DE3546204A1

DE3546204A1 - Monolithisch integrierte signalverstaerkersstufe mit hoher ausgangsdynamik

Info

Publication number: DE3546204A1
Application number: DE19853546204
Authority: DE
Inventors: Bruno Monza Mailand/Milano Murari; Mauro Pasetti; Nazzareno Mailand/Milano Rossetti
Original assignee: SGS Microelettronica SpA
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 1984-12-28
Filing date: 1985-12-27
Publication date: 1986-07-03
Anticipated expiration: 2005-12-28
Also published as: US4714897A; IT1218855B; DE3546204C2; FR2575620A1; IT8424276A0; FR2575620B1

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft monolithisch integrierte Signal verstärkerschal tungen und insbesondere eine Verstärkerstufe mit hoher Ausgangsdynamik.

Eine Verstärkerstufe mit hoher Ausgangsdynamik hat im allgemeinen ein Paar von Endtransistoren, die in Klasse AB arbeiten, über ihre Emitter- und Kollektoranschlüsse in Reihe hintereinander zwischen die beiden Pole einer Speisespannungsquelle geschaltet sind und über ihre Basisanschlüsse gegenphasig zueinander in den leitenden Zustand gesteuert werden. Der Ausgangsanschluß der Stufe besteht aus dem Verbindungspunkt zwischen den beiden Transistoren.

In diesem Fall ist der maximal mögliche Signalhub (von Signalspitzenwert zu Signalspitzenwert) am Ausgang gleich der Speisespannung abzüglich des Spannungsverlustes der Schaltung, d.h. die minimal notwendige Spannung, um die Schaltung bei ihren typischen Betriebscharakteristiken zu halten, ist gleich der Speisespannung abzüglich der zweifachen Kollektor-Emitter-Spannung

V_rc ,+ eines bipolaren Transistors, der bei Sättigung arbeite t SaX

tet. Bei einer Verstärkerstufe mit Transistoren, die in Klasse AB arbeiten, ergibt sich nämlich der minimale Spannungsverlust für jede Signalhaibwelle, wenn man den Endtransistor, der leitet dann, wenn das Signal am Eingang einen Pegel entsprechend dem maximalen Signalhub am Ausgang erreicht, bei Sättigung arbeiten läßt.

Für derartige Verstärkerstufen werden von der Fachwelt in Abhängigkeit von den gewünschten Eigenschaften mehr oder weniger komplizierte Schaltungen verwendet. Eine Stufe mit hoher Ausgangsdynamik, deren minimale Betriebsspannung kleiner als bei anderen bekannten Schaltungen mit gleichem Spitze-Spitze-Hub des Ausgangssignals ist, ist beispielsweise in der italienischen Patentanmeldung 22466 A/83 bzw. in der entsprechenden,
veröffentlichten europäischen Patentanmeldunc^"3er Anmelderin,
für welche die Priorität dieser italienischen Patentanmeldung
beansprucht worden ist/ beschrieben.

nachträglich
Geändert

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine monolithisch integrierte Signal verstärkerstufe mit hoher Ausgangsdynamik zu schaffen, die trotz Beibehaltung der sehr guten allgemeinen Leistungen einen wesentlich einfacheren Schaltungsaufbau hat.

Diese Aufgabe wird bei der Signal verstärkerstufe der angegebenen Gattung durch das Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

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Die Erfindung ist nachstehend an eimern Ausführungsbeispiel erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist. Diese zeigt das Schaltschema einer Signal verstärkerstufe gemäß der Erfindung.

Aus der einzigen Figur ergibt sich, daß die Signal verstärkerstufe gemäß der Erfindung einen ersten Transistor Tl, einen zweiten Transistor T2 und ei nt Λ dritten Transistor T3 hat, welche alle bipolare NIPN-"(>ansi s :or£n sind.

