DE3731130C2

DE3731130C2 - Voltage / current converter arrangement

Info

Publication number: DE3731130C2
Application number: DE19873731130
Authority: DE
Inventors: Simon Atkinson
Original assignee: Plessey Semiconductors Ltd
Current assignee: Microsemi Semiconductor Ltd
Priority date: 1986-09-16
Filing date: 1987-09-16
Publication date: 1996-12-12
Anticipated expiration: 2007-09-17
Also published as: GB8622294D0; GB2195211B; DE3731130A1; GB2195211A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Spannungs/Strom-Wand leranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (DE 34 20 068 A1).The invention relates to a voltage / current wall leranordnung according to the preamble of claim 1 (DE 34 20 068 A1).

Wandleranordnungen dieser Art sind Vorrich tungen, die in elektronischen Schaltungen eingesetzt wer den, wenn ein in Form einer sich ändernden Spannung vorlie gendes Eingangssignal in einen auf das Eingangssignal bezo genen Ausgangsstrom umgesetzt werden soll. Eine solche Wandleranordnung weist einen Parameter auf, der als Steil heit bezeichnet wird; für diesen Parameter wird das Symbol "gm" benutzt. Die Steilheit ist die Steigung des linearen Teils einer Kennlinie, die den Ausgangsstrom in Abhängig keit von der Eingangsspannung repräsentiert.Transducer arrangements of this type are Vorrich lines used in electronic circuits when there is a changing voltage ing input signal in a related to the input signal gen output current to be implemented. Such Transducer arrangement has one parameter, the steep is called; the symbol for this parameter "gm" used. The slope is the slope of the linear Part of a characteristic curve that depends on the output current represented by the input voltage.

In Fig. 1 der Zeichnung ist eine bekannte Spannungs/Strom- Wandleranordnung dargestellt. Sie ist von einer Schaltung abgeleitet, die als Stromübernahmeschalter bekannt ist. Die Eingangsspannung wird an die Basisanschlüsse 10 von zwei Transistoren 12 angelegt, und der sich ändernde Aus gangsstrom wird vom Kollektor eines Transistors des Paares abgegriffen) Die Beziehung zwischen der Eingangsspannung V_in und dem Ausgangsstrom I_out ist in Fig. 2 dargestellt. Es ist zu erkennen, daß die Übertragungskennlinie nur über einen sehr begrenzten Bereich linear ist, der in dem Dia gramm zwischen -25 mV und +25 mV dargestellt ist. Unter und über diesem Bereich der Eingangsspannungen hängt der Ausgangsstrom nichtlinear von der Eingangsspannung ab.A known voltage / current converter arrangement is shown in FIG. 1 of the drawing. It is derived from a circuit known as a power takeover switch. The input voltage is applied to the base terminals 10 of two transistors 12 , and the changing output current is tapped from the collector of a transistor in the pair). The relationship between the input voltage V _in and the output current I _out is shown in FIG. 2. It can be seen that the transmission characteristic is only linear over a very limited range, which is shown in the diagram between -25 mV and +25 mV. Below and above this range of input voltages, the output current depends non-linearly on the input voltage.

