DE2603164A1 - Differentialverstaerker - Google Patents

Description

7891-75 Ks/Gö

RCA 67,862

U.S. Serial IToι 54-5,091

Filed: January 29, 1975

RGA Corporation New York, N. Y., V.St.v. A.

Differentialverstärker

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Differentialverstärker und ist besonders geeignet zur Verwendung in Operations- oder Punktionsverstärkern vom sogenannten Transkonduktanztyp, die mit niedrigen Versorgungsspannungen betrieben werden. Bei einem derartigen Verstärkertyp spielt die Betriebsgröße Transkonduktanζ (manchmal auch Steilheit oder Gegenwirkleitwert genannt) eine besondere Rolle, was de in der Fachliteratur gebräuchliche Kurzbezeichnung OTA (von "operational transconductance amplifier") für diesen Verstärkertyp erklärt.

Bekannte in integrierter Schaltungstechnik ausgeführte Differentialverstärker mit derartigen Transkonduktnnzverstärkern zeilen Mangel, wenn sie mit sehr niedrigen Versorgungsspannungen betrieben v/erden, beispielsweise in der Höhe des 2-fachen Werts der Baäs-Emitter-Durchlaßspannung (V, ) eins bipolaren Transistors. Bei derart niedrigen Versorgungs-

609832/0671

spannungen können die bekannten Verstärker niht ohne weiteres Eingangssignalen folgen, deren Amplituden bis zur Spannung der negativen Schiene oder darunter oder bis zur Spannung der positiven Schiene oder darüber reichen. ^T.7enn man andererseitc diese Verstärker so modifiziert, daß ein derartiger Betrieb möglich wird, dann muß man mit niedrigeren Arbeitsgeschwindigkeiten und anderen Betriebsproblemen rechnen.

Die vorliegende Erfindung betrifft verbesserte Schaltunken, mit welchen diese Mängel und eine Anzahl anderer Nachteile bekannter Schaltungen überwunden werden. Die Erfindung wird nachstehend ausführlich anhand von Zeichnungen erläutert.

Figur 1 zeigt das Schaltbild eines bekannten Differentialverstärkers mit pnp-Transistoren, der als Transkonduktanzverstärker ausgebildet ist;

Ficüur 2 ist das Schaltbild eines Transkonduktanzverstärkers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Figur 3 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild eines rückgekoppelten Funktionsverstärkers gemäß einer zweiten AuRführunfjsform der Erfindung.

Die in den Figuren gezeigten S_chaltungen sind vorzugsweise in integrierter Bauweise ausgeführt, jedoch nicht hierauf beschränkt. Ebensowenig ist die Erfindung selbst auf die Anwendung in Transkonduktanz-Funktionsverstärkern beschränkt.

Der in. Figur 1 gezeigte bekannte pnp-Funkiäonsverstärker 4-7 vom Transkonduktanz-Typ (OTA) enthält eine Stromquelle 4-9 zur Stromversorgung eines pnp-DifferentialVerstärkers 51 * eine Stromsenke 53 sowie eine Ausgangsstufe 55·

609832/0671

Die Stromquelle 4-9 ist ein pnp-Stronispicgel mit einer Vorstrom- oder Eingangsklemme 63. Die Fläche des Halbleiterübergangs der Diode 59 ist gleich der Fläche des Basis-Emitter-Übergangs des pnp-Transistors 57. Somit fließt für jede Einheit des über die Klemme 63 gezogenen Vorstroms ein im wesent- * liehen gleich großer _%Strom über die Emitter-Kollektor-Strecke des pnp-Transistors 57· Der Betrag des vom Stromspiegel zum pnp-Differentialverstärker 51 fließenden Stroms und die Impedanz am Knotenpunkt 91 bestimmen den Verstärkungsfaktor des Transkonduktanzverstärkers 4-7·

Eine ausführlichere Erläuterung der Arbeitsweise und Anwendung von Transkonduktanz-Funktionsverstärkern befindet sich in der ROA Linear Integrated Circuit Application Note IOAN-6668 vom März 1972 mit dem Titel "Applications of the CA3O8O and · CA3O8OA High-Performance Operational Transconductance Amplifiers".

Wenn die positsre Schiene 61 auf einer Spannung von +1,2 Volt und die negative Schiene 83 an Masse liegt, dann kann der Transkonduktanzverstärker 4-7 Eingangssignalen von etwas über 0 Volt bis etwas unterhalb +0,6 Volt folgen, wobei angenommen ist, daß Siliziumdioden und Siliziumtransistoren verwendet werden. Werden an die Eingangsklemmen 69 und 71 Eingangssignale angelegt, deren Amplituden außerhalb des angegebenen Bereichs liegen, dann gerät der Verstärker in die Sättigung.

