DE3144159A1 - Universelle verstaerkerschaltung - Google Patents

Universelle verstaerkerschaltung

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DE3144159A1
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circuit
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universal
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DE19813144159
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English (en)
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Joachim Prof. Dipl.-Ing. 2120 Lüneburg Goerth
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F1/00Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
    • H03F1/08Modifications of amplifiers to reduce detrimental influences of internal impedances of amplifying elements
    • H03F1/083Modifications of amplifiers to reduce detrimental influences of internal impedances of amplifying elements in transistor amplifiers
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F3/00Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/45Differential amplifiers
    • H03F3/45071Differential amplifiers with semiconductor devices only

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Amplifiers (AREA)

Description

  • Universelle Verstärkerschaltung
  • Die Erfindung betrifft eine universelle Verstärkerschaltung mit Differenzeingang und Eintaktausgang, die sich besonders für die Verwendung in monolithisch integrierten Schaltungen eignet.
  • Universelle Verstärkerschaltungen sollen einen Differenzeingang haben, um vielseitig einsetzbar zu sein, und sie sollen einstellbare Verstärkungsfaktoren besitzen. Erwünscht ist ferner eine hohe Bandbreite.
  • Solche universellen Verstärkerschaltungen sind als Operationsverstärker bekannt. 1) Operationsverstärker besitzen einen Differenzeingang und einen Eintaktausgang. Ihr Verstärkungsfaktor wird durch äußere Beschaltung, die aus einer Gegenkopplungsschaltung besteht, von der den Operationsverstärkern eigenen sehr hohen Leerlaufverstärkung auf den gewünschten Wert reduziert. Diese notwendige Gegenkopplung birgt die Gefahr der Instabilität in sich. Aus diesem Grunde muß man eine Frequenzgangkompensation vornehmen, die diese Gefahr mindert. Die Frequenzgangkompensation beschneidet aber die Bandbreite.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Verstärkerschaltung zu entwerfen, die eine Einstellung des Verstärkungsfaktors ohne Gegenkopplungsschaltung ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Eigangsdifferenzverstärker der Verstärkerschaltung nicht mit einem Lastwiderstand oder einer aktiven Last arbeitet, wie es dem Stand der Technik entspricht, sondern mit einer Auskopplung des Signal stromes über eine erste Stromspiegelschaltung. Der so ausgelcoppelte Signal strom wird an einem Lastwiderstand in eine Spannung umgewandelt. Der gemeinsame Emitterstrom der Transistoren des Eingangsdifferenzverstärkers wird über eine zweite Stromspiegelschaltung und einen Widerstand aus der Betriebsspannung abgeleitet.
  • Eine weitere Ausführung der Erfindung arbeitet mit einer dritten Stromspiegelschaltung, die den Signal strom noch einmal spiegelt und es gestattet, die Ausgangszeitkonstante kleiner zu 18 tXr).
  • Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, daß der Verstärkungsfaktor der erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung definiert durch die Betriebsspannung einstellbar ist. Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer Gegenkopplungsschaltung mit ihren Nachteilen. Ein weiterer Vorzug besteht darin, daß die Verstärkerschaltung intern mit Strömen statt, wie üblich, mit Spannungen arbeitet. Dadurch werden bandbreitebegrenzende Umladungen von Schaltungskapazitäten vermieden. Die Verstärkerschaltung läßt sich daher vorteilhaft als Breitbandverstärker einsetzen.
  • Des weiteren bietet die Abhängigkeit des Verstärkungsfaktors der erfindungsgemäßen Schaltung von der Betrlebsspannung die interessante Möglichkeit, die Verstärkerschaltung als linearen Zweiquadrantenmultiplizierer einzusetzen.
  • An Hand von Zeichnungen wird die erfindungsgemäße Schaltung in der Grundausführung und in weiteren Ausgestaltungen näher erläutert.
  • Fig. 1 zeigt die Grundausführung der erfindungsgemäßen Schaltung Fig. 2 zeigt zwei Erweiterungen der erfindungsgemäßen Schaltung Fig. 3 zeigt errechnete Eigenschaften der Schaltung nach Fig. 2 Fig. 4 zeigt eine Maßnahme zur Temperaturkompensation Fig. 5 zeigt die Schaltung nach Fig. 1 mit einer Regel schaltung zur Konstanthaltung des Ausgangsruhepotentials.
  • Die Grundausführung der universellen Verstärkerschaltung nach der Erfindung besteht nach Fig. 1 aus einem Transistorpaar T1 und T2, in dessen verbundene Emitter über R2 und die zweite Stromspiegelschaltung T5,T6 ein Strom I eingespeist wird. Der Transistor T2 führt dann einen Kollektorstrom mit dem Signalanteil Darin ist UT die Ternperaturspannuny. Dieser =trom wird nichl:, wie bei einem bekannten OperãtlonsverstårkerS durch einen Lastwi<l-rstand oder eine aktive Last in eine Spannung umgewandelt, sondern durch eine erste Stromspiegelschaltung 23 T3,T4 gespiegelt und erst danach als Spannung an R1 abgebildet. Der Verstärkungsfaktor v ergibt sich zu u R v = UB - UBE R1 4 UT R2 4UT R2 v läßt sich also durch die Betriebsspannung UB einstellen. Die erfindungsgemäße Schaltung, aufgebaut mit Komponenten, die nach einem Standardprozeß für monolithisch integrierte Bipolarschaltungen hergestellt wurden, erreicht bei Ub = 30 V ein Verstärkungs- Bandbreite- Produkt von 600 MHz.
  • Fig. 2 zeigt eine erweiterte Ausführung der Erfindung. Durch Einfügen eines verbesserten Stromspiegels T3,T4, T4' wird der Einfluß des Early- Effektes auf das Ausgangsruhepotential vermindert und die Linearität des Zusammenhanges v = f(UB) verbessert. Nach Art der Schaltung Fig. 1 kann die Ausgangspannung an R1 gewonnen und am Punkt u ' abgenommen werden.
  • a Eine zweite Erweiterung der Erfindung kann dadurch erfolgen, daß man in Fig. 2 nicht den Punkt ua', sondern den Punkt ua als Ausgang benutzt. Der Widerstand R1' wird dann durch den Widerstand R1 ersetzt. Im Signalweg liegt dann zusätzlich die dritte Stromspiegelschaltung T7,T8. Dies hat den Vorteil, daß in die grenzfrequenzbestimmende Zeitkonstante nun die oft kleinere Ausgangskapazität des npn- Transistors Ts eingeht. Diese Zeitkonstante kann man zusätzlich dadurch verkleinern, daß man dem Stromspiegel T7,Tb ein Spiegelverhältnis größer als 1 gibt, etwa durch das Verhältnis der Emitterflächen von T7 und T8. Der Lastwiderstand R1 wird dann im gleichen Verhältnis kleiner, während die Aubgangskapazität von T8 in geringerem Maße ansteigt.
  • Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit des Verstärkungsfaktors v von der Betiebsspannung UB der Schaltung nach Fig.2 und das Verstärkungs- Bandbreite- Produkt fT der Schaltung nach Fig. 2. Diese Daten wurden durch Rechnung gewonnen.
  • Neben der Anwendung der erfindungsgemäßen Schaltung als linearer Verstärker ist ein weiteres Einsatzgebiet durch die Abhängigkeit des Verstärkungsfaktors von der Betriebsspannung gegeben.
  • Diese Abhängigkeit läßt sich darstellen durch u = k UB u a e Die Schaltung nach der Erfindung ist somit ein vollwertiger Zweiquadrantenmultiplizierer.
  • Ferner ist es möglich, Maßnahmen zur Temperaturkompensation des Verstärkungsfaktors v zu treffen, beispielsweise durch teilweisen Ersatz des Widerstandes R2 durch eine Diodenkette nach Fig. 4.
  • Im Übrigen sind weitere Maßnahmen möglich, die erfindungsgemäße Schaltung an spezielle Bedürfnisse anzupassen. Darunter fallen die aus der Operationsverstärkertechnik bekannten Methoden z. B. zur Erhöhung des Eingangswiderstandes, zum Abgleich der Offsetspannung oder das Zufügen einer ldndstu£e.
  • Ferner kann eine Regelung zugefügt werden, wie Fig.5 zeigt, die das Ausgangsruhepotential auf einem vorgegebenen Wert driftfrei festhält. Dieser vorgegebene Wert wird beispielsweise mit dem Spannungsteiler R3, R4 eingestellt und mit dem tatsächlichen Wert verglichen. Etwaige Differenzen wirken über einen Regelverstärker T1o, T11 auf den gemeinsamen Emitterstrom des Eingangsdifferenzverstärkers T1,T2 ein und steuern so der Potentialabweichung entgegen. Der Kondensator C1 dient der Einstellung der RegelzoiL-konst:'nen.
  • Literatur 013 z.B. Achterberg, H. Operationsverstärker Hamburg 1974 Valvo GmbH Technische Information für die Industrie 791210 Hamburg 1979 023 z. B. Goerth, J. Stromspiegelschaltungen Valvo- Berichte Band XIX Heft 3 Hamburg 1974 L e e r s e i t e

