DE2911788A1

DE2911788A1 - Elektronische schaltung

Info

Publication number: DE2911788A1
Application number: DE2911788A
Authority: DE
Inventors: Thomas Mitchell Cate; James Charles Schmoock
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1978-04-07
Filing date: 1979-03-26
Publication date: 1979-10-11
Also published as: FR2422207B1; GB2019066B; JPS54145457A; IT7948630A0; IT1116599B; CA1113160A; GB2019066A; FR2422207A1; JPS633353B2; DE2911788C2; US4247789A

Description

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München, den 26. März 1979 Anwaltsaktenz.: 27 - Pat. 2^3

Raytheon Company, ΐΛΐ Spring Street, Lexington, MA 02173, Vereinigte Staaten von Amerika

Elektronische Schaltung.

Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung. Sie bezieht sich insbesondere auf eine elektronische Schaltung zur Multiplikation und Division analoger Eingangssignale.

Bekanntlich bestehen für elektronische Schaltungen, die sich zur Multiplikation und/oder Division analoger Eingangssignale eignen,vielfältige und verschiedenartige Anwendungsmöglichkeiten. Eine bekannte Schaltung, die mit Logarithmierung und Delogarithmierung der Signale arbeitet und dementsprechend als "log-antilog-Multiplizierer" bezeichnet wird, beinhaltet vier Transistoren, deren Basis-Emitter-Strecken in Reihe geschaltet sind. An dem Kollektor des das Ausgangselement bildenden Transistors entsteht ein Ausgangsstrom, der näherungsweise dem Produkt der den Kollektoren zweier anderer der Transistoren zugeführten Ströme direkt und einem dem Kollektor des vierten Transistors zugeführten Referenzstrom umgekehrt proportional ist. Bei dieser Anordnung verursachen die wirksamen ohmschen Emitterwiderstände der Transistoren eine resultierende Fehlerspannung in der Schaltung und beeinträchtigen damit die Genauigkeit des Multiplikation- und Divisionsvorganges. Eine (in der US-PS 38 05 092 beschriebene) Maßnahme zur Beseitigung dieser Fehlerquelle sieht einen Kompensationswiderstand vor, der zwischen die Basiselektroden eines Transistorpaares geschaltet ist. Ein mit

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ε-

dem Kollektor eines Ausgangstransistors verbundener Operationsverstärker dient zur Erzeugung einer Ausgangsspannung, die dem Produkt der beiden Ströme dividiert durch den Referenzstrom proportional ist. Diese Ausgangsspannung wird zur Erzeugung eines Kompensationsstromes in dem Kompensationswiderstand verwendet, durch den die von den ohmschen Emitterwiderständen der Transistoren erzeugte resultierende Fehlerspannung beseitigt wird. Diese Schaltungsart ist zwar bei einigen Anwendungsfällen von Nutzen, die Verwendung eines Operationsverstärkers am Ausgang macht die Herstellung der Schaltung als integrierte Schaltung zumindest schwierig, wenn nicht unmöglich, da ein derartiger Operationsverstärker, dem der Ausgangsstrom zugeführt wird, auf dem Schaltungssubstrat Temperaturgradienten zur Folge hat, die die Linearität anderer auf dem Substrat gebildeter Schaltkreise stark beeinträchtigen. Außerdem ist die Verwendbarkeit einer integrierten Schaltung, die einen derartigen Operationsverstärker im Ausgangskreis besitzt, auf die Verwendung als Analogmultiplizierer beschränkt. D.h., daß derartige integrierte Schaltungen nicht für andere Anwendungen, beispielsweise als Verstärker mit variablem Verstärkungsgrad, Modulator, Demodulator, Regelverstärker, Spannungswandler, Dividierer, Radizierschaltung, usw. herangezogen werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektronische Schaltung zu schaffen, die sich als Analogmultiplizierer und/oder -dividierer eignet, als integrierte Schaltung herstellbar ist und bei der der Einfluß der ohmschen Emitterwiderstände der verwendeten Transistoren kompensiert ist.

Ausgehend von einer elektronischen Schaltung mit einer Gruppe von Transistoren, deren Basis-Emitter-Strecken zueinander in Reihe geschaltet sind, derart daß an dem Kollektor eines der Transistoren ein Ausgangsstrom erzeugt wird, der dem Produkt der den Kollektoren zweier weiterer

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Transistoren zugeführten Ströme direkt und dem dem Kollektor eines vierten Transistors zugeführten Strom umgekehrt proportional ist, wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe durch die folgenden weiteren Merkmale der Schaltung gelöst:

- Eine zweite Gruppe von Transistoren, die jeweils mit ihrer Basis und ihrem Kollektor mit der Basis bzw. dem Kollektor je eines korrespondierenden Transistors der ersten Gruppe verbunden sind,