Während im gewöhnlichen Betrieb zwischen die Eingangsklemmen · · 69 und 71 eine Differenzspannung gelegt wird, sei für die nachstehende, den Eingangssignalbereich zeigenden Analyse der Fall betrachtet, daß an diese beiden Klemmen jeweils dieselbe * Spannung gelegt ist. Eine ähnliche Analyse wird später für die Schaltung nach Figur 2 gegeben. In der Schaltung nach Figur 3, die. eine Rückkopplung zu einer der Eingangsklemmen enthält, erfolgt die Rückkopplung im Sinne einer Verminderung der

, . 609832/0671 \ ■

Spannungsdifferenz zwischen den Eingangsklemmen auf O. Dieselbe Art der Rückkopplung (nicht dargestellt) kann in der Schaltung nach Figur 2 verwendet werden.

Wenn beiden Eingangsklemmen 69 und 71 eh Signal mit dem Niveau des Massepotentials angelegt wird, dann erscheint zv/ischen dem gemeinsamen Emitteranschluß der Transistoren 65 und 67 und Masse eine Spannung von +0,6 Volt, und an der Emitter-Kollektor-Strecke des pnp-Transistors 57 erscheint ebenfalls eine Spannung von +0,6 Volt, so daß die resultierende Spannung an den Kollektor-Emitter-Strecken der Transistoren 65 und 67 gleich 0-Volt ist. Daher sind die Transistoren 65 und 67 gesättigt. Dies hat zur ELge, daß der Transkonduktanzverstärker 4-7 unwirksam ist. Der Transkonduktanzverstärker 47 kann also EingangsSignalen mit Amplituden unterhalb 0 Volt offensichtlich nicht folgen.

Wenn den beiden Eingangselektroden 69 und 71 jeweils +0,6 Volt angelegt wird, dann v/ird der gemeinsame Emitteranschluß der Transistoren 65 und 67 um +0,6 Volt hqher, d.h. er gerät auf 1,2 Volt. Somit ergibt sich am pnp-Transistor 57 keine Potentialdifferenz, so daß der Transistor 57 nicht in Betrieb und der Transkonduktanzverstärker 4-7 daher unwirksam ist. Der Transkonduktanzverstärker 47 kann also auch nicht Eingangssignalen mit Amplituden oberhalb +0,6 Volt folgen.

Wie bereits erwähnt, arbeitet der Transkonduktanzverstärker im Bereich zwischen diesen 'Spannungswerten +0,6 \BLt und Masse richtig.

Der Transkonduktanzverstärker 47 kann so modifiziert werden daß Eingangssignale in einem verschobenen 0,6-Volt-Bereich verstärkt werden, dessen Grenzen zwischen etwas oberhalb -0,3 Volt und ungefähr +0,3 Volt liegen. Dies erreicht man durch Einfügung der gestrichelt angedeuteten Schottky-Dioden in die Basiskreise der Transistoren 65 und 67. Wenn hierbei

609832/0671

beiden Eingangsklemmen 69 und 71 jeweils ein Eingangssignal mit der Amplitude -0,3 Volt angelegt wird, dann ergibt sich infolge des Spannungsabfalls an den Schottky-Dioden (im vorliegenden Beispiel 0,3 Volt) an den Basiselektroden der Transistoren 65 und 67 ein Spannungsniveau von praktisch dem Massepotential, und zwischen den Emittern dieser Transistoren und Masse erscheint eine Spannung von +0,6 Volt. Somit liegt ander Kollektor-Emitter-Strecke des pnp-Transistors 57 eine Spannung von +0,6 Volt, so daß an den Transistoren 65 und 67 und an den Moden 81 und 79 keine ausreichende Spannung mehr übrig bleibt, um diese Elemente im leitenden Zustand zu halten. Der Transkonduktanzverstärker 47 ist daher unwirksam. Eine ähnliche Untersuchung wird zeigen, daß auch bei einer Spannung von +0,3 Volt und darüber an den beiden Eingangsklemmen der Transkonduktanzverstärker unwirksam wird.

Die Schottky-Dioden 73 und 75 machen es also möglich, daß der Transkonduktanzverstärker 47 Eingangssignalen folgt, die tiefer gehen, als die Spannung der negativen Schiene. Durch die Einfügung der Schottky-Dioden reagiert der Verstärker jedoch langsam oder spricht weniger gut auf hochfrequente Eingangssignale an. Außerdem können die Schottky-Dioden einen differentiellen Offsetspannungsfehler verursachen, wenn sie nicht in ihren Betriebsparametern genau einander angepaßt sind.

