DE2603164B2

DE2603164B2 - Differentialverstärker

Info

Publication number: DE2603164B2
Application number: DE2603164A
Authority: DE
Inventors: Otto Heinrich North Caldwell N.J. Schade Jun. (V.St.A.)
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1975-01-29
Filing date: 1976-01-28
Publication date: 1978-03-23
Also published as: GB1529068A; FR2299762B1; JPS5199959A; US3979689A; DE2660968C3; DE2603164A1; DE2603164C3; JPS5547712A; FR2299762A1; DE2660968A1; IT1054791B; JPS5631763B2; JPS5752723B2

Description

Wenn die positive Schiene 61 auf einer Spannung von + 1,2 Volt und die negative Schiene 83 an Masse liegt, dann kann der Transkonduktanzverstärker 47 Eingangssignaleu von etwas über 0 Volt bis etwas unterhalb + 0,6 Volt folgen, wobei angenommen ist, daß Siliziumdioden und Siliziumtransislcren 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 Fig. 2 gegeben. In der Schaltung nach F i g. 3, die eine Rückkopplung zu einer der Eingangsklemmen enthält, erfolgt die Rückkopplung im Sinne einer Verminderung der Spannungsdifferenz zwischen den Eingangsklemmen auf 0. Dieselbe Art der Rückkopplung (nicht dargestellt) kann in der Schaltung nach F i g. 2 verwendet werden.

Wenn beiden Eingangsklemmen 69 und 71 ein Signal mit dem Niveau des Massepotentials angelegt wird, dann erscheint zwischen 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 Folge, daß der Transkonduktanzvertärker 47 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 wird der gemeinsame Emitteranschluß der Transistoren 65 und 67 um +0,6 Volt höher, 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 47 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 von +0,6 Volt 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 beiden Eingangsklemmen 69 und 71 jeweils ein Eir.gangssignal 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 an der Kollektor-Emitter-Strecke des pnp-Transistors 57 eine Spannung von +0,6 Volt, so daß an den Transistoren 65 und 67 und an den Dioden 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 Transkonduktanzveritärker 47 Ein-

lü gangssignalen 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 werden, und 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 Fall die positive Schiene).

Die in F i g. 2 dargestellte Ausführungsform der Erfindung ist ein hochleistungsfähiger pnp-Transkonduktanzfunktionsverstärker 93 für niedrige Spannung. Er enthält einen Differentialverstärker 99, eine Stromquelle 101, eine Vorstromschaltung 103, zwei Stromsen- ken 105, ein vorspannendes und stromregulierendes Netzwerk 107 sowie eine Ausgangsstufe 109. Die Basis-Emitter-Übergangsflächen einiger bestimmter der Transistoren haben eine bestimmte Größenbemessung im Verhältnis zu gewissen Halbleiterübergangsflächen der Dioden. Diese relative Bemessung ist in F i g. 2 neben den betreffenden Elementen angegeben, wobei 4X eine 4 mal so große Fläche und \X eine 1 mal so große Fläche bedeutet.

Der Differenzialverstärker besteht aus zwei pnp-Transistoren 95 und 97, deren Emitter gemeinsam an die Stromquelle 101, deren Kollbentoren an jeweils eine gesonderte der beiden Stromsenken 105 und deren Basiselektroden an die Eingangsklemmen 111 und 113 angeschlossen sind.

Die Stromquelle 101 enthält einen Stromspiegel, der aus einem pnp-Transistor 115 und einer Diode 117 besteht. Der Transistor ist mit seinem Emitter an die positive Schiene 119 angeschlossen, sein Kollektor ist mit den Emittern der pnp-Transistoren 95 und 97 verbunden, und seine Basis ist mit der Vorstromschaltung 103 verbunden. Die Fläche des Basis-Emitter-Übergangs des pnp-Transistors 115 ist 4mal so groß wie die Fläche des Halbleiterübergangs der Diode 117.
Die Vorstromschaltung 103 enthält einen zweiten Stromspiegel, bestehend aus einem npn-Transistor 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 Anode der Diode 123 angeschlossen. Die Halbleiterübergangsfläche der Diode 123 ist gleich der Basis-Emitter-Übergangsfläche des Transistors 121.

Die Stromsenken 105 sind durch zwei npn-Transistoren 129 und 131 gebildet, deren Basen an die Anode der

hi Diode 123 und deren Emitter an die negative Spannungsschiene 127 und deren Kollektoren einzeln an die Kollektorelektroden der pnp-Transistoren 95 und 97 angeschlossen sind. Die Kollektoren der npn-Transi-

stören 129 und 131 sind außerdem einzeln über jeweils einen Transistor 133 bzw. 135 an das vorspannende und stromregulierende Netzwerk 107 angeschlossen. Die Basis-Emitter-Übergangsflächen 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-Transistors 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 Schottky-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 149 ist an die Basis des Transistors 155 angeschlossen, und der Kollektor des Transistors 151 ist mit dem Kollektor des Transistors 155 verbunden. Die zwischen der Basis und dem Emitter 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 J5 angegeben, stehen die Halbleiter-Übergangsflächen der Diode und des Transistors zueinander im Verhältnis 1:1. Die Ausgangsklemme 153 der Schaltung liegt am gemeinsamen Kollektoranschluß der Transistoren 151 und 155.

