DE3221852A1

DE3221852A1 - Spannungsfolgerschaltung

Info

Publication number: DE3221852A1
Application number: DE19823221852
Authority: DE
Inventors: Katsumi Shimonoseki Yamaguchi Nagano
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1981-06-10
Filing date: 1982-06-09
Publication date: 1983-01-05
Also published as: JPS6257128B2; US4475087A; DE3221852C2; JPS57204611A

Description

Spannungsfolgerschaltung

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine Spannungsfolgerschaltung.

Eine Spannungsfolgerschaltung nach der in Fig. 1 gezeigten Art ist bekannt, siehe beispielsweise die Fig. 1 der US-Patentschrift 4,223,276. Diese bekannte Schaltung weist jedoch den Nachteil auf, daß sie zum Auftreten von Schwingung neigt. In Fig. 2 der oben genannten Patentschrift ist eine andere Spannungsfolgerschaltung beschrieben, die einen Miller-Kondensator zur Phasenkorrektur zum Zweck der Schwingungsverhütung aufweist. Bei dieser Schaltung ist der Frequenzgang verschlechtert und die Anpassungsfähigkeit für integrierte Schaltkreise aufgrund des Einbaues des Kondensators beeinträchtigt. In Fig. 3 der oben angegebenen Patentschrift wird eine weitere Spannungsfolgerschaltung beschrieben, die so aufgebaut ist, daß sie zum Zweck der Schwingungsverhütung die Leerlaufverstärkung dadurch reduziert, daß der gegenseitige Leitwert klein gemacht wird. Obwohl diese Schaltung bezüglich der Schwingungsverhütung verbessert ist, weist sie als neues Problem ein Ansteigen der Verschiebe- bzw. Abweichungsspannung und daher einen Anstieg beim Ausgangsfehler auf.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Spannungsfolger-

schaltung zu schaffen, die so aufgebaut ist, daß sie Schwingungen vermeidet und die Verschiebe- bzw. Abweichungsspannung reduziert.

Diese Aufgabe wird durch eine Spannungsfolgerschaltung gelöst, die gemäß der Erfindung gekennzeichnet ist durch den kennzeichnenden Teil des Anspruches 1.

Bei der Spannungstransferschaltung ist ein Eingang mit dem Kollektor des zweiten Transistors zur Übertragung der an die Basis des ersten Transistors angelegten Eingangsspannung verbunden und eine Mehrzahl von Transistoren sind nacheinander in Emitterfolgeranordnung zwischen Eingang und Ausgang der Schaltung geschaltet.

Bei der erfindungsgemäßen Spannungsfolgerschaltung beträgt die Leerlaufstärkung im wesentlichen den Wert 1, so daß Schwingungen wirksam verhindert werden. Darüber hinaus kann die Abweichungsfehlerspannung auf einen genügend geringen Wert reduziert werden.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer bekannten Spannungsfolgerschaltung;

Fig. 2 ein Schaltbild des konstruktiven Aufbaues einer Spannungsfolgerschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 den praktischen Aufbau einer in Fig. 2 gezeigten Konstantstromquelle IS2;

Fig. 4 ein Schaltbild einer Spannungsfolgerschaltung

die Transistoren des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps wie der'in der in Fig.' 3 gezeigten Spannungsfolgerschaltung verwendet;

Fig. 5 eine Spannungsfolgerschaltung, die Widerstände als Konstantstromquellen IS1 und IS3 in Fig. 2 verwendet;

Fig. 6 eine Modifikation der in Fig. 2 gezeigten Schaltung ;

Fig. 7 insbesondere eine Modifikation der Spannungstransferschaltung;

Fig. 8 eine andere Modifikation der Spannungstransferschaltung und

Fig. 9 bis 14

Anwenderschaltungen mit Verwendung des grundsätzliehen Aufbaues der Spannungsfolgerschaltung gemäß der Erfindung.

Fig. 2 zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer Spannungsfolgerschaltung in einer erfindungsgemäßen Ausführung. Diese Schaltung weist emittergekoppelte Transistoren Q1 und Q2 auf. Die Basis des Transistors Q1 ist mit einer Eingangsklemme IN zum Erhalt einer Eingangsspannung Vin und sein Kollektor mit einer positiven Spannungsversorgungsleitung 11 verbunden. Die Emitter der Transistoren Q1 und Q2 sind über eine Konstantstromquelle IS1 zur Lieferung des Stromes 21 mit einer negativen Spannungsversorgungsleitung 12 verbunden. Zwischen den Kollektor des Transistors Q2 und eine Seite einer den Strom I liefernden Stromquelle IS2, deren andere Seite mit der positiven Spannungsversorgungsleitung 11 verbunden ist, ist eine Schaltung A mit Transistoren Q3 und Q4 geschaltet, deren Kollektor-Emitter-Strecken in Reihe verbunden sind. Zwischen die positive Spannungsversorgungsleitung 11 und eine Ausgangsklemme OUT, an der die

Ausgangsspannung Vout abgegriffen wird, ist eine Schaltung B mit den Transistoren Q5 und Q6 geschaltet, deren Kollektor-Emitter-Strecken in Reihe verbunden sind. Eine weitere Konstantstromquelle IS3 zur Lieferung des Stromes I ist zwischen die Ausgangsklemme OUT und die negative Spannungsversorgungsleitung 12 geschaltet.

Die Schaltungen A und B sind in der gezeigten Weise zur Bildung einer Spannungstransferschaltung 13 zur übertragung der Kollektorspannung des Transistors Q2 auf die Ausgangsklemme OUT verbunden. In der Schaltung A ist dazu der Emitter des Transistors Q3 mit dem Kollektor des Transistors Q2 und sein Kollektor mit dem Emitter des Transistors Q4 und der Kollektor des Transistors Q4 mit der Konstantstromquelle IS2 verbunden. In der Schaltung B ist der Emitter des Transistors Q6 mit der Ausgangsklemme OUT und sein Kollektor mit dem Emitter des Transistors Q5 verbunden, dessen Kollektor mit der positiven Spannungsversorgungsleitung 11 verbunden ist. Die Transistoren Q3 und Q6 sind in bezug auf ihre Basis und Kollektoren kreuzweise gekoppelt. Die Basis des Transistors Q4 ist zu seinem Kollektor in Nebenschluß gelegt und ebenfalls mit der Basis des Transistors Q5 verbunden.

In der in Fig. 2 gezeigten Schaltung wird, wenn die Eingangsspannung Vin an die Eingangsklemme IN angelegt wird, die durch die unten stehende Gleichung (1) ausgedrückte Ausgangsspannung Vout von der Ausgangsklemme OUT erhalten.

Vout = Vin - Vbe(Q1) + Vbe(Q2) + Vbe(Q3) +

Vbe(Q5) - Vbe(Q4) - Vbe(Q6) (1)

wobei Vbe(Q1) bis Vbe(Q6) Basis-Emitter-Spannungen der entsprechenden Transistoren Q1 bis Q6 darstellen. Wenn Vbe(Q1) bis Vbe(Q6) identisch sind, erhalten wir:

Vout = Vin (2)

Da jedoch Vbe(Q1) bis Vbe{Q6)' nicht exakt identisch sind, tritt eine Verschiebe- bzw. Abweichungsfehlerspannung Vos auf.

Wenn die Stromquelle IS2 der Schaltung nach Fig. 2 durch eine, wie in Fig. 3 gezeigt, aus Transistoren Q7 und Q8 bestehende Stromspiegelschaltung 14 dargestellt wird, wird die Abweichungsfehlerspannung Vos folgendermaßen ausgedrückt:

Vos = Vout - Vin

- Vbe(Q2) + Vbe(Q3) + Vbe(Q5) - Vbe (Q1) Vbe(Q4) - Vbe(Q6)

i (3)

wobei 11 den Kollektorstrom des Transistors Q1, 12 den Kollektorstrom der Transistoren Q2, Q3 und Q4 und VT die Temperaturspannung darstellt.