Wie leicht einzusehen ist, kann der pnp-Transkonduktanzverstärker 47 ohne weiteres zu einem npn-Transkonduktanzverstärker umgeordnet bzw. abgewandelt v/erden, uad die Schottky-Dioden können so eingesetzt werden, daß der Verstärker bei Spannungen arbeitet, die höher sind als die Spannung der positiven Schiene (83 wäre in diesem Pall die positive Schiene).

Die in Figur 2 dargestellte Ausführungsform der Erfindung ist ein hochleistungsfähiger pnp-Transkonduktanzfunktions-

609832/0671

Verstärker 93 für niedrige Spannung. Er enthält einen Differential verstärker 99» eine Stromquelle 101, eine Vorstromschaltung 1O3, zwei Stromsenken 105, ein vorspannendes und stromregulierendes Netzwerk 107 sowie eine Ausgangsstufe 109. Die Basis-Emitter-Übergangsflächen einiger bestinmter der Transistoren haben eine bestimmte Größenbemessung im Verhältnis zu gewissen Halbleiterübergangsflächen der Dioden. Diese relative Bemessung ist in Figur 2 neben den betreffenden Elementen angegeben, wobei 4- Z eine 4 mal so große Fläche und 1 X eine 1 mal so große Fläche bedeutet.

Der Differentialverstärker besteht aus zwei pnp-Transistoren 95 und 97, deren Emitter gemeinsam an die Stromquelle 1O1, deren Kollektoren- an ,jeweils eine gesonderte der beiden Stromsenken 105 und deren Basiselektroden an die Eingangskiemmen 111 und 113 angeschlossen sind.

Die Stromquelle ΙΟΙ enthält einen Stromspiegel, der aus einem pnp-Transistor 115 und einer Diode 117 besteht. Der Transistor ist mit seinem Emitter an die positive Schiene angeschlossen, sein Kollektor ist mit den Emittern der pnp-Trannistoren 95 und 97 verbunden, und seine Basis ist mit der Vorstrumschaltung 103 verbunden. Die Fläche des Basis-Emitter-Übergangs des pnp-Transistors 115 ist 4- mal so groß wie die Fläche des Halbleiterübergangs der Diode 117.

Die Vorstromschaltung 103 enthält einen zweiten Stromspiegel, bestehend aus einem npn-Trpnsistor 121 und einer Diode 123· Der Emitter des Transistors 121 ist an die negative Schiene 127 angeschlossen, sein Kollektor liegt an der Kathode der Diode 117» und seine Basis ist sowohl an die Vorstromklemme 125 und die Anccb der Diode 123 angeschlossen. Die Halbleiterübergangsfläche der Diode 123 ist gleich der Basis-Emitter-Übergangsfläche des Transistors 121.

609832/0671 - 7 -

Die Stromsenken 105 sind durch zwei npn-Transistoren 129 und 131 gebildet, deren Basen an die Anode der Diode 123 und deren Emitter an die negative Spannungsschiene 127 und deren Kollektoren einzeln an die Kollektorelektroden der pnp-Transistoren 95 uid 97 angeschlossen sind. Die Kollektoren der npn-Transistoren 129 und 131 sind außerdem einzeln über jeweils einen Transistor 133 bzw. 135 an das vorspannende und stromregulierende Netzwerk 107 angeschlossen. Die Basis-Emitter-Übergangsflachen der npn-Transistoren 129 und 131 sind jeweils 4 mal so groß wie die Halbleiterübergangsfläche der Diode 123·

Das vorspannende und stromregulierende netzwerk 107 enthält die beiden npn-Transistoren 133 und 135· Der Emitter des Transistors 133' ist mit dem Kollektor des npn-Transintors 129 verbunden, während der Emitter des Transistors 135 mit dem Kollektor des npn-Transistors 131 verbunden ist. Die Kollektoren der Transistoren 133 und 135 sind mit der Ausgangsstufe 109 verbunden. Zwischen der positiven Spannungsschiene 119 und dem gemeinsamen Anschluß der Anode einer Schattky-Diode 139 und den Basiselektroden der Transistoren 133 und 135 liegt ein Widerstand 137· Die Kathode der Schattky-Diode 139 ist mit der Anode einer Diode 141 verbunden, deren Kathode mit der negativen Spannungsschiene 127 verbunden ist.