Im Betrieb der Schaltung nach Fig. 2 wird der Klemme 125 ein Vorstrom zugeführt. Da die Halbleiter-Übergangsflächen der Dioden 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 124 des letztgenannten Stromspiegels.

Die beiden Stromsenken 105 sind durch npn-Transistoren 129 und 131 gebildet. Jeder dieser Transistoren bildet mit der Diode 123 einen Stromspiegel und hat eine Basis-Emitter-Übergangsfläche, 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 wi 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 <>s Emitieranschluß der Transistoren 95 und 97 aus der Stromquelle 101 zugeführten 4 Stromeinheiten zu deichen Teilen auf die Emitter dieser Transistoren auf.

Zwei der Stromeinheiten fließen über die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 95 zur Stromsenke 129, und die anderen beiden Einheiten fließen über die entsprechende Strecke des Transistors 97 zur Stromsenke 131. Zu dieser Zeit verlangen die npn-Transistoren 129 und 131 jeweils 4 Stromeinheiten, empfangen aber über das Transistorpaar 99 nur jeweils zwei Stromeinheiten.

Die npn-Transistoren 133 und 135 des 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 Spannung von +0,9 Volt, die an der Serienschaltung aus der Schottky-Diode 139 und der Diode 141 abfällt, auf Durchlaß gespannt und leiten jeweils zwei Stromeinheiten zum npn-Transistor 129 und zum npn-Transistor 131. Infolge der 0,6 Volt betragenden Offsetspannung an den Basis-Emitter-Übergängen der Transistoren 133 und 135, die sich von den 0,9 Volt Vorspannung subtrahiert, ergibt sich an den Kollektoren der npn-Transistoren 129 und 131 jeweils ein Spannungsniveau von +0,3 Volt. Dies stellt sicher, daß die Transistoren 129 und 131 über den interessierenden Amplitudenbereich des Eingangssignals nicht gesättigt werden.

Der Bereich für Gleichtaktsignale am Eingang des Verstärkers nach F i g. 2 erstreckt sich grob gesagt über 0,9 Volt. Am einen Ende des Bereichs, d. h. mit —0,3 Volt an beiden Eingangselektroden, liegt der gemeinsame Emitteranschluß der Transistoren 95 und 97 auf +0,3 Volt, und die Emitter der Transistoren 133 und 135 liegen ebenfalls auf 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 Voll ist größer als der Ansteuerungsbereich des bekannten Verstärkers nach Fig. 1 und reicht außerdem tiefer als das bei 0 Volt liegende Spannungsniveau der negativen Schiene. Der Transkonduktanzverstärker 93 folgt Eingangssignalen innerhalb dieses gesamten Bereichs in linearer Weise.

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 Ausgangsklemme 153 auch ein Eintakt-Ausgangssignal.

Der Transkonduktanzverstärker 93 muß nicht auf den Fall einer positiven Versorgungs- oder Schienenspannung von +1,2 Volt beschränkt sein. Es können auch Schienenspannungen von mehr als +36 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 Aussteuerungsbereich. Wenn die Spannung der positiven Schiene auf mehr als +1,2 Voll erhöht wird oder wenn die negative Schiene an ein negatives Potential angeschlossen wird, dann erhöhl sich der Bereich möglicher Gleichtakt-Eingangssignale am Verstärker.

Der Transkonduktanzverstärker 93 kann auch dann arbeiten, wenn die Spannungen zwischen den Schienen 119 und 127 so niedrig ist wie der Wert 1 V/,_c + Vsai (Spannung an einer Kollektor-Emitter-Strecke während der Sättigung), der von der Geometrie, der Größe, dem

Material usw. der jeweils verwendeten Transistoren abhängt und im typischen Fall insgesamt 0,8 Volt betragen kann. Bei niedrigeren Versorgungsspannungen schrumpft der Gleichtakt-Eingangssignalbereich des Verstärkers zusammen.

Der Transkonduktanzverstärker 93 bewahrt die Strombemessungseigenschaften der klassischen OTA-Konfigurationen, und seine Temperaturabhängigkeit kann in praktischen Grenzen gehalten werden. Dadurch, daß man die erste Ausführungsform der Erfindung der Schaltung des Transkonduktanzverstärkers beifügt, wird weder das Hochspannungsverhalten des Verstärkers 93 beeinträchtigt, noch werden zusätzliche Offsetspannungen erzeugt. Eine komplementäre Ausführungsform des Transkonduktanzverstärkers 93, d. h. ein npn-Transkonduktanzverstärker, ist ebenfalls praktikabel.