Claims (6)

  1. Universelle Verstärkerschaltung Patentansprüche: 1. Universelle Verstärkerschaltung mit einem Eingangsdifferenzverstärker T1,T2 und einer Bestirnmung des yemeinsamen Emitterstromes von T1,T2 durch eine zweite Stromspiegelschaltung T5,T6 und einen Widerstand R2, der an die Betriebsspannung gelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektorstrom wahlweise des Transistors T1 oder T2 über eine erste Stromspiegelschaltung T3,T4 ausgekoppelt und an einem Widerstand R1 als Spannung abgebildet wird.
  2. 2. Universelle Verstärkerschaltung nach 1., dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stromspiegelschaltung T3, T durch eine verbesserte Stromspiegelschaltung, z.B. T3,T4,T4' ersetzt wird.
  3. 3. Universelle Verstärkerschaltung nach 1. oder 2., dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Stromspiegelschaltung, z.B. T7,T8,den Signalstrom noch einmal spiegelt.
  4. 4. Universelle Verstärkerschaltung nach 1., 2. oder 3., dadurch gekennzeichnet, daß Maßnahmen zur Kompensation des Temperaturganges des Verstärkungsfaktors getroffen sind, beispielsweise durch teilweises Ersetzen des Widerstandes R2 durch eine Diodenkette T6,T6', T6" usw.
  5. 5. Universelle Verstärkerschaltung nach 1., 2., 3. oder 4., dadurch gekennzeichnet, daß aus der Operationsverstärkertechnik bekannte Maßnahmen zur Erhöhung des Eingangswiderstandes oder zum Abgleich der Offsetspannung getroffen sind oder daß eine Endstufe vorgesehen wird.
  6. 6. Universelle Verstärkerschaltung nach 1.,2.,3.,4.oder 5., dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsruhepotential durch eine Regelschaltung konstant gehalten wird.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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