DE2551068C3 - Verfahren zum Verringern der beim Übersteuern eines Differenzverstärkers auftretenden Verzerrungen und Operationsverstärkeranordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zum Verringern der beim Übersteuern eines Differenzverstärkers auftretenden Verzerrungen und Operationsverstärkeranordnung zur Durchführung des VerfahrensInfo
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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 Stromspiegelverstärker 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 f-tyzwischen die Basen zweier Transistoren, die als
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 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 Ausgangssignalstrom 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 Auf modulieren von Videosignalen auf Trägersignale
z.B. im Frequenzbereich von 10 bis 50 MHz. 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 emittergellcoppelten Transtoren während der Wellentäler
der Modulation auf Null absinken. Die Basin-Emitterübergänge
der Transistoren in den Stromspiegelverstärkern werden während der Wellentäler nicht mehr im
Dauerdurchlaßzustand gehalten. Während einer anhaltenden Stromentziehung fallen die Spannungen an
diesen Basis-Emitter-Obergängen 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 Obergänge in den Leitungszustand zurückgeschaltet 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 Gleichtaktuntcrdrückung (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
Fig. 1 das Schaltschema eines typischen Transkonduktanz-Operationsverstärkers
gemäß dem Stand der Technik;
Fig.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 DroDortionai 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 c 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
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-
?(i steuerung stellt den Kernpunkt des Analogmultipliziererbetriebes
dar.
Zugleich wird die Stromleitung der Transistoren 17 und 18 relativ zueinander durch die Differenz zwischen
den Spannungen an den Basen dieser Transistoren
_>-. 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
;r Klemme 31 fließende Eingangsstrom eines Stromspiegelverstärkers
30, der einen Ausgang 33 und einen an die positive Betriebsspannungsklemme U angeschlossenen
gemeinsamen Anschluß 32 aufweist In entsprechender Weise wird der Kollektorstrom des Transistors
π 18 vom Eingang 41 eines Stromspiegelverstärkers 40 entnommen, der einen Ausgang 43 und einen gemeinsamen
Anschluß 42 aufweist. Die Verstärker 30 und 40 sind Signalumkehrverstärker, deren Ausgangsströme in
der Größe ihren Eingangsströmen proportional sind.
in 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
:'■■ negative Beiricbsspannurigsklernme 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
>o 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 Stromver-
Ti 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
<ii 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
'. · 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 Streukapazität 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.
Fig.2 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel für diese Lösung: Ein ohmsches Widerstandselement 61 ist
zwischen einen Punkt festen Potentials und den Eingang 31 des Stromspiegelverstärkers 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
Slreukapazitäten sowie Kopplung durch das integrierte Schaltungssubstrat ergibt) eine nichtumkehrendc 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
in Hilfsvorspaniiung 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 dei
inneren Vorspannungsquelle 80 zwischen die Klemmer 12 und 75 gelegte Spannung wird dazu verwendet dif
Transistoren 71 und 72 in den leitenden Zustand zt spannen. Diese Spannung liegt an der Parallelschaltung
(a) des Basis-Emitter-Übergangs des Transistors 71 ir
Reihe mit dessen Emitter-Gegenkopplungswiderstanc
73 und (b) des Basis-Emitter-Übergangs des Transistor« 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 Direktverbindunger
so ersetzt sind) stehen die Transkonduktanzen dei Transistoren 71 und 72 im gleichen Verhältnis
zueinander wie die gewünschten Hilfsvorspannströme die von den entsprechenden Kollektoren gelieren
werden sollen.
Die innere Vorspannungsquelle 80 besteht aus dei Reihenschaltung zweier Dioden 81 und 82 und eine!
Vorwiderstandes 83. Die Spannungsabfälle an dei Dioden 81 und 82 sind im wesentlichen konstant übei
einen weiten Bereich des Durchlaßvorspannstromes und die Spannungen an den Widerständen 73 und T·
sind jeweils im wesentlichen gleich dem Spannungsab fall an der Diode 81. Die durch die Widerstände 73 unc
74 fließenden Ströme sind jeweils gleich diesen Spannungsabfall, dividiert durch den Widerstandswer
des entsprechenden Widerstands. Die KoUektorströim
der Transistoren 71 und 72 sind im wesentlichen gleich ihren entsprechenden Emitterströmcii.
Statt der gezeigten Bipolartransistoren kann man füi
Statt der gezeigten Bipolartransistoren kann man füi
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 (6)
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 Kollek'orstrorr.
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 2r>
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 w 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 >r>
Eingang (41) des zweiten Stromspiegelverstärkers (40) angeschlossen und derart Demessen 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 Hilfsstromquellcn
jeweils einen zwischen den Eingang (31) des ersten Stromspiegelverstärkers (30) bzw. den Eingang
(41) des zweiten Stromspiegel Verstärkers (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.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |