DE2821942B2 - Verstärkerschaltung mit einer Anzahl von miteinander in Kaskade geschalteten Differentialverstärkerstufen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eice Verstärkerschaltung mit einer Anzahl von miteinander in Kaskade geschalteter Differentialverstärkerstufen, die jeweils ein erstes und ein zweites Verstärkerelement aufweisen, das seinerseits eine Steuerelektrode sowie eine erste und eine zweite Elektrode aufweist, wobei die ersten Elektroden aller Verstärkerelemente mit einer ersten Stromquelle und die zweiten Elektroden aller Verstärkerelemente über zugeordnete Konstant-Stromelemente mit einer zweiten Stromquelle verbunden sind, wobei die letzte Verstärkerstufe ein Ausgangssignal abgibt, die Steuerelektrode des ersten Verstärkerelements der ersten Verstärkerstufe ein Eingangssignal empfängt und wobei vom Augang der letzten Verstärkerstufe auf den Eingang der ersten Verstärkerstufe eine Gegenkopplungsschleife geführt ist und die Steuerelektrode des zweiten Verstärkerelements der ersten Verstärkerstufe wechselstrommäßig geerdet ist

In jüngster Zeit werden die Zwischenverstärkerschaltungen von Rundfunkempfängern immer häufiger als integrierte Schaltungen oder Schaltkreise ausgebildet in die im allgemeinen ein Differentialverstärker einbezogen ist. Dabei ist es von größter Wichtigkeit, die Zahl der Klemmen oder Anschlüsse für den Außenanschluß des Differentialverstärkers möglichst klein zu halten und die in den Differentialverstärker eintretenden Rausch- oder Störsignale möglichst stark zu unterdrücken. Eine Verkleinerung der Zahl der Außenanschlüsse ermöglicht eine gedrängte Bauweise unter Senkung der Fertigungskosten, während durch eine Störsignalunterdrückung der Betrieb des Differentialverstärkers stabilisiert wird. Die Störsignale stammen dabei von den Stromversorgungs- oder Masseleitungen her. Zum besseren Verständnis der Erfindung sind zunächst anhand der F i g. 1 und 2 typische bisherige Differentialverstärker beschrieben, wie sie aus der Zeitschrift von Telefunken »Integrated Circuit 1976« und der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 59510/77 bekannt sind. Der Differentialverstärker gemäß Fig. 1 umfaßt vier in Kaskade geschaltete Diflerentialverstärkereinheiten mit jeweils zwei Ausgängen (bzw. Doppelendeinheit), wobei die Einheiten der jeweiligen Stufen Transistoren Q1 und Q 2, ζ) 3 und Q 4, Q 5 und Q 6 bzw. Q 7 und ζ>8 aufweisen. Der Kollektor jedes Transistors ist über einen Widerstand an eine Leitung einer ersten Stromquelle Vcc angeschlossen, während die Emitter der Transistoren über zugeordnete Konstantstromelemente in Form eines Widerstands oder eines Transistors gemeinsam an eine Leitung einer zweiten Stromquelle Vb: angeschlossen sind. Die Basis des Transistors Q1 wird über einen Kondensator und eine Außenklemme 1 mit einem Eingangssignal beschickt, während die Basis des Transistors Q2 (wechselspannungsmäßig) über einen Kondensator und eine äußere Masseklemme 2 an Masse liegt. Der Ausgang des Transistors Q7 ist über einen Widerstand, der (wechselspannungsmäßig) über einen Kondensator und eine Außenklemme 3 an Masse liegt, zur Basis des Transistors Q 1 rückgekoppelt. Der Ausgang des Transistors QS ist zur Basis des Transistors Q 2 rückgekoppelt. Der Differential verstärker gemäß Fig. 1 ist insofern vorteilhaft, als sein

Verstärkungsgrad hoch ist und die über die Stromversorgungsleitungen, die mit den Stromquellen Vcc und Κ« verbunden sind, in den Verstärker eingeführten Störsignale verhältnismäßig klein bzw, schwach sind. Andererseits sind dabei neben den beiden Stromquellenklemmen oder -anschlössen drei weitere Klemmen 1, 2 und 3 erforderlich.

