DE3602551A1 - Operationsverstaerker - Google Patents

Description

-A-

Beschreibung

Gegenstand der Erfindung ist ein Operationsverstärker nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

ι / Es ist bekannt, daß Operationsverstärker weitreichende Anwendung in verschiedenen Bereichen der Elektronik aufgrund der ihnen eigenen Charakteristiken, ihrer Vielseitigkeit und ihrer Fähigkeit, dem Ausgangssignal Charakteristiken zu verleihen,
die sich entsprechend ihrer Konfiguration und Verbindung mit anderen Schaltkreiskomponenten vonein- i. ander unterscheiden, finden.

Ein typischer (invertierender) Schaltungsaufbau ist in Fig. 1 dargestellt, in dem der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 1 an eine Spannung V_L angeschlossen ist, dessen Ausgang eines
Spannung Vq abgibt, die auf den invertierenden Eingang des Verstärkers 1 über einen Widerstand R2 zurückgekoppelt wird an dessen invertierenden Eingang das Eingangssignal V_IN über einen Widerstand R^ gelegt wird. Solch ein Operationsverstärker weist ein angenähert lineares Verhalten innerhalb eines Spannungsbereiches auf, der durch die in dem Operationsverstärker selbst innewohnenden Faktoren begrenzt
ist.

Es ist jedoch manchmal wünschenswert, den Ausgangsbereich zwischen festen Werten, die nach Bedarf aus-

gewählt werden, zu begrenzen.

Um eine Begrenzung des Ausgangsbereichs zu erzielen, wurde bei früheren Schaltungsanordnungen parallel zum Rückkopplungswiderstand ein Paar antiparallel geschalteter Zenerdioden vorgesehen.

Solange die Ausgangsspannung niedriger als die Zener-Durchbruchsspannung ist, sind die Zenerdioden nicht wirksam und der Operationsverstärker arbeitet normal.

Wenn dagegen die Ausgangsspannung die Durchbruchsspannung einer der Zenerdioden übersteigt, kippt diese Diode in den Durchbruchsbereich und das Rückkopplungs-Netzwerk weist eine niedrige Impedanz auf, die den Verstärkungsgrad reduziert und eine Ausgangsspannungsbegrenzung auf den Wert der Zener-Durchbruchsspannung verursacht.

Diese Lösung weist jedoch einige Nachteile auf. Insbesondere ist es bei dieser Schaltungsanordnung nicht möglich, die Grenzspannung oder Grenzspannungen des Ausgangsbereichs aus zwei verschiedenen Gründen exakt festzulegen, da die Durchbruchsspannungen bei der Diodenherstellung streuen und nicht konstant sind aufgrund ihrer Temperaturabhängigkeit. Darüber hinaus können bei der Verwendung von Zenerdioden nur Begrenzungspannungen mit festen Werten vorgesehen und nicht kontinuierlich den jeweiligen Bedürfnissen angepaßt verändert werden.

Zwar wird bei den bekannten Schaltungsanordnungen versucht, das Driften der Zener-Durchbruchsspannungen in Abhängigkeit von der Temperatur zu reduzieren, jedoch können diese Lösungen auch nicht das andere Problem lösen und ein präzises Festlegen der Spannungsgrenzen ermöglichen. Darüber hinaus verursachen diese Lösungen einen erheblichen Schaltungsaufwand bezüglich des Verstärkers, die mit erheblichen Nachteilen verbunden sind.

J\ Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Operationsverstärker zu schaffen, der die oben genannten Probleme hinsichtlich der bekannten Verstärker beseitigt und bei dem insbesondere die Grenzwerte des Ausgangsspannungsbereiches genau festgelegt werden können ohne auf vorgegebene diskrete Werte begrenzt zu sein. Darüber hinaus soll ein Operationsverstärker geschaffen, dessen Konzeption einfach ist und der vollständig unter Anwendung üblicher Herstellungstechniken hergestellt werden kann. Darüber hinaus soll ein verbesserter Operationsverstärker geschaffen werden, der im Betrieb äußerst zuverlässig ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Operationsverstärker, der eine Differenz-Eingangsstufe und eine Verstärker-Ausgangsstufe aufweist und der durch mindestens eine zweite Differenzstufe gekennzeichnet ist, deren erster Eingang mit dem Ausgang der Verstärkerstufe und deren zweiter Eingang an ein Bezugspotential angeschlossen ist und deren Ausgang mit der Eingangsstufe so verbunden ist, daß er

nicht die Eingangsstufe beeinträchtigt, wenn der absolute Wert des Ausgangs der Verstärkerstufe niedriger ist als das Bezugspotential, wobei die Eingangsstufe stillgelegt und durch die zweite Differentialstufe ersetzt wird, wenn der Ausgang der Verstärkerstufe gleich dem Bezugspotential unabhängig von dem an der Eingangsstufe anliegenden Eingangssignal ist.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles sollen weitere Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung näher erläutert werden, wobei die Erfindung jedoch nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt ist. Es zeigen:

Fig. 1 die elektrische Schaltung eines konventionellen Operationsverstärkers mit invertierendem Ausgang;

Fig. 2 die Ausgangsspannung in Abhängigkeit

von der Eingangsspannung bei einem erfindungsgemäßen Operationsverstärker;

Fig. 3 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Operationsverstärkers;

Fig. 4 eine detaillierte Schaltungsanordnung des erfindungsgemäßen Operationsverstärkers und

Fig. 5 eine detaillierte Ersatzschaltung des Operationsverstärkers gemäß Fig. 4 für

die Betriebsweise bei einer Ausgangsbereichsbegrenzung.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines bekannten Operationsverstärkers, für den eine Begrenzung des Ausgangsbereichs gewünscht wird, beispielsweise entsprechend der Kurvendarstellung in Fig. 2, worin die Ausgangsspannung Vq zwischen den Werten V_l-V_ref und V_l+V_Ref begrenzt ist.

Um ein derartiges Verhalten der Ausgangsspannung zu erzielen, weist die konventionelle Operationsverstärkerstufe I¹ (die in Fig. 3 dargestellt ist und eine übliche Eingangsdifferentialstufe 10 und eine Ausgangsverstärkerstufe 11 aufweist, die in Kaskade miteinander verbunden sind) erfindungsgemäß zwei zusätzliche Differentialstufen 12 und 13 auf.

Im einzelnen ist ein Eingang der Differentialstufe 12 mit einem Bezugspotential (z. B. V_Rgp) verbunden, während der andere Eingang an den Ausgang Vq der Ausgangsstufe 11 angeschlossen ist.

In gleicher Weise ist ein Eingang der Differentialstufe 13 an ein zweites Bezugspotential (z. B. -VrEf) ^un<^ ^^{er zwe}ite Eingang mit dem Ausgang Vq der Ausgangsverstärkerstufe 11 verbunden.

Die Ausgänge der Differentialstufen 12 und 13 sind mit der Differentialstufe 10 des Verstärkers verbunden und steuern ihn in der Weise, daß nicht in den Betrieb des Verstärkers eingegriffen wird, wenn die

Ausgangsspannung Vq innerhalb des durch die Bezugsspannungen festgelegten Bereiches liegt (bezogen auf die Spannung V_L am nichtinvertierenden Eingang der Differentialstufe 10) und die die Differentialstufe blockieren und elektrisch ersetzen (indem an den Eingang der Verstärkerstufe 11 die Ausgangsspannung der Differentialstufe 12 oder 13 gelegt wird), wenn die Ausgangsspannung Vq den Wert der Bezugsspannung Vj^Ep °der -Vj^Ep erreicht.

In dieser Betriebsweise besteht der Operationsverstärker aus einer Differentialstufe (12 oder 13) und einer Verstärkerstufe 11 mit vollständiger Rückkopplung (nach Art eines Spannungsfolgers) wobei der Operationsverstärker am Ausgang demzufolge die an die Differentialstufe 12 oder 13 gelegte Bezugsspannung abgibt/ die jeweils wirksam ist.

Fig. 4 zeigt die detaillierte Schaltung des Blockschaltbildes gemäß Fig. 3.

In dieser Figur sind in gestrichelten Linien die Operationsverstärkerstufe I¹ und die Differentialstufen 12 bzw. 13 dargestellt.

Im einzelnen weist die Operationsverstärkerstufe I¹ zwei Transistoren 21 und 22 auf, deren Emitter miteinander verbunden und an eine Stromquelle I angeschlossen sind.

Die Basis des Transistors 21 bildet den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers, während die

Basis des Transistors 22 den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers bildet.

Der Kollektor des Transistors 21 ist mit einer Diode 23 verbunden, während der Kollektor des Transistors 22 an den Kollektor eines Transistors 24 angeschlossen ist, dessen Basis mit der Anode der Diode 23 verbunden ist und dessen Kollektor zusätzlich mit einem Transistor 25 und einem Kondensator 26 verbunden ist.

Der Operationsverstärker wird durch die Transistoren 27, 28 und 30 sowie die Diode 29 und Stromquellen vervollständigt.

Diese Anordnung ist Stand der Technik und wird daher nicht weiter erläutert.

Die Differentialstufen 12 und 13 sind ebenfalls konventioneller Art und weisen jeweils zwei emittergekoppelte Transistoren auf, deren Emitter an Stromquellen 21 angeschlossen sind.