Die folgende Gleichung wird für den Strom am Kollektor des Transistors Q8 erhalten:

k · 11 = 12 + 1/(9 (I + Io + 12) (4)

wobei k das Stromverhältnis zwischen den Transistoren Q7 und Q8, (3 den Stroraverstärkungsfaktor der Emitterschaltung und Io den Ausgangsstrom darstellt.

Die Summe der Emitterströme der Transistoren Q1 und Q2 ist gegeben durch

11 + 12 = 21 (5)

Die Ströme 11 und 12 werden aus Gleichung (4) bzw. (5) folgendermaßen erhalten:

11 = fi/(k + 1 + 1/(i )\ ' {21 + (I + Io)/#$ 12 = (i/(k + 1 + 1/(S )} * {2kl- (I + Io)/(3] (6)

Einsetzen typischer Werte, beispielsweise (ä= 100,

I = 100 /*A, Io = 0 und k = 0.98 in Gleichung (6) ergibt 11 = 101.5 yUA und 12 = 98.48 ^A. Wenn diese Werte von 11 und 12 und V = 25 mV in Gleichung (3) eingesetzt werden, ergibt sich die Abweichungsfehlerspannung Vös zu - 0.76 mV. Es muß angemerkt werden, daß dieser Wert sehr klein ist.

Das kennzeichnende Merkmal der Schaltung nach Pig. 3 liegt in der Tatsache, daß der Kollektorstrom 11 des Transistors Q1 durch die Stromspiegelschaltung 14 im wesentlichen gleich dem Kollektorstrom 12 der Transistoren Q2, Q3 und Q4 gemacht wird. Im optimalen Fall, daß β = «*» und k = 1 ist, ergibt sich aus Gleichung (6), daß 11 = 12 = I ist. Wenn der Ausgangsstrom Io = 0 ist, wird die Abweichungsfehlerspannung Vos Null, da die KoIlektorströme der Transistoren Q1 bis Q6 jeweils I betragen und deren Basis-Emitter-Spannungen identisch sind. In den in den Fig. 2 und 3 gezeigten Schaltungen beträgt, da alle Transistoren Q1 bis Q6 in Emitterfolgeranordnung verbunden sind, die Leerlaufverstärkung den Wert 1 und es wird eine exzellente Stabilitat erhalten. Ferner ist kein für die Verhütung von Schwingungen vorgesehener Kondensator erforderlich.

Wie in Fig. 4 gezeigt, kann eine Spannungsfolgerschaltung aus Transistoren Q1' bis Q8' aufgebaut sein, die komplementär zu den in den Fig. 2 und 3 gezeigten Transistoren Q1 bis Q8 sind.

Die Stromquellen IS1 und IS3 können, wie in Fig. 5 gezeigt, durch einen Widerstand R1 mit einem Widerstandswert von R/2 bzw. einen Widerstand R2 mit einem Widerstandswert von R ersetzt werden. Zum Erhalt einer höheren Genauigkeit ist ein diodengeschalteter Transistor Q9 in Reihe mit dem Widerstand R2 verbunden.

Um die Genauigkeit der von der Stromspiegelschaltung 14 gelieferten Kollektorströme der Transistoren Q3 und Q4 zu erhöhen, kann die grundsätzliche Schaltung der vorliegenden Erfindung in der in Fig. 6 gezeigten Weise modifiziert werden. Dazu ist ein Transistor Q10 desselben Leitfähigkeit styps wie die Transistoren Q7 und Q8 vorgesehen, dessen Basis mit dem Kollektor des Transistors Q7, dessen Emitter mit dem Kollektor des Transistors Q8 und dessen Kollektor mit dem Kollektor des Transistors Q4 verbunden ist. Ferner ist ein zum Transistor Q10 komplementärer Transistor Q11 vorgesehen, dessen Basis mit dem Kollektor des Transistors Q10, dessen Kollektor mit der positiven Spannungsversorgungsleitung 11 und dessen Emitter mit der Basis der Transistoren Q4 und Q5 verbunden ist.

