DE3032567C2 - Differentialverstärker - Google Patents

Description

55

Die Erfindung betrifft einen Diffcrentialverstürker mit zwei Diffcrentialverslärkcrsiulen. deren jede ein Paar Transislorslufen gleiche Impedanz aufweist, wobei die Emitter ihrer Transistoren mit einer jeweils dem Paar zugeordneten Konstantstromquelle verbunden sind und die Basen mit jeweils der eines Transistors der anderen Differenlialverstärkerstufe, während die Kollektoren mit b'S jeweils dem des anderen Transistors der anderen DiITerentialverstiirkerstufe verbunden sind. Derartige DiITerentialvcrstärker werden für unterschiedliche Zwecke eingesetzt, so bspw. für Regelzwecke (ALC), als Mischstufe und dergleichen. So wird bspw. ein der Fig. 1 entsprechender DifTerentialverstärker in einer integrierten Schaltung für die ALC genutzt, wobei zwei Differentialverstärkerstufen unterschiedlichen Sleilheitsverlaufes subtraktiv so zusammenwirken, daß ihre gemeinsame Kennlinie zumindest gestreckte Bereiche der Steilheit aufweist.

Aus der DE OS 2249024 ist ein integrierbarer, als Mischstufe ausgelegter Differenlialverstärker offenbart, der in den Emitterzuleitungen einer seiner Stufen Widerstände aufweist, und bei dem nur eine Differentialverstärkerstufe durch eine Konstantstromquelle gespeist ist und die beiden Differentialverstärkerstufen so miteinander verbunden sind, daß ihre Ausgangssignale sich aufsummieren. Das hierbei erreichte Steilheilsverhalten ist für viele Zwecke nicht ausreichend.

In der DE-AS 24 11 062 wird ein zum Kodieren benutzter DifTerentialverstärker beschrieben, von dessen Differentialverstärkerstufen keine über eine Konstantstromquelle gespeist ist und bei dem, wie auch bei der erstgenannten Entgegenhaltung, die Emitterkreise der DiITerentialverstärkeistufen gleiche Impedanzen aufweisen. Das gleiche gilt auch für DE-OS 2850487. deren Offenbarung weder die in der Gattung vorgegebenen Konstantstromkreise aufzeigt noch ungleiche Emitterimpedanzen erwähnt. Der gewünschte Steilheilsverlauf wird auch hier nicht erreicht.

Die Erfindung geht von der Aufgabe aus. einen DiITerentialverstärker zu schaffen, der sich sowohl hinsichtlich der den Eingangsklemmcn gebotenen Impedanz als auch bezüglich des Verhältnisses zwischen Eingangs- und Ausgangssignalen durch eine weitgehende Linearität auszeichnet, und dessen Steilheit in einem weilen Bereiche flach und linear verläuft.

Gelöst wird dise Aufgabe, indem die Konstantsiromquellen der beiden Differeniialversiärkerstufcn ungleiche Ströme liefern, indem die Emitter der Transistoren einer Diffcrenüalverstärkerstufe mil der zugehörigen Konslantstromquelle durch gleiche, jedoch von denen der anderen Differenüalverstärkerstufe unterschiedliche Impedanzen eekoppelt sind, wobei die zwischen der stärkeren Konstantstromquelle und der zugehörigen DilTcrcntialverstärkerstufe vorgesehenen Impedanzen eine höhere Impedanz aufweisen als die zwischen der schwächeren Konstantstromquelle und der anderen Differcntialvcrstärkerstufe angeordneten.

Weitere zweckmäßige und vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Erläutert sind die Merkmale der Erfindung im folgenden anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit diese darstellenden Zeichnungen. Es zeigen hierbei

Fig. la das Schaltbild eines herkömmlichen Differentialverstärkers.

Fig. 1 bein mit der Schaltung nach F i g. la erzielbares Steilheitsdiagramm,

Fig. 2 das Schaltbild eines gemäß der Erfindung ausgebildeten Differentialverstärkers.

Fig. 3 bis 5 diagrammatisch Steilheitskennlinien zur Veranschaulichung der Wirkung der in Fig. 2 benutzten Schallungsmerkmale, und

Fig. 6 bis 8 die Schaltung weiterer, abgeänderter Ausführungsbeispiele.

