DE3127020C2

DE3127020C2 - Eine Stromspiegelungsschaltung aufweisender elektronischer Schaltkreis

Info

Publication number: DE3127020C2
Application number: DE3127020A
Authority: DE
Inventors: Hiromi Yokohama Kanagawa Kusakabe
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1980-07-11
Filing date: 1981-07-09
Publication date: 1983-10-27
Also published as: JPH0154893B2; JPS5720033A; GB2080644A; GB2080644B; DE3127020A1; US4410858A

Abstract

Transistorschaltung zum Eliminieren eines Fehlerausgangssignales, welches durch die Unsymmetrie im Betriebsverhalten zweier Transistoren in einer Stromspiegelungsschaltung verursacht wird. Ein Eingangssignal wird in einem Differentialverstärker verstärkt, wobei zwischen dem Diffe rentialverstärker und der Stromversorgung eine Stromspiegelungsschaltung angeordnet ist. Mit dieser Stromspiegelungsschaltung sind Schaltvorrichtungen verbunden, die für das zyklische Umschalten der der Stromspiegelungsschaltung zugeordneten Eingangspunkte und Ausgangspunkte sorgen.

Description

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Die Erfindung betrifft einen Signaleingangs- und Signalausgangsanschlüsse aufweisenden elektronischen Schaltkreis mit einem mindestens einen Eingangs- und zwei Ausgangsanschlüsse aufweisenden Differentialverstärker, auf dessen Eingangsanschluß der Signaleingang geschaltet ist, und mit einer den Ausgängen des Differentialverstärkers nachgeordneten Stromspiegelungsschaltung mit mindestens zwei denen des Differentialverstärkers komplementären Transistoren, deren Kollektoren jeweils mit einem der Ausgänge des Differentialverstärkers, deren Basen miteinander, und deren Emitter mit einena Pol der Stromversorgung verbunden sind.

Ein derartiger Schaltkreis, den Stand der Technik veranschaulichend prinzipiell in F i g. 1 dargestellt, kann als Pilotsignal-Detektorschaltung in einer für das Demodulieren von Stereosignalen bestimmten und als PLL-MPC-Dekoderschaltung bezeichneten Schaltanordnung benutzt werden.

Bei einem solchen bekannten, eine Stromspiegelungsschaltung aufweisenden elektronischen Schaltkreis wird ein ein Tonfrequenz-Hauptsignal, ein Tonfrequenz-Hilfssignal sowie ein Pilotsignal aufweisendes Tonsignal den Eingangsklemmen 6 und 7 eines Differentialverstärkers 11 aufgeschaltet und auf die Basen von dessen Transistoren Qt und Q₂ gegeben. Das durch den Differentialverstärker 11 verstärkte Tonsignal wird von den Koiiektoranschlüssen dieser Transistoren <?i und Q₂ aus jeweils auf parallelgeschaltete Emitteranschlüsse der Transistoren Q₃ bis Qe eines doppelsymmetrischen Differentialverstärkers 12 übertragen, deren Basen durch eine Schaltsignalquelle 13 angesteuert werden, die Schaltsignale mit der Frequenz des Pilotsignals, d. h. mit einer Frequenz von 19 kHz, bewirkt Im Differentialverstärker 12 erfolgt durch das Schalten eine Überlagerung des Tonsignals, deren am Kollektor der Transistoren φ, Q₆ anstehendes Ergebnis als Ausgangssignal auf die Ausgangsklemme 15 übertragen wird. Hierbei wird eine dem Pilotsignal entsprechende Gleichspannung bewirkt, die von der Ausgangsklemme 15 aus auf eine nicht dargestellte Stereo-Anzeigelampe geführt wird.