Bei einem anderen, in F i g. 2 dargestellten bisherigen Differentialverstärker bilden paarweise angeordnete Transistoren <?11 und <?U (?13 und Q14, (?15 und to Q16 sowie Q17 und <? 18 jeweils Differentialverstärkereinheiten die einen Ausgang aufweisen bzw. einen einzigen Ausgangsanschluß aufweisen. Die Basiselektroden der Transistoren Q12, Q 14,<? 16 und Q18 sind zur Aufnahme einer Rückkopplung des Ausgangs des Transistors Q18 zusammengeschaltet Die Emitter jedes Transistorpaares sind über zugeordnete, als Konstantstromelemente dienende Widerstände gemeinsam an die Leitung der zweiten Stromquelle V_EE angeschlossen. Die Basis des Transistors Q11 wird über 21« einen Kondensator und eine Außenklemme H mit einem Eingangssignal beschickt, während die Basis des Transistors Q12 (wechselspannungsmäßig) über einen Kondensator CH und eine Außenklemme an Masse gelegt ist Die Anordnung nach Fig.2 ist derjenigen _> > gemäß F i g. 1 darin überlegen, daß die Zahl der Klemmen für den Außenanschluß um eine Klemme kleiner ist Da es sich jedoch um Eintakt-Verstärkereinheiten handelt beträgt Spannungsgewinn oder -verstärkungsgrad jeder Einheit bei gleichem Arbeitsstrom _J() etwa die Hälfte (-6 dB) desjenigen der Verstärlcereinheit gemäß F i g. 1. Um denselben Verstärkungsgrad wie beim Verstärker gemäß F i g. I zu erreichen, muß daher entweder die Zahl der Verstärkereinheiten bzw. -stufen verdoppelt oder der Arbeitsstrom auf das Doppelte des π Stroms bei der Vorrichtung nach F i g. 1 erhöht werden. Beim Schaltungsaufbau nach Fig.2 wird einer der Eingangs-Bezugsmassepunkte der zweiten Stufe durch die Stromquelle V_[( (d.h. den Bezugspunkt des Kollektorwiderstands des Transistors Q\2) gebildet, während der andere Bezugsmassepunkt der äußere Massepunkt (Massepunkt eines an die Klemme 12 angeschlossenen Kondensators CH) eines mit dieser Verstärkerschaltung ausgestatteten integrierten Schaltkreise ist, so daß es unmöglich ist, die an den 4-, Stromquellenleitungen im integrierten Schaltkreis auftretenden Störsignale an einem Eintritt in den Differentialverstärker zu hindern. Insbesondere dann, wenn ein Zwischenfrequenzverstärker für die Amplitudenmodulation (AM) als integrierter Schaltkreis ausge- ,,> bildet wird und der Differentialverstärker sowie ein Empfangs- oder Überlagerungsoszillator auf demselben Chip vorgesehen werden, kann das Ausgangssignal dieses Oszillators leicht in den Differentialverstärker eintreten, wodurch die Empfangsempfindlichkeit verrin- γ, gert oder ein Ausschlag des Zeigers eines Abstimmeters auch beim Fehlen eines Empfangssignals hervorgerufen wird.

Aus der US-PS 30 46 487 ist schließlich ein direkt gekoppelter Gleichstromdifferentialverstärker zur Ver- t>o Stärkung von sehr niedrigen Signalpegeln bekannt. Die Verstärkerschaltung ist hinsichtlich einer Drift verbessert und besitzt auch eine verbesserte Linearität und ein entsprechendes Frequenzansprechverhalten. Die Gleichstromdifferentialverstärkerschaltung umfaßt vier _h-, direkt gekoppelte Differentialverstärkerstufen mit einem hoch impedanten Eingangsanschluß und einem niederimpedanten abgeglichenen Ausgang, der von einer von zwei Ausgangsklemmen abgegriffen werden kann. Die Verstärkerschaltung ist thermisch kompensiert so daß die Drift dieser bekannten Verstärkerschaltung sehr gering gehalten ist

Demgegenüber besteht die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe darin, eine Verstärkerschaltung der eingangs definierten Art zu schaffen, bei der die Zahl der Klemmen für den Außenanschluß verringert ist und gleichzeitig die in die Verstärkerschaltung eintretenden Störsignale verringert werden, wobei die Verstärkerschaltung in integrierter Schaltungstechnik ausführbar sein soll.