Die Spannungstransferschaltung 13 kann in der in Fig. 7 gezeigten Weise aufgebaut sein. Dazu enthält die Schaltung A einen diodengeschalteten Transistor Q12, dessen Emitter und Kollektor mit dem Kollektor des Transistors Q2 bzw. Q8 verbunden ist. Die Schaltung B enthält einen Transistor Q13, dessen Basis mit dem Kollektor des Transistors Q12, dessen Kollektor mit der positiven Spannungsversorgungsleitung 11 und dessen Emitter mit der Ausgangsklemme OUT verbunden ist. Die Schaltung nach Fig. 7 kann dieselbe Wirkung wie die Grundschaltung der vorliegenden Erfindung liefern.

Fig. 8 zeigt eine Modifizierung des Ausgangsteiles. Bei der oben beschriebenen Ausführungsform hängt der Ausgangsstrom Io an der Ausgangsklemme OUT weitgehend von dem aus dem Transistor Q6 fließenden Strom ab. In der Schaltung nach Fig. 8 ist die Stromquelle IS3 durch einen PNP-Transistor Q14 ersetzt, dessen Basis mit den Emittern der Transistoren Q1 und Q2, dessen Emitter mit der Ausgangsklemme OUT und dessen Kollektor mit der negativen Spannungsversorgungsleitung 12 verbunden ist. Bei einer derartigen Anordnung besteht der Ausgangsstrom Io aus dem vom Transistor Q6 zur

Ausgangsklemme OUT oder dem von der Ausgangsklemme OUT zum Transistor Q14 gelieferten Strom.

Im folgenden werden Anwendungsschaltungen unter Verwendung der grundsätzlichen Anordnung der oben beschriebenen Spannungsfolgerschaltung dargestellt.

Fig. 9 zeigt eine Spannungs-Strom-Wandlerschaltung, bei der ein Widerstand R3 zwischen den Emitter des Transistors Q6 und Masse geschaltet ist, der Strom der Stromquelle IS3 auf 0 gesetzt ist und ein Ausgangsstrom Iout vom Kollektor des Transistors Q5 abgegriffen wird. Bei dieser Schaltung ist der Ausgangsstrom Iout:

Iout = Vin/R3

Die Spannungsfolgerschaltung nach Fig. 6 kann ebenfalls zu einer Spannungs-Strom-Wandlerschaltung, wie in Fig. 9 gezeigt, gewandelt werden, um damit eine höhere Genauigkeit des Ausgangsströmes als bei der Schaltung nach Fig. 9 zu erhalten.

Fig. 10 zeigt eine Spannungs-Strom-Wandlerschaltung vom Differential- bzw. Differenztyp unter Verwendung zweier Grundschaltungen. Bei dieser Schaltung wird eine Eingangsspannung Vin1 an eine erste Eingangsklemme IN1 angelegt, während eine Eingangsspannung Vin2 an eine zweite Eingangsklemme IN2 angelegt wird. Die Ausgangsströme Iouti und Iout2 an den Ausgangsklemmen 0UT1 und 0UT2 sind gegeben durch

Ein Differenz-Ausgangsstrom Aiout ist gegeben mit

— 12 — t ·♦.*.! *■

Äiout = Iout1 - Iout2 = 2i
= 2/R4 · Δνΐή
= 2/R4 · (Vin1 - Vin2) ' (8)

Es ist ersichtlich, daß der Differenz-Ausgangsstrom Aiout proportional zur Eingangsspannungsdifferenz Δνΐη ist.

