DE3318106C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verstärkerschaltung mit hoher Eingangsimpedanz, insbesondere auf Trennverstärkerschaltungen oder dergleichen.

Es gibt hinreichend bekannte Trennverstärkerschaltungen, die entweder gemäß Fig. 1 der anliegenden Zeichnung als aus zwei npn-Transistoren 1 und 2 bestehende Emitterfolger oder gemäß Fig. 2 als aus einem Feldeffekttransistor 3 und zwei Widerständen R1 und R2 gebildete Sourcefolger geschaltet sind. Da bei derartigen Trennverstärkern zwangsläufig ein Teil des Eingangssignals als Basisstrom oder über einen Vorspannungserzeugungswiderstand abfließt, kann die Eingangsimpedanz der Schaltung nicht beliebig erhöht werden.

Wenn eine so beschaffene Trennverstärkerschaltung in einer Klemmschaltung, einer Sample/Hold-Schaltung (Abtast- und Halteschaltung) oder in einem Treiber für eine kapazitive Last verwendet wird, müssen wegen der nicht unbegrenzt zu erhöhenden Eingangsimpedanz Verzerrungen der Signalwellenform in Kauf genommen werden.

Eine in Fig. 3 dargestellte und auf den Seiten 748, 749 der Ausgabe SC-16 vom 6. Dez. 1981 der Zeitschrift "IEEE Journal of Solid-State Circuit" erläuterte andere Schaltung, die ähnlich arbeitet wie eine im Zusammenhang mit einer Verstärkerschaltung in GB 14 96 177 beschriebene Trennverstärkerschaltung, enthält vier Transistoren 11 bis 14 mit jeweils hohen Stromverstärkungsfaktoren h_fe1 . . . h_fe4. Unter der Bedingung h_fe1 ≅ h_fe2 ≅ h_fe3 ≅ h_fe4 fließen Basisströme i_B1 ≅ i_B2 in den Transistoren 11 und 12, und das bedeutet, daß diese Basisströme zur Steuerung der Transistoren 11 und 12 nicht der Signalquelle entzogen werden müssen. Ein an einer Eingangsklemme 10 der Schaltung von Fig. 3 ankommendes Eingangssignal V_in geht an die gemeinsame Basis des pnp-Transistors 11 und des npn-Transistors 12. Der Emitter des mit seinem Kollektor an Masse gelegten pnp-Transistors 11 ist mit dem Kollektor eines zweiten pnp-Transistors 14 verbunden. Der npn-Transistor 12 ist mit seinem Emitter an eine Ausgangsklemme 18 sowie eine Konstantstromquelle 15 angeschlossen, und sein Kollektor ist mit dem Emitter eines zweiten pnp-Transistors 13 verbunden. Auch dieses zweite pnp/npn-Transistorpaar 14/13 hat eine gemeinsame Basis. Der Emitter von Transistor 14 und der Kollektor von Transistor 13 liegen gemeinsam an einem Stromanschluß 17.

Aus den Basisströmen i_B1 . . . i_B4 und den Stromverstärkungsfaktoren h_fe1 . . . h_fe4 ergeben sich die Kollektorströme I₁ bis I₄ der einzelnen Transistoren 11 bis 14:

I₁ = h_fe1 · i_B1;   I₂ = h_fe2 · i_B2
I₃ = h_fe3 · i_B3;   I₄ = h_fe4 · i_B4

In dem mit der den Strom I abgebenden Konstantstromquelle 15 verbundenen npn-Transistor 12 fließt ein Basisstrom

In dem mit Transistor 12 verbundenen zweiten npn-Transistor 13 fließt ein Basisstrom

Da die Transistoren 14 und 13 eine gemeinsame Basis haben, fließt im zweiten pnp-Transistor 14 der gleiche Basisstrom wie im zweiten npn-Transistor 13, nämlich

Der Transistor 14 liefert somit einen Kollektorstrom

Im ersten pnp-Transistor 11 fließt ein Basisstrom

Die Transistoren 11 bis 14 können in dasselbe Substrat integriert sein und haben dann gleiche Operationswerte und gleiche Stromverstärkungsfaktoren h_fe(h_fe<1). In diesem Fall hat der erste pnp-Transistor 11 einen Basisstrom

Das bedeutet, beide Transistoren 11 und 12 haben im wesentlichen gleiche Basisstromwerte. Damit hätte die Schaltung in Fig. 3 zwar theoretisch eine unendlich große Eingangsimpedanz Z_in, die in der Praxis aber durch die zur Vorspannungserzeugung für die Transistoren 11 und 12 notwendigen Widerstände R1 und R2 wieder verkleinert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine bessere Verstärkerschaltung mit erhöhter Eingangsimpedanz zu schaffen.

