DE2828147C2 - Pufferverstärker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Pufferverstärker nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein solcher Pufferverstärker, d. h. ein Verstärker mit hohem Elngingswlderstand, Ist aus der Zeltschrift »Rndio-Electronlcs«, April 1966, Seite 40, Flg. 1, bekannt. Auch aus der Zeltschrift »Elektronik«, Heft 10, Seite 351, Bild 1, Ist ein Pufferverstärker bekannt.

Allerdings Ist es mit den bekannten Schaltungen nicht möglich, eine vorherbestimmbare, stabile Ruheausgangsspannung und zugleich ein Ausgangssignal mit maximaler Amplitude zu erhalten.

Dementsprechend Hegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Pufferverstärker derart weiterzubilden, daß eine vorherbestimmbare, stabile Ruheausgangsspannung und zugleich ein Ausgangssignal mit maximaler Amplitude ermöglicht werden, wobei die Schaltung einen geringen Platzbedarf aufweisen soll.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung beschrieben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben: Dabei zeigt
Fig. 1 ein Schaltschema des Pufferverstärkers;

ίο Fig. 2 eine Wellenform, welche die Amplitude eines Ausgangssignales des in der Fig. 1 dargestellten Pufferverstärkers veranschaulicht; und

Fig. 3 das Schaltschema eines Difierenzverstärkers, der zur Erläuterung der Wirkungsweise des in Fig. 1 dargestellten Pufferverstärkers dient.

In der Fig. 1 ist eine Pufferverstärkerschaltung 10 dargestellt. Eine Eingangsklemme 12 dient dazu, ein einpoliges Eingangssignal aufzunehmen, dessen Energiepegel durch den Pufierverstärker 10 erhöht werden soll. Die Eingangsklemme 12 ist mit der Basis 14 und mit dem Koüektor 16 eines PNP-Lateraitransistors 18 mit mehreren Kollektoren verbunden. Der Emitter 20 des Eingangstransistors 18 Ist mit einer Energieversorgungsleitung 22 verbunden, weiche ein positives Versorgungspotential von der Klemme 23 aufnimmt. Der Transistor 18 Ist ein Stromspiegel, wobei der Ausgangsstrom des Kollektors 27 im wesentlichen dieselbe Größe hat wie der Eingangsstrom an der Basis 14 und am Kollektor 16.
Ein NPN-Ausgangs- oder -Puffer-Transistor 24 weist

w eine Basis 26 auf, die mit dem anderen Kollektor 27 des Transistors 18 verbunden ist, hat einen Kollektor 30, welcher mit der Leitung 22 verbunden Ist, und weist schließlich einen Emitter 28 auf, der mit der Ausgangsklemme 31 verbunden ist. Der NPN-Translstor 24 ist in einer Emitterfolger-Konflguration geschaltet, um die Schaltung 10 in die Lage zu versetzen, daß sie eine geringe Ausgangsimpedanz aufweist, so daß eine Treiberschaltung mit einer verhältnismäßig höheren Ausgangsimpedanz, welche an die Klemme 12 angeschlossen Ist, gegen eine elektrische Last entsprechend isoliert ist, welche an die Klemme 31 angeschlossen ist.

Ein negativer Rückführwiderstand 32 Ist mit einem Ende sowohl an die Basis 14 als auch an dem Kollektor 16 des Transistors 18 angeschlossen und mit seinem anderen Ende mit der Ausgangsklemme 31 verbunden. Die Klemme 34 einer Kon lantstrom-Steuerschaltung 36 Ist mit einem Ende des Widerstandes 32 und mit dem Emitter 28 des Tr?nslstors 24 verbunden. Die Konstantstromschaltung 36 Ist eine Stromquelle oder -Senke an sich bekannter Art und wird deshalb nur schematisch dargestellt. Ein Vorspannungswiderstand 38 1st zwischen dem Kollektor 27 des Transistors 18 und der Anode einer Vorspannungsdiode 40 angeordnet. Die Kathode der Diode 40 und die Klemme 42 der Stromschaltung 36 sind mit der Leitung 44 verbunden, welcher ein negatives oder ein Masseversorgungspotential zugeführt wird. Obwohl die Schaltungen gemäß der Erfindung so beschrieben sind, daß sie In monolithischer Integrierter Form hergestellt werden können, könnten die Schaltungen auch derart ausgebildet sein, daß sie aus diskreten Bauteilen aufgebaut sind. Indem parallelgeschallete Transistoren anstelle von Mehrelementen-Translstoren verwendet werden.