Zur Vcrunschaulichung der Erfindung wird anhand der Fig. 1 zunächst ein herkömmlicher Versuch zur Erzielung der angestrebten Linearität erläutert. Die zur ALX'. also zur Pcgelregelung benutzte, der vorgegebenen

NU₁-

Gattung entsprechende Anordnung weist zwei aus den Transistorenpaaren Q₁ und Q₂ sowie Q₃ und Q^, gebildeten DifTerentialverstärkerstufen 10 und 12 auf. Jeweils ein Transistor der Transistorpaare, nämlich die Transistoren Q₂ und Qi, weisen einen Emitter auf. der bezüglich seiner Fläche wesentlich größer ausgeführt ist als der des jeweils anderen Transistors eines Paares. Infolge von Änderungen der Eingangsspannung ändert sich auch die jeweils mit den Differentialverstärkerstufen erzielbare Steilheit. In Fig. Ib sind mit Kurve A der Steilheitsverlauf der Differentialverstärkerstufe 10 und mil Kurve B der Steilheitsverlauf der Differentialverstärkerstufe 12 dargestellt. Die einander überlagernden Kurven A und B bewirken als Steilheitskennlinie des gesamten DilTerentialverstärkers die Summenkurve C. Die Steilheitsfunktion des Differentialverstärkers verläuft, wie dies aus der Kurve C hervorgehl, im Mittelbereiche relativ flach. Voraussetzung für diese gestreckte Kurve allerdings ist. daß jeweils innerhalb der Transistorenpaare das Flächenverhältnis ihrer Emitter 1: 4 beträgt. Wird diese Bedingung nicht erfüllt, so bildet sich der Mittelbereich der Kurve C konkav oder konvex aus. Das bedeutet aber, daß ein derart als IC auf einem Substrat gebildeter Differentialverslärker eine relativ große Grundfläche benötigt, da die Emitterbereiche zweier der Transistoren mit vierfacher Grundfläche auszuführen sind.

Um die Linearität des Steilheitsverlaufes wie auch die der Eingangsimpedanz zu erhöhen und gleichzeitig Transistoren üblicher Größe einsetzen zu können, wurde die Schaltung nach Fig. 2 entwickelt und gefunden. Auch hier wird der Differentialverstärker durch zwei parallel gesteuerte Differentialverstärkerstufen 20 und 22 gebildet, die jeweils Paare von NPN-Transistoren Q₁₁ und Q_h bzw. Q₁ und Q₀ aufweisen. Die Emitter dieser Transistoren sind jeweils über Diodenanordnungen D₁₁ bis D₁₁ paarweise an jeweils einer Differenlialverstärkerstufe zugeordnete Konstantstromquellen 24 bzw. 26 geführt. Dieses Konstantstromquellen sind so ausgelegt, daß die Konsiantstromquelle 26 einen Strom führt, der um den

Faktor« kleiner ist als der von der Konstantstromquelle 40 chung (1) wie fblet: 24 zugeführte Strom, so daß, wie neben den Pfeilen anecordnet. die Konstantstromquelle einen Strom 2 / führt, die Konstantslromquelle 26 jedoch nur einen Strom 2a /. wobei 1 > a> 0 ist.

Die Eingangsklemme 28 ist mit den Basen der Transistören Q_a und Q_d verbunden, und die Eingangsklemme 30 führt zu den Basen der beiden übrigen Transistoren. Der Kollektoranschluß des Transistors Q₁₁ ist mit dem des Transistors Q₁., des von der anderen Eingangsklemme gesteuerten Transistors der anderen Differentialverstärkerstufe, gemeinsam auf einen Ausgangsknoten 40 geschaltet, der mit der Ausgangsklemme 44 und über die Konstantstromquelle 32 mit der Versorgungsklemnie 36 verbunden ist. In gleicher Weise sind die Kollektoren der Transistoren Q_h und Q_d über den Ausgangsknoten 42 mit einer Ausgangsklemme und über eine Konstantstromquelle 34 mit der Versorgungsklemme 36 verbunden, während die Konstantstromquellen 24 und 26 mit der Versorgungsklemme 38 in Verbindung stehen. Die Konstantstromquellen 32 und 34 führen durch eine Strom- t>o spicgel-Verbindung gleiche Ströme und stellen die Last des Differentialverstärkers dar.

Die Diodenanordnung D₁₁ und D_b weisen unter sich gleiche Anzahlen von Dioden auf. bspw. (N-\) Dioden, wobei N eine positive ganze Zahl ist. Auch die zur Differentialverstärkerstufe 22 gehörenden Diodenanordnungen D₁ und D_d enthalten gleiche Anzahlen von Dioden, die aber geringer sind als die der Diodenanordnungen der Differentialverstärkerstuft 20; so können sie (M-I) Dioden enthalten, wobei M für eine positive ganze Zahl steht, die kleiner als N ist, so daß die größeren Anzahlen von Dioden der auch den stärkeren Sirom führenden Konstantsixomquelle 24 vorgeordnet sind. Damit aber weist jeder Strompfad vom Emitter eines der Transistoren Q₁₁ bzw. Q_b zur Konstantstromquelle 24 N Diodenverbindungen auf, in denen auch die Basis-Emitter-Anschlüsse der Transistoren berücksichtigt sind, und in gleicher Weise enthalten die Strompfade von den Kollektoren der Transistoren Q₁. bzw. Q_d zur Konstantstromquelle 26 M Diodenverbindungen auf. Hierbei können die Anzahl von N und M frei eewählt werden, solange

VM

Bei der Betrachtung der Schaltung soll zunächst von der Differentialverstärkerstufe 20 ausgegangen werden, ehe die Arbeitsweise der Gesamtschaltung untersucht wird.