Der Basisanschluß cf;S Transistors Tl bildet den Eingangsanschluß IN der Stufe

Der KoI lektoransch"¹ uß dt·:* Transistors Tl ist an den positiven -³Oi rV einer Speif.espanrnzncsquel Ie angeschlossen, während der tmi tteransch"! uß des Transistors Tl über einen ersten Konstantstromgenerator Al an den negativen Pol -V dieser Speisespannungsquelle angeschlossen ist,-

Die Bas"; .,anschl üsse der Transistoren T2 und T3 sind beide "/
dem Emitteranschluß des Transistors Tl verbunden, während ^i/¹L Emitteranschlüsse ari den negativen Pol -V angeschlossen s'ifiCL

- 6 BAD ORIGINAL

Der in der Figur gezeigte Schaltungsaufbau hat auch einen vierten Transistor T4, einen fünften Transistor T5, einen sechsten Transistor T6 sowie einen siebten Transistor T7, die alle bipolare PNP-Transistoren sind.

Die Emitteranschlüsse dieser Transistoren T4, T5, T6 und T? sind an den positiven Pol +V angeschlossen.

Der Basisanschluß des Transistors T4 ist mit dem Basisanschluß des Transistors T5 verbunden. Der Basisanschluß des Transistors T6 ist mit dem Basisanschluß des Transistors T7 verbunden. Die Basis- und Kollektoranschlüsse des Transistors T4 sind miteinander verbunden; ebenso sind die Basis- und Kollektoranschlüsse des Transistors T6 miteinander verbunden.

Der KoIlektoranschluß des Transistors T4 ist mit dem Kollektoranschluß des Transistors T3 verbunden. Die Kollektoranschlüsse der Transistoren T5, T6 sind beide über einen zweiten Konstantstromgenerator A2 an den negativen -V angeschlossen.

Die Kollektoranschlüsse der Transistoren T2 und T7 sind miteinander verbunden, um den Ausgangsanschluß OUT der Stufe zu bilden .

Der Transistor T4 und der Transistor T5 bilden zusammen eine erste Stromspiegelschaltung Sl; ihre Kollektoranschlüsse bilden darin den Eingangszweig bzw. den Ausgangszweig.

Der Transistor T6 und der Transistor T7 bilden gemeinsam eine zweite Stromspiegelschaltung S2; ihre Kollektoranschlüsse bilden darin den Eingangszweig bzw. den Ausgangszweig.

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Die auf diese Weise gebildeten Stromspiegel schaltungen Sl und S2 sind in der Figur durch gestrichelte Linien eingegrenzt.

Die Schaltung hat ferner einen ersten Kompensationskondensator Cl, der zwischen den Basisanschluß des Transistors Tl und den Ausgangsanschluß OUT geschaltet ist. Ein zweiter Kompensationskondensator C2 ist zwischen den Basisanschluß des Transistors T2 und den Ausgangsanschluß OUT geschaltet.

Nachstehend wird die Funktion der erfindungsgemäß ausgebildeten und in der Figur gezeigten Verstärkerstufe erläutert, wobei angenommen wird, daß sich jede Komponente bei normalen Vorspannungsbedingungen befindet, wenn kein Signal vorhanden ist. Ferner wird angenommen, daß sich am Eingangsanschluß IN ein Signal befindet, das einen Leitungsanstieg des Transistors Tl verursacht.

Da der Generator Al einen Konstantstromfluß zu dem Pol -V erzeugt, verursacht der Anstieg des Emitterstromes des Transistors Tl über die Basisanschlüsse der Transistoren T2 und T3 einen Anstieg des Leitens sowohl des Transistors T2 als auch des Transistors T3. Der Anstieg des Kollektorstromes des Transistors T3 verursacht einen Anstieg des Stromes im Eingangszweig und damit auch im Ausgangszweig der Stromspiegelschaltung Sl.

Da der Konstantstromgenerator A2 einen vorbestimmten Wert für die Gesamtgröße des Stromes aufprägt, der in den Eingangs- und Ausgangszweigen der ersten Stromspiegelschaltung Sl bzw. der zweiten Stromspiegelschaltung S2 fließt, bewirkt der Strom, der in dem Ausgangszweig der Stromspiegelschaltung Sl fließt, eine Verringerung des Stromes, der im Eingangszweig der Stromspiegelschaltung S2 fließt.

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Daraus ergibt sich eine entsprechende Verringerung des Stromes, der im Ausgangszweig der Stromspiegelschaltung S2 fließt.