Der Kollektor des Transistors 31 der Differentialstufe 13 ist geerdet, während seine Basis mit einem ersten Bezugspotential, nämlich dem Bezugspotential -V_REF beaufschlagt ist.

Die Basis des ersten Transistors 32 des die Differentialstufe 13 bildenden Transistorpaares wird von der Ausgangsspannung V_n angesteuert, während der Kollektor des ersten Transistors 32 mit dem Kollek-

tor des Transistors 21 und der Anode der Diode sowie mit der Basis des Transistors 24 verbunden ist.

Der Kollektor 33 der Differentialstufe 12 ist ebenfalls geerdet, während die Basis des Transistors mit der Basis des Transistors 32 und mit dem Ausgang der Verstärkerstufe und damit des Operationsverstärkers verbunden ist.

Der andere Transistor 34 des die Differentialstufe bzw. den Differentialverstärker bildenden Transistorpaares ist mit seiner Basis an eine zweite Bezugsspannung Vj^Ep angeschlossen, während sein Kollektor an die Kollektoren der Transistoren 22 und 24 der Stufe I¹, an die Basis des Transistors 25 und an den Kondensator 26 angeschlossen ist.

Aufgrund dieser Schaltungsanordnung sind die aus den Differentialstufen 12 und 13 bestehenden Begrenzerstufen inaktiv, solange die Ausgangsspannung innerhalb der Bezugsspannungen -V_REp und +V_Rgp liegt, da wegen der entsprechenden Vorspannungen die Transistoren 32 und 34 ausgeschaltet sind und die Transistoren 31 und 33 den Vorspannungsstrom, der von den Stromquellen 21 eingespeist wird, nach Masse ableiten.

Nähert sich die Ausgangsspannung dem oberen Grenzwert V_Rep und erreicht diese Spannungsgrenze, so wird der Transistor 34 ebenfalls vorgespannt und beginnt zu leiten, so daß, wenn die Ausgangsspannung

Vq weiter ansteigt und einen Wert von 50 - 60 mV oberhalb V_ref erreicht, der Transistor 33 abschaltet und der Transistor 34 den Vorspannungsstrom 21 durch die Eingangsdifferentialstufe leitet.

In diesem Zustand schließt die Differentialstufe 12 die Eingangsdifferentialstufe aus und bildet selbst das Steuerdifferential für den Operationsverstärker.

In diesem Betriebszustand kann die Eingangsdifferentialstufe, die aus dem Transistorpaar 21 und 22 besteht, durch eine Stromquelle ersetzt werden, die einen konstanten Strom mit dem Wert I aufnimmt, wie in dem fiquivalenzschaltbild in Fig. 5 dargestellt ist, wo tatsächlich die ursprüngliche Eingangsdifferentialstufe, die von den Transistoren 21 und 22 gebildet wird, durch eine Stromquelle 40 ersetzt ist und wo die Differentialstufe 13 vernachlässigt wurde, die in diesem Betriebszustand nicht wirksam ist.

Entsprechend diesem Ausschluß der Eingangsdifferentialstufe und deren funktioneilen Ersatz durch die Differentialstufe 12 scheint die in Fig. 5 dargestellte Äquivalenzschaltung aus einem Operationsverstärker zu bestehen, bei dem sich die Differentialstufe aus den Transistoren 33 und 34 zusammensetzt und an dessen nichtinvertierendem Eingang unmittelbar die Rückkopplungsspannung Vj^p anliegt. Demzufolge gibt diese Schaltung eine konstante Spannung ab, die gleich der Bezugsspannung V_ref (bezogen auf

die Spannung Vl ist). Das gleiche Verhalten tritt auf, wenn die Ausgangsspannung Vq unter den Wert ~^VREF fällt. In diesem Fall wird ebenfalls die aus den Transistoren 21 und 22 gebildete Differentialstufe ausgeschlossen und durch die Differentialstufe 13 ersetzt, so daß eine äquivalente Schaltung erzielt wird, die der in Fig. 5 dargestellten Schaltung gleicht, wobei im Unterschied hierzu die Bezugsspannung gleich -V_ref ist, die demzufolge ebenfalls die konstante Ausgangsspannung repräsentiert.

Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß die erfindungsgemäße Schaltung die gestellten Aufgaben vollständig erfüllt.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird ein Operationsverstärker realisiert, dessen Ausgangsspannungsbereich nach Bedarf zwischen zwei Werten begrenzt werden kann, wobei die Grenzwerte +V_Rgp, -V_ref *ⁿ geeigneter Weise gewählt werden können.