Wird an die Eingangsklemmen 28 und 30 ein Eingangssignal mit der Spannung U₁. gelegt, so bewirken die Transistoren Q₁₁ und Q_h jeweils Ströme /_u und I_h, so daß an der Ausgangsklemme 44 ein Ausgangsstrom /, auftritt. Dieser Zustand wird durch die folgend angegebene Gleichunc bezeichnet:

M)

'b

ln-~

In dieser Gleichung sind:

K = die Boltzmann-Konstante

T = die absolute Temperatur

q = die Elementarladung des Elektrons, U₁ = KTIq = die Temperaturspannung /„ = Sättigungsstrom in Sperrichtung des Transistors und der Diode

/ = halber Strom der Konstantspannungsquelle 24. Der Ausgangsslrom ergibt sich damit aus der Glei-

1-exp. -,

U..

N-

Um die Steilheit gm_x für die erste Differentialverstärkerstufe 20 zu erhalten, wird der Ausgangsstrom /, nach der Eingangsspannung U₁. differenziert:

U,

-⁰¹JL=J-L _ ^expl Οϊ_

" 'δ U₁. ~ N · U₁ ' ^{7 r}' ^³ ' ⁽³'

Die Steilheit gm_N ändert sich also mit der Eingangsspannung U₁, und kann daher durch die Kurven A. B und C der Fig. 3 dargestellt werden, wobei die Kurve A für Λ'=1. die Kurve B für /V = 2 und die Kurve C für N=3 gelten. Hieraus ist leich ersichtlich, daß mit dem Steigen von N die Mittelbereiche der Kurven ebenso absinken wie die Steigungen der Flanken.

Die Steigung der DilTerentialverstärkerstufe 22 ergibt sich analog zur Gleichung 3 durch Einsetzen von / anstelle von /:

g»h, =

2-2/

M- U₁-

Die Steilheit gm_w der Gesarntschaltung wird als Differenz von gm_N und gm_M erhalten, da die Ausgangsströme der Differentialverstärkerstufen 20 und 22 an der Ausgangsklemme 44 entgegengerichtet wirksam werden. Damit ergibt sich die folgende Gleichung:

gm_w=gm_N-gm_M

^exp- 7πτ

l+exp.

N- Uj

Diagrammatisch dargestellt sind diese Steilheitskennlinien in Fig. 4. Ausgegangen wurde hierbei von den Werten /V = 3, M = 2 und a = 1/3. Hierbei stellt die Kurve A die Steilheitskennlinie der Differentialverstärkerstufe 20 dar, die Kurve B gilt für die Steilheilskennlinie der Differentialverstärkerstufe 22, und als deren Differenz wird die Kurve W für die resultierende Steilheit erhalten. Die Gesamtsteilheit verläuft, wie die Kurve W zeigt, relativ gestreckt und weist einen stark abgeflachten Mittelabschnitt auf. - Um die Bedeutung beider Parameter aufzuzeigen, ist zusätzlich eine Kurve B gezeigt, die entsteht, wenn die Differentialverstärkerstufe 22 unter Beibehaltung ihrer geringeren Diodenzahl mit gleichem Strom betrieben würde, d.h., a=1 betrüge.

Die Auswirkung des Variierens der Werte von N, M sowie α wird im folgenden anhand der Fig. 5 erläutert. Die Kurve A zeigt eine Steilheitskennlinie für N = 2. M= 1 und α= t/4. Die Kurve ß entspricht einer Steilheitskennlinie gm_n- für die Werte jV = 3, M = 2 und α= 1/2. Die Kurve C schließlich steht für den Fall einer Kennlinie gm„- mit jV = 4. M = Z und α = 3/5.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 kann weitgehend J5 variiert und abgeändert werden, ohne daß die Lehren der Erfindung verlassen werden. Gemäß Fig. 6 gehören die Transistoren Q₁₁ und Q_h bzw. Q_c und Q₁₁ unterschiedlichen Leitfähigkeitstypen an: Die beiden erstgenannten sind NPN-Transistoren, während für die beiden übrigen PNP-Transistoren eingesetzt sind. Dementsprechend erfolgt die Verbindung der Kollektoren nicht über Stromknoten 40 bzw. 42 der Fig. 2, sondern vielmehr über Stromspiegelschaltungen 46 und 48. Die Diodenanordnungen D₁₁ bis D_d sind jeweils durch die Basisemitterstrecken von Transistoren gebildet, wobei wiederum für die beiden Differentialverstärkerstufen 20 und 22 unterschiedliche Leitfähigkeitstypen zum Einsatz gelangen.