- mit den Kollektoren der Transistoren der zweiten Gruppe verbundene Schaltmittel zur Erzeugung einer in Reihe mit den in Reihe geschalteten Basis-Emitter-Strecken der Transistoren der ersten Gruppe wirksamen Spannung, die den an den ohmschen Emitterwiderständen der Transistoren der ersten Gruppe auftretenden Spannungen entspricht.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt die erste Gruppe vier Transistoren: Der Emitter eines ersten Transistors ist mit der Basis eines zweiten Transistors verbunden; der Emitter des zweiten Transistors ist mit dem Emitter eines dritten Transistors verbunden; und der Emitter eines vierten Transistors ist mit der Basis des dritten Transistors verbunden. Die Kollektoren derjenigen Transistoren der zweiten Gruppe, die dem ersten und dem zweiten Transistor der ersten Gruppe zugeordnet sind, sind in einem ersten Schaltungspunkt miteinander verbunden. Der in diese Kollektoren fließende Strom entspricht daher dem Stromfluß in den ohmschen Emitterwiderständen des ersten und zweiten Transistors der ersten Gruppe. Die Kollektoren derjenigen Transistoren der zweiten Gruppe, die dem dritten und dem vierten Transistor der ersten Gruppe zugeordnet sind, stehen gemeinsam mit einem zweiten Schaltungspunkt in Verbindung. Der in diese Kollektoren fließende Strom entspricht dem Stromfluß in den ohmschen Emitterwiderständen des dritten und vierten Transistors der ersten Gruppe. Die spannungserzeugenden Schaltmittel beinhalten Widerstände, die mit dem ersten bzw. dem zweiten Schaltungs-

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-V-

punkt verbunden sind und deren Widerstandswert so bemessen ist, daß er den ohmschen Emitterwiderständen der Transistoren der ersten Gruppe entspricht. Der in den ersten Schaltungspunkt fließende Strom fließt über einen der genannten Widerstände weiter und erzeugt eine erste Kompensationsspannung an diesem ersten Schaltungspunkt, der dem Spannungsabfall an den ohmschen Emitterwiderständen des ersten und des zweiten Transistors der ersten Gruppe entspricht. Der in den Schaltungspunkt fließende Strom fließt weiter über den zweiten Widerstand und erzeugt an diesem eine zweite Kompensationsspannung, die den an den ohmschen Emitterwiederständen des dritten und vierten Transistors der ersten Gruppe auftretenden Spannungen entspricht. Die erste Kompensationsspannung wirkt in Reihe mit der Reihenschaltung der Basis-Emitter-Strecken des ersten und des zweiten Transistors der ersten Gruppe. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Basis des vierten Transistors der ersten Gruppe mit dem ersten Schaltungspunkt und die Basis des ersten Transistors mit dem zwiten Schaltungspunkt verbunden. Der Kollektorstrom des dritten Transistors, (der den Ausgangstransistor bildet), ist dem Produkt der in die Kollektoren des ersten und zweiten Transistors fließenden Ströme dividiert durch den in den Kollektor des vierten Transistors fließenden Stromes proportional.

Durch die beschriebene Anordnung wird der Einfluß der ohmschen Emitterwiderstände beseitigt, ohne daß ein mit dem Kollektor des Ausgangstransistors (d.h. des dritten Transistors der ersten Gruppe) verbundener Operationsverstärker benötigt wird. Dies ermöglicht die Herstellung der Schaltung als integrierten Schaltkreis.

Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 zeigt das Schaltschema eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,

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Fig. 2 zeigt das Schaltschema eines Differentialverstärkers, der bei der in Fig. 1 dargestellten Schaltung Verwendung findet,

Fig. 3 zeigt ein Schaltschema der elektronischen Schaltung gemäß der Erfindung,

Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild des in Fig. 2 dargestellten Differentialverstärkers,

Fig. 5 zeigt das Schaltschema eines Ausgangskreises für die in Fig. 3 dargestellte elektronische Schaltung.

Die in Fig. 1 dargestellte elektronische Schaltung 10 liefert am Kollektor des Transistors Q-, einen Ausgangsstrom I_n^₁ der dem Produkt des Kollektorstromes Iq₁ des Transistors Q₂ und des Kollektorstromes I_c2 des Transistors Q₂ dividiert durch den Kollektorstrom Iqa des Transistors Q^ proportional ist. Die Schaltung 10 beinhaltet eine erste Gruppe von Transistoren Q₁, Q₂, Q, und Q^, deren Basis-Emitter-Strecken in Reihe geschaltet sind. Der Emitter des Transistors Q₁ ist mit der Basis des Transistors Q₂ verbunden. Die Emitter der Transistoren Q₂ und Q^ sind miteinander verbunden und die Basis des Transistors Q, ist mit dem Emitter des Transistors Qr in der dargestellten Weise verbunden. Eine zweite Gruppe von Transistoren Q₅, Qg, Qy und Qg ist so geschaltet, daß die Basis und der Emitter jedes dieser Transistoren mit der Basis bzw. dem Emitter eines korrespondierenden Transistors der ersten Gruppe Q₁, Q₂, Q, und Q. in der dargestellten Weise verbunden sind. Im einzelnen sind die Basis des Transistors Qc mit der Basis des Transistors Q₁ und der Emitter des Transistors Qc mit dem Emitter des Transistors Q₁ verbunden. In gleicher Weise sind die Basis des Transistors Q^ mit der Basis des Transistors Q₂ und der Emitter des Transistors Q/- mit dem Emitter des Transistors Q₀ verbunden. Die Basiselektroden der Transistoren Q_Q und Q. sind miteinander verbunden. Auch die Emitter dieser Transistoren sind miteinander verbunden. Schließlich sind die Basiselektroden der Transistoren Q, und Q^ sowie die Emitter dieser Transistoren jeweils miteinander verbunden.