Die Schaltung 10 weist eine Eigenvorspannung auf.

Die Geometrie des Transistors 18 Ist derart gewählt, daß jeder Kollektor dieses Transistors einen gleichen Strom liefert (I), wenn die Schaltung im Leerlauf betrieben wird. Zur Vereinfachung der Erläuterung se! angenom-

men, daß die Basisströme und die Sättigungsspannungen der Transistoren 18 und 24 vernachlässigbar sind und daß die Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren 18 und 24 sowie der Spannungsabfall an der Diode 40 alle gleich sind (0). Weiterhin wird angenommen, daß die -, Widerstandswerte (R) der Widerstände 32 und 39 gleich sind. Die Ruhespannung von der Klemme 31 zur Klemme 23 ist gleich der Spannung am Widerstand 32, plus der BaE's-Emitter-Spannung (0) des Transistors 18. Die Ruhespannung zwischen der Klemme 31 und der n> Leitung 44 ist gleich der Spannung an dem Widerstand 38, minus der Basis-Emitter-Spannung des Transistors 24 (0), plus dem Spannungsabfall an der Diode 40 (0). Da die Spannungen an den Widerständen 32 und 38 gleich sind (IR) und da die Spannungsabfälle (0) alle gleich sind, läßt sich die Ruhespannung (V₀) an der Klemme 31 durch die Gleichung (1) folgendermaßen ausdrucken:

dabei ist (V₅) die Versorgungsspannung zwischen den Leitungen 22 und 44. Die RuhespanniAig (V₀) wird durch den Punkt 50 auf der Amplitudenachse 52 der graphischen Darstellung in der Fig. 2 bezeichnet.

Der Widerstand 32 arbeitet in der Weise, daß eine negative Rückführung zur Stabilisierung der obengenannten Ruhe-Ausgangsspannung gewährleistet wird. Genauer gesagt, wenn der Transistor 24 die Tendenz hat, in unerwünschter Weise mehr Strom zu ziehen, und zwar aufgrund von Veränderungen in der Versorgungsspannung oder in der Temperatur, zeigt die Spannung des Emitters 28 dieses Transistors die Tendenz, daß sie ansteigt, so daß dadurch der Basisstrom des Transistors 14 durch den Widerstand 32 abnimmt. Dies wiederum führt dazu, daß der Transistor 18 etwas weniger durchlassig wird, so daß dadurch der Strom am Kollektor 27 dieses Transistors abnimmt. Folglich nimmt die Vorspannung an der Diode 40 und am Widerstand 38 ab, so daß der Transistor 24 weniger durchlässig wird, so daß dadurch die Spannung an der Klemme 31 auf den gewünschten Ruhebetriebspegel stabilisiert wird. Die Konstantstromschaltung 36 dient dazu, daß zumindest der doppelte Ruhestrom, welcher über den Widerstand 32 fließt, in eine entsprechende Senke geführt wird.

In Fig. 3 wird die Funktionsweise des Pufferverstärkers 10 näher veranschaulicht. /_u diesem Zweck wird der Pufferverstärker 10 zusammen mit einem Differenzverstärker 62 gekoppek, welcher zur Erläuterung der Erfindung dient, nicht aber zu ihrem Gegenstand gehört. Der Differenzverstärker 62 hat einen Konstantstrom-Steuertransistor, nämlich den NPN-Translstor 64, dessen Emitter mit der negativen Versorgungsleitung 44 verbunden ist. Die Basis des Transistors 64 Ist über den Widerstand 66 mit der positiven Energieversorgungsleitung 22 und über die Diode 68 mit der negativen Vcrsorgungsicitung 44 verbunden. Der Widerstand 66 steuert die Größe des Stroms durch die Vorspannungsdiode 68 und somit die Größe des Kollektorstroms beim Transistor 64.