Ausgehend von der Verstärkerschaltung der eingangs definierten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die ungeradzahligen Verstärkerstufen, mit Ausnahme der letzten, einen Gegentaktausgang besitzen und die geradzahligen Verstärkerstufen, mit Ausnahme der letzten, einen Eintaktausgang aufweisen, während die letzte Verstärkerstufe entweder einen Gegentakt- oder einen Eintaktausgang besitzt daß jeweils eine Steuerelektrode mindestens eines Verstärkerelements einer nachgeschalteten Verstärkerstufe, inklusive der letzten Verstärkerstufe, mit einem Ausgang einer vorgeschalteten Verstärkerstufe verbunden ist, daß die Gegenkopplungsschleife vom Ausgang der letzten Verstärkerstufe auf die Steuerelektroden der jeweiligen zweiten Verstärkerelemente aller ungeradzahligen Verstärkerstufen geführt ist und daß die Steuerelektrode des ersten Verstärkerelements der ersten Verstärkerstufe mit der Steuerelektrode des zweiten Verstärkerelements der ersten Verstärkerstufe über eine Impedanz verbunden ist.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben dich aus den Ansprüchen 2 bis 4.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnungen und im Vergleich zum Stand der Technik näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 und 2 Schaltbilder typischer Beispiele für bisherige Differentialverstärker,

F i g. 3 und 4 Schaltbilder zweier Ausführungsformen erfindungsgemäßer Differentialverstärker mit jeweils einer geraden Zahl von Differentialverstärkereinheiten bzw.-stufen und

F i g. 5 und 6 Schaltbilder anderer Ausführungsformen der Erfindung mit jeweils einer ungeraden Zahl von Differentialverstärkereinheiten bzw. -stufen.

Die F i g. 1 und 2 sind eingangs bereits beschrieben worden.

Die Ausführungsform gemäß F i g. 3 umfaßt vier Stufen von Differentialverstärkereinheiten, die jeweils Transistorpaare Q2\, Q 22; ζ) 23, <?24; <?25, (P 26 und ζ) 27, Q2& aufweisen. Die Einheiten der ersten, dritten und vierten Stufe besitzen jeweils zwei Ausgänge bzw. sind vom Doppelend-Typ, während die zweite Einheit einen Ausgang aufweist bzw. vom Eintakt-Typ ist. Die Kollektoren der Transistoren Q2\. Q22, Q24, Q25, Q 26, <?27 und ζ) 28 sind mit einer Stromversorgungsleitung einer ersten Stromquelle über je einen Widerstand R 21, R 22, R 24, R 25, R 26, R 27 bzw. R 28 verbunden, während der Kollektor des Transistors C* 23 mit einer Stromversorgungsleitung einer ersten Stromquelle V(c- unmittelbar verbunden ist. Die Emitter der betreffenden Transistorpaare sind über Konstantstromelemente /fi. //Γ2, Ικι bzw. //Γ4 gemeinsam an die Stromversorgungsleitung der zweiten Stromquelle Vu angeschi'jSEen. Der Basis des Transistors ζ) 21 wird ein