Unvermeidliche Spannungsschwankungen der Stromversorgung werden durch eine Stromspiegelungsschaltung 14 ausgeglichen, die zwischen dem Differentialverstärker 12 und der dessen Spannungsversorgung bewirkenden Speiseklemme 3 vorgesehen ist und die Transistoren Qr und Qg aufweist. Zum Zwecke der Stromkompensation sollten diese Transistoren ein identisches Verhalten aufweisen; aufgrund der üblichen Massenfertigung dieser Transistoren jedoch ist es nicht möglich, hier Transistoren gleichen Verhaltens einzusetzen, so daß im allgemeinen ein Fehlerstrom von der Stromspiegelungsschaltung 14 aus zur Ausgangsklemme 15 fließt. Wird die Stromverstärkung der Stromspiegelungsschaltung 14 zu 1 +e angenommen, so fließt zum Ausgangsanschluß 15 ein Strom der Größe ε/2 χ I₀, wobei ε ein sich aus der Unsymmetrie der Transistoren Qr und Qg ergebender Faktor und /0 der von der Stromquelle I\\ bewirkte Strom sind. Der Wert von ε liegt üblicherweise im Bereiche von ±0,1, so daß im allgemeinen sich an der Ausgangsklemme 15 ein Fehlerstrom ergibt, der 5% des Stromes /0 betragen kann.

Ein solcher Ausganga-Fehlerstrom kann nicht mehr vernachlässigt werden: Im stereophonen Tonsignal weist das Pilotsignal einen Modulationsfaktor von 10% auf, während die Tonfrequenzsignale einen Modulationsfaktor von 90% zeigen: Das bedeutet, daß der Pegel jedes der Tonfrequenzsignale den des Pilotsignals um das neunfache übersteigt. Hierzu kommt noch, daß für die Sicherung einer ausreichenden Dynamik des Stereosignals die Stärke des Stromes /0 hoch zu wählen ist. Wird beispielsweise für den unteren und den oberen Dynamikbereich des stereophonen Signals ein Pegel angenommen, welcher den des Tonfrequenzsignals dreifach übersteigt, dann ändert sich bei einem Strom I₀ von 600 μΑ das Pilotsignal über einen Bereich von ±10μΑ, während das Fehlersignal eine Stromstärke von ±30 μΑ aufweist. Das bedeutet aber wiederum, daß das von der Ausgangsklemme 15 zu einer Stereo-Anzeigelampe geführte Nutzsignal nur einen Teil des Fehlersignals beträgt, so daß die Gefahr besteht, daß ein Stereoprogramm auch dann angezeigt wird, wenn nur ein Monoprogramm aufgenommen wird.

Ähnliche und die gleichen Abweichungen ergebende Stromspiegelschaltungen sind beispielsweise in der DE-AS 25 38 362 gezeigt.

Die Erfindung geht damit von der Aufgabe aus, einen elektronischen Schaltkreis der bezeichneten Gattung zu

schaffen, der auch beim Aufbau der Stromspiegelschaltung aus nichtidentischen Baugliedem durch die hierdurch bewirkte Unsymmetrie bedingte Fehlerströme vermeidet und vorzugsweise als integrierte Halbleiterschaltung herstellbar ist Gelöst wird diese Aufgabe durch Vorsehen einer ersten Schaltvorrichtung, welche die Basen der beiden. Transistoren der Stromspiegelschaltung alternierend mit dem Kollektor des ersten und dem des zweiten dieser Transistoren verbindet, durch Vorsehen einer zweiten Slchaltvorrichtung, welche den Signalausgang des Schaltkreises alternierend mit dem Kollektor des zweiten Transistors und dem des ersten verbindet, und ferner durch eine Steuervorrichtung, welche die beiden Schiiltvorrichtungen periodisch so betätigt, daß sie jeweils auf die Kollektoren unterschiedlicher Transistoren geschaltet sind. Durch das hierdurch bedingte fortlaufende periodische Umschalten der Transistoren werden diese schaltungsmäßig fortlaufend gegeneinander ausgetauscht, so daß Unterschiede ihrer Eigenschaften sich nicht mehr bemerkbar machen können.

Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung wird der Signalausgang mit einem dtr Ausgangsarischlüsse des Differenlialverstärkers verbunden, dessen anderem Ausgangsanschluß eine dritte von der Steuervorrichtung periodisch betätigte Schaltvorrichtung nachgeordnet ist, welche diese Ausgangsklemme alternierend zur zweiten Schaltvorrichtung jeweils mit dem Kollektor des anderen der Transistoren der Stromspiegelungsschaltung verbindet

Im einzelnen sind die Merkmale der Erfindung anhand der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit diese darstellenden Zeichnungen erläutert Es zeigt hierbei

Fig. 1 das schon beschriebene vereinfachte Schaltbild einer herkömmlichen, eine Stromspieg:elungsschaltung aufweisenden Phasenvergleichsschaltung,

Fig.2 ein vereinfachtes Schaltbild eines mit einer erfindungsmäßigen Stromspiegelungsschaltung ausgestatteten Differentialverstärkers in Verbindung mit der schematischen Darstellung des zeitlichen Verlaufes der deren Schaltvorrichtungen steuernden Schaltfrequenz, Fig.3 vereinfacht· eine gemäß der Erfindung ausgebildete Phasenvergleichsschaltung,

F i g. 4 eine weitere Phasen vergleichsschaltung und F i g. 5 eine der F i g. 2 entsprechende, jedoch mit drei Schaltvorrichtungen ausgestattete Schaltvorrichtung.

Der grundsätzliche Aufbau eines gemäß der Erfindung ausgebildeten elektronischen Schaltkreises wird anhand der F i g. 2 erläutert. Entsprechend der Ansteuerung der F i g. 1 wird ein den Eingangsklemmen 4 und 5 zugeführtes Eingangssignal den Basen der Transistoren Qw und Qm eines Differentialverstärkers 20 zugeführt, deren Emitter über eine ihnen gemeinsame Stromquelle /21 an Masse gelegt ist. Das im Differenzverstärker 20 verstärkte Signal wird von den Kollektoren der Transistoren Q₂₀ und Q>i auf eine Stromspiegelungsschaltung 21 übertragen, welche mittels der Transistoren Q₂₂ und Q₂₃ aufgebaut ist. Hierbei sind jeweils die

Qn bzw. Qz\ und Qn ve.tunden sind. Eine zweite, ebenfalls durch die Steuervorrichtung 25 und damit synchron zur Schaltvorrichtung 22 betriebene Schaltvorrichtung 23 ist mit ihrem beweglichen Kontakt S₄ auf den Signalausgang 26 geführt, während deren feste Kontakte Ss und Se mit jeweils einem festen Kontakt der Schaltvorrichtung 22 so verbunden sind, daß ein ständiger Umschaltvorgang stattfindet Die Speiseleitung 24 und der Signalausgang 26 sind durch einen an den Klemmen 27, 28 liegenden Glättungskondensator C21 überbrückt

Im laufenden Betriebe werden die Umschalter 22 und 23 periodisch und synchron von den Steuersignalen der Schaltvorrichtung 25 betätigt, so daß die beiden Basen der Transistoren Qn und Qn alternierend jeweils mit den Kollektoren der Transistoren Q_x und Q₂₂ bzw. Q₂I und Q₂₃ verbunden sind, wobei jeweils die nicht beschalteten dieser Kollektoren durch die Schaltvorrichtung 23 mit dem Signalausgang 26 verbunden sind. Damit aber werden die Funktionen der Transistoren Q₂₂ und Q₂₃ fortlaufend periodisch miteinander vertauscht. Geht man hierbei davon aus, daß wegen der Unsymmetrie dieser beiden Transistoren Q₂₂ und Q₂₃ sich ein Abweichungsfaktor ε ergibt, so erhält man beispielsweise während der ersten Halbwelle 1 der unteren, schematischen Darstellung der F i g. 2 und der hierdurch bedingten Schaltstellungen der Schaltvorrichtungen 22 und 23 eine Stromverstärkung der Stromspiegelungsschaltung 21 von 1 +ε. Nach der durch die Halbperiode 2 der Steuerfrequenz der Steuervorrichtung 25 bedingten Umschaltung der Schaltvorrichtungen 22 und 23, in der die Funktionen der Transistoren Q₂₂ und Qn gegeneinander vertauscht sind, ergibt sich jedoch eine Stromverstärkung der Stromspiegelungsschaltung 21 von 1/(1+ε). Daraus ergibt sich am Signalausgang 26, geglättet durch den Glättungskondensator C₂₁, nach Einsetzen der Stromstärke I₀ des von der Stromquelle /21 aus zugeführten Stromes Fehlersignal von

40

IKf

l + e

-ΪΗ-]

das vereinfacht werden kann zu

A.