Fig. 11 zeigt eine Spannungs-Strom-Wandlerschaltung mit Verwendung der in Fig. 3 gezeigten Schaltung. Diese Schaltung ist mit einer Stromspiegelschaltung 15 versehen, die aus den Transistoren Q14 und Q15 besteht. Der Kollektor des Transistors Q14 ist mit dem Kollektor des Transistors Q5 und der Kollektor des Transistors Q15 mit der Ausgangsklemme OUT verbunden. Eine Stromquelle IS4 zur Lieferung des Stromes I ist zwischen die Ausgangsklemme OUT und die negative Spannungsversorgungsleitung 12 geschaltet. Bei dieser Schaltung beträgt der Kollektorstrom jedes der Transistoren Q14 und Q15 I + i, und ein Ausgangsstrom Iout - Vin/R = i wird von der Ausgangsklemme OUT abgegriffen.

Fig. 12 zeigt eine Temperatur-Spannungs-Wandlerschaltung unter Verwendung der oben beschriebenen Spannungsfolgerschaltung zur Erzeugung einer der absoluten Temperatur T proportionalen Spannung. Bei dieser Schaltung ist die Basis des Transistors Q1 geerdet und daher die Eingangsspannung Vin Null. Deshalb kann Gleichung (1) folgendermaßen umgeschrieben werden:

Vout = -Vbe(QD + Vbe (Q2) + Vbe (Q3) + Vbe(Q5) -

Vbe(Q4) - Vbe(Q6)
= (k . T)/q· ^_n(AI ·Α4·Α6)/(Α2·Α3·Α5) (9)

wobei A1 bis A6 die Emitterflächen der entsprechenden Transistoren Q1 bis Q6 und k die Boltzmann-Konstante dar-

stellen.

Wenn A3 bis A6 identisch sinS/A1 = 4A2 ist, dann beträgt die Ausgangsspannung Vout

Vout = 0.115T (mV)

Beispielsweise ist Vout =* 36 mV bei T = 300⁰K (Raumtemperatur) . In der Schaltung nach Fig. 12 wird eine posi tive Ausgangsspannung erhalten, wenn A1> A2 ist, und eine negative Ausgangsspannung, wenn A1 < A2 ist.

Fig. 13 zeigt eine Temperatur-Strom-Wandlerschaltung vom Differential- bzw. Differenztyp unter Verwendung einer Temperatur-Spannungs-Wandlerschaltung mit A1 > A2 und einer Temperatur-Spannungs-Wandlerschaltung mit A1 < A2. Bei dieser Schaltung beträgt die Ausgangsspannung Vouti ( > 0) des Transistors Q6

Vouti = (k*T)/q·* (A1 ·Α4·Α6)/(Α2·Α3·Α5)

Die Ausgangsspannung Vout2 (< 0) des Transistors Q6' ist Vout2 = (k-T)/q-X_n(A1 '-A4¹ ·Α6')/(Α2·-A3¹-A5¹)

Damit ist der durch den Widerstand R fließende Strom iT gegeben durch

iT = 1/R· (k-T)/q-{^_n(Ai ·Α4·Α6)/(Α2Ά3Ά5) -

/_n(A1 ' -A4¹ •A6^I)/(A2^I -A3¹ -A5¹)} (10)

Die Ausgangsströme Iouti und Iout 2 an den Ausgangsklemmen 0UT1 und 0UT2 sind gegeben durch

IOUti = X Τ XA / ,--,

I out 2

= I + iT I

= I - iT Γ

Einsetzen von (A1-A4·Α6)/(A2·Α3·Α5) = η und

(A1'·Α4'·Α6')/(Α2'-A3¹-A5¹) = 1/η² in Gleichung (10) ergibt

iT = 4/R. (k-T)/q-i_nn

Damit ist der Strom iT proportional zur absoluten Temperatür T.