Die erfindungsgemäße Lösung der gestellten Aufgabe ist kurz gefaßt im Patentanspruch 1 angegeben.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Der Grundgedanke der Erfindung geht dahin, jeweils die ersten und die zweiten Eingänge zweier Differenzverstärker, von denen der eine ein npn-Transistorpaar und der andere ein pnp-Transistorpaar umfaßt, miteinander zu verbinden und die so verbundenen ersten Eingänge an einen Eingangsanschluß für ein gleichspannungsfreies Signal und die miteinander verbundenen zweiten Eingänge an eine Gleichstrom-Vorspannungsquelle anzuschließen.

Erfindungsgemäß ist eine höhere Eingangsimpedanz als bisher erzielbar, weil diese nicht durch eine Widerstände enthaltende Vorspannungserzeugungsschaltung beeinträchtigt wird.

Teilweise baut die Erfindung auf den Grundlagen der Schaltung von Fig. 3 auf.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachstehend unter Bezug auf eine Zeichnung in beispielsweiser Ausführungsform näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1, 2 und 3 die eingangs erläuterten herkömmlichen Verstärkerschaltungen,

Fig. 4 und 5 schematische Schaltbilder erfindungsgemäßer Verstärkerschaltungen,

Fig. 6 ein Signaldiagramm zu Fig. 5 und

Fig. 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in Form eines Schaltbildes.

Das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung enthält zwei aus je einem pnp- und npn-Transistor zusammengestellte Transistorpaare 21A, 22A und 21B, 22B. Ein Eingangssignal V_in von einer Eingangsklemme 20 geht an die gemeinsame Basis des ersten Transistorpaares 21A, 22A. Die gemeinsame Basis des zweiten Transistorpaares 21B, 22B ist an eine Vorspannungsquelle 26 angeschlossen. Die beiden pnp-Transistoren 21A und 21B sind mit dem Kollektor an Masse und mit ihrem Emitter gemeinsam an den Kollektor eines pnp- Transistors 24 angeschlossen, dessen Emitter an einem Stromversorgungsanschluß mit +V_cc liegt und dessen Basis mit der Basis eines npn-Transistors 23 verbunden ist, welcher seinerseits mit dem Kollektor an den Versorgungsanschluß +V_cc und mit seinem Emitter an den Kollektor eines vierten npn-Transistors 29B, der mit einem fünften npn-Transistor 29A eine mit dem Verknüpfungspunkt zwischen zwei Widerständen R1, R2 verbundene gemeinsame Basis hat, angeschlossen ist. Die Widerstände R1 und R2 liegen in Reihe zwischen +V_cc und Masse. Die Emitter der npn-Transistoren 22A und 22B sind gemeinsam mit dem Kollektor von Transistor 29A, und die Emitter der Transistoren 29B und 29A über je einen Widerstand R3 bzw. R4 an Masse gelegt. Ferner gib es einen vierten pnp-Transistor 27 mit an seinen Kollektor angeschlosener Basis, der somit wie eine Diode arbeitet und über diese kurzgeschlossenen Anschlüsse mit dem Kollektor von Transistor 22A sowie der Basis eines fünften pnp-Transistors 28 verbunden ist, dessen Emitter an der Stromversorgung +V_cc und dessen Kollektor gemeinsam mit dem von Transistor 22B an einem Ausgangsanschluß V_out liegt.

Die Transistoren 29A, 29B und die Widerstände R1 bis R4 bilden eine Stromspiegelschaltung, die Kollektorströme beider Transistoren haben den gleichen Wert I. Durch den Kollektorstrom I von Transistor 29a wird ein durch die Transistoren 22A und 22B gebildeter Differenzverstärker getrieben.

Ein im Betrieb durch Transistor 29B fließender Strom I fließt auch durch den Transistor 23 und veranlaßt ferner einen Stromfluß I durch den Transistor 24. Der eine Vorspannung von der Quelle 26 beziehende Transistor 21B ist durchgeschaltet und leitet einen von Transistor 24 kommenden Kollektorstrom. Die Basisvorspannung des Transistors 21A, die als Differenzwert den Transistor 21B beaufschlagt, liegt nicht fest. Folglich führt der Transistor 21A keinen Strom, er ist "gesperrt". Das heißt, für das als Differenzverstärker geschaltete Transistorpaar 21A, 21B gilt bezüglich ihrer Basisspannungen V_B

≧ (1)

Bei dem anderen als Differenzverstärker geschalteten Transistorpaar 22A, 22B bekommt der Transistor 22B seine Basisvorspannung von der Quelle 26, ist somit durchgeschaltet, und sein Emitterstrom wird in die Stromquelle für den Transistor 29A abgeleitet. Da der Transistor 22A gesperrt ist, gilt für die Basisspannungen V_B der Transistoren 22A und 22B

≦ (2)

Da = und = ist, müssen zur Erfüllung der Gleichungen (1) und (2) die Basisspannungen von Transistor 21A und 22A gleich den Basisspannungen von Transistor 21B und 22B sein, so daß die Vorspannungsquelle 26 hat. Der Transistor 21A ist folglich durchgeschaltet und führt den gleichen Kollektorstrom I/2 wie der Transistor 21B und auch der Transistor 22A.

