DE2660312C3

DE2660312C3 - Spannungsgesteuerter Verstärker, der ausschließlich mit NPN-Transistoren bestückt ist

Info

Publication number: DE2660312C3
Application number: DE2660312A
Authority: DE
Inventors: Masayuki Yokohama Katakura
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1975-10-08
Filing date: 1976-10-08
Publication date: 1981-07-02
Also published as: DE2645619A1; DE2645619B2; US4091295A; DE2645619C3; DE2660312B1

Description

Die Erfindung betrifft einen, spannungsgesteuerten Verstärker nach dem Oberbegriff der Patentansprüche.

Ein solcher Verstärker ist aus der US-PS 37 89 143 bekannt Bei der bekannten Schaltung sind sowohl NPN-Transistoren als auch PNP-Transistoren eingesetzt Es hat sich gezeigt, daß die PNP-Transistoren, etwa dadurch, daß ihre Grenzfrequenz weit niedriger als die der NPN-Transistoren liegt, die Leistung des Verstärkers insgesamt beeinträchtigen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen solchen spannungsgesteuerten Verstärker zu schaffen, bei dem aJle Transistorschaltungen nur NPN-Transistoren enthalten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 2 gelöst

Bei dem erfindungsgemäßen spannungsgesteuerten Verstärker sind die an sich benötigten PNP-Transistoren durch Ersatzschaltungen mit NPN-Transistoren ersetzt Auf diese Weise werden nur noch NPN-Transistoren benötigt, so daß sich bei Ausführung einer integrierten Schaltung, bei der alle NPN-Transistoren nahezu gleiche Eigenschaften besitzen, ein spannungsgesteuerter Verstärker mit äußerst stabiler Arbeitsweise ergibt

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

Fig. IA eine Nachbildung eines PNP-Transistors unter Verwendung eines NPN-Transistors,

Fig.IB das Ersatzschaltbild der Nachbildung von Fig. IA,

F i g. 2 eine Ausführungsform des spannungsgesteuerten Verstärkers gemäß der Erfindung und

F i g. 3 eine weitere Ausführungsform des spannungsgesteuerten Verstärken gemäß der Erfindung.

Gemäß Fi g. IA ist der Kollektor eines in Basisschaltung betriebenen NPN-Transis(ors Ii mit einer strominvertierenden Verstärkerschaltung (Strominverter) 12 verbunden. Der Strominverter 12 enthält einen Operationsverstärker 12a mit einem invertierenden Eingangsanschiuß, der mit dem Kollektor des NPN-Transistors 11 verbunden ist, einen ersten Widerstand 12/), der zwischen den Ausgangsanschlufl< und den invertierenden Eingangsanschluß des Verstärkers Ha geschaltet ist und einen zweiten Widerstand 12c, der zwischen den nicht-invertierenden Eingangsanschluß und den Ausgangsanschluß des Verstärkers 12a geschaltet ist. Fig. IB zeigt das Ersatzschaltbild der

Anordnung von Fig,JA in Form eines einfachen PNP-Transistors in Basisschaltung,

Unter Voraussetzung der in den Fig. IA und IB eingezeichneten Richtung der Spannungen und Ströme gelten die folgenden Gleichungen:

= — Is \ exp

V_aEs -

wobei

lcp = Kollektorstrom des PNP-Transistors UB
Ic_n = Kollektorstrom des NPN-Transistors 11
Vbep = Basis-Emitterspannung des PNP-Transistors

UB
Vben = Basis-Emitterspannung des NPN-Transistors 11.