Eine bekannte Möglichkeit zur Vergrößerung des linearen Bereichs der Übertragungskennlinie ist in Fig. 3 darge stellt. In die Emitterleiter 16 von zwei als Stromüber nahmehalter miteinander verbundenen Transistoren 18 sind Rückkopplungswiderstände 14 eingefügt. Das Ausmaß der Li nearität der Übertragungskennlinie wird gemäß Fig. 4 zwar vergrößert, jedoch nimmt die Steilheit der Kennlinie ab, so daß der Bereich der Ausgangsströme der Schaltungsanord nung im wesentlichen gleich bleibt. Wenn der Strom in der Leitung, in der die beiden Emitter zusammengeführt sind, bei dieser Schaltungsanordnung klein ist, müssen die Rück kopplungswiderstände 14 einen entsprechend hohen Wert ha ben, damit die erforderliche Erweiterung des linearen Be reichs der Übertragungskennlinie erhalten wird. Wenn irgend eine Fehlanpassung der Rückkopplungswiderstände 14 vorliegt, wird die ganze Schaltung unsymmetrisch, so daß auch die Übertragungskennlinie unsymmetrisch bezüglich des Koordi natensprungs wird. A known possibility of increasing the linear range of the transmission characteristic is shown in FIG. 3 Darge. Feedback resistors 14 are inserted into the emitter conductors 16 of two transistors 18 connected to one another as a current transfer holder. The magnitude of the linearity of the transmission characteristic curve is increased according to FIG. 4, but the slope of the characteristic curve decreases, so that the range of the output currents of the circuit arrangement remains essentially the same. If the current in the line in which the two emitters are brought together in this circuit arrangement is small, the feedback resistors 14 must have a correspondingly high value so that the required expansion of the linear range of the transmission characteristic is obtained. If there is any mismatch in the feedback resistors 14 , the whole circuit becomes unbalanced, so that the transmission characteristic becomes unbalanced with respect to the coordinate jump.

In DE 34 20 068 A1 ist ebenfalls ein Spannungs/Stromwandler zur Umwandlung einer Eingangssignalspannung in einen Aus gangssignalstrom beschrieben. Dieser Spannungs/Stromwandler geht unter anderem von dem hier in Fig. 3 dargestellten Spannungs/Stromwandler aus, weist genau wie dieser einen vergrößerten linearen Bereich der Übertragungskennlinie auf, kommt jedoch mit einer vergleichsweise geringeren Leistung aus. Dieser Spannungs/Stromwandler besitzt einen relativ komplexen Aufbau: Es sind Eingangs-Ausgangs-Stromspiegel mittel vorgesehen, die einen Strom-Eingangstransistor und wenigstens einen Strom-Ausgangstransistor aufweisen, dessen Basis mit der Basis des Strom-Eingangstransistors verbunden ist, wobei der Kollektor des Strom-Ausgangstransistors als Ausgang zur Verbindung mit weiteren Ausgangsmitteln zur Ent wicklung des Ausgangssignalsstromes dient, während ein Ein gangswiderstand zwischen der Eingangsklemme und dem Kol lektor des Strom-Eingangstransistors liegt. Der Eingang ei nes nicht invertierenden Stromverstärkers ist mit dem Kol lektor des Strom-Eingangstransistors verbunden, während sein Ausgang mit der Basis des Strom-Eingangstransistors und der Basis des Strom-Ausgangstransistors verbunden ist. Darüber hinaus ist eine Konstantstromquelle mit dem Kollektor des Strom-Eingangstransistors zur Lieferung eines im wesentli chen konstanten Referenzstromes verbunden. Über das Problem einer Erweiterung des Linearitätsbereichs unter Beibehaltung der Steigung der Übertragungskennlinie ist in dieser Offen legungsschrift nichts offenbart.DE 34 20 068 A1 also describes a voltage / current converter for converting an input signal voltage into an output signal current. This voltage / current converter is based, inter alia, on the voltage / current converter shown here in FIG. 3 and, like this one, has an enlarged linear range of the transmission characteristic, but manages with a comparatively lower power. This voltage / current converter has a relatively complex structure: there are input-output current mirrors provided with a current input transistor and at least one current output transistor, the base of which is connected to the base of the current input transistor, the collector of the current -Output transistor serves as an output for connection to further output means for developing the output signal current, while an input resistance lies between the input terminal and the collector of the current input transistor. The input of a non-inverting current amplifier is connected to the collector of the current input transistor, while its output is connected to the base of the current input transistor and the base of the current output transistor. In addition, a constant current source is connected to the collector of the current input transistor for supplying a substantially constant reference current. Nothing is disclosed in this publication about the problem of expanding the linearity range while maintaining the slope of the transmission characteristic.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Spannungs/Strom-Wandler anordnung zu schaffen, bei der der Linearitätsbereich der Übertragungskennlinie erweitert wird, ohne daß eine ent sprechende Verringerung der Steigung, d. h. der Steilheit gm der Schaltung eintritt. Zudem ist die Spannungs/Strom-Wand leranordnung der Erfindung einfach aufgebaut und kann so leicht als integrierte Schaltung hergestellt werden. The invention has for its object a voltage / current converter to create arrangement where the linearity range the transmission characteristic is expanded without an ent speaking decrease in slope, d. H. the steepness gm the circuit occurs. In addition, the voltage / current wall leranordnung the invention is simple and so easily manufactured as an integrated circuit.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by the features in claim 1 solved.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Bezug nahme auf die Fig. 5 bis 9 der Zeichnung erläutert. Die Figuren zeigen folgendes:Embodiments of the invention will now be explained with reference to FIGS . 5 to 9 of the drawing. The figures show the following:

Fig. 5 ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform einer Wandleranordnung nach der Erfindung, Fig. 5 is a circuit diagram of a first embodiment of a transducer assembly according to the invention,

Fig. 6 ein ähnliches Schaltbild wie in Fig. 5, wobei jedoch eine modifizierte Wandleranordnung nach der Erfindung dargestellt ist, Fig. 6 shows a similar diagram as in FIG. 5, but showing a modified transducer assembly is shown according to the invention,

Fig. 7 ein Diagramm zur Veranschaulichung der erweiter ten linearen Übertragungskennlinie, die mit Hil fe der Wandleranordnungen nach der Erfindung erzielt werden kann,7 is a diagram for illustrating the extendibility th linear transfer characteristic, the fe with Hil of the transducer assemblies may be achieved according to the invention Fig.

Fig. 8 ein Schaltbild ähnlich den Schaltbildern von Fig. 5 und Fig. 6, wobei eine Spannungs/Strom- Wandleranordnung nach der Erfindung dargestellt ist, die als Schaltung mit linearer Spannungsver stärkung arbeitet, und Fig. 8 is a circuit diagram similar to the circuit diagrams of Fig. 5 and Fig. 6, wherein a voltage / current converter arrangement according to the invention is shown, which works as a circuit with linear voltage amplification, and

Fig. 9 ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform einer Wandleranordnung nach der Erfindung. Fig. 9 is a circuit diagram of a preferred embodiment of a converter arrangement according to the invention.

In Fig. 5 ist eine Spannungs/Strom-Wandleranordnung nach der Erfindung dargestellt. Die Wandleranordnung enthält zwei Transistoren 20, die nach Art eines Stromübernahme schalters miteinander verbunden sind. Stromquellen 22 spei sen die Kollektoren 24 der Transistoren 20 aus einer Ver sorgungsleitung 26. Die Emitter 28 der Transistoren 20 sind miteinander verbunden und über einen eine Stromquelle 30 bildenden Widerstand an Masse angeschlossen. An die Basis anschlüsse 32 der Transistoren 20 sind Signaleingangsmittel 34 angeschlossen, mit denen die Basisanschlüsse an eine veränderliche Wechselspannungsquelle angeschlossen werden können.In Fig. 5 is a voltage / current converter arrangement is shown according to the invention. The converter arrangement contains two transistors 20 , which are connected to one another in the manner of a current transfer switch. Current sources 22 feed the collectors 24 of the transistors 20 from a supply line 26 . The emitters 28 of the transistors 20 are connected to one another and connected to ground via a resistor forming a current source 30 . At the base connections 32 of the transistors 20 , signal input means 34 are connected, with which the base connections can be connected to a variable AC voltage source.