Eingangssignal über eine Außenklemme 21 und einen Kondensator C21 aufgeprägt, während die Basis des Transistors ζ>22 (wechselspannungsmäßig) über eine Außenklemme 22 und einen Überbrückungskondensator C22 an Masse liegt. Zwischen die Klemmen 21 und 22 ist ein Widerstand R 32 eingeschaltet. Die Basis des Transistors Q 24 der zweiten Stufe wird mit dem Kollektorausgangssignal des Transistors Q 21 der ersten Stufe gespeist, während der Basis des Transistors Q 23 der zweiten Stufe das Kollektorausgangssignal des ι ο Transistors Q 22 der ersten Stufe zugeführt wird. Die Basis des Transistors (?25 der dritten Stufe wird mit dem Kollektorausgangsignal des Transistors <?24 der zweiten Stufe beschickt. Der Basis des Transistors Q 27 der ketzten Stufe wird das Kollektorausgangssignal des Transistors Q2b der dritten Stufe zugeführt, während an der Basis des Transistors QW der letzten Stufe das Kollektorausgangssignal des Transistors Q 25 der dritten Stufe anliegt. Ein Ausgangssignal wird zwischen den Kollektoren der Transistoren <?27 und Q2& der letzten Stufe abgenommen. Der Kollektorausgang des Transistors Q 28 ist über einen Rückkopplungswiderstand R 31 zu den Basiselektroden der Transistoren Q22 und (?26 der ersten bzw. der dritten Stufe rückgekoppelt. Diese Rückkopplung erfolgt im allgemeinen zu den zweiten Transistoren der ungeradzahligen Stufen.

Wie aus F i g. 3 hervorgeht, sind zusätzlich zu den Stromversorgungsklemmen der Stromquellen Vor und V_EE nur zwei weitere Klemmen bzw. Anschlüsse 21 und 22 erforderlich. Dieser Differentialverstärker kann daher vorteilhaft als integrierter Schaltkreis ausgebildet werden. Da zwei Transistoren der zweiten und der vierten Stufe mit den Ausgangssignalen der vorgeschalteten Stufen gespeist werden, kann der Spannungsgewinn bzw. -verstärkungsgrad im Vergleich zum Differentialverstärker gemäß Fig.2 erhöht werden. Außerdem kann dabei effektiv der Eintritt von an den Stromversorgungsleitungen liegenden Störsignalen in den Differentialverstärker verhindert werden. Insbesondere sind dabei die Differentialverstärkereinheiten von erster und zweiter Stufe so ausgebildet, daß sie durch die im integrierten Schaltkreis entstehenden Störsignale nicht beeinflußt werden. Der Grund hierfür ist folgender: Die Basis des ersten Transistors Q2\ der ersten Stufe ist mit der Eingangsklemme 21 verbunden. Weiterhin ist die Basis des zweiten Transistors Q 22 mit der Klemme 22 verbunden, die durch den Kondensator C22 auf dem äußeren Massepotential gehalten wird, so daß das Eindringen oder Eintreten der im integrierten Schaltkreis entstehenden Störsignale in den Differentialverstärker verhindert werden kann. Selbst wenn der Leitungsspannung der Stromquelle Vor überlagerte Störsignale über die Kollektorwiderstände Λ 21 und R 22 der ersten Stufe an die Basiselektroden von erstem und zweitem Transistor ζ) 23 bzw. Q 24 der zweiten Stufe angelegt werden, erscheinen die Störsignale nicht am Ausgang der zweiten Stufe, weil sie als phasengleiche Komponenten an die zweite Einheit angelegt werden. Obgleich die im integrierten Schaltkreis _ω entstehenden Störsignale in die Differentialverstärkereinheit der dritten Stufe eintreten, ist es deshalb, weil das Eingangssignal an erster und zweiter Stufe bereits mit ausreichend hohem Verstärkungsgrad verstärkt worden ist möglich, eine Verschlechterung bzw. Beeinträchtigung des Rauschabstands des Ausgangssignals der letzten Stufe zu vermeiden. Dies bedeutet daß der Differentialverstärker gemäß Fig.3 einen hohen praktischen Nutzwert besitzt.

Im folgenden sind die Bedingungen für die Stabilisierung der Schaltung nach F i g. 3 erläutert.