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Es sei erwähnt, daß die Transistoren Q₁ bis CL und Q₁- bis Qg unter Verwendung herkömmlicher Verfahren zur Herstellung integrierter Schaltungen auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat gebildet sind. Die Transistoren Q₁, Q₅; Qp, Q^; Q^, Qg bilden abgeglichene Paare mit vergleichsweise grossen /3-Werten, die im vorliegenden Fall größer als 200 sind, (der Wert β gibt das Verhältnis von Kollektorstrom zu Basisirom wieder). Infolgedessen sind die Kollektorströme der beiden Transistoren eines Paares einander gleich. D.h. der Kollektorstrom Ip,- des Transistors Q,- ist im wesentlichen gleich dem Kollektorstrom I_C1 des Transistors Q₁, also lpe = Iq-j · Der Kollektorstrom Ipg des Transistors Qg ist im wesentlichen gleich dem Kollektorstrom Ip₂ des Transistors Qp (d.h'. Ipg = Iqo)· Der Kollektorstrom Ip, des Transistors Qi ist im wesentlichen gleich dem Kollektorstrom I_Pq des Transistors Qg» und der Kollektorstrom Ipy des Transistors Q₇ ist im wesentlichen gleich dem Kollektorstrom Ip_x des Transistors Q,

Die Emitter-Basis-Kollektor-Strecken der Transistoren Q₁, Qp und Q. besitzen Rückkopplungszweige, die in der dargestellten Weise über Differentialverstärker 12, 14 bzw. verlaufen. Die Einzelheiten dieser Differentialverstärker 12, 14, 16 werden weiter unten anhand von Fig. 2 und 3 erläutert. Es genügt zunächst, darauf hinzuweisen, daß die Differentialverstärker identisch ausgebildet sind, einen hohen Verstärkungsgrad haben und für die ihnen zugeführten Signale eine sehr hohe Eingangsimpedanz besitzen. Daher entspricht der dem Anschluß 20 des Verstärkers 12 zugeführte Strom I₁ im wesentlichen dem Kollektorstrom Ip₁ des Transistors Q₁, (d.h. I₁^ I_c1). In gleicher Weise entsprechen die den Anschlüssen 22 und 24 der Differentialverstärker 14 bzw. 16 zugeführten Ströme im wesentlichen den Kollektorströmen der Transistoren Q₂ bzw. Q^, (d.h. I₂ 5* I₀₂ bzw. I₄^I₀₄).

Bekanntlich kann die Spannung V_ßE an der Basis-Emitter-

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Strecke eines bipolaren Transistors durch folgende Gleichung ausgedrückt werden:

(1) V_BE = KT/q in I_c/I_s + I_c-r_e,

worin K die Boltzmann-Konstante,
q die Ladung des Elektrons,
T die absolute Temperatur,
r der ohmsche Emitterwiderstand des Transistors,

Ip der Kollektorstrom, (der hier infolge des hohen ß> -Wertes im wesentlichen dem Emitterstrom des Transistors entspricht) und I„ der Sättigungssperrstrom des Transistors sind.

Aus Fig. 1 läßt sich folgende Beziehung ablesen:

^VBQ1 ^{+ V}EB1 ^{+ V}EB2 ^{= V}BQ4 ^{+ V}EB4 ^{+ V}EB3,

worin V_BQ1 die Spannung der Basis des Transistors CL., die an der Basis-Emitter-Strecke des Transistors Q₁ abfallende Spannung, die an der Basis-Emitter-Strecke des Transistors Qp abfallende Spannung,

^VBQ4 ^{die s}P^anmm6 an der Basis des Transistors Q^, die an der Basis-Emitter-Strecke des Transistors Q^ abfallende Spannung und die an der Basis-Emitter-Strecke des Transistors Q-, abfallende Spannung

bedeuten.

Durch Kombination der Gleichungen (1) und (2) (und unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die Transistoren Q₁ bis Q^ alle auf der gleichen Temperatur liegen, da sie auf dem gleichen Halbleitersubstrat ausgebildet sind,erhält man:

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(3) KTZq (In ^_ηΛ/ΐα_Λ + In I_r9Zlco ~ ^ln 1^/¹B* - ¹HjJ¹Vh) +

Tt* j-Tt« _ T t· - T . t* . = V -V

¹CI ^re1 ^{+ χ}02^Γβ2 ■^LC3 e3 ^xC4^re4 ^VBQ4 ^VBQ1'

worin Ig₁, I_g2, I₅₃, I₅₄ die Sättigungssperrströme der

Transistoren Q₁, Q₂, Q-, bzw. Q₄ und r -. bis r ₄ die ohmschen Emitterwiderstände dieser Transistoren

bedeuten.

Unter der Voraussetzung daß I₀, Io/.ZIcm leo einen mit J*

£0 i>H οι Oii

bezeichneten konstanten Wert hat und T₁ = r ₂ = r -, = r .

= r ist, da alle Transistoren wegen ihrer Ausbildung auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat im wesentlichen dieselben Kenndaten haben, kann die Gleichung (3) in folgender Weise vereinfacht werden

(4) KTZ^q (In I₁IpZVz₁.) ⁺ (¹I ^{+ 1}P ' ¹Z ~ W ¹V ⁼

^VBQ4 " ^VBQ1*
Damit

(5) In (I₁I₂Zl₃I₄) = O

ist, so daß I₃ = I₁I₂Zl₄ von der Temperatur unabhängig ist, muß folgende Beziehung geltend:

(6) (I_{1 +} I₂) - (I_{3 +} I₄) r_e = V_BQ4 - V_BQ1.

Eine Möglichkeit zur Befriedigung von Gleichung (6) besteht darin, daß

^VBQ4 ^{= (I}1 ^{+ I}2^{) r}e ^und

^VBQ1 = (^I3 ⁺ ¹I^) ^re
wird.

Die Kollektoren der Transistoren Q₅ und Qg sind miteinan-

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der und mit einem ersten Schaltungspunkt 26 verbunden. Die Kollektoren der Transistoren Qy und Qq sind ebenfalls miteinander und mit dem Schaltungspunkt 28 verbunden. Zwischen Masse und den Kollektoren der Transistoren Q₁- und Q,- an dem Schaltungspunkt 26 wird einWiderstand re'₂ geschaltet. Ein Widerstand re¹.. wird zwischen Masse und die Kollektoren der Transistoren Q₇ und Q_Q am Schaltungspunkt 28 geschaltet.Da der durch den Widerstand re'₂ fließende Strom den Wert (I_c5 + Ipg) hat, (d.h. daß der Basisstrom der Transistoren Q- und Qg vernachlässigbar ist) und der Strom durch den Widerstand re¹^ die Größe (Iq₇ + I_CQ) hat, (wobei der Basisstrom der Transistoren Q₁ und Q^ vernachlässigt ist), gilt

(9) V_BQZf = (I_C5 + I_c6) re'₂ und

(10) V_BQ1 = (I_{07 +} I₀₈) re«_v

Wie oben bereits erwähnt, sind die Transistoren Q₁, Q₁-; Qp» Qß» Q4» Q«' ^unc^ ^7' ^3 paarweise mit ihren Kennwerten identisch» Da ihre Basiselektroden und ihre Emitter jeweils miteinander verbunden sind, gilt I₁ = I_c,-; I₂ = Iq5» I» = Ipg und I-, = I/-.7. Damit folgt aus den Gleichungen (9) und (10)

<¹¹) ^VBQ4 = ^(I1 ⁺ ^τ2> ^re'2
(12) V_BQ1 = (I₃ + I₄) re'_r

Falls re = re¹^ = re'p folgt aus den Gleichungen (5), (6), (7), (8) und den Gleichungen (11) und (12)

In (I₁I₂Zl₃I₄) = 0 bzw. I₃ = I₁I₂Zl₄.

Die Widerstände re¹.. und re'p sind hier gleich den ohmschen Emitterwiderständen r der Transistoren Q₁ bis Q₄. Infolgedessen entspricht der Kollektorstrom I, des Tran-

sistors Q^ dem Produkt der Ströme I₁ und Ip dividiert durch den Strom I/. Außerdem erzeugen die Transistoren Q₁-, Qg, Q₇ und Qg in ihren Kollektorkreisen Ströme, die den durch die Basis-Emitter-Widerstände der Transistoren CL, Qp, Q* bzw. Q. fließenden Strömen entsprechen. Die Kollektoren werden über die Widerstände re^ bzw. re'p gespeist und erzeugen Kompensationsspannungen V_BQ1, VgQ^ in Reihe mit den in Serie geschalteten Basis-Emitter-Strecken der Transistoren Q₁ bis Qr und kompensieren damit den Spannungsabfall an den ohmschen Emitterwiderständen dieser Transistoren. Die in Reihe mit den Basis-Emitter-Strecken der Transistoren Q₁ und Q„ wirksame Kompensationsspannung VgQ₁ wird aus dem Stromfluß (I, + I.) in den Kollektoren der Transistoren Q, und Q, mit Hilfe der Transistoren Q₇ und Q_Q abgeleitet, indem dieser "Überwachungsstrom" über den Widerstand re¹. geleitet wird und die Kompensati ons spannung (I^ + Ii ) re',. mit geeigneter Polarität der Basis des Transistors Q₁ zugeführt wird. In entsprechender Weise wird die Kompensationsspannung V_BQ. durch Überwachung des Stromflusses (I₁ + Ip) in den Kollektoren der Transistoren Q₁ und Qp durch die Transistoren Q,- und Qj- erzeugt, indem die diesem durch den Widerstand re'p fließenden Überwachungsstrom entsprechende Kompensationsspannung (I₁ + Ip) re'p mit geeigneter Polarität der Basis des Transistors Q^ zugeführt wird.

In Fig. 2 ist exemplarisch einer der Differentialverstärker 12, 14, 16 dargestellt. Der gezeigte Differentialverstärker 12 beinhaltet eine Differentialverstärkerstufe mit zwei Eingangsanschlüssen 20 und 32, eine mit dem Ausgang 36 der Differentialverstärkerstufe 30 verbundene Stromquelle 34 sowie einen Kondensator 38, der in der dargestellten Weise zwischen den Eingangsanschluß 20 und den Ausgangsanschluß 36 geschaltet ist. Der Transistor Q₁ ist in den Rückkopplungszweig des Differentialverstarkers 12 eingefügt, d.h. der Kollektor des Transistors Q₁ ist direkt mit dem Eingangsanschluß 20 und der Emitter mit dem

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Ausgangsanschluß 36 dieses Differentialverstärkers 12 verbunden.

Die Differentialverstärkerstufe 30 beinhaltet ein Transistorpaar Q., Qg. Die Basiselektroden dieser Transistoren Q. und Qg sind mit den Eingangsanschlüssen 20 bzw. 32 verbunden. Die Emitter der Transistoren Q. und Q_ß sind über eine Stromquelle 42 in der dargestellten Weise mit einem gemeinsamen Bezugspotential, im vorliegenden Fall dem Massepotential, verbunden. Die Kollektoren der Transi-stören Q. und Qg sind mit einer Stromwandlerschaltung 44 verbunden. Diese wandelt den in die Kollektoren der Transistoren Q. und Qg fließenden Differentialstrom in eine Spannung an dem Ausgangsanschluß 36 um, die der Differenzspannung zwischen den Eingangsanschlüssen 32 und 20 entspricht. Die Stromwandlerschaltung 44 beinhaltet ein Transistorpaar Q¹ ή-IQ und Q ·,.,..., deren Basiselektroden miteinander und mit dem Kollektor des Transistors Q^!^-|o ^ver>b^unden sind. Der Kollektor des Transistors Q'^-jq ist mit dem Kollektor des Transistors Q! verbunden, während der Kollektor des Transistors Q¹^₁₁ mit dem Kollektor des Transistors Qg verbunden ist und das Ausgangssignal am Schaltungspunkt 36 liefert. Die Emitter der Transistoren Q'-i-jq und Q'-ι-1-1 sind miteinander und mit einer Gleichspannungsquelle -Vcc verbunden. Der Transistor Q'-i-jq i^s* infolgedessen als Diode geschaltet.

Die Stromquelle 34 beinhaltet zwei Transistoren Q'-iqq und Q'₁₁₂. Der Transistor Q'iqq ^{ist als} Emitterfolger geschaltet und bildet eine Pufferstufe zwischen dem Transistor Q¹^₁₂ und dem Schaltungspunkt 36. Die Basis des Transistors Q'-iqq ist mit dem Schaltungspunkt 36 verbunden, sein Kollektor steht mit Massepotential in Verbindung und sein Emitter ist über einen Widerstand R^, (der im vorliegenden Fall einen Widerstandswert von 20 Ohm hat), an die -Vcc-Versorgungsspannung angeschlossen. Die Basis des Transistors Q¹ ₁₁₂ ¹S* ^m^ ^dem Emitter des Transistors

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^'109 verbunden. Sein Emitter steht über einen Widerstand R'p» (der im vorliegenden Fall einenWiderstandswert von 511 Ohm hat), mit der -V -Versorgungsspannung in Verbin-

CC

dung, und sein Kollektor ist unmittelbar mit dem Ausgangsanschluß 35 (und damit direkt mit dem Emitter des Transistors Q₁ verbunden).

Wenn sich die Schaltung in Betrieb befindet, fließt über den Kollektor des Transistors Q'-j^2 ^ein Strom, dessen Übertrag der Potentialdifferenz zwischen den den Eingangsanschlüssen 32 und 20 zugeführten Analogsignalen proportional ist. Da der Eingangsanschluß 20 zur Zuführung eines Referenzsignals vorbestimmter Größe dient, das im vorliegenden Fall in der Nähe des Massepotentials liegt, entspricht die Spannung am Ausgang 36 der Spannung an dem Eingangsanschluß Die Spannung am Ausgang 36, d.h. an der Basis des Transistors Q¹ K)Qf bestimmt den Wert des über den Kollektor des Transistors Q¹ **~ fließenden Stromes. Damit ist die Größe des durch den Transistor Q¹^p fließenden Stromes der Spannung des dem Eing,angsanschluß 20 zugeführten Signals proportional.

Zur Analysierung der dynamischen Eigenschaften des Differentialverstärkers 12 mit dem in seinem Rückkopplungszweig angeordneten Transistor GL sei auf das in Fig. 4 dargestellte Blockschaltbild verwiesen. Die Differentialverstärkerstufe 30 ist durch den Schaltungsblock 30 repräsentiert. Seine Übertragungsfunktion sei G₁ (ό^ω)· Der Kondensator 38 ist durch eine Übertragungsfunktion G^ (j*>) = j»C repräsentiert, wobei C die Kapazität des Kondensators 38 ist. Dem Kondensator 38 und dem Differentialverstärker 30 wird dasselbe Eingangssignal zugeführt. Ihre Ausgangssignale werden an dem Anschluß 36·, der in der vorliegenden Darstellung von einem Summierer 36* repräsentiert ist, addiert Die Stromquelle 34 wird durch die am Ausgang des Summierers 36' auftretenden Signale gespeist. Diese Stromquelle 34 sei durch eine Übertragungsfunktion G₂ (jw) repräsentiert. Der

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Transistor Q₁ sei durch eine Übertragungsfunktion G, (jft>) repräsentiert. Ohne den den Kondensator 38 enthaltenden Rückkopplungszweig ist die Geradeausverstärkung des in Fig. 4 dargestellten Systems

(13) A(J») = -G₁(Jw) G₂(JA)) G₃(dft»).

Bei fehlendem Kondensator 38 ist das System unstabil. Insbesondere entsteht bei fehlendem Kondensator 38 unter anderem durch die Differentialverstärkerstufe. 30 eine sehr große negative Phasenverschiebung für Signalanteile hoher Frequenz. Durch den Kondensator 38 wird das System stabilisiert. Die Übertragungsfunktion des Kondensators 38 ist - wie bereits erwähnt - G^- (jo) = jüC. Die Kapazität des Kondensators ist so bemessen, daß sie den Signalkomponenten hoher Frequenz eine positive Phasenverschiebung erteilt und damit die negative Phasenverschiebung kompensiert, die die Differentialverstärkerstufe 30 verursacht. D.h., der Kondensator 38 bildet ein positives Phasenverschiebungsglied zur Stabilisierung der Regelschleife des Differentialverstärkers 12, wenn der Transistor GL in der in Fig. 4 dargestellten Weise in dessen Rückkopplungszweig eingefügt ist. Die in Gleichung (1.3) wiedergegebene Verstärkung A(jtu) des Systems gilt für tiefe Frequenzen. Für hohe Frequenzen, d.h. für Frequenzen jenseits der Bandbreite der Differentialverstärkerstufe 30, beträgt die Verstärkung bei offener Rückkopplungsschleife

(14) A(jü) = - (5«C) G₂(JO) G₃(JcO),

so daß die Verstärkung bei offener Rückkopplungsschleife über alle Frequenzen das Nyquist-Stabilitätskriterium befriedigt. Da der Ausgang des Differentialverstärkers 12 eine Konstantstromquelle bildet und zwischen dem Eingangsanschluß 20 und dem Ausgang 36 der Kondensator 38 geschaltet ist, ist das Ansprechverhalten des Differentialverstärkers derart, daß der Kollektorstrom I_c1 des Transistors Q₁

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At

extrem schnell einen stabilen Pegelwert erreicht, welcher der an dem Anschluß 20 anliegenden Spannung proportional ist. Da der Eingangsanschluß 20 normalerweise mit einem Eingangswiderstand (dem vorliegenden Fall von dem Widerstand R₁ gebildet wird) verbunden ist, ist der in den Kollektor des Transistors Q'-i-ip fließende Strom (und damit der Kollektorstrom Ip₁ des Transistors Q₁) sehr schnell dem Strom I₁ proportional.

Fig. 3 zeigt eine analoge Multiplizier-/Dividierschaltung 10'. Diese Schaltung ist der in Fig. 1 dargestellten mit 10 bezeichneten Schaltung verwandt. Gemeinsame Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Bei äquivalenten Elementen ist dem Bezugszeichen ein Strich (') beigefügt. Die in Fig. 3 dargestellte Schaltung besitzt Differentialverstärker 12', 14' und 16'. Ein Exemplar von ihnen, nämlich der Differentialverstärker 12' ist im einzelnen dargestellt. Er beinhaltet eine Differentialverstärkerstufe 30', die mit Eingangsanschlüssen 20 und 32 verbunden ist, eine Stromwandlerschaltung 44', die von der Differentialverstärkerstufe 30' beaufschlagt wird und am Ausgang 36' eine Spannung erzeugt, die der Potentialdifferenz der den Anschlüssen 20 und 32 zugeführten Signale proportional ist, einen Kondensator 38', der im vorliegenden Fall in der Größenordnung von 25 pF liegt und zwischen denAusgang 36' und en Eingangsanschluß 20 geschaltet ist, sowie eine Konstantstromquelle 34', die in der dargestellten Weise mit dem Ausgang 36' verbunden ist.

Die Transistoren Q₁₀₁, Q₁₀₂, Q₁₀₃, Q₁₀₄, Q₁₀₅, Q₁₀₆ und Q₁₀₇ sind so geschaltet, daß sie in der gleichen Weise wirken wie die Transistoren Q., Q_ß und die Konstantstromquelle 42 in Fig. 2. Die Kollektoren der Transistoren Q-J₀₁ und Q₁₀₂ sind mit Masse verbunden. Die Basis des Transistors Q₁₀₁ ist mit dem Eingangsanschluß 32 verbunden. Die Basis des Transistors Q₁₀₂ ^{is-t mi-t dem} Eingangsanschluß 20 und dem Kondensator 38' verbunden. Die Basiselektroden

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der Transistoren Q_1n^, Q₁₀A» ^Qio5 ^{und Q}106 ^sind miteinander und mit dem Kollektor des Transistors Q₁₀-? verbunden. Die Emitter der Transistoren Q₁₀-Z und Q₁₀/, sind miteinander und mit dem Emitter des Transistors Q₁₀₁ verbunden. Die Emitter der Transistoren Q₁₀E und Q_{1 o}c sind miteinander und dem Emitter des Transistors Q₁₀^ verbunden. Die Kollektoren der Transistoren Q_1Q. und Q₁₀E sind mit ihren Basiselektroden verbunden. Die Basis des Transistors Q₁₀^ ist mit einer Referenzspannungsquelle 50 verbunden. Der Emitter dieses Transistors Q₁ Qj ist über einen Widerstand, (der im vorliegenden Fall einen Wert 3320 Ohm hat), mit der -V_ -Versorgungsspan-