Wegen der Identität der Basisströme von Transistor 22A und 21A ist der Wert des Basisstroms in bezug auf die Eingangsklemme 20 annähernd "null" und die Schaltung hat folglich eine hohe Eingangsimpedanz. Dies ist ein Beispiel für eine Schaltung mit hoher Eingangsimpedanz, die keinerlei Vorspannungserzeugungswiderstand hat.

Bei der in Fig. 5 dargestellten erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung mit hoher Eingangsimpedanz sind Fig. 4 entsprechende Einzelheiten mit den gleichen Bezugszahlen versehen. In Fig. 5 erhalten die Transistoren 22B und 21B ihre Basisspannung von dem Punkt D einer aus Widerständen R1,R2, R5 und einer Diode D1 bestehenden Serienschaltung, und die Basisspannung für die Transistoren 21A, 22A wird wie bei Fig. 4 erzeugt. Die Transistoren 29A, 29B sind mit der Anode der Diode 1 als Stromquelle verbunden. Ferner bilden Transistoren 30A, 31A und 32A eine, und Transistoren 30B, 31B und 32B eine andere Stromquelle.

Ohne Eingangssignal an Klemme 20 führen die Transistoren 29B und 24 jeweils einen Kollektorstrom I₁ und die Transistoren 21A und 21B je einen Kollektorstrom I₂ bzw. I₃ (I₂ = I₃). Die Stromquelle, welche durch die Transistoren 30A, 31A und 32A gebildet ist, wird durch den Kollektorstrom I₂ von Transistor 21A getrieben, wobei der Strom I₂ durch Transistor 30A fließt und die Transistoren 27A und 28A treibt, während durch die Transistoren 31A und 32A ein Strom I′₂ fließt. Ähnlich wird Transistor 30B von Strom I₃, aber die Transistoren 31B und 32B von einem Strom I′₃ durchflossen. An den Verbindungspunkt zwischen zwei Serien-Widerständen R6 und R7, die zwischen den Kollektoren von 30A und 30B liegen, ist eine Vorspannungsquelle V_R angeschlossen. Da I₂ ≒ I′₂ und I₃ ≒ I′₃ ist, fließt kein Strom durch R6 und R7, so daß der Ausgangsanschluß dieser Schaltung, das heißt die Kollektoranschlußpunkte B und C der Transistoren 30A und 30B durch die Vorspannungsquelle V_R auf deren Potential gehalten werden.

Wenn der Eingangsklemme 20 der Schaltung von Fig. 5 von einem Generator Ge über einen Kondensator C ein Pulssignal (s. Fig. 6) zugeführt wird, dann kommt es an der Basis der Transistoren 21A, 22A zu einer Spannungsänderung, das vorher vorhandene Spannungsgleichgewicht an den Punkten B und C wird aufgehoben, und beide Transistoren 21A und 22A sperren. Bei gesperrtem Transistor 21A fließt kein Strom I₂, und die aus den Transistoren 30A, 31A, 32A gebildete Stromquelle ist gesperrt, während die andere Stromquelle an den Transistoren 30B, 31B und 32B durch den eingeschalteten Transistor 21B in Betrieb gehalten wird. Der Transistor 22A ist "EIN" und Transistor 22B im Zustand "AUS", so daß die Transistoren 27A und 28B durchgeschaltet, aber die Transistoren 27B und 28B gesperrt sind. Der Kollektorstrom I′₂ von 28A fließt über R6 und R7 in die Transistoren 30B und 31B. Unter den erläuterten Stromflußbedingungen steigt das Potential an Punkt B zum Zeitpunkt t₁ auf I₂R6+V_R an (B in Fig. 6), während gleichzeitig das Potential an Punkt C auf V_R-I₂R7 (C in Fig. 6) fällt. In bezug auf die Eingangsklemme ist, wenn nur der eine Transistor 22A durchgeschaltet und 21A gesperrt ist, die Eingangsimpedanz geringer als wenn beide Transistoren 21A und 22A durchgeschaltet sind, weil der Basisstrom des leitenden Transistors 22A, dessen Quelle die im Kondensator C angesammelte Ladung ist, nicht vollständig an die Klemme 20 gelangt, so daß nach einer festen Basisstrom- Flußzeit (von Zeitpunkt t₁ bis Zeitpunkt t₂ in Fig. 6) das Potential der Klemme dem Potential an Punkt D gleich wird. Dieser Zustand entspricht dem oben erwähnten eingangssignalfreien Zustand. Während der Annäherungszeit des Potentials der Eingangsklemme 20 an das von Punkt D werden mit steigendem Kolllektorstrom von Transistor 21A schließlich die Transistoren 30A und 31A durchgeschaltet, leiten Strom, reduzieren den Stromfluß durch die Widerstände R6 und R7 und bewirken (zwischen t₁ und t₂ in Fig. 6) eine Potentialangleichung der Punkte B und C ab- bzw. aufwärts an die Spannung der Quelle V_R. Im Zeitraum von t₂ bis t₃ herrscht wieder der gleiche Zustand wie zu Beginn, und zur Zeit t₃ fällt die Klemmenspannung an 20 wieder ab, die Transistoren 22A und 21B sperren und schalten den Anschluß 28A ab. Da jetzt Transistor 21A leitet, arbeitet die aus den Transistoren 30A, 31A und 32A bestehende Stromquelle, während die aus den Transistoren 30B, 31B und 32B bestehende Stromquelle abgeschaltet ist. Während dieser Vorgänge fließt der Kollektorstrom I₃ von Transistor 27B durch R7 und R8 in die Transistoren 30A und 31A. Die Potentiale an den Punkten B und C betragen jetzt, d. h. zur Zeit t₃, V_R-I₃R6 und V_R-I₃R7, siehe Kurve B und C in Fig. 6.