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

Die Ausführungsform nach F i g. 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 jeweils eine Stromsenke 225 bzw. 227. Die Eingangsklemmen 231 und 233 befinden sich an den Basiselektroden der npn-Transistoren 221 und 223.

Der durchgezogen gezeichnete Teil der F i g. 3 enthält zwei npn-Transistoren 233 und 237, zwei Dioden 239 und 241, einen Widerstand 245, eine Schottky-Diode 247 und eine normale Diode 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 Fig.2. Die Basiselektroden der npn-Transistoren 235 und 237 sind an den Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 245 und der Anode der Schottky-Diode 247 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-Transistoren 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 getrennt mit den Basiselektroden der pnp-Transistoren 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 S den Kollektoren der npn-Transistoren 237 und 235 verbunden.

Im Betrieb des durchgezogen gezeichneten Teils der Spannungsfolgerschaltung nach F i g. 3 hat die Spannung zwischen der Ausgangsklemme 255 und der

ίο 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 0 reguliert, jedoch kann eine solche Regelung nur über einen begrenzten Bereich von Amplituden des Eingangssignals aufrechterhalten werden. Für die Ausgangsstufe des Verstärkers 249 ist dieser Amplitudenbereich gewöhnlich so begrenzt, daß er der positiven Schiene 219 oder der negativen Schiene 229 nicht näher kommt als Vsat (Sättigungsspannung 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 Vsat und höher liegen, als die Spannung — Vder negati /en Schiene 229 puls Vsat.

Es sei angenommen, daß die positive Schiene 119 mit einer Spannungsquelle von +1,2 Volt und die negative Schiene 229 mit Masse verbunden ist. In der Spannungsfolger-Betriebsweise kann die Eingangsspannung eine —0,3 Volt nahe kommende Amplitude unterhalb des Niveaus der negativen Schiene 229 erreichen, wenn die an die Basiselektroden der npn-Transistoren 235 und 237 gelegte Vorspannung + 0,9 Volt beträgt (wie es bei dem pnp-Transkonduktanzverstärker nach F i g. 2 der Fall war). Ein solcher Amplitudenausschlag der Eingangsspannung kann zu unerwünschten Effekten im Betrieb des als Spannungsfolger ausgelegten Verstärkers führen.

Beispielsweise sei angenommen, daß die Amplitude der Eingangsspannung von einem positiven Wert in Richtung des Massepotentiais 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 249 seine minimale Abgangsamplitude bei 0 Volt Eingangsspannung erreichi hat, dann ist er in einem Ausgangszustand »niedrig« oder »0« gesättigt. Wenn

so 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-Transistor 223 sowohl wegen der höheren Spannung an seiner Basis als auch wegen der entsprechend

5b höheren Leitfähigkeit des pnp-Transistors 221 keinen Strom leitet. Somit ist der npn-Transistor 235 in einem Zustand hoher Leitfähigkeit, um die Stromnachfrage der Stromsenke 227 zu befriedigen, und der npn-Transistor 237 ist nichtleitend, weil der pnp-Transistor 221 allen von der Stromsenke 225 verlangten Strom liefert. Auch die Diode 239 leitet einen hohen Strombetrag, während die Diode 241 nichtleitend ist.

Wenn in der Spannungsfolger-Betriebsweise die Amplitude des Eingangssignals unter das Spannungsniveau der negativen Schiene 229 fällt, ist es wünschenswert, die Nullamplitude bzw. die »niedrige« Polarität des von der nun gesättigten Ausgangsstufe 249 kommenden Ausgangssignals aufrechtzuerhalten, d. h.

den obenerwähnten Zustand des Verstärkers für ein unterhalb des Niveaus der negativen Schiene 229 liegendes Eingangssignal. Dies ist nicht möglich, wenn die Amplitude des Eingangssignals tiefer als etwa —0,3 Volt fällt, denn bei diesem Punkt wird der Kollektor-Basis-Übergang 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 241, die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 237, die Kollektor-Basis-Strecke des Transistors 221 und die Quellimpedanz des Eingangssignals enthält. Die Diode 241 ist von einem nichtleitenden in einen relativ gut leitenden Zustand übergegangen und kann mehr Strom leiten als die Diode 239. Wenn dies eintritt, dann schlägt der Ausgang der Ausgangsstufe 249 aus einem Zustand »niedrig« in einen Zustand »hoch« um. Anders ausgedrückt: die Ausgangsstufe 249 ändert ihren Ausgangszustand wegen der relativen Änderung in der Amplitude der auf die Eingangsklemmen 251 und 253 der Ausgangsstufe 249 gegebenen Eingangssignale, denn die Amplitude der Spannung an der Eingangsklemme 253 ist nun niedriger als die Amplitude der Spannung an der Klemme 251.