In der Ausgangsstufe befinden sich zwei Dioden 143 und 145, die anodenseitig mit der positiven Spannungsschiene 119 und kathodenseitig einmal mit der Basis jeweils eines der pnp- Transistoren 149 und 151-und zum anderen mit dem Kollektor jeweils eines der Transistoren 133 und 135 verbunden sind. Die Transistoren 149 und 151 liegen mit ihren Emittern an • der positiven Schiene 119· Der Kollektor des Transistors j ist an die Basis des Transistors 155 angeschlossen, und der Kollektor des Transistors 151 ist mit dem Kollektor des Tran- " sistors 155 verbunden. Die zwischen der Basis und dem Emitter.

609832/0671

des Transistors 155 geschaltete Diode 147 "bildet mit diesem Transistor einen Stromspiegel, dessen gemeinsame Klemme für Eingangs- und Ausgangskreis an der Schiene 127 liegt. Wie in der Zeichnung angegeben, stehen die Halbleiter-Übergangsflächen der Diode und des Transistors zueinander im Verhältnis 1:1. Die Ausgan^sklemme 153 der Schaltung liegt am gemeinsamen Kollektoranschluß der Transistoren 151 und 155·

Im Betrieb der Schaltung: nach Figur 2 wird der Klemme 125 ein Vorstrom zugeführt. Da die Halbleiter-Übergangsflächen der Diode 123 und des pnp-Transistors 121 einander gleich sind, ist der zur Ausgangsklemme 122 des Stromspiegels (121, 123) fließende Strom gleich dem durch die Diode 123 fließenden Strom. Derselbe Strom fließt auch durch die Diode 117? und infolge der Geometrie des Stromspiegels (117? 155) fließt ein vierfacher Betrag dieses Stroms von der Ausgangsklemme des letztgenannten Stromspiegels.*

Die beiden Stromsenken 105 sind durch npn-Transistoren 129 und 131 gebildet. Jeder dieser Transistorren bildet lit der Diode 123 einen Stromspiegel und hat eine Basis-Emitter-Übergangsflache, die 4 mal so groß ist , wie die Fläche des Halbleiterübergangs der Diode 123. Daher verlangt jeder der Transistoren 129 und 131 als Stromsenke,daß für jede Einheit des durch die Diode 123 fließenden Stroms 4 Einheiten Strom über die Kollektor-Emitter-Strecke des betreffenden Transistors zur negativen Schiene fließt.

Unter der angenommenen Voraussetzung, daß beiden Eingangsklemmen 111 und 113 des Differentialverstärkers 99 ein Signal vom Niveau des Massepotentials zugeführt wird, teilen sich die dem gemeinsamen Emitteranschluß der Transistoren 95 und 97 aus der Stromquelle 1Oi zugeführten 4 Stromeinheiten zu gleichen Teilen auf die Emitter dieser Transistoren auf.

609832/0671

Zxvei der Stromeinheiten fließen über die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 95 zur Stromsenke 129, und die anderen beiden Einheiten fließen über d: a entsprechende Strecke des Transistors 97 zur Stromsenke 13:. Zu dioser Zeit verlangen die npn-Transistoren 129 und 131 jeweils 4- Stromeinheiten, empfangen aber über das Transistorpaar 99 nur jeweils zv/ei Stromeinheiten.

Die npn-Transistoren 133 und 135 den vorspannenden und stromregulierenden Netzwerks 107 erfüllen den Bedarf der npn-Transistoren 129 und.131 nach zusätzlichem Strom. Diese Transistoren 133 und 135 sind durch eine Spannunrc von +0,9 Volt, die an der Serienschaltung aus der Schottlcy-Diodo 139 und der Diode 14-1 abfällt, auf Durchlaß gespannt und leiten jeweils zwei Stromeinheiten zum npn-Transistor 129 und zum npn-Transistor 131. Infolge der 0,6 Volt betragenden Dffsetsp-jmung an den Basis-Emitter-Übergängen der Transistoren 133 und 135» cLie sich von den 0,9 Volt Vorspannung subtrahiert, ergibt sich an den Kollektoren der npn-Transistoren 129 und 131 jeweils ein Rpannungeniveau von +0,3 Volt. Dies stellt sicher, daß die Transistoren 129 und 131 über den interessierenden ^mpij.-tudenbereich des Eingangssignals nicht gesättigt werden.