Die Schaltung eines weiteren Ausführungsbeispieles ist in Fig. 7 gezeigt. An die Stelle der Diodenanordnungen der Fig. 2 und 6 sind hier Widerstände R₁₁. R_h, R₁. und R_d eingesetzt. Die innerhalb einer Differenlialverstärkerstufe vorgesehenen Widerstände weisen jeweils den gleichen Widerstandswert auf, die Widerstände der beiden Differentialverstärkungsslufen jedoch unterscheiden sich; so ist auch hier für die Widerstände R₀ und R_b der Differentialverstärkerstufe 20 ein höherer Wert eingesetzt als für die Widerstände R_c und R_d der Differentialverstärkerstufe 22. Der Einsatz der Widerstände erlaubt es. die in den Emitierkreisen der Transistoren wirksamen Impedanzen nicht nur stufenweise zu ändern, wie dies jeweils durch Einbeziehung einer weiteren Diode erfolgt wäre - das Impedanzenverhältnis der beiden Differentialverstärkerstufen kann beliebig feinstufig vorgegeben oder gar geändert werden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß im Mittelteil der£WJ„.-Kennlinien eine nur geringere Linearität erzielt wird als bei der Verwendung von Diodenanordnungen.

Die Erfindung kann weiterhin benutzt werden, um eine variable Impedanz zu erstellen. Bewirkt werden kann dieses, indem, bspw. ausgehend von Fig. 2, der Siromknoten 40 mit der Eingangsklemme 28 verbunden wird. Damit wird eine Impedanz Z des ganzen Kreises erreicht, die dessen mittleren Leitwerts- und damit Steilheitsverlauf gm_u und damit der folgenden Gleichung entspricht:

' Si '21

gm„

aexp.

1+cxp.-/^

Das bedeutet aber, daß in diesem Falle die Impedanz ebeiifaiis einen flachen Kurvenbereich aufweist, und diese Impedanz Z läßt sich durch Steuerung der Ströme 2/ und 2a / der Konstantstromquellen 24 und 26 unter Beibehaltung des Verhältnisses α beliebig einstellen.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. DifTerentialverslärker mit zwei Differentialverstärkerstufen, deren jede ein Paar Transistorstufen gleicher Impedanz aufweist, wobei die Emitter ihrer Transistoren mit einer jeweils dem Paar zugeordneten Konstantstromqueüe verbunden sind und die Basen mit jeweils der eines Transistors djr anderen Differentialverstärkerstufe, während die Kollektoren mit jeweils dem des anderen Transistors der anderen Differentialverstärkerstufe verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstantstromquellen (24. 26) der beiden Differentialverstärkerstufen (20, 22) ungleiche Ströme liefern, daß die Emitter der Transistoren (Q₁₁- öi>- (?<■* Qd) ^einer Differentialverslärkerstufe mit der zugehörigen Konstanistromquelle durch gleiche, jedoch von denen der anderen Differentialverstärkerstufe unterschiedliche Impedanzen (D„, D_b, R₁₁. R_h: D₁, D_d, R₁. R_d) gekoppelt sind, wobei die (D₁₁, D_h. R_u, R_h) zwischen der stärkeren Stromquelle (24) und der zugehörigen Differentialverstärkerstufe (20) vorgesehenen eine höhere Impedanz aufweisen als die zwischen der schwächeren Konstantstromquelle und der anderen Differential· verstärkerstufe angeordneten.

2. Differentialverstärkcr nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz Diodengruppen (D,,) aufweisen und sich bezüglich der Anzahl der Dioden innerhalb einer Gruppe unterschciden.

3. Differentialverstärkcr nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzen ohmschc Widerstände (/?„) aufweisen und sich bezüglich des Widerstandswertes unterscheiden. J5

4. Diffcrcnlialverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren ((2,,) der Transislorslufen dem gleichen Leitfähigkeitstyp angehören.

5. Differentialverslärker nach einem der Ansprüehe 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (Q_n) einer gemeinsamen Differentialverstärkerslufe (20. 22) dem gleichen und unterschiedlicher Differerilialvcrstärkerslufen unterschiedlichen Lcilfähigkeitstypen angehören, und daß die Verbindung der Kollektoren über Relaisstulen geführt sind.

6. Diffcrentialverslärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Relaisstufen als Stromspiegelungsstufen (42. 44) ausgebildet sind.

7. DilTerenlialverstärker nach einem der Ansprüehe I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis und der Kollektor eines der Transistoren [Q₁₁) direkt miteinander verbunden sind.