NPN-Diffcrenz-Transistoren 70 und 72 haben Ihre entsprechenden Emitter miteinander verbunden und mit dem Kollektor des Transistors 64. Die Basen 74 und 75 der entsprechenden Transistoren 70 und 72 sind mit den Diffcrenzeingangsklcmmen der Schaltung 60 verbunden. Der Kollektor des Transistors 70 1st mit dem Transistor 76 verbundcir. der als Mchrfach-Kollektor-Translstor ausgebildet ist, der zugleich auch einen Wandler zwischen einem Diffcrciitial- oder Differenzanschluß und einem einpoligen Anscliluli darstellt und als Stromspiegel arbeitet, der einen Ausgangsstrom aufweist, der in seiner Größe im wesentlichen gleich der Größe des Eingangsstroms ist. Die Stromspiegel 18 und 76 haben einen identischen Aufbau, welcher derart gewählt ist, daß der Differenzverstärker 62 symmetrisch oder abgeglichen bleibt. Der Kollektor 78 des PNP-Transistors 76 ist mit dessen Basis verbunden, und der Emitter des Transistors 76 ist mit der positiven Versorgungsleitung 22 verbunden. Der Kollektor 80 des PNP-Lateral-Transistors 76 ist mit der Eingangsklemme 12 der Pufferschaltung 10 und mit dem Kollektor des Differentialtransistors 72 verbunden.

Es sei angenommen, daß der Stromsteuertransistor 64 durch den Widerstand 66 und die Diode 68 derart vorgespannt ist, daß er konstant einen Strom führt, der eine Größe von 21 aufweist. Unter Ruhebedingungen sind die Transistoren 70 und 72 jeweils so vorgespannt, daß sie einen Strom der Größe 1 führen. Folglich zeigt der Transistor 76 die Tendenz, einen Strom zu führen, der eine Größe von 1 aufweist und in den Widerstand 32 fließt, und der Transistor 72 hat die Tendenz, einen Strom zu ziehen, der eine Größe von ! aufweist und durch den Kollektor 16 des Transistors 18 gelielert wird. Somit zeigt unter Ruhebedingungen der Transistor 72 die Tendenz, aus dem Knoten oder der Klemme 12 einen Stiom zu ziehen, der ebenso groß ist wie der durch den Kollektor 80 des Transistors 76 gelieferte Strom. Folglich liefert die Differenzverstärkerschaltung 62 im Endeffekt keinen Strom an die Pufferschaltung 10 während des Ruhebetriebes, ermöglicht jedoch der Pufferschaltung 10, daß sie in der oben beschriebenen Weise arbeiten kann.

Ein Differentialeingangssignal sei angenommen, welches den Transistor 70 weniger durchlässig und den Transistor 72 stärker durchlässig werden läßt, um die Erläuterung des dynamischen Betriebes der Schaltung 60 zu vereinfachen. Der Transistor 76 wird folglich weniger durchlässig, und zwar in Reaktion darauf, daß dessen Basisspannung stärker positiv wird, weil die Kollektorspannung des Transistors 70 ansteigt. Folglich liefert der Kollektor 80 des Transistors 76 weniger Strom an den Knoten 12, so daß dadurch die Tendenz besteht, daß der Transistor 18 stärker durchlässig wird. Weiterhin liefert die verminderte Kollektorspannung des Transistors 72 ein stärker negatives Potential an der Basis des Transistors 18, wodurch die Tendenz besteht, daß auch der Transistor 18 stärker durchlässig wird, so daß durch die Kollektoren 16 und 27 erhöhte Ströme Hießen. Der Transistor 72 absorbiert den erhöhten Strom des Kollektors 16 des Transistors 18.