Der Bereich für Gleichtaktsignale am Eingang des Verstärkers nach Figur 2 erstreckt sich grob gesagt übe"·" 0,9 Volt. Am einen Ende des Bereichs, d.h. mit -0,3 Volt an beiden Einrrangselektroden, liegt der gemeinsame Emitteranschluß der Transistoren 95 und 97 auf +0,3 Volt, und die Ξι i.ttef de.:· Transistoren 133und 135 liegen ebenfalls ar.f 0,3 Volt. Hiermit sind die Transistoren 95 und 97 gesperrt, weil sie mit ihren Kollektoren und Emittern auf gleichem Potential von+0,3 Volt liegen. Bei+0,6 Volt an beiden Eingangselektroden sperrt der Transistor 115, weil sein Emitter und sein Kollektor beide auf +1,2 Volt liegen. Dieser Bereich von etwas oberhalb -0,3 Volt bis etwas unterhalb +0,6 Volt ict größer als der

609832/0671

BAD ORIGINAL

Ansteuerungsbereich des bekannten Verstärkers nach Figur 1 und reicht außerdem tiefer als das bei 0 YoIt liegende Spannungsniveau der negativen Schiene.Der Transkonduktanzverstärker 93 folgt Einganrnsignalen innerhalb dieses gesamten "Bereichs in linearer VJeise.

Die Ausgangsstufe 109 bringt eine A-VerStärkung der zwischen den Kollektoren der npn-Transistoren 133 und 135 abgegriffenen Ausgangssignale. Die Ausgangsstufe 109 liefert an der Ausganp;sklerame 153 auch ein Eintakt-Aucgangssignal.

Der Transkonduktanzverstärker 93 muß nicht auf den Fall einer positiven Versorgungs- oder Schienenspannung von +1,2 Volt beschränkt sein. Es können auch Schienen-spannungen von mehr als +3S Volt verwendet werden. Auch können die Ströme zueinander anders als in den angegebenen Verhältnissen bemessen werden. Der Transkonduktanzverstärker 93 arbeitet sowohl mit unsymmetrischen als auch mit symmetrischen EingangsSignalen über seinen Aucsteuerungsbereich. Wenn die Spannung der positiven Schiene auf mehr air; +1,2 Volt erhöht wird oder wenn die negative S_chiene an ein negatives Potential angeschlossen wird, dann erhöht sich der Bereich möglicher Gleichtakt-Eingangs signale am Verstärker.

Der Transkonduktanzverstärker 93 kann auch dann arbeiten, wenn die SpnnnunT zwinchen den -Schienen 119 und 127 so niedrig ist wie der V.'ert 1 V, +Vg_Λ^(Spannung an einer Kollektor-Emitter-Strecke während der Sättigung), der von der Geometrie, der Größe, dem Material usw. der jeweils verwendeten Transintoren abhängt und im typischen 3?all insgesamt 0,8 Volt betragen kann. Bei niedrigeren Versorgunp;sspannungen schrumpft der Gleichtakt-Singangssignalbereich des Verstärkers zusammen.

Der Trannkonduktanzverstärker 93 bewahrt die Strombemessungseisennchaften der klassischen OTA-Konfigurationen, und seine Temperaturabhängig^vqit kann in praktischen Grenzen gehalten werden. Dadurch, daß man die erste Ausführungsform der

609832/0671 - 11 -

-11- 7603164

Erfindung der Schaltung des Transkonduktanzverstärkers beifügt, wird weder das Hochspannungsverhalten des Verstärkers 93 beeinträchtigt, noch werden zusätzliche Of fsetspannungen erzeugt« Eine komplementäre Ausführungsform des Transkonduktanzverstärkers 93» d.h. ein npn-Transkonduktanzverstärker, ist ebenfalls praktikabel.

Die in Figur 3 gezeigte Schaltung enthält einen durchgezogen gezeichneten Teil und einen gestrichelt gezeichneten Teil. Der durchgezogene Teil enthält nicht den Vorstromanschluß der Schaltung nach Figur 2, jedoch zusätzlich einen Rückkopplungsverstärker 249. In anderer Hinsicht ist die Schaltung nach Figur 3 im allgemeinen derjenigen nach Figur ähnlich., was das Arbeitsprinzip angeht. Die durchgezogen gezeichnete Schaltung ist für sich betriebsfähig, wenn man sie jedoch in der gestrichelt gezeichneten ¥eise modifiziert, dann wird die Leistungsfähigkeit der Schaltung nach Figur wesentlich verbessert, wie es im einzelnen vjeiter unten erläutert wird."

Die Ausführungsform nach Figur 3 enthält eine Stromquelle 217» die zwischen eine positive Schiene 219 und den gemeinsamen Emitteranschluß zweier pnp-Transistoren 221 und 223 geschaltet ist. Zwischen der negativen Spannungsschiene 229 und den Kollektoren der pnp-Transistoren 221 und 223 liegt _t-p-7eils eine Stromsenke 225 bzw. 227. Die Eingangsklemmen und 233 befinden sich an den Basiselektroden der npn-Transistören 221 und 223.