Unter der Annahme Vben— — Vbep stellt dtr Koliektorstrom I_a- des NPN-Transistors eine reine Inversion des Kollektorstroms lcp des PNP-Transistors dar. Deshalb wird eine Phaseninversion des Stromes durch die strominvertierende Schaltung 12 bewirkt, die die Widerstände 126 und 12c und den Operationsverstärker 12a enthält Da bei einer tatsächlichen Schaltung der Ausgangsanschluß 13 mit einer Impedanz verbunden ist, ist die positive Rückkopplung zum nichtinvertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 12a stets kleiner als die negative Rückkopplung zum invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 12a und der Operationsverstärker 12a arbeitet stets als Verstärker mit negativer Rückkopplung. Aus diesem Grund tritt zwischen dem invertierenden Eingangsanschluß und dem nichtinvertierenden Eingangsanschluß des Verstärkers 12a keine geringe Fehlerspannung auf. Wenn in Fig. IA die Widerstände 126und 12ceinander gleich sind, werden sie im wesentlichen vom gleichen Strom durchflossen, so daß gilt

JQ ^^s ™~ *cn ⁵^ *Cip

Folglich arbeitet die Transistorschaltung nach Fig. IA äquivalent zu einem PNP-Transistor. Falls die Verstärkung der strominvertierenden Verstärkerschaltung 12 weitgehend »eins« ist, wird die Stromverstärkung der gesamten Scha Hung nach Fig. IA »eios«, da die Stromverstärkung eines Basis-geerdeten Transistors im wesentlichen nahe an »eins« liegt Falls die Stromverstärkung der den Strom invertierenden Verstärkerschaltung 12 zu ICO gewählt wird, arbeitet die Schaltung nach F ί g. 1A equivalent einem Emitter-geerdeten PNP-Transistor, bei dem der Stromverstärkungs-Faktor AFf-100 ist

Fig,2 zeigt einen spatinungsgesteuerten Verstärker gemäß der Erfindung, der von der Nachbildung gemäß F i g. 1A Gebrauch macht.

Gemäß F i g. 2 ist ein Eingangsanschluß 31 Ober einen Widerstand 32 mit dem nicht-invertierenden Eingangs· anschiuß eines ersten Operationsverstärkers 33 verbunden. Der invertierende Eingangsanschluß des ersten Operationsverstärkers 331 ist geerdet. Der Ausgang des Operationsverstärkers 33 ist über eine erste Gleichspannungsquelle 34 an die Basis von NPN-Transistoren 35 und 36 und über eine zweite Gleichspannungsquelle 37 an den Emitter voti NPN-Transistoren 38 und 39 angeschlossen. Eine Diode 40 ist zwischen die Basis und den Emitter des Transistors 35, eine Diode 41 zwischen die Basis und den Emitter des Transistors 36 geschaltet

Der Emitter des Transistors 35 ist zusammen mit der Basis des Transistors 39 mit einem Steueranschluß 42 und der Emitter des Transistors 36 zusammen mit der Basis des Transistors 38 mit einem Steueranschluß 43 verbunden. Zwischen den Steueranschlüssen 42 und 43 wird ein Steuersignal V_c angelegt Bei dieser Schaltungsanordnung ist zusätzlich zu einem Steuersignal eine

ίο Vorspannung wenigstens eine synchronisierende Signalkomponente, die etwas negativ ist, erforderlich. Ansonsten wird die Kollektor-Emitter-Spannung der Transistoren null, und es wird keine normale Arbeitsweise bewirkt Dieses Problem läßt sich erledigen durch ein Vorspannungspotential am nichtinvertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 33 und des vierten Operationsverstärkers 50, das etwas positiver als Erdpotential ist In diesem Fall kann den Steueranschlüssen 42 und 43 eine gleichphasige Spannung mit Null-Pegel zugeführt werden, oder es kann eine Steuerspannung an einen der Steueranschlüsse 42 und 43 angelegt werden, während der andere Steueranschluß geerdet wird. Der Kollektor des Transistors 38 ist mit dem invertierenden Eingangsan-Schluß eines zweiten Operationsverstärkers 44 verbunden, und ein Widerstand 45 ist zwischen den Ausgangsanschluß und den invertierenden Eingangsanschluß des zweiten Operationsverstärkers 44 geschaltet Der Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 44 ist zum nichtinvertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 44 über einen Widerstand 46 zurückgekoppelt, und dieser mit dem nichtinvertierenden Anschluß des Operationsverstärkers 33 sowie dem Kollektor des Transistors 35 verbunden. Der Kollektor des Transistors 39 steht mit dem invertierenden Eingangsanschluß eines dritten Operationsverstärkers 47 in Verbindung. Zwischen den Ausgangsanschluß und den nichtinvertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 47 ist ein Widerstand 48 geschaltet und zwischen den invertierenden Eingangsanschluß und den AuigangsanschluB des Operationsverstärkers 47 ein Widerstand 49. Der nichtinvertiercnde Anschluß des Verstärkers 47 ist mit dem Kollektor des Transistors 36 und mit dem invertierenden Eingangsanschluß des vierten Operationsverstärkers verbunden. Der i/ichtinvertierende Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 50 ist geerdet, und der Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 50 ist über einen Widerstand 51 zum invertierenden Eingangsanschluß zurückgekoppelt