Der erhöhte Strom vom Kollektor 27 des Transistors 18 führt dazu, daß die Spannung am Widerstand 38 ansteigt, und der Transistor 24 bewirkt, daß die Spannung an der Klemme 31 ebenfalls ansteigt. Auf diese V'cJsc wird der Strom durch den Widerstand 32 verringert. Am Knoten 12 nehmen die Ströme im Kollektor 16 des Transistois 18 und im Kollektor der Transistors 72 zu, während die Ströme im Kollektor 80 des Transistors 76 und im Widerstand 32 abnehmen. Folglich zeigt die Amplitude der Ausgangsspannung an der Ausgangsklcmme 31 die Tendenz zuzunehmen, wie es durch den positive.) Wellcnformabschniu 81 zwischen den Zeiten 7Ό und Π der Zeitachsc 82 in der F1 g. 2 veranschaulicht Ist.

Die maximale positive Auslenkung des Wcllenformabschnittcs 81 wird durch den Punkt 84 bezeichnet, der nur um 10 unter dem positiven Encrglcvcrsorgungspotcntial fl'j) liegt. Wenn dieser Punkt erreicht wird, litßt der Transistor 72 Im wesentlichen den gesamten Strom der Stromstcuereinrlchtung 64 durch, und der Transistor 70

lUhrt Im wesentlichen keinen Strom. Unter diesen Bedingungen führt der Transistor 72 einen Strom, dessen Größe 21 beträgt und der durch den Kollektor 16 des Transistors 18 geliefert wird. Folglich gehl praktisch kein Strom durch den Widerstand 32. Weiterhin hat der Strom durch den Widerstand 38 eine Größe von etwa 21, so daß dadurch eine Spannung zum Treiben des Transistors 24 erzeugt wird, durch welche dieser Transistor In den vollständig durchlässigen Zustand gesteuert wird. Die Größe des Trelbcrstromcs Tür den Transistor 24 wird durch den Widerstandswert des Widerstandes 66 In der Weise begrenzt, daß der Transistor 24 nicht In die Sättigung geht und den Wcllcnl'ormabsehnitt 81 zur Zelt 7Ί begrenzt. Auf diese Welse wird die Amplitude des Abschnittes 81 zwar auf ein Maximum begrenzt, jedoch nicht verzerrt.

Zwischen Tl und TA wird der Transistor 70 durchlassig, und der Transistor 72 wird Im Verhältnis dazu durch das Eingangssignal an den Elektroden 74 und 75 undurchlässig. Dies fuhrt zu dem Ergebnis, daß der Transistor 76 einen erhöhten Strom durch den Kollektor 80 führt, und zwar in Reaktion auf das verminderte KoI-lektorpotcntlal des Transistors 70. Der erhöhte Strom, welcher in die Basis des Transistors 18 Hießt, führt zu der Tendenz, daß dieser Transistor undurchlässig wird. Weiterhin bewirkt die Zunahme des Kollcktorpotcntlals des Transistors 72 auch, daß die Menge desjenigen Stromes abnimmt, welcher durch den Transistor 18 geliefert wird und welcher durch dessen Kollektoren 16 und 27 Hießt. Folglich zeigt der durch den Widerstand 32 fließende Strom die Tendenz, daß er zunimmt, aufgrund der Insgesamt zu beobachtenden Abnahme, welche sich bei dem Ausgangstransistor 24 ergibt, wenn dieser nicht durchlässig ist, fallt die Ausgangsspannung an der Ausgangsklcmmc 31 solange ab. bis sie das negative Extrcmpotcn-UaI oder das Massepotential erreicht, wie es am Punkt 86 auf dem negativen Wcllcnfoimabschnitt 87 angegeben Ist. Zu dieser Zelt Ist der Ausgangstransistor 24 Im wesentlichen gesperrt, so daß kein Strom zu der Last tllcßcn kann, und der Widerstand 32 führt einen Strom mit der Größe von etwa 21. Der Strom vom Widerstand 32 wird durch die Stromstcucrschaltung 36 aulgenommen und führt folglich nicht zu einer Zunahme der Spannung an der Last. Da die Schaltung 60 so ausgebildet sein