Der durchgezogen gezeichnete Teil der Figur 3 enthält zwei npn-Transistören 235 und 237» zwei Dioden 239 und 241, einen Widerstand 245, eine S_chottky-Diode 247 und eine normale Dbde 243. Der Widerstand 245 und die Dioden 247 und 243 liegen in Reihe zueinander zwischen den beiden Schienen 219 und 229, ähnlich wie die vergleichbaren Elemente in Figur 2., Die Basiselektroden der npn-Transi stören 235 und 237 sind an den Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 245 und der Anode

609832/0671 · - 12 -

der Schottky-Diode 24? angeschlossen, und die Emitter dieser Transistoren sind gesondert mit den Kollektoren der pnp-Transistoren 223 und 221 verbunden. Die Kollektoren der npn-Transistoren 235 und 237 sind jeweils an die Kathode einer Diode 239 bzw. 241 angeschlossen. Die Anoden der Dioden 239 und 241 liegen an der positiven Schiene 219. Die Kollektoren der npn-Tronsistoren 235 und 237 sind außerdem mit der Ausgangsstufe 249 verbunden, deren Ausgangsklemme 255 an die Eingangsklemme 233 angeschlossen ist.

Der gestrichelte Teil der Schaltung enthält zwei pnp-Transistoren 257 und 259 sowie zwei npn-Transistoren 261 und 263. Die Basiselektroden der pnp-Transistoren 257 und 259 sind jeweils eretrennt mit den Basiselektroden der pnp-Transintoren 221 und 223 verbunden, und ihre Kollektoren sind getrennt an die Emitter der npn-Transistoren 263 und 261 angeschlossen. Die Emitter der pnp-Transistoren 257 und 259 sind im dargestellten Fall ohne Anschluß, da nur die Kollektor-Basis-Übergänge dieser Transistoren erforderlich sind, wie es noch erläutert wird. Die Basiselektroden der npn-Transistoren 261 und 263 sind mit der Anode der Schottky-Diode 247 verbunden, und die Kollektoren dieser Transistoren sind über Kreuz mit den Kollektoren der npn-Transistoren 237 und 235 verbunden.

Im Betrieb des durchgezogen gezeichneten Teils der SpannungsfcLgersehaltung nach Figur 3 hat die Spannung zwischen der Ausgangsklemme 255 und der negativen Schiene die gleiche Amplitude wie das an der Eingangsklemme 231 zugeführte Eingangssignal. Das Rückkopplungssignal von der Ausgangsklemme 255 zur Eingangsklemme 233' bewirkt, daß sich die Differential-Eingangsspannung des Verstärkers selbsttätig auf im wesentlichen den Wert O reguliert, jedoch kann eine solche Regelung nur über einen begrenzten Bereich von Amplituden des Eingangssignals aufrechterhalten werden. Für die Ausgangsstufe des Verstärkers

- 13 -

609832/0871

249 ist dieser Amplitudenbereich gewöhnlich so begrenzt, daß er der positiven Schiene 219 oder der negativen Schiene 229 nicht näher kommt als Vc^CSättigungsspannung des Verstärkers 249). Anders ausgedrückt: der Spannungsfolgerbetrieb wird normalerweise für solche Eingangssignale aufrechterhalten, deren Amplituden geringer sind als die Spannung +V

der positiven Schiene 219 minus ^vg_AT ^un(i höher liegen, als die Spannung -V der negativen Schiene 229 plus

Es sei angenommen, daß die positive Schiene 219 mit einer S-oannungsquelle von +1,2 Volt und die negative Schiene 229 mit Masse verbunden ist. In der S-pannungsf olger-Betriebsweise kann die Eingangs spannung eine -0,3 Volt nahe kommende Amplitude unterhalb des Niveaus der negativen Schiene 229 erreichen, wenn die an die Basiselektroden der npn-Transistorefi 235 und 237 gelerrte Vorspannung +0,9 Volt beträgt (wie es bei dem ρηυ-Transkonduktanzverstärker nach Figur 2 der Fall war} Ein solcher Anvplitudenausschlag der Eingangsspannung kann zu unerwünschten Effekten im "Betrieb des als Spannungsfolger ausgelegten Verstärkers führen.