so Wenn dem Eingangsanschluß 31 ein Eingangssignal ei zugeführt wird, erscheint am Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 50 eine Ausgangsspannung et». Bei der Schaltungsanordnung nach Fig.2 bildet der Operationsverstärker 44 mit den Widerständen 45 und 46 einen ersten Strominverter 53, und die Kombinationsschaltung aus Stroininvefter 53 und NPN-Trafisistor 38 arbeitet als erster äquivalenter PNP-Transistor. Gleicherweise bildet der Operationsverstärker 47 mit den Widerstandes 48 und 49 einen zweiten Strotninver·

eo ter 54, und die Kombinationsschaltung aus Strominverter 54 und NPN-Transistor 39 arbeitet als zweiter äquivalenter PNP-Transistor.

Gemäß F i g. 2 wird die Phase der Spannung Vbe zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors 35 durch die Umkehrjig der Emitter-Basis-Verbindung der Transistoren 35 und 38 umgekehrt. Das heißt, es wird an die Basis des Transistors 38 über den Anschluß 43 eine SteuersDannung angelegt und das Ausgangssi-

gnal des Operationsverstärkers 33 dem Emitter des Transistors 38 zugeführt, während gleichzeitig das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 33 der Basis des Transistors 35 zugeführt wird und über den Anschluß 42 an den Emitter des Transistors 35 ein Steuersignal angelegt wird. Vorzugsweise ist die Ausgangsimpedanz des Operationsverstärkers 33 von der Arbeitsweise der Schaltung nach F i g. 2 aus betrachtet hoch. In diesem Fall weisen die Transistoren 35 und 36 eine extrem höhere Arbeitsimpedanz als die Transistoren 38 und 39 auf, und um einen Ausgleich der Impedanzen zu erhalten, sind die Dioden 40 und 41 vorgesehen. Da als Dioden 40 und 41 üblicherweise der Basis-Kollektor-Weg eines Transistors benutzt wird, der die gleiche Charakteristik wie die Transistoren 35 und 36 aufweist, wird der Stromverstärkungsfaktor der Transistoren 35 und 36 scheinbar »eins». Eine Verstärkungssteuer-Spannung V_c beaufschlagt den Emitier der Transistoren 35 und 36, und es isi deshalb erforderlich, für diese Spannung eine Spannungsquelle mit einer ausreichend niedrigen Impedanz zu verwenden. Als eine solche Spannungsquelle kann ein gegengekoppelter Verstärker dienen. Gemäß der Erfindung wird die Kombination aus dem NPN-Transistor und dem Strominverter, die äquivalent einem PNP-Transistor arbeitet, bei einem spannungsgesteuerten Verstärker etwa einer dbx- Rauschunterdrückungsvorrichtung ohne Verwendung eines lateralen PNP-Transistors eingesetzt. Bei dem spannungsgesteuerten Verstärker kann damit eine Beeinträchtigung der Charakteristik als Folge der schlechten Eigenschaften eines lateralen PNP-Transistors vermieden werden, und sie kann in Form einer integrierten Schaltung aufgebaut werden, wodurch in einfacher Weise eine Einheitlichkeit der Eigenschaften der Schaltungselemente ebenso wie der thermischen Kopplung erzielbar ist. Als Folge hiervon ist es möglich, durch eine Verzerrung höherer Harmonischer verursachte Leistungseinbußen zu vermeiden.