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 Eingangssignal 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 Ausgangsverstärkerstufe 249 entweder nichtinvertierend 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 die Übersteuerungs-Schutzschaltung für jede Seite des Verstäikers vorgesehen sein sollte.

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

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Differenzverstärker mit großem Spannungshub mit einer ersten und einer zweiten Versorgungsklemme zum Anschalten einer Versorgungsspannungsquelle; einem ersten und einem zweiten Transistor, deren Emitter zusammengekoppelt sind und deren Basen die Eingangssignale zugeführt werden; 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 Stromquelleiischaltung (133,135,141,139,137 in F i g. 2; 235, 237, 243, 247, 245 in Fig.3) angeschlossen ist, welche diese Kollektoren bei innerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegenden Eingangssignalen auf einem im wesentlichen festen Spannungsniveau hält, welches zwischen den Spannungsniveaus der ersten und der zweiten Versorgungsklemme (119, 127 oder 221, 229) liegt.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Stromquellenschaltung einen ersten und einen zweiten Halbleiterübergang (Basis-Emitter-Übergänge 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 Schottky-Diode 139 oder 247) angeordnet sind.

3. 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 237,235) 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 Leitungstyp sind.

4. Verstärker nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Punkt festen Potentials ein Punkt eines zwischen die erste und die zweite Versorgungsklemme (119, 127 oder 219, 229) geschalteten Spannungsteilers (137, 139, 141 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 Konstantstromschaltung (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 gleich dem von der dritten Konstantstromschaltung (131 oder 227) geleiteten Strom liegt.

Die Erfindung bezieht sich auf Differenzverstärker und ist besonders geeignet zur Verwendung in Transkonduktanzverstärkern, wie sie unter der Kurzbezeichnung OTA bekanntgeworden sind. Derartige Verstärker unterscheiden sich von üblichen Operationsverstärkern hauptsächlich dadurch, daß sie eine hohe Ausgangsimpedanz (statt einer niedrigen) aufweisen und daß ihr Ausgangsstrom proportional der Spannungsdifferenz an den Differenzeingängen ist. Die

ίο Bezeichnung Transkonduktanzverstärker kommt daher, weil die Transkondutanz (Steilheit g_m) durch das Verhältnis der Ausgangsstromänderung zu Eingangsspannungsänderungen definiert ist (g_m = Ai₀IAe). Beispiele handelsüblicher Transkonduktanzverstärker sind in der RCA Application Note ICAN 6668 vom 3. März 1972 von H.A. Witt linger unter dem Titel »Application of the CA3080 and CA3080A High-Performance Operational Transconductance Amplifier« beschrieben worden.

Bekannte in integrierter Schaltungstechnik ausgeführte Differenztialverstärker mit derartigen Transkonduktanzverstärkern zeigen Mangel, wenn sie mit sehr niedrigen Versorgungsspannungen betrieben werden, beispielsweise in der Höhe des 2fachen Werts der Basis-Emitter-Durchlaßspannung (V_be) eines bipolaren Transistors. Bei derart niedrigen Versorgungsspannungen können die bekannten Verstärker nicht ohne weiteres Eingangssignalen folgen, deren Amplituden bis zur Spannung der negativen Schiene oder darunter oder bis zur Spannung der positiven Schiene oder darüber reichen. Wenn man andererseits 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 Schaltungen, mit welchen diese Mängel und eine Anzahl anderer Nachteile bekannter Schaltungen überwunden werden. Die Erfindung wird nachstehend ausführlich anhand von Zeichnungen erläutert.

F i g. 1 zeigt das Schaltbild eines bekannten Differentialverstärkers mit pnp-Transistoren, der als Transkonduktanzverstärker ausgebildet ist;

F i g. 2 ist das Schaltbild eines Transkonduktanzverstärkers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; F i g. 3 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild eines rückgekoppelten Verstärkers gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

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

Der in F i g. 1 gezeigte bekannte pnp-Verstärker 47 vom Transkondutanz-Typ (OTA) enthält eine Stromquelle 49 zur Stromversorgung eines pnp-Differentialverstärkers 51, eine Stromsenke 53 sowie eine Ausgangsstufe 55.

Die Stromquelle 49 ist ein pnp-Stromspiegel 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 wesentlichen gleich großer Strom über die Emitter-Kollektor-Strecke des pnp-

(j5 Transistors 57. Der Betrag des vom Stromspiegel zum pnp-Differentialverstärker 51 fließenden Stroms und die Impedanz am Knotenpunkt 91 bestimmen den Verstärkungsfaktor desTranskonduktanzverstärkers 47.