Dem Anstieg des Basisstromes, der von dem Transistor Tl an den Transistor T2 geliefert wird, entspricht hingegen ein Anstieg des Kollektorstromes des Transistors T2, weshalb die Kollektor-Emitter-Spannung an seinen Anschlüssen und damit auch die am Ausgangsanschluß OUT verfügbare Spannung bezüglich des Potentiales des negativen Poles -V abfällt.

Bei hohen Eingangssignalpegel η der Halbwellen, die einen Leitungsanstieg des Transistors Tl hervorrufen, arbeitet der Transistor T2 sogar bei Sättigung und ermöglicht dadurch einen minimalen Spannungverlust.

Wenn jedoch das Eingangssignal eine Verringerung des Leitens des Transistors Tl hervorruft, ist das Stromverhalten in jedem Transistor entgegengesetzt zu dem zuerst beschriebenen: Der Transistor T2 erhält von dem Transistor T7 einen Strom, der größer ist als derjenige, welcher sein eigener, vom Transistor Tl gelieferter Basisstrom hervorrufen würde; die Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors T7 nimmt ab und verursacht dadurch einen Anstieg der am Ausgangsanschluß OUT verfügbaren Spannung bezüglich des Potentials des negativen Poles -V

Für hohe Eingangssignalpegel der Halbwellen, die einen Leitungsabfall des Transistors Tl verursachen, beginnt der Transistor T7 im Sättigungszustand zu arbeiten, was auch in diesem Falle einen minimalen Spannungsverlust erlaubt.

Die resultierende Signal verstärkung wird im wesentlichen von der Stromverstärkung jeder der beiden Stromspiegel schaltungen Sl und S2 bestimmt.

BAD ORIGINAL

Der maximale Signalhub ist, wie es für derartige Stufen angezeigt ist, gleich der Speisespannung abzüglich der doppelten Kollektor-Emitter-Spannung V_{rc: +} eines bipolaren Transistors,

u t s a τ.

der bei Sättigung arbeitet, also die bestmögliche beim Arbeiten mit Transistoren.

Der Ruhearbeitspunkt der Stufe ist bestimmt durch den vom Stromgenerator A2 aufgeprägten Konstantstrom und durch die Stromverstärkungen der Stromspiegel schaltungen Sl und S2. Der am Ausgangsanschluß OUT maximal verfügbare Strom ist gleich dem vom Stromgenerator A2 aufgeprägten Konstantstrom, multipliziert mit der Stromverstärkung der zweiten Stromspiegelschaltung S2.

Eine Verstärkerstufe gemäß der Erfindung kann daher eine hohe Ausgangsdynamik sowie ein ausgezeichnetes Verhältnis zwischen Ruhestrom und Spitzenstrom am Ausgang zur Verfügung stellen. Sie kann auch dann eingesetzt werden, wenn nur niedrige Speisespannungen zur Verfügung stehen.

Vor allem ist der einfache Schaltungsaufbau einer Verstärkerstufe gemäß der Erfindung offensichtlich, so daß diese sowohl aufgrund der einfachen Ausführbarkeit als auch aufgrund der geringen Anzahl der Bauelemente wirtschaftlich hergestellt werden kann.

Eine Verstärkerstufe gemäß der Erfindung ist besonders dazu geeignet, die Endstufe eines monolithisch integrierten Differenzverstärkers mit hoher Ausgangsdynamik zu bilden.

über das beschriebene und dargestellte Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung hinaus sind selbstverständlich zahlreiche Abänderungen möglich, ohne dadurch den Erfindungsgedanken zu verlassen. So können beispielsweise die Stromspiegelschaltungen Sl und S2 im Vergleich zu der dargestellten Ausführung komplizierter ausgebildet werden, um bessere Eigenschaften zu erzielen. Darüber hinaus können mehr als zwei Stromspiegel schaltungen verwendet

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werden, vorausgesetzt, daß sie immer paarweise mittels eines

Konstantstromgenerators miteinander verbunden sind, wie das in

der Figur durch die Stromspiegel schaltungen Sl und S2 dargestellt ist.