In der ersten Stufe ist es wesentlich, daß die beiden Transistoren Q21 und Q22 praktisch dieselben Eigenschaften bzw. Kennlinien und die Widerstände R 21 und R 22 dieselben Werte besitzen, während in der zweiten Stufe die Transistoren <?23 und Q 24 vorteilhaft dieselben Eigenschaften bzw. Kennlinien besitzen sollten. Wenn der Differentialverstärker als integrierter Schaltkreis ausgebildet wird, besteht kein Problem bezüglich einer starken Änderung des Verhältnisses der durch die beiden Transistoren Q 23 und Q 24 der zweiten Stufe fließenden Ströme. Bei einem üblichen integrierten Analogschaltkreis ist es einfach, die relative Fehierdifferenz in den Kollektorströmen der Transistoren Q2i und Q 22 innerhalb einei Toleranz von ±3% abzugleichen, weil der Spannungsabfall über den Rückkopplungswiderstand R32 prak tisch vernachlässigbar ist. Wenn die Spannungsabfälle der Kollektorwiderstände R 21 und R 22 jeweils 200 m\ betragen und der relative Fehler der Widerstandswerte der Widerstände R 21 und R 22 bei ±3% liegt (was siel bei gewöhnlichen integrierten Schaltkreisen ohne weiteres realisieren läßt), läßt sich der Unterschied bzw die Differenzgrenze Δ V_BE zwischen den Kollektorspan nungen der Transistoren der ersten Stufe selbst untei den ungünstigsten Bedingungen durch nachfolgende Gleichung ausdrücken:

Δ Vfl/r = 200 (1 -0,97²) = 11,82 mV

Infolgedessen läßt sich das Verhältnis der Kollektor ströme der beiden Transistoren Q 23 und ζ>24 dei zweiten Stufe wie folgt ausdrücken:

= 1,57

Es gibt also keine Schwierigkeit, wenn

In dieser Gleichung bedeuten K die Boltzmannscht Konstante, q die Ladung eines Elektrons und T di< Absoluttemperatur.

Da das Ausgangssignal der vierten Stufe an die Basi: des zweiten Transistors Q26 der dritten Stufe all Gegenkopplungs-Gleichspannung angelegt wird, kam ein geringfügiger Unterschied in den Kollektorströmei der Transistoren Q 25 und (?26 der dritten Stufe durcl die Rückkopplungswirkung automatisch kompensier werden. Zur weitgehenden Verringerung des Unab gleichs zwischen den Kollektorströmen der betreffen den Stufen ist es nötig, die Werte bzw. Größen von h: R 24, Ie4 und R 28 so festzulegen, daß sie der folgende! Gleichung genügen:

ΙΈ2 ■ Λ24=

R2S

In dieser Gleichung bedeuten ΙΈ2 und 1'ea die über dii Konstantstromelemente /_E2bzw. fe« fließenden Ströme Selbstverständlich ist es bei jeder Verstärkerstufe mi zwei Ausgängen nötig, die Werte der Kollektorwider stände einander möglichst genau anzugleichen und dii Basis-Emitter-Spannungen Vbf, sowie die Stromverstär kungskonstante β der beiden Transistoren gleich grol zu wählen.

Der Differentialverstärker gemäß F i g. 3 besitzt eine vierstufige Konstruktion, bei welcher die letzte Stufe zwei Ausgänge aufweist. Je nach dem betreffenden Verwendungszweck des Ausgangssignals der letzten Stufe kann diese jedoch gemäß F i g. 4 auch nur einen Ausgang aufweisen.

Bei der abgewandelten Ausführungsform gemäß Fig.5 sind fünf Differentialverstärkereinheiten in Kaskade geschaltet, wobei die fünfte Einheit zwei Ausgänge aufweist. In diesem Fall ist der Ausgang des zweiten Transistors Q30 der letzten Stufe zu den Basiselektroden der Transistoren Q 22, (?26 und ζ>30 der ungeradzahligen Stufen, d. h. der ersten, der dritten und der fünften Stufe, über einen Rückkopplungswiderstand Λ31 rückgekoppelt. Da diese Ausführungsform bezüglich Konstruktion, Wirkungsweise und Vorteilen der Ausführungsform gemäß Fi g. 3 ähnlich ist, sind die entsprechenden Bauteile in beiden Fällen mit denselben Bezugsziffern bezeichnet, so daß sich eine nähere Erläuterung erübrigt.

Während bei der weiter abgewandelten Ausführungsform gemäß Fig.6 ebenso wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 fünf Differentialverstärkereinheiten in Kaskade geschaltet sind, unterscheidet sich diese Ausführungsform von derjenigen nach F i g. 5 darin, daß die letzte Stufe nur einen einzigen Ausgang aufweist. In diesem Fall ist wiederum der Ausgang des zweiten Transistors ζ)30 der letzten Stufe zu den Basiselektroden der zweiten Transistoren Q 22, ζ>26 und (?30 von erster, dritter bzw. fünfter Stufe rückgekoppelt.