(1 + c)

Damit aber ist der für den Fehlerstrom bei konventionellen Schaltungen geltende Wert ε/2 χ I₀ auf den Wert I₀ · ε²/(4+4ε) gesenkt. Geht man beispielsweise wiederum von 0,1 als Wert für ε aus, so nimmt der Fehlerausgangsstrom einen Wert von 0,0022? /0 an, das sind 0,23% der Stärke des Stromes I₀. Das wiederum bedeutet, daß bei einem Strom I₀ von 600 μΑ ein Fehlerausgangssignal einer Stromstärke von 1,38 μΑ sich einstellt. Damit ist gegenüber dem zuvor angenommenen Ausführungsbeispiel einer Schaltung konventioneller Ausführung

. _o der Fehlerstrom aufgabengemäß

Kollektoranschlusse der Transistoren Q₂₀ und Q₂₂ bzw. so weitgehend vermieden bzw. auf einen Wert abgesenkt

Q₂, und Q₂₃ direkt verbunden, während die Emitter der welcher eine Stereo-Anzeigelampe nicht mehr zum

Transistoren Q₂₂ und Q₂₃ mit einem Pol 24 der Stromversorgung Vc_rin Verbindung stehen. Eine erste

Schaltvorrichtung 22, periodisch geschaltet: durch eine

Steuervorrichtung 25, ist derart ausgeführt, daß ihr

beweglicher Kontakt Si mit den Basen der Transistoren Qi2 und Q₂₃ verbunden ist, während die festen Kontakte S₂ und S₃ mit den Kollektoren der Transistoren Q₂₀ und Ansprechen zu bringen vermag.

Entsprechend den eingangs vermerkten Angaben kani die Erfindung beispielsweise auf die Pilotsignal-Detektorschaltung eines als integrierte Schaltung ausgeführten PLL-MPC-Modulatorschaltung für das Demodulieren von stereophonen Signalen angewendet werden. Eine solche Pilotsignal-Detektorschaltung ist in

F i g. 3 dargestellt. Wie auch bei den folgenden Figuren sind hier zur Erleichterung der Übersicht aus den vorhergehenden, Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnungen bekannte Elemente mit gleicher Referenznummer übernommen.