to kann, daß der Transistor 24 am Punkt 86 gesperrt wird, wird der Abschnitt 87 der Wellenform 81 nicht begrenzt oder abgeschnitten, und zwar selbst dann nicht, wenn die negative Amplitude des Abschnittes 87 auf ein Maximum gebracht wird. Somit verwendet die Schaltung 60

ii In optimaler Weise das Vcrsorgungspotcntlal, welches jeweils durch die Leitungen 12 und 24 geliefert wird, indem maximale Auslcnkungen der Ausgangswcllcnformabschnlttc 81 und 87 zugelassen werden, ohne daß dabei eine Bcgicn/iuiigsvciiCffüiig äuiifiü.

Der Pufferverstärker IO liefert also ein Minimum an Spannungsabfällcn In Reihe mit der Last und den Versorgungsleitungen 22 und 44, so daß dadurch die Amplitude des Ausgangssignals ein Maximum erreichen kann. Wie aus der dargestellten Verwendung der Puffcrschaltung 10 mit dem Differenzverstärker U2 ersichtlich Ist, ist die Pufferschaltung 10 zur Verwendung mit komplizierten Schaltungen gut geeignet, wobei sie Insbesondere keinen Strom «-us der Treiberschaltung zieht und deshalb ermöglicht, daß der Differenzverstärker 62 abgeglichen oder symmetrisch bleibt.

Da sich die Puffsrverstärkcrsehaltung 10 In Form einer Integrierten Schaltung aufbauen läßt und verhältnismäßig einfach aufgebaut ist, benötigt sie wenig Raum auf einer Platine.

Hierzu i Biait Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Pufferverstärker mit

einem Eingang (12), dem ein Eingangssignal zuführbar ist,

einem Ausgang (31), an welchem ein Ausgangssignal zur Verfügung steht,

einer ersten (22) und einer zweiten (44) Spannungsversorgungsleitung,

einem Ausgangstransistor (24), der eine Steuerelektrode (26), eine Eingangselektrode (30), weiche mit der ersten Spannungsversorgungsleitung (22) verbunden ist, und eine Ausgangselektrode (28) aufweist, die mit dem Ausgang (31) des Verstärkers verbunden ist, einem ersten, mit der Steuerelektrode (26) des Ausgangstransistors (24) verbundenen Widerstand (38),
einem zweiten, zwischen dem Ausgang (31) und dem Eingang (I2J angeordneten Widerstand (32), und
einem Ei nennest ransistor (18), der eine mit der ersten Spannungsversorgungsleitung (22) verbundene Eingangsclektrode (20) und eine mit dem Eingang (12) verbundene Steuerelektrode (14) aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Widerstand (38) zwischen der Steuerelektrode (26) des Ausgangstransistors (24) und der zweiten Spannungsversorgungsleitung (44) liegt, und
daß der Eingangstransistor (18) mehrere Ausgangselektroden (16, 27) hat, von denen eine erste (16) mit der Steuerelektrode (14) des Eingangstransistors (18) und eine zweite (27) mit der Steuerelektrode (26) des Ausgangstranslstors (24) verbunden sind.

2. Pufferverstärker navh Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Stromquelle (36) .tischen der zweiten Spannungsversorgungslcltung (44) und dem Ausgang (31).

3. Pufferverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Widerstand (38) mit einer Diode (40) versehen Ist, deren Kathode mit der zweiten Spannungsversorgungslcltung (44) und deren Anode mit der Steuerelektrode (26) des Ausgangstransistors (24) verbunden sind.

4. Pufferverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangstransistor (18) ein MehrkoIIektor-PNP-Translstor Ist.