Ersichtlicherweise ist die Zahl der Differentialverstärkereinheit nicht auf die dargestellten und beschriebenen Zahlen beschränkt, während auch die Transistoren nicht auf den npn-Typ beschränkt sind. Selbstverständlich können auch p-Kanal- oder n-Kanal-Feldeffekttransistoren verwendet werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verstärkerschaltung mit einer Anzahl von miteinander in Kaskade geschalteter Differentialverstärkerstufen, die jeweils ein erstes und ein zweites Verstärkerelement aufweisen, das seinerseits eine Steuerelektrode sowie eine erste und eine zweite Elektrode aufweist, wobei die ersten Elektroden aller Verstärkerelemente mit einer ersten Stromquelle und die zweiten Elektroden aller Verstärkerelemente über zugeordnete Konstant-Stromelemente mit einer zweiten Stromquelle verbunden sind, wobei die letzte Verstärkerstufe ein Ausgangssignal abgibt, die Steuerelektrode des ersten Verstärkerelements der ersten Verstärkerstufe ein Eingangssignal empfängt und wobei vom Ausgang der letzten Verstärkerstufe auf den Eingang der ersten Verstärkerstufe eine GegenkoppJungsschleife geführt ist und die Steuerelektrode des zweiten Verstärkerelements der ersten Verstärkerstufe wechselstrommäßig geerdet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die ungeradzahligen Verstärkerstufen (9 21, Q 22; Q 25, Q 26), mit Ausnahme der letzten, einen Gegentaktausgang ₂s besitzen und die geradzahligen Verstärkerstufen ((?23, ζ) 24), mit Ausnahme der letzten, einen Eintaktausgang aufweisen, während die letzte Verstärkerstufe (Q 27, Q 28) entweder einen Gegentakl- oder einen Eintaktausgang besitzt, daß jeweils eine Steuerelektrode mindestens eines Verstärkerelements einer nachgeschalteten Verstärkerstufe, inklusive der letzten Verstärkerstufe mit einem Ausgang einer vorgeschalteten Verstärkerstufe verbunden ist, daß die Gegenkopplungsschleife (R₃\) J5 vom Ausgang der letzten Verstärkerstufe (<?27,

Q 28) auf die Steuerelektroden der jeweiligen zweiten Verstärkerelemente (Q22, Q 26) aller ungeradzahligen Verstärkerstufen geführt ist und daß die Steuerelektrode (21) des ersten Verstärkerelements (Q2t) der ersten Verstärkerstufe mit der Steuerelektrode des zweiten Verstärkerelements (Q22) der ersten Verstärkerstufe über eine Impedanz (R32) verbunden ist.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektroden der zweiten Verstärkerelemente (Q 24) der einen Eintaktausgang besitzenden Verstärkerstufen mit Ausgangssignalen der ersten Verstärkerelemente (Q 21) der vorausgehenden Verstärkerstufen mit Gegentaktausgang gespeist sind, und daß die Steuerelektroden der ersten Verstärkerelemente (<?23) der Verstärkerstufen mit Eintaktausgang mit Ausgangssignalen der zweiten Verstärkerelemente (Q22) der vorausgehenden Verstärkerstufen mit Gegentakt- « ausgang, ausgenommen der letzten Verstärkerstufe gespeist sind.

3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dtü die Differentialverstärkerstufen in einer geraden Anzahl vorhanden sind.

4. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Differentialverstärkerstufen in einer ungeraden Zahl vorgesehen sind, daß die Steuerelektrode des ersten Verstärkerelements (<?29) der letzten Verstärkerstufe mit dem Ausgang _b5 des zweiten Verstärkerelements (Q 28) der vorgeschalteten Verstärkerstufe verbunden sind und daß die Steuerelektrode des zweiten Verstärkerelements (Q 30) der letzten Stufe mit einem Ausgangssignal der letzten Stufe als Rückkopplungssignal gespeist ist