristik auf, die zu Schwingneigungen in einer Rückkopplungsschleife führen können, wenn der Multiplizierer in einer solchen Schleife liegt. Die den Eingängen der Verstärker 30 und 40 zugeleitete

ίο Hilfsvorspannung ist bestrebt, die Impedanzwerte an den Eingängen der Verstärker 30, 40 und 50 während Zuständen, wo der eine oder der andere der Transistoren 17 und 18 nichtleitend ist, niedriger zu halten. Dadurch werden die Möglichkeiten für Streukoppeleffekte der oben genannten Art verringert.

Ein weiterer wünschenswerter Effekt ist, daß Wellentäler der Modulation bei etwas höheren Ruhestromwerten für die Verstärker 30,40 und 50 auftreten, als es sonst der Fall wäre. Diese geringfügige absolute Erhöhung des Stromwertes macht jedoch einen erheblichen prozentualen Anstieg während der Wellentäler der Modulation aus, und proportional dazu steigt die Transkonduktanz der Transistoren in den Verstärkern 30, 40, 50 an. Durch diesen Anstieg der Transkonduktanz werden die Impedanzen in den Verstärkern herabgesetzt und die fr-Werte der Verstärker, d. h. derjenige Frequenzbereich, über den ihr Stromverstärkungsfaktor größer als 1 ist, erhöht. In der Praxis bedeutet dies eine effektive Vergrößerung der Bandbreite der Stromspiegelverstärker für einen gegebenen Wert.

F i g. 3 veranschaulicht, wie die den Eingängen 31 und 41 der Verstärker 30 bzw. 40 zugeleiteten Hilfsströme vom Kollektor eines Transistors 71 bzw. eines Transistors 72 geliefert werden können. Die von der inneren Vorspannungsquelle 80 zwischen die Klemmen 12 und 75 gelegte Spannung wird dazu verwendet, die Transistoren 71 und 72 in den leitenden Zustand zu spannen. Diese Spannung liegt an der Parallelschaltung

(a) des Basis-Emitter-Übergangs des Transistors 71 in Reihe mit dessen Emitter-Gegenkopplungswiderstand

73 und (b)des Basis-Emitter-Übergangs des Transistors 72 in Reihe mit dessen Emitter-Gegenkopplungswiderstand 74. Die Widerstandswerte der Emitter-Gegenkopplungswiderstände stehen im umgekehrten Verhältnis zu den gewünschten Kollektorströmen der Transistoren 71 bzw. 72. Vorzugsweise (und notwendigerweise bei Ausführungsformen, wo die Gegenkopplungswiderstände 73 und 74 jeweils durch Direktverbindungen ersetzt sind) stehen die Transkonduktanzen der Transistoren 71 und 72 im gleichen Verhältnis zueinander wie die gewünschten Hilfsvorspannströme, die von den entsprechenden Kollektoren geliefert werden sollen.

Die innere Vorspannungsquelle 80 besteht aus der Reihenschaltung zweier Dioden 81 und 82 und eines Vorwiderstandes 83. Die Spannungsabfälle an den Dioden 81 und 82 sind im wesentlichen konstant über einen weiten Bereich des Durchlaßvorspannstromes,

W) und die Spannungen an den Widerständen 73 und 74 sind jeweils im wesentlichen gleich dem Spannungsabfall an der Diode 81. Die durch die Widerstände 73 und

74 fließenden Ströme sind jeweils gleich diesem Spannungsabfall, dividiert durch den Widerstandswert