Beispielsweise sei angenommen, daß die Amplitude der Einftangs spannung von einem positiven Wert in Richtung des liassepotentials abfällt und daß die Ausgangsspannung an der Klemme 255 entsprechend folgt. Wenn das Eingangssignal unter 0 Volt oder die Spannung der negativen Schiene 229 fällt und der Verstärker 24-9 seine minimale Ausgangsamplitude bei 0 Volt Eingangs spannung erreicht hat, dann iöt er in einem Ausg'angszustand "niedrig" oder "0" gesättigt. Wenn diese Bedingung eintritt, dann wird der pnp-Transistor 221 durch die negative Spannung an seiner Basis in einen Zustand hoher Leitfähigkeit versetzt, während der pnp-Transintor 223 sowohl wegen der höheren Spannung an seiner Basis als auch wegen der entsprechend höheren Leitfähigkeit des pnp-Transistorn 221 keinen Strom leitet. Somit ist der npn-Transintor 235 in

609832/0671

einem Zustand hoher Leitfähigkeit, um die Stromnachfrage der Stromsenke 227 zu befriedigen, und der npn-Transistor 237 ist nicht-leitend, weil der pnp-Transistor 221 alleii von der Stromsenke 225 verlangten Strom liefert. Auch die Diode 239 leitet einen hohen Strombetrag, während die Diode 241 nicht-leitend ist.

Wenn in der Spannungsfolger-Betriebsweise die Amplitude des Eingangs signal s unter das Spannungr.niveau der negativen Schiene 229 fällt, ist es wünschenswert, die KuIlamplitude bzw. die "niedrige" Polarität des von der nun gesättigten Ausgangsstufe 249 kommenden Ausgangssignals aufrechtzuerhalten, d.h. den oben erwähnten Zustand des Verstärkers für ein unterhalb des Niveaus der negativen Schiene 229 liegendes Eingangssignal. Dies ist nicht möglich, wenn die Amplitude des Eingangssignals tiefer aln etwa -0,3 Volt fällt, denn bei diesem Punkt wird der Kollektor-Basis-Ubergang des pnp-Transistors 221 ausreichend weit in Durchlaßrichtung gespannt, um einen beträchtlichen Strom zu leiten. Wenn die Quellimpedanz des Eingangssignals niedrig ist, dann fließt ein hoher Strom über den Stromweg, der die Diode 24-1, die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 237, die Kollektor-Basin-Strecke des Transistors 221 und die Quellimped^nz des Eingangssignals enthält. Die Diode 241 ist von einem nicht-leitenden in einen relativ gut leitenden Zustand übergegangen und kann mehr Strom leiten als die Diode 239. Wenn dies eintritt, dnnn schlägt der Ausgang der Ausgangsstufe 249 aus einem Zustand "niedrig" in einen Zuntind "hoch" um. Anders ausgedruckt: die Ausgangsstufe 249 ändert ihren Ausgangszustand wegen der relativen Änderung in der Amplitude der auf die Eingan^sklemmen 251 und 253 der Ausgangsstufe 249 gegebenen Eingangssignale, denn die Amplitude der Spannung an der Einganpsklemme 253 ist nun niedriger als die Amplitude der Spannung an der Klemme 251·

- 15 -

609832/0071

7603164

Die Zustandsänderung im Ausgangssignal der Ausgangsstufe 249 ist höchst unerwünscht. Der gestrichelt gezeichnete Teil der Schaltung, der die Transistoren 257, 259, 261 und 263 enthält, verhindert diese unerwünschte Änderung in der Ausgangsstufe des Verstärkers in einer Spannungsfolger-Betriebsweise. Die Übergangsflächen der Transistoren 257, 259, 261■ und 263 sind wesentlich größer (im vorliegenden Beispiel doppelt so groß) ausgelegt als die Übergangsflächen der anderen Transistoren 221, 223, 235 und 237, wie es mit den Symbolen X und 2X in der Zeichnung angedeutet ist.

Wenn die Amplitude des Eingangssignals wesentlich höher liegt als -0,3 Volt, dann sind die für den Fall der Übersteuerung vorgesehenen Transistoren 257, 259, 261 und 263 unwirksam. Wenn die Amplitude des Eingangssignals bei etwa -0,3 Volt liegt, dann gerät der Verstärker in den übersteuerten Zustand. In diesem Zustand werden die Transistoren 263 und 267 leitend und ziehen über die Diode 239 zur Quellimpedanz des Eingangssignals einen Strom, dessen Betrag doppelt so groß ist wie der Betrag des über die Diode 241, den Transistor 237 und den Transistor 221 zur Quellimpedanz des Eingangssignals gezogenen Stroms. Die Differenz in den Beträgen des Übersteuerungsstroms wird im vorliegenden Beispiel dadurch hervorgerufen, daß die Übergangsflächen der Transistoren 261 und 257 doppelt so groß wie die Übergangsflächen der Transistoren 237 und 221 sind. Somit bleibt die Amplitude der Spannung an der Eingangsklemme 251 niedriger als die Amplitude der Spannung an der Eingangsklemme 253, wodurch der gewünschte Ausgangszustand der Ausgangsstufe 249 während der Übersteuerung aufrechterhalten bleibt.