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Claims

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SGS MICROELETTRONICA SpA 3546204

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Priorität: 28. Dezember 1984 - Nr. 24276 Α/84 - Italien

Monolithisch integrierte Signal verstärkerstufe mit
hoher Ausgangsdynamik

Patentansprüche

Q/. Monolithisch integrierte Signal verstärkerstufe mit einem ersten Halbleiter-Schaltungselement (Tl) und einem zweiten Halbleiter-Schaltungselement (T2), die beide einen ersten Anschluß, einen zweiten Anschluß und einen Steueranschluß haben, von denen der Steueranschluß des ersten Schaltungselementes (Tl) ein Eingangsanschluß (IN) der Stufe ist, der zweite Anschluß des ersten Schaltungselementes (Tl) an einen ersten Anschluß (+V) einer Speisespannungsquelle angeschlossen ist und der erste Anschluß des ersten Schaltungselementes (Tl) sowohl mit dem Steueranschluß des zweiten Schaltungselementes (T2) als auch - über einen ersten Konstantstromgenerator (Al) - mit einem zweiten Anschluß (-V) der Speisespannungsquelle verbunden ist, mit der auch der erste Anschluß des zweiten Schaltungselementes (T2) verbunden ist, gekennzeichnet durch ein drittes Halbleiter-Schaltungselement (T3) mit einem ersten Anschluß, einem zweiten Anschluß und einem Steueranschluß sowie durch wenigstens eine erste Stromspiegelschaltung (Sl) und eine zweite Stromspiegelschaltung (S2), die mit dem ersten Anschluß (+V ) der Speisespannungsquelle verbunden sind und jeweils einen Eingangszweig und einen Ausgangszweig haben, wobei der erste Anschluß und der Steueranschluß des dritten Schaltungselements

(T3) mit dem zweiten Anschluß (-V) der Speisespannungsquelle bzw. mit dem ersten Anschluß des ersten Schaltungselements (Tl) verbunden sind, der Eingangszweig der ersten Stromspiegelschaltung (Sl) mit dem zweiten Anschluß des dritten Schaltungselements (T3) verbunden ist, der Ausgangszweig der ersten Stromspiegelschaltung (Sl) und der Eingangszweig der zweiten Stromspiegelschaltung (S2) beide über einen zweiten Konstantstromgenerator (A2) mit dem zweiten Anschluß (~V ) der Speisespannungsquelle verbunden sind und der Ausgangszweig der zweiten Stromspiegelschaltung (S2) sowie der zweite Anschluß des zweiten Schaltungselements (T2) miteinander zur Bildung eines Ausgangsanschlusses (OUT) der Stufe verbunden sind.
2. Signal verstärkerstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Halbleiter-Schaltungselement (Tl, T2, T3) wenigstens einen Transistor mit einem ersten Anschluß, einem zweiten Anschluß und einem Steueranschluß aufweist, welche mit dem ersten Anschluß, dem zweiten Anschluß bzw. dem Steueranschluß des jeweiligen Schaltungselements verbunden sind.
3. Signal verstärkerstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Halbleiter-Schaltungselement ein bipolarer Transistor ist, dessen Emitteranschluß, KoIlektoranschluß und Basisanschluß der erste Anschluß, der zweite Anschluß bzw. der Steueranschluß dieses Schaltungselementes sind.
4. Signal verstärkerstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Halbleiter-Schaltungselement (Tl, T2, T3) ein bipolarer NPN-Transistor ist, dessen Emitteranschluß, Kollektoranschluß und Basisanschluß der erste Anschluß, der zweite Anschluß bzw. der Steueranschluß des Schaltungselementes sind.
5. Signal verstärkerstufe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Stromspiegelschaltungen (Sl, S2) einen ersten PNP-Transistör (T4, T6) und einen zweiten PNP-Transistör (T5, T7) aufweist, deren Basisanschlüsse miteinander und deren Emitteranschlüsse mit dem ersten Anschluß (+V) der Speisespannungsquelle verbunden sind, wobei die Kollektoranschlüsse des ersten Transistors und des zweiten Transistors der Eingangszweig bzw. der Ausgangszweig der Stromspiegelschaltung sind.
6. Monolithisch integrierte Signal verstärkerschaltung, gekennzeichnet durch wenigstens eine Signal verstärkerstufe nach einem der vorhergehenden Ansprüche.