^tl'ⁱ des entsprechenden Widerstands. Die Kollektorströme der Transistoren 71 und 72 sind im wesentlichen gleich ihren entsprechenden Emitterströmen.
Statt der gezeigten Bipolartransistoren kann man für

die Transistoren 71 und 72 auch Feldeffekttransistoren verwenden.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind die emittergekoppelten Differenzverstärkertransistoren 17, 18 jeweils mit ihren Kollektoren über einen einzigen Stromspiegelverstärker (30, 40) an den Eingang bzw. den Ausgang eines weiteren Stromspiegelverstärkers (50) angekoppelt, der für einen endstufi-

gen Gegentakt-Eintakt-Signalwandler verwendet wird. Jedoch läßt sich die Erfindung auch dann anwenden, wenn diese Verbindungen oder Ankopplungen mit anderweitigen Spiegelverstärkeranordnungen vorgenommen werden. Auch ist die Erfindung mit Vorteil in Schaltungen anwendbar, wo Feldeffekttransistoren anstelle von Bipolartransistoren verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Verringern der Verzerrungen, die beim Übersteuern eines Differenzverstärkers mit zwei Transistoren und mit je einem als deren Kollektorlast geschalteten Stromspiegelverstärker-Eingangskreis entsteht und im Ausgangskreis der Stromspiegelverstärker erscheint, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig den Eingängen der beiden Stromspiegelverstärker in Durchlaßrichtung fließende Hilfsströme zugeleitet werden, deren Größe einerseits ausreicht, um die beiden Stromspiegelverstärker auch bei Nichtleiten eines der Differenzverstärkertransistoren über den Leitungsschwellwert vorgespannt zu halten, andererseits aber klein gegenüber dem vom stärker leitenden Differenzverstärkertransistor gelieferten Kollektorstrom ist

2. Operationsverstärkeranordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, mit zwei als Differenzverstärker geschalteten Transistoren, zwischen deren Steuerelektroden ein Eingangskreis zum Zuführen eines Eingangssignals geschaltet ist, mit einem ersten und einem zweiten Stromspiegelverstärker, die mit ihren Eingängen als aktive Lasten für die beiden Transistoren geschaltet sind, sowie mit einem dritten Stromspiegelverstärker, der mit seinem Eingang an den Ausgang des ersten Stromspiegelverstärkers und mit seinem Ausgang an den Ausgang des zweiten Stromspiegelverstärkers sowie an den Ausgang der Verstärkerschaltung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Hilfsstromquelle (61; 71, 73) an den Eingang (31) des ersten Stromspiegelverstärkers (30) und eine zweite Hilfsstromquelle (62; 72, 74) an den » Eingang (41) des zweiten Stromspiegelverstärkers (40) angeschlossen und derart bemessen ist, daß diese beiden Stromspiegelverstärker unter sämtlichen Betriebsbedingungen des Differenzverstärkers (17, 18) durch die Hilfsströme in den leitenden Zustand vorgespannt bleiben.

3. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des ersten Hilfsstromes zum zweiten Hilfsstrom im wesentlichen gleich dem Verhältnis des Stromverstärkungsfaktors des zweiten Stromspiegelverstärkers (40) zum Produkt der Stromverstärkungsfaktoren des ersten (30) und des dritten (50) Stromspiegelverstärkers ist

4. Verstärker nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet daß die Hilfsströme einen kleinen Bruchteil der vom ersten Differenzverstärkertransistor (17) an den ersten Stromspiegelverstärker (30) und vom zweiten Differenzverstärkertransistor (18) an den zweiten Stromspiegelverstärker (40) gelieferten Ruheeingangsströme betragen.

5. Verstärker nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß die beiden Hilfsstromquellen jeweils einen zwischen den Eingang (31) des ersten Stromspiegelverstärkers (30) bzw. den Eingang (41) des zweiten Stromspiegelverstärkers (40) und jeweüs einen Festpotentialpunkt (12) geschaltetes Widerstandselement (61 bzw. 62; 73 bzw. 74) enthalten.

6. Verstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß das Verhältnis zwischen erstem und zweitem Widerstandselement (61, 73 bzw. 62,74) im wesentlichen gleich dem umgekehrten Verhältnis zwischen dem ersten und dem zweiten Hilfsstrom ist.