In Fi g. 3 wird ein stereophones Signal, bestehend aus einem Tonfrequenzhauptsignal, einem Tonfrequenz-Hilfssignal und einem Pilotsignal von 19 kHz, über Eingangsklemmen 4 und 5 den Basen der Transistoren Q₂O und Q₂] eines Differentialverstärkers 20 aufgeschaltet. Die an den Kollektoren auftretenden verstärkten Spannungen werden jeweils auf den Kollektor eines der Transistoren Q₂₂ und Q₂₃ der Stromspiegelungsschaltung 21 weitergegeben, deren Emitter an der Speiseleitung 24 liegen, deren Speiseklemme 27 zur Stromquelle Vcc führt, ihre Basisanschlüsse sind mit den Kollektoren von Transistoren Q₂* und Q25 verbunden, deren Basen jeweils mit einem der gegenphasigen Ausgänge einer Steuervorrichtung 25 verbunden sind, welche Schaltsignale mit einer dem Pilotsignal angepaßten Frequenz von 19 kHz abgibt. Der Emitter des Transistors Q25 ist über einen FET T₂O mit dem Signalausgang 26 verbunden, und der Emitter des Transistors Q₂* ist mit den Kollektoren der Transistoren Q20 und Q22 sowie, über einen weiteren FET T₂], ebenfalls mit dem Signalausgang 26 verbunden. Die beiden Steuerelektroden FETs werden von den beiden gegenphasigen Ausgängen der Steuervorrichtung 25 beaufschlagt. Damit wirken die Transistoren Q₂* und Q25 bzw. die FET T₂₀ und FET T₂₁ als Schaltvorrichtungen 22 bzw. 23 gemäß F i g. 2: Beim Anliegen der positiven Halbperiode 1 des Diagrammes der F i g. 2 einer von der Steuervorrichtung 25 gelieferten symmetrischen Rechteckwelle einer Frequenz von 19 kHz an der Basis des Transistors Q₂* und der Steuerelektrode des FET 7Jo sind der Transistor und der FET im Leitzustande, und die Basen der Transistoren Q22 und Qn stehen mit der Verbindung der Kollektoren der Transistoren Q₂O und Q22 in Verbindung, während die Kollektoren der Transistoren Qn und Qa über den FET T20 auf den Signalausgang 26 geführt sind. Die Transistoren Q₂S und T₂] sind durch die Steuerung des inversen Ausganges der Steuervorrichtung 25 gesperrt. Während der negativen Halbperiode 2 der Steuervorrichtung werden die Transistoren Qu und F₂₀ gesperrt und die Transistoren Qa und T₂\ in den Leitzustand gesteuert Nunmehr stehen die Basen der Stromspiegelungsschaltung 21 mit den Kollektoren der Transistoren Q₂] und Q₂Z in Verbindung, während die der Transistoren Q20 und Q22 auf den Signalausgang 26 geschaltet sind. Am so Signalausgang 26 steht daher zum Betriebe einer nicht dargesieüien Stereo-Anzeigeiampe ein nur eine sehr kleine Fehlerkomponente aufweisendes Gleichstromsignal zur Verfügung. Bewährt hat sich hierbei, daß im wesentlichen nur zwei äußere Anschlußklemmen erforderlich werden, nämlich für den Anschluß der Speiseklemme 27 und zum Anschluß des Signalausganges 26 in Verbindung mit der Anschlußklemme 28 für den Glättungskondensator C₂], so daß der Aufbau einer integrierten Schaltung auch durch die geringe Anzahl der erforderlichen äußeren Anschlüsse begünstigt wird.

Eine weitere Pilotsignal-Detektorschaltung einer PLL-MPX-Modulatorschaltung ist im vereinfachten Prinzipschaltbild in F i g. 4 gezeigt, wobei wiederum für gleiche Teile gleiche Bezeichnungen übernommen sind, so daß eine nochmalige Beschreibung sich erübrigt

Von der Steuervorrichtung 25 gegenphasig gesteuert werden zunächst nur zwei Transistoren Qx und Qs₁, deren Emitter gemeinsam von einer weiteren Stromquelle /31 gespeist werden, und deren Kollektoren jeweils die Emitter eines Transistorpaares Ö2 und Qn bzw. Qn und Qu speisen. Damit werden von den beiden ursprünglich invers gesteuerten und damit eine als Umschalter wirksame Schaltvorrichtung bildenden Transistoren Q30 und Qu zwei durch die Transistoren Q32 bis Qx gebildete Schaltvorrichtungen gesteuert Von diesen sind die Kollektoren der Transistoren Q₂ und Q& mit ihren Kollektoren direkt auf die Speiseleitung 24 geführt, während die durch eine weitere Spannungsquelle V30 mit ihren Basen gemeinsam negativ vorgespannten Transistoren Qn und Q» mit der Basis eines Transistors Qn und dem Kollektor eines Transistors Qa verbunden sind, dessen Emitter an der Speiseleitung 24 liegt. Die Basis des Transistors Qa ist mit den Basen der bereits bekannten Transistoren Qn und Qa sowie dem Emitter des Transistors Qn verbunden, dessen Kollektor an Masse liegt. Der Signalausgang 26 ist hier nicht direkt mit den festen Kontakten des zweiten Umschalters verbunden, sondern mit dem Mittelabgriff eines aus den Widerständen Λ30 und Λ31 gebildeten Spannungsteilers, so daß die Reduzierung des Fehlersignals nicht nur durch die zyklische Umschaltung der Transistoren der Stromspiegelschaltung bewirkt wird, sondern zusätzlich durch die Spannungsteilung unterstützt wird.

Eine weitere Möglichkeit der Nutzung der Erfindung wird anhand der F i g. 5 erläutert.