Nach der Erfindung liegt parallel zu jedem Transistor 20 ein zweiter Transistor 36. Jeder Basisanschluß 32 eines ersten Transistors 20 ist mit dem Basisanschluß 38 des pa rallelgeschalteten zweiten Transistors 36 über einen Wider stand 40 verbunden. Die Widerstände 40 haben so eng wie möglich aneinander angepaßte Werte, und die Basisanschlüs se 38 sind miteinander verbunden. Die auf diese Weise an die Basisanschlüsse 38 über den von den Widerständen 40 gebildeten Spannungsteiler angelegte Spannung ist halb so groß wie die Spannung, die an der Basis eines der Transi storen 20 erscheint.According to the invention, a second transistor 36 is connected in parallel with each transistor 20 . Each base terminal 32 of a first transistor 20 is connected to the base terminal 38 of the second transistor 36 connected in parallel via a resistor 40 . The resistors 40 have matched values as closely as possible, and the base terminals 38 are interconnected. The voltage applied in this way to the base terminals 38 via the voltage divider formed by the resistors 40 is half the voltage that appears at the base of one of the transistors 20 .

Bei einem Betrieb in einem normalen linearen Bereich der Wandleranordnung ist in der Übertragungskennlinie nur ein sehr geringer Unterschied zu erkennen. Wenn jedoch der nor male Bereich überschritten wird, wird die Steilheit der ersten Transistoren 20 nichtlinear und kleiner. In dieser Phase befinden sich die zweiten Transistoren 36, die bei der halben Signalspannung an ihren Basisanschlüssen arbei ten, immer noch im linearen Übertragungsbereich, so daß sie ausreichenden zusätzlichen Strom liefern, damit die Übertragungskennlinie im wesentlichen linear gehalten wird. Wenn die Fläche der Emitter 42 der zweiten Transistoren 36 genauso groß wie die der Transistoren 20 ist, ergibt sich eine effektive Verdopplung der gesamten Emitterfläche und folglich nahezu eine Verdopplung des Eingangsspannungsbe reichs, während die Linearität der Übertragungskennlinie und die Steilheit gm der Schaltung aufrechterhalten werden.When operating in a normal linear region of the converter arrangement, only a very slight difference can be seen in the transmission characteristic. However, if the normal range is exceeded, the slope of the first transistors 20 becomes non-linear and smaller. In this phase, the second transistors 36 , which operate at half the signal voltage at their base terminals, are still in the linear transmission range, so that they supply sufficient additional current for the transmission characteristic to be kept essentially linear. If the area of the emitters 42 of the second transistors 36 is the same as that of the transistors 20 , the total emitter area is effectively doubled and, consequently, the input voltage range is almost doubled, while the linearity of the transmission characteristic and the slope gm of the circuit are maintained.

Fig. 6 zeigt eine Abwandlung der in Fig. 5 dargestellten Wandleranordnung. In dieser Ausführungsform sind die Basis anschlüsse 38a der zweiten Transistoren 36a miteinander und mit einer Bezugsspannungsquelle 44 verbunden. Die Bezugs spannung der Quelle 44 wird in der Mitte des Bereichs der aus der Quelle 34a stammenden Eingangssignalspannung ge halten. FIG. 6 shows a modification of the converter arrangement shown in FIG. 5. In this embodiment, the base connections 38 a of the second transistors 36 a are connected to one another and to a reference voltage source 44 . The reference voltage of the source 44 will hold ge in the middle of the range of the source signal originating from the source 34 a.

Auf diese Weise arbeiten die zweiten Transistoren 36 stets im linearen Teil der Übertragungskennlinie des Eingangs spannungsbereichs.In this way, the second transistors 36 always operate in the linear part of the transmission characteristic of the input voltage range.