Obwohl in der vorstehenden Beschreibung zwei identische Grenzwerte ausgewählt wurden, die lediglich entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen, kann selbstverständlich auch ein oberer und unterer Grenzwert der Ausgangsspannung gewählt werden, die asymmetrisch in Bezug auf die Spannung Vl am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers sind.

Der erfindungsgemäße Operationsverstärker ist darüber hinaus äußerst einfach aufgebaut und kann leicht hergestellt werden und insbesondere ohne

Schwierigkeiten als integrierte Schaltungsanordnung ausgebildet werden.

Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Lösung auf verschiedene Weise modifiziert und abgeändert werden. Falls beispielsweise nur eine obere oder untere Begrenzung der Ausgangsspannung gewünscht wird, ist es ausreichend, nur eine Begrenzungs-Differentialstufe anstelle der im Ausführungsbeispiel dargestellten zwei Stufen anzuordnen.

- Leerseite -

Claims (3)

SGS MICROELETTRONICA S.p.A., Strada Primosole 50, Catania, Italien Operationsverstärker Ansprüche

1. Operationsverstärker mit einer ersten Differentialstufe (10) und einer Verstärkerstufe (11), die kaskadenförmig miteinander verbunden sind, gekennzeichnet durch mindestens eine Bereichsbegrenzungs-Differentialstufe (12, 13), deren erster Eingang mit dem Ausgang (Vq) der Verstärkerstufe (11) und deren zweiter Eingang an ein Bezugspotential (V_REp, -V_REp) angeschlossen ist und deren Ausgang mit dem Ausgang der ersten Differentialstufe (10) verbunden ist, wobei die Bereichsbegrenzungs-Differentialstufe (12, 13) inaktiv ist, wenn der abso-

DN/em

Martinistraße 24 Telefon D-2800 Bremen 1 0421-3280

Telecopierer 0421-32 68

Telex

244020 fepatd

Datex-P
44421040 311

lute Wert -des Ausgangs der Verstärkerstufe (11) niedriger ist als das Bezugspotential (V_ref» ~ und eingeschaltet wird und einen konstanten Strom an die Verstärkerstufe (11) abgibt, so daß die erste Differentialstufe (10) außer Betrieb gesetzt wird und die Verstärkerstufe (11) auf einen konstanten Ausgang gehalten wird, wenn der Ausgang der Verstärkerstufe (11) gleich dem Bezugspotential

-^vREF> ^ist·

2. Operationsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste und eine

• zweite Bereichsbegrenzungs-Differentialstufe (12,

13) vorgesehen sind, von denen jede einen ersten

* Eingang aufweist, der mit dem Ausgang (Vq) der Verstärkerstufe (11) verbunden ist und einen zweiten Eingang aufweist, die jeweils mit einem unterschiedlichen Bezugspotential (-V_Rgp, V_Rgp) verbunden sind, wobei die Bezugspotentiale (~V_R£p, V_Rgp) die untere und obere Grenze des Ausgangssignals der Operationsverstärkers bilden.

3. Operationsverstärker nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die erste Differentialstufe (10) ein erstes, emittergekoppeltes Transistorpaar (21, 22) aufweist, wobei der Kollektor eines ersten Transistors

(21) des ersten Transistorpaares mit einer Diode •(23) und der Kollektor eines zweiten Transistors

(22) des ersten Transistorpaares mit einem weiteren

Transistor (24) verbunden ist und die erste und zweite Bereichsbegrenzungs-Differentialstufe (12, 13) jeweils zweite und dritte, emittergekoppelte

Transistorpaare (31, 32; 33, 34) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor eines ersten Transistors (31) des zweiten Transistorpaares geerdet ist, die Basis des ersten Transistors (31) des zweiten Transistorpaares mit einem ersten Bezugspotential (~V_Rgp) verbunden ist, die Basis des zweiten Transistors (32) des zweiten Transistorpaares mit dem Ausgang (Vg) der Verstärkerstufe (11) verbunden ist und der Kollektor des zweiten Transistors (32) des zweiten Transistorpaares mit dem Kollektor des ersten Transistors (21) des ersten Transistorpaares verbunden ist und daß der Kollektor eines ersten Transistors (33) des dritten Transistorpaares geerdet ist, die Basis des ersten Transistors (33) des dritten Transistorpaares mit dem Ausgang (Vq) der Verstärkerstufe (11) verbunden ist, die Basis eines zweiten Transistors (34) des dritten Transistorpaares mit einem zweiten Bezugspotential (+V_ref) verbunden ist und der Kollektor des zweiten Transistors (34) des dritten Transistorpaares mit dem Kollektor des zweiten Transistors (22) des ersten Transistorpaares verbunden ist.