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Universelle Verstärkerschaltung
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Die Erfindung betrifft eine universelle Verstärkerschaltung mit Differenzeingang
und Eintaktausgang, die sich besonders für die Verwendung in monolithisch integrierten
Schaltungen eignet.
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Universelle Verstärkerschaltungen sollen einen Differenzeingang haben,
um vielseitig einsetzbar zu sein, und sie sollen einstellbare Verstärkungsfaktoren
besitzen. Erwünscht ist ferner eine hohe Bandbreite.
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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.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Verstärkerschaltung
zu entwerfen, die eine Einstellung des Verstärkungsfaktors ohne Gegenkopplungsschaltung
ermöglicht.
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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.
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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).
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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.
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Des weiteren bietet die Abhängigkeit des Verstärkungsfaktors der
erfindungsgemäßen Schaltung von der Betrlebsspannung die interessante Möglichkeit,
die Verstärkerschaltung als linearen Zweiquadrantenmultiplizierer einzusetzen.
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An Hand von Zeichnungen wird die erfindungsgemäße Schaltung in der
Grundausführung und in weiteren Ausgestaltungen näher erläutert.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Neben der Anwendung der erfindungsgemäßen Schaltung als linearer
Verstärker ist ein weiteres Einsatzgebiet durch die Abhängigkeit des Verstärkungsfaktors
von der Betriebsspannung gegeben.
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Diese Abhängigkeit läßt sich darstellen durch u = k UB u a e Die Schaltung
nach der Erfindung ist somit ein vollwertiger Zweiquadrantenmultiplizierer.
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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.
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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.
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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.
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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
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