Es wird nun anhand von F i g. 3 eine weitere Ausführungsform eines spannungsgesteuerten Verstärkers der Erfindung beschrieben.

Bei der Schaltung nach F i g. 3 wird einem Eingangsanschluß 61 ein Eingangssignal ei zugeführt, das dann über einen Widerstand 62 an den invertierenden Eingangsanschluß eines ersten Operationsverstärkers 63 gelangt. Der nichtinvertierende Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 63 ist geerdet. Der Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 63 ist zum invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 63 über einen Widerstand 64 zurückgekoppelt. Der Ausgang der Operationsverstärker 63 ist über einen Widerstand 65 mit dem invertierenden Eingangsanschluß eines zweiten Operationsverstärkers verbunden. Der nichtinvertierende Eingangsanschluß des zweiten Operationsverstärkers 66 ist geerdet. Der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 66 ist über eine Gleichspannungsquelle 67 an die Basis der NPN-Transistoren 68 und 69 und über eine Gleichspannungsquelle 70 an den Emitter der NPN-Transistoren 71 und 72 angeschlossen. Zwischen den Emitter und die Basis des Transistors 68 ist eine Diode 81 und zwischen den Emitter und die Basis des Transistors 69 eine Diode 82 geschaltet. Der Emitter des Transistors 68 ist mit der Basis des Transistors 72 sowie mit einem Steueranschluß 73 verbunden. Der Emitter des Transistors 69 steht mit der Basis des Transistors 71 und mit einem Steueranschluß 74 in Verbindung. Der Kollektor des Transistors öe isi mit dem invenierenden Eingangsanschluß des ersten Operationsverstärkers 63 und der Kollektor des Transistors 71 mit dem invertierenden Eingangsanschluß des zweiten Operationsverstärkers verbunden. Der Kollektor des Transistors 69 steht mit dem invertierenden Eingangsanschluß eines dritten Operationsverstärkers 75 in Verbindung und der nichtinvertierende Eingangsanschluß dieses dritten Operationsverstärkers 75 ist geerdet. Der Ausgangsanschluß (Ka dritten Operationsverstärkers 75 ist zum invertierenden Eingangsanschluß des gleichen Operationsverstärkers 75 über einen Widerstand 76 zuriickgekoppelt. Der Ausgangsanschluß des dritten Operationsverstärkers 75 ist über einen Widerstand 77 an den Kollektor des Transistors 72 und an den invertierenden Eingangsanschluß eines vierten Operationsverstärkers 78 angeschlossen. Der nichtinvertierende Eingangsanschluß des vierten Operationsverstärkers ist geerdet, und der Ausgangsanschluß des vierten Operationsverstärkers ist zum invertierenden Eingangsanschluß des vierten Operationsverstärkers über einen Widerstand 80 zurückgekoppelL