Fig. 14 zeigt einen Analogmultiplexer zum Multiplexen einer Mehrzahl von Eingangsspannungen im Zeitmultiplex-Verfahren. Der analoge Multiplexer weist eine Mehrzahl von ersten Transistoren Q1a bis Q1d, deren Basis mit einer Mehrzahl von entsprechenden Eingangsklemmen IN1 bis IN4 verbunden ist, und einen Transistor Q2a vom Multi-Emitter-Typ auf, dessen Emitter mit den entsprechenden Emittern der Transistoren Q1a bis Qid verbunden sind. Die Emitter der Transistoren Q1a bis Q1d sind mit entsprechenden Stromquellen IS1a bis IS1d über eine Umschaltschaltung SW verbunden, die Schalttransistoren Q21a bis Q21d enthält, die nacheinander durch an die Eingangsklemmen INI' bis IN4' angelegte Steuersignale eingeschaltet werden.

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Claims

Spannungsfolgerschaltung

PATENTANSPRÜCHE

J/ Spannungsfolgerschaltung, gekennzeichnet durch erste und zweit© eroittesgekoppelte ^raneisLOfea (Ql» Q2), wobei die Basis des ersten Transistors (Q1) zum Erhalt einer Eingangsspannung (Vin) geschaltet und die Basis des zweiten Transistors (Q2) zu seinem Kollektor in Nebenschluß gelegt ist,

eine Spannungstransferschaltung (13) mit einem an den Kollektor des zweiten Transistors (Q2) gekoppelten Eingang und einem Ausgang (OUT) zur übertragung einer Spannung an den Ausgang, die im wesentlichen gleich der Kollektorspannung des zweiten Transistors (Q2) ist, eine mit den Emittern des ersten (Q1J und zweiten (Q2) Transistors verbundene erste Stromquelle (IS1), eine Stromversorgungsschaltung (IS2) zur Lieferung eines Stromes zum zweiten Transistor (Q2) über die Spannungstransferschaltung (13) und

eine mit dem Ausgang der Spannungstransferschaltung (13) verbundene zweite Stromquelle (IS3).
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungstransferschaltung (13) dritte bis sechste Transistoren (Q3 bis Q6) aufweist, wobei der Emitter des dritten Transistors (Q3) mit dem Kollektor des zweiten Transistors (Q2) und sein Kollektor mit einem Emitter des vierten Transistors (Q4) verbunden ist, der Kollektor des vierten Transistors (Q4) mit der Stromversorgungsschaltung (IS2) verbunden ist und seine Basis in Nebenschluß zu seinem Kollektor gelegt ist, der Emitter des sechsten Transistors (Q6) mit dem Ausgang (OUT) der Spannungstransferschaltung und sein Kollektor mit einem Emitter des fünften Transistors (Q5) verbunden ist, die dritten und sechsten Transistoren (Q3, Q6) in bezug auf Basis und Kollektor kreuzgekoppelt sind und die Basis des vierten und fünften Transistors (Q4, Q5) miteinander verbunden ist.
3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungstransferschaltung (13) einen dritten Transistor (Q12), dessen Emitter mit dem Kollektor des zweiten Transistors (Q2) und dessen Basis und Kollektor miteinander mit der Spannungsversorgungsschaltung (IS2) verbunden sind, und einen vierten Transistor (Q13) aufweist, dessen Emitter mit dem Ausgang (OUT) der Spannungstransferschaltung (13) und dessen Basis mit dem Kollektor des dritten Transistors (Q12) verbunden ist.
4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

daß die Spannungsversorgungsschaltung (IS2) eine Stromspiegelschaltung (14) aufweist.
5. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Stromquelle (IS1, IS3) jeweils einen Widerstand (R1, R2) aufweise.-?..
6. Schaltung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch

einen siebten Transistor (QIO), dessen Emitter mit der Spannungsversorgungsschaltung (IS2) und dessen Kollektor mit dem Kollektor des vierten Transistors (Q4) verbunden ist, und durch einen achten Transistor (Q11), dessen Basis mit dem Kollektor des vierten Transistors (Q4) und dessen Emitter mit der Basis des vierten Transistors (QA) verbunden ist.