CC

nung verbunden. Die Referenzspannungsquelle 50 erzeugt an der Basis des Transistors Q_1Oy eine Referenzspannung, die im vorliegenden Fall (-V„ +0,7) V beträgt. Die Kollektor-

CC

ströme der Transistoren Q₁₀^ und Q_1og werden der Stromwandlerschaltung 44· zugeführt. Diese erzeugt an dem Ausgang 36' eine Spannung, die der Spannungsdifferenz zwischen den Eingangsanschlüssen 20 und 32 proportional ist. Die Stromwandlerschaltung beinhaltet einen Transistor Q₁₁₀* dessen Emitter mit der Versorgungsspannung -V_ . dessen Kollektor

CC

mit dem Kollektor des Transistors Q₁₀-Z und der Basis des Transistors Q₁₀Q und dessen Basis mit dem Emitter des Transistors Q₁₀3» der Basis des Transistors Q₁₁₁ und über einen Widerstand, der im vorliegenden Beispiel einen Wert von 20 KOhm hat, mit der Versorgungsspannung -V__ verbunden ist.

CC

Der Kollektor des Transistors Q₁₁₁ ist mit dem Kollektor des Transistors Q₁₀5 und mit dem Ausgang 35' verbunden.Sein Emitti
dung.

Emitter steht mit der Versorgungsspannung -V in Verbin-

CC

Die Stromquelle 34' ist mit dem Ausgang 36' verbunden und beinhaltet zwei Transistoren Q₁₀Q und Q₁₁₂* ^Der Kollektor des Transistors Q₁₀Q ist mit Masse verbunden, während seine Basis mit dem Ausgang 36' und sein Emitter über einen Widerstand R₁, der im vorliegenden Fall einen Wert von 20 KOhm hat, mit der Versorgungsspannung -V und der Ba-

cc

sis des Transistors Q₁₁O verbunden sind.

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/10)

Der Emitter des Transistors CL ^ρ ^^s^ über einen Widerstand Rp» der im vorliegenden Fall einen Wert von 511 Ohm hat, mit der Versorgungsspannung -V verbunden. Der Kollektor

CC

des Transistors Q₁₁~ ist mit dem Ausgangsanschluß 35 und den Emittern der Transistoren Q₁ und Q₁- verbunden. Wenn die Schaltung in Betrieb genommen ist, entspricht der Strom, der durch die Stromquelle 34' fließt, der Spannung an dem Ausgang 36' und damit der Differenzspannung zwischen den Anschlüssen 20 und 32. Außerdem entspricht der durch die Stromquelle 34' fließende Strom dem Emitterstrom des Transistors Q₁. Da der Basisstrom des Transistors Q-jqo ^im Vergleich zu dem Emitterstrom des Transistors Q₁ vernachlässigbar klein ist, bewirkt der Differentialverstärker 12·, der mit dem Kondensator 38' zwischen den Eingangsanschluß 20 und den Ausgang 36' geschaltet ist, daß der Kollektorstrom des Transistors Q₁ sehr rasch einen stabilen Pegelwert erreicht, der dem dem Anschluß 20 zugeführten Strom, d.h. dem anhand von Fig. 1, 2 und 4 beschriebenen Strom I₁ entspricht.

Die Referenzspannungsquelle 50 beinhaltet einen Ausgangstransistor Q₁₇, der als Diode geschaltet ist und an seinem Kollektor eine Spannung von (-V +0,7) V liefert. Der Emit-

CC

ter des Transistors Q₁₇ ist mit der Versorgungsspannung

-V und seiner Basis mit dem Kollektor verbunden. Die Vercc

sorgungsspannung -V ist über eine Zenerdiode D₁Q mit der

CC I ö

Basis des Transistors Q-i^» dem Kollektor des Transistors Q₁. und der source-Elektrode des Feldeffekttransistors Q₁Q verbunden. Der Kollektor des Transistors Q₁, ist mit der Basis des Transistors Q₁^ und dem Kollektor des Transistors Q-jg verbunden. Der Emitter des Transistors Q₁A ist mit den Basiselektroden der Transistoren Q₁^ und Q₁,- verbunden. Die Emitter der Transistoren Q,./- und Q^ _K und die

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drain-Elektrode des Feldeffekttransistors Q₁Q sind mit Masse verbunden.

Die in Fig. 3 dargestellte analoge Multiplizier-ZDividier-

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schaltung 10' ist auf einem Halbleitersubstrat 60 unter Verwendung bekannter Herstellverfahren gebildet. An dem Halbleitersubstrat 60 sind außerdem die Eingangsanschlüsse 20, 32 des Differentialverstärkers 12', die Eingangsanschlüsse 22, 64 des Differentialverstärkers 14', die Eingangsanschlüsse 24, 68 des Differentialverstärkers 16', eine Klemme 70 für den Anschluß der Versorgungsspannung -V sowie eine Klemme 72 für den Anschluß an das Gegen-

potential (Masse) dieser Versorgungsspannung ausgebildet. Ebenso ist an dem Halbleitersubstrat 60 ein weiterer Ausgangsanschluß 80 ausgebildet, der mit dem Kollektor des Transistors Q, verbunden ist.