Wenn dem Eingangsanschluß 61 des spannungsgesteuerten Verstärkers nach F i e. 3 ein Eingangssignal ei zugeführt wird, wird am Ausgangsanschluß 79 ein Ausgangssignal eo geliefert, das dem Eingangssignal entspricht Selbst wenn also, wie bei F i g. 3. das Eingangssignal dem invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers, der mit dem Kollektor des NPN-Transistors 68 in Verbindung steht, das Eingangssignal zugeführt wird, wird der gleiche Effekt wie bei der ι Schaltung nach F i g. 2 erhalten.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Spannungsgesteuerter Verstärker umfassend einen eingangsseitigen und einen ausgangsseitigen Operationsverstärker, eine erste Transistorschaltung zwischen Eingang und Ausgang des eingangsseitigen Operationsverstärkers, eine zweite, einen NPN-Transistor einschließende Transistorschaltung zwischen Eingang und Ausgang des eingangsseitigen ι ο Operationsverstärkers sowie dritte und vierte Transistorschaltungen, von denen eine einen weiteren NPN-Transistor einschließt, zwischen dem Ausgang des eingangsseitigen Operationsverstärkers und dem Eingang des ausgangsseitigen Operationsverstärkers, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Transistorschaltung von einem ersten NPN-Transistor (35) gebildet ist, dessen Basis und Kollektor mit dem Ausgang bzw. dem Eingang des eingangsseitigen Operationsverstärkers (33) verbunden sind, während sein Emitter mit einem Anschluß (42) einer Steuersignalquelle verbunden ist und eine erste Diode (40) Basis und Emitter dieses Transistors verbindet, daß die zweite Transistorschaltung von einem zweiten NPN-Transistor (38) gebildet ist, dessen Emitter und Basis mit dem Ausgang des eingangsseitigen Operationsverstärkers (33) bzw. dem anderen Anschluß (43) der Steuerspannungsquelle verbunden sind, während ein erster Strominverter (53) den Kollektor des zweiten jo NPN-Transbtors (38) mit dem Eingang des eingangsseitigen Operationsverstärkers (33) verbindet, daß die dritte Transistorschaltung von einem dritten NPN-Transistor (36) gebildet ist, dessen Basis und Kollektor mit dem Ausgang üus eingangsseitigen Operationsverstärkers (33) bzw. dem Eingang des ausgangsseitigen Operationsverstärkers (50) verbunden sind, während sein Emitter mit dem anderen Anschluß (43) der Steuerspannungsquelle verbunden ist und eine zweite Diode (41) zwischen Basis und -to Emitter dieses Transistors geschaltet ist, und daß die vierte Transistorschaltung von einem vierten NPN-Transistor (39) gebildet ist, dessen Emitter und Basis mit dem Ausgang des eingangsseitigen Operationsverstärkers (33) bzw. dem einen Anschluß (42) der Steuerspannungsquelle verbunden sind, während ein zweiter Strominverter (54) den Kollektor des vierten NPN-Transistors (39) mit dem Eingang des ausgangsseitigen Operationsverstärkers (50) verbindet,

2. Spannungsgesteuerter Verstärker nach dem » Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Transistorschaltung von eitlem ersten NPN-Transistor (68) gebildet ist, dessen Basis und Emitter mit dem Ausgang des eingangsseitigen Operationsverstärkers (66) bzw. einem Anschluß (73) gitter Steuerspannungsquelle verbunden sind, während eine erste Diode zwischen Basis und Emitter dieses Transistors geschaltet ist und ein erster Strominverter (63) den Kollektor dieses ersten NPN-Transistors (68) mit dem Eingang des m> eingangsseitigen Operationsverstärkers (66) verbindet, daß die zweite Transistorschaltung von einem zweiten NPN-Transistor (7) gebildet ist, dessen Kollektor, Emitter und Basis mit dem Eingang des eingangsseitigen Operationsverstärkers (66), mit f>"· dessen Ausgang bzw. mit dem anderen Anschluß (74) der Steuerspannungsquelle verbunden sind, daß die dritte Transistorschaltung von einem dritten NPN-Transistor (69) gebildet ist, dessen Basis und Emitter mit dem Ausgang des eingangsseitigen Operationsverstärkers (66) bzw, dem anderen Anschluß (74) der Steuerspannungsquelle verbunden sind, während eine zweite Diode (82) zwischen Basis und Emitter dieses Transistors geschaltet ist und ein zweiter Strominverter (75) seinen Kollektor mit dem Eingang des ausgangsseitigen Operationsverstärkers (78) verbindet, -und daß die vierte Transistorschaltung von einem vierten NPN-Transistor (72) gebildet ist, dessen Eminer, Kollektor und Basis nut dem Ausgang des eingangsseitigen Operationsverstärkers (66), dem Eingang des ausgangsseitigen Operationsverstärkers (78) bzw. dem einen Anschluß (73) der Steuerspannungsquelle verbunden sind.