Die erläuterte Schaltung gestattet unter Vergleich des Spannungsverlaufs am Punkt B in einem geeigneten Komparator die Erzeugung eines mit der Wellenform A in Fig. 6 synchronen Signals und kann folglich als Pulsdetektorschaltung verwendet werden.

Bei dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die in Fig. 4 vorhandenen Transistoren 27 und 28 jeweils durch einen Widerstand R_L1 bzw. R_L2 ersetzt. Von der Eingangsklemme am Kondensator C aus betrachtet wird die Eingangsimpedanz des Verstärkers von Fig. 7 durch zwei parallele Emitterfolgerschaltungen bestimmt, von denen jede aus einer Serienschaltung eines Transistors und zwei Widerständen, nämlich 22A, R_gN1 und R_gN2 bzw. 21A, R_gP1 und R_gP2, besteht.

Für die erwähnte Eingangsimpedanz Z_in gilt

Wenn R_gN1 = R_gN2 = R_gN und R_gP1 = R_gP2 = R_gN sind, dann ist

Folglich ist

Das heißt, die erfindungsgemäße Schaltung nach Fig. 7 hat gegenüber der die Widerstände R_gN und R_gP zur Vorspannungserzeugung aufweisenden herkömmlichen Schaltung von Fig. 3 eine h_fe-mal größere Eingangsimpedanz, ist für Sinus-Betrieb geeignet und kann bis in den Bereich von f₁ ≧ verstärken. Darin ist mit C₁ die Kapazität des Kondensators C sowie mit f₁ die Frequenz bezeichnet.

Claims (3)

1. Verstärkerschaltung hoher Eingangsimpedanz, mit

• - einem als erster Differenzverstärker geschaltetes NPN-Transistorpaar (22A, 22B) mit einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluß,
• - einem als zweiten Differenzverstärker geschalteten PNP-Transistorpaar (21A, 21B) mit einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluß,
• - einer direkten jeweiligen Verbindung zwischen den ersten Eingangsanschlüssen beider Differenzverstärker einerseits und den zweiten Eingangsanschlüssen der beiden Differenzverstärker andererseits, und mit
• - einem an die miteinander verbundenen ersten Eingangsanschlüsse der Differenzverstärker angeschlossenen Signaleingangsanschluß (20) zur Zuführung eines gleichspannungsfreien Signals für die beiden Differenzverstärker,

gekennzeichnet durch

• - eine erste Treiber-Stromquelle (27, 28, 23, 29A, 29B) für den ersten Differenzverstärker (22A, 22B) und eine zweite Treiber-Stromquelle (24) für den zweiten Differenzverstärker (21A, 21B), und durch
• - eine an die miteinander verbundenen zweiten Eingangsanschlüsse der Differenzverstärker angeschlossene Gleichstrom-Vorspannungsquelle (26; R1, R2, D1, R5) zur Vorspannungserzeugung für die Differenzverstärker.

2. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste und eine zweite Treiber-Stromquelle Ströme jeweils gleicher Größe (I) für den ersten bzw. zweiten Differenzverstärker festlegen.