Fig. 5 zeigt einAusgangsnetzwerk 82, das über den an dem Halbleitersubstrat 60 angebrachten Ausgangsanschluß 80 mit dem Kollektor des Transistors Q, verbunden ist. Dieses Ausgangsnetzwerk 82 beinhaltet einen Operationsverstärker 84 mit einem Rückkopplungswiderstand R_Q. Der Eingang des Operationsverstärker 84 ist sowohl mit dem Anschluß 80 als auch über den genannten Rückkopplungswiderstand R_n mit seinem eigenen Ausgang verbunden. Er erzeugt an seinem Ausgang deshalb eine Spannung e₀, die dem Kollektorstrom I-, des Transistors Q-, proportional ist. Es sei erwähnt, daß das Ausgangssetzwerk 82 sich nicht auf dem Halbleitersubstrat 60 befindet, so daß die auf diesem Substrat hergestellte Schaltung 10' auch bei vielen anderen Anwendungsfällen eingesetzt werden kann, beispielsweise als Verstärker mit veränderbarem Verstärkungsgrad, ■als Radizierschaltung, usw.

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Claims

Patentansprüche
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

a) daß die erste Gruppe vier Transistoren (Q,. bis Q^) umfaßt, deren Basis-Emitter-Strecken derart in Reihe geschaltet sind, daß an dem Kollektor eines (Q-*) der Transistoren (Q₁ bis Q^) ein Ausgangsstrom (I,) erzeugt wird, der dem Produkt der den Kollektoren eines zweiten (Q₁) und eines dritten Transistors (Q₂) dieser Gruppe (Q₁ bis Q,) zugeführten Ströme (I₁, I₂) direkt und dem dem Kollektor des vierten Transistors (Q^) der ersten Gruppe (Q₁ bis Q^) zugeführten Stromes (I.) umgekehrt proportional ist,

b) daß die zweite Gruppe ebenfalls vier Transistoren (Q₅ bis Qg) umfaßt und daß die Verbindung jeweils der Basis und des Kollektors jedes Transistors der zweiten Gruppe mit der Basis bzw. dem Kollektor je eines Transistors der ersten Gruppe in den Transi-

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stören (Q₅ bis Qq) der zweiten Gruppe Kollektorströme verursachen, die jeweils dem Stromfluß durch den ohmschen Emitterwiderstand des korrespondierenden Transistors der ersten Gruppe entsprechen und daß mit den Kollektoren der Transistoren (Q,- bis Q_Q) verbundene Schaltmittel(re^f^ und re'p) vorgesehen sind, die eine in Reihe mit den in Reihe geschalteten Basis-Emitter-Strecken der Transistoren der ersten Gruppe (Q-. bis Q^) wirksame Spannung erzeugen, di« den an den ohmschen Emitterwiderständen der Transistoren der ersten Gruppe auftretenden Spannungsabfällen entsprechen.
3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die spannungserzeugenden Mittel zwei Widerstände (re'-j, re'₂) beinhalten, von denen jeweils einer mit den Kollektoren eines korrespondierenden Transistorpaares (Qc, Qg bzw. Qr,, Qq) der zweiten Gruppe (Qc bis Qo) verbunden ist und deren Widerstandswerte den ohmsehen Emitterwiderständen der Transistoren der ersten Gruppe entsprechen.
4. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Transistor (Q-. bis Q^) der ersten Gruppe der jeweils korrespondierende Transistor (Q_c bzw. Qr bzw. Qr₇ bzw. Q_Q) einander entsprechen,

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derart daß ümwelt-(z.B. temperatur-) bedingte Einflüsse auf ihre Kennwerte einander kompensieren.
5. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

a) daß die erste Gruppe vier Transistoren (Q-. bis Q^) umfaßt, daß der Emitter des ersten Transistors (Q₁) dieser Gruppe mit der Basis des zweiten Transistors (Qp) verbunden ist, daß der Ermitter des zweiten Transistors (Qp) mit dem Emitter des dritten (Q,) und derEmitter des vierten Transistors (Q^) mit der

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Basis des dritten Transistors (Q,) verbunden ist,

b) daß die Kollektoren derjenigen Transistoren (Q,- , Qg) der zweiten Gruppe die dem ersten (Q-) und dem zweiten Transistor (Q₂) der ersten Gruppe zugeordnet sind, miteinander und mit einem ersten Schaltungspunkt (26) verbunden sind, derart, daß der in diese Kollektoren fließende Strom dem durch die ohmschen Emitterwiderstände des ersten (Q-) und des zweiten Transistors (Q₂) der ersten Gruppe entspricht,

c) daß die Kollektoren derjenigen Transistoren (Qy und Q₈) der zweiten Gruppe, die dem dritten (Q,) und dem vierten Transistor (Q^) der ersten Gruppe zugeordnet sind, miteinander und mit einem zweiten Schaltungspunkt (28) verbunden sind, derart daß der über diesen Schaltungspunkt fließende Strom dem Stromfluß durch die ohmschen Emitterwiderstände des dritten (Q,) und des vierten Transistors (Q/,) der ersten Gruppe entspricht

d) und daß die spannungserzeugenden Schaltmittel Widerstände (reⁿ-, re'₂) umfassen, die jeweils mit einem der genannten Schaltungspunkte (28 bzw. 26) verbunden sind und deren Widerstandswerte denjenigen der ohmschen Emitterwiderstände der ersten Gruppe (Q-bis Qr) von Transistoren entsprechen.