Das Eingangssignal wird wiederum den Eingangsklemmen 4 und 5 des Differentialverstärkers 20 aufgeschaltet; der Signalausgang 26 jedoch wird weder umgeschaltet noch über einen Spannungsteiler symmetrisch zwischen die Kollektoren der Transistoren Q₂O und Q₂] gelegt, sondern vielmehr direkt an den Kollektor eines der Transistoren des Differentialverstärkers 20, des Transistors Q₂], angeschlossen. Dafür werden jedoch, durch die Signale der Steuervorrichtung 25 betrieben, die eine höhere Frequenz aufweist als die Eingangssignale, drei Schaltvorrichtungen vorgesehen. Von diesen gleicht in der Anordnung und der Wirkung die Schaltvorrichtung 22 der Schaltvorrichtung gleicher Bezeichnung der Fig.2. Die Schaltvorrichtungen 50 und 51 jedoch sind mit der Wirkung eines »Polwenders« zwischen den Kollektoren der Transistoren Q₂₀ und Q₂] sowie denen der Transistoren Qa und Qa angeordnet so daß je nach dem Schaltzustand dieser Umschalter die Kollektoren vertikal oder über Kreuz durchverbunden sind. Während des Betriebes werden daher die drei Umschalter jeweils synchron und periodisch aus den dargestellten Schaltzuständen in deren inverse und aus diesen wieder zurück in die dargestellten Schaltzustände umgeschaltet so daß wiederum das Grundprinzip der Erfindung genutzt wird, die Transistoren der Stromspiegelungsschaltung 21 schnell periodisch jeweils alternierend zu nutzen, um innerhalb der Fertigung auftretende Streuungen durch wechselseitige Nutzung radikal zu reduzieren. Entsprechend den bereits gemachten Aussagen läßt sich dieses Prinzip auf Stromspiegelungsschaltungen aufweisende elektronische Schaltkreise unterschiedlicher Verwendungen einsetzen, so beispielsweise für Operationsverstärker, als Phasenvergleichsschaltung, als FM-Phasenschieberschaltung, AM-Synchron-Detektorschaltungen, Schaltungen mit Phasenregelkreis od. dgl. In allen diesen Fällen werden durch Streuungen der im Stromspiegelkreis verwendeten Transistoren auftretende Fehlströme radikal auf nicht mehr störende Werte abgesenkt

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Signaleingangs- und Signalausgangsanschlüsse aufweisender elektronischer Schaltkreis mit einem mindestens einen Eingangs- und zwei ^ Ausgangsanschlüsse aufweisenden Differentialverstärker (20), auf dessen Eingangsanschluß der Signaleingang geschaltet ist,
und einer den Ausgängen des Differentialverstärkers nachgeordneten Stromspiegelungsschaltung (21) mit mindestens zwei denen des Differentialverstärkers komplementären Transistoren (Qn, Q₂₃), deren Kollektoren jeweils mit einem der Ausgänge des Differentialverstalkers, deren Basen miteinander, und deren Emitter mit einem Pol (24) der Stromversorgung (Vcc) verbunden sind,
'gekennzeichnet durch

eine erste Schaltvorrichtung (22), welche die Basen der beiden Transistoren (Q₁₂, Q23) alternierend mit dem Kollektor des ersten Transistors (Q22) und mit dem des zweiten Transistors (Qn) verbindet
durch eine zweite Schaltvorrichtung (23), welche den Signalausgang (26) des Schaltkreises alternierend mit dem Kollektor des zweiten Transistors (Qa) und dem des ersten (Q22) verbindet,
und durch eine Steuervorrichtung (25), welche die beiden Schaltvorrichtungen (22, 23) periodisch so betätigt, daß sie jeweils auf die Kollektoren unterschiedlicher Transistoren (Q_n, Qn) geschaltet sind.

2. Elektronischer Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalausgang (26) mit einem der Ausgangsanschlüsse des Differential-Verstärkers (20) verbunden ist, und daß dem anderen Ausgangsanschluß eine dritte von der Steuervorrichtung (25) periodisch betätigte Schaltvorrichtung (50) nachgeordnet ist, weiche diese Ausgangsklemme alternierend zur zweiten Schaltvorrichtung (51) jeweils mit dem Kollektor des anderen der Transistoren (Q22, Qn) verbindet.