Obwohl beim hier angegebenen Beispiel die Übersteuerungs-Schutzschaltung nur die Transistoren 263 und 257 benötigt, sind auch noch Transistoren 261 und 259 vorgesehen. Hierdurch soll dem Umstand Rechnung getragen werden, daß die Ausgangs-

- 16 τ

609832/0871

verstärkerstufe 24-9 entweder nicht-invertierend oder invertierend sein kann, so daß man das Ausgangssignal der einen oder der anderen Eingangsklemme 231 oder 233 zuführen kann, um die Spannungsfolger-Betriebsweise zu erreichen. Das Eingangssignal für den Verstärker wird dann an die jeweils andere (freie) Eingangsklemme 231 oder 233 gelegt. Daher folgt, daß dioÜbersteuerungs-Schutzschaltung für jede Seite des Verstärkers vorgesehen sein sollte.

Obwohl nicht eigens dargestellt, kann die gestrichelte Schaltung nach Figur 3 in den Transkonduktanzverstärker 93 eingesetzt werden, um auch diesen Verstärker vor Übersteuerung zu schützen, wenn er als Spannungnfolger geschaltet ist. Der Trenskonduktanzverstärker 93 läßt sich leicht als Soannungsfolger schalten, indem man die Ausgangsklemme 153 mit einer der Signaleingangsklemmen 111, 113 verbindet und das Eingangssignal auf die jeweils andere dieser Eingangsklemmen gibt.

- 17 -

809832/0671

Claims (5)

7603164 — Ί / — Patentansprüche

1./ Verstärker mit einer ersten und einer zweiten Versorgungsklemme zum Anschalten einer Versorgungsspannungsquelle; einem ersten und einem zweiten Transistor, deren Emitter zusammengekoppelt sind und deren Basen zum Empfang von Eingangssignalen geschaltet sind; einer zwischen den Emittern und der ersten Versorgungsklemme angeordneten Konstantstromschaltung, sowie mit einer zweiten und einer dritten Konstantstromschaltung, welche die Kollektoren des ersten und des zweiten Transistors ,jeweils mit der zweiten Versorgungsklemme verbinden, dadurch gekennzeichnet, daß an die Kollektoren des ersten und des zweiten Transistors (95, 97 oder 221, 223) eine zusätzliche Einrichtung (107 in Figur 2; 235, 237, 243, 247, 245 in Figur 3) angeschlossen int, welche diese Kollektoren bei innerhalb eines Bereichs verschiedenen Eingangssignalen auf einem im wesentlichen festen Spannungsniveau hält, welches zwischen den Spannunrcsniveaus dsr ersten und der zweiten Versorgung sklemmο (119, 127 oder 221, 229) liegt.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Einrichtung einen ersten und einen zweiten Falbleiterübergang (Basis-Emitter-Übergäng;e von 133, 135 oder 237, 235) enthält, die in Durchlaßrichtung zwischen die Kollektoren des ersten und des zweiten Transistors (95, 97 oder 221, 223) einerseits und einen Punkt festen Potentials (Anode von 139 oder 247) angeordnet sind.

- 18 -

6O9832/0S71

5. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Halbleiterübergang die Emitter-" Basis-Übergänge eines dritten und eines vierten Transistors (133» 135 oder 237ι 235) in Basisschaltung sind, deren Basen an einem Punkt festen Potentials (Anode von 139 oder 247) liegen und deren Emitter getrennt mit den Kollektoren des ersten und zweiten Transistors (95 * 97 oder 221, 223) verbunden sind, und daß der dritte und der vierte Transistor gegenüber dem ersten und dem zweiten Transistor von entgegengesetztem Leitungst^rp sind.

4. Verstärker nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Punkt festen Potentials ein Punkt eines zwischen di?erste und die zweite Versorgungsklemme (119, 127 oder 219, 229) geschalteten Spannungsteilers (137, 139, 1⁷!-1 oder 245, 247, 243) ist.

5· Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistor (95 oder 221) und der erste Halbleiterübergang (Basis-Emitter von 133 oder 237) gemeinsam einen Gesamtstrom leiten, der gleich dem von der zweiten Konstantstrom schaltung (129 oder 225) geleiteten Strom ist_?und daß der zweite Transistor (97 oder 223) und der zweite Halbleiterübergang (Basis-Emitter von 135 oder 235) gemeinsam einen Gesamtstrom leiten, der prleich dem von der dritten Konstaiitctromcchsltun" oder 227) geleiteten Strom ist.

609832/0671