Fig. 7 zeigt die mit Hilfe der Wandleranordnungen nach der Erfindung erreichbare Übertragungskennlinie. Die herkömm liche Übertragungskennlinie ist in diesem Diagramm zu Ver gleichszwecken angegeben. Wie in Fig. 2 ergibt sich eine lineare Übertragungskennlinie beim Eingangsspannungsbereich von ± 25 mV. Bei einer Erweiterung des Bereichs unter Ver wendung der Wandleranordnungen nach der Erfindung bleibt jedoch die Steilheit gm im wesentlichen unverändert. Fig. 7 shows the transmission characteristic which can be achieved with the aid of the converter arrangements according to the invention. The conventional transmission characteristic is shown in this diagram for comparison purposes. As in Fig. 2, there is a linear transmission characteristic for the input voltage range of ± 25 mV. However, when the range is expanded using the transducer arrangements according to the invention, the slope gm remains essentially unchanged.

Wenn durch die Verwendung der parallelgeschalteten zweiten Transistoren eine effektive Verdopplung der Emitterfläche auf den zweifachen Wert gegenüber dem Wert des Stromüber nahmeschalters erreicht wird, wird der Bereich der linea ren Übertragungskennlinie mehr als verdoppelt. Wenn zweite, dritte und vierte Transistoren (mit gleichen Emitterflächen) parallel zu jedem ersten Transistor geschaltet werden, wird eine im wesentlichen lineare Übertragungskennlinie über einen Eingangsspannungsbereich von ±200 mV erhalten, was einen Verbesserungsfaktor von nahezu 10 darstellt.If by using the parallel connected second Transistors an effective doubling of the emitter area to twice the value of the current over is reached, the area of the linea ren transmission characteristic more than doubled. If second third and fourth transistors (with the same emitter areas) will be connected in parallel to every first transistor an essentially linear transmission characteristic over get an input voltage range of ± 200 mV what represents an improvement factor of almost 10.

Wenn die zweiten (oder zweiten und dritten) parallelgeschal teten Transistoren eine größere Emitterfläche als die er sten Transistoren haben, wird eine Vergrößerung erhalten, die von der Summe der Emitterflächen der parallelgeschal teten Transistoren abhängt.If the second (or second and third) are in parallel transistors had a larger emitter area than that most transistors, an enlargement is obtained, that of the sum of the emitter areas of the parallel shuttered transistors depends.

Wie in Fig. 8 dargestellt ist, kann die Spannungs/Strom- Wandleranordnung nach der Erfindung auch als Spannungsver stärkungsschaltung mit verbesserter Linearität benutzt werden. Die in dieser Figur dargestellte Schaltung enthält in den Kollektorleitungen der parallelgeschalteten ersten und zweiten Transistoren Lastwiderstände 46. Die an diesen Widerständen entstehenden Spannungsschwankungen können als Ausgangssignal der Schaltung verwendet werden.As shown in Fig. 8, the voltage / current converter arrangement according to the invention can also be used as a voltage amplification circuit with improved linearity. The circuit shown in this figure contains load resistors 46 in the collector lines of the first and second transistors connected in parallel. The voltage fluctuations occurring at these resistors can be used as the output signal of the circuit.

Fig. 9 zeigt ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungs form einer Wandleranordnung nach der Erfindung. Die Schal tung enthält zweite Transistoren 36b und dritte Transisto ren 48, die parallel zu jedem der ersten Transtoren 20b geschaltet sind. Ein von vier im wesentlichen gleichen Wi derständen 50 gebildeter Spannungsteiler liegt parallel zu den Basisanschlüssen der ersten Transistoren 20b und somit auch parallel zur Signalquelle 34b. An den Basisanschlüs sen der zweiten Transistoren liegt eine Spannung, die gleich drei Viertel der zugeführten Signalspannung ist, während an den Basisanschlüssen der dritten Transistoren eine Spannung liegt, die gleich der Hälfte der angelegten Signalspannung ist. Fig. 9 shows a circuit diagram of a preferred embodiment of a converter arrangement according to the invention. The scarf device contains second transistors 36 b and third transistors 48 , which are connected in parallel to each of the first transistors 20 b. One of four essentially identical Wi resistors 50 formed voltage divider is parallel to the base connections of the first transistors 20 b and thus also parallel to the signal source 34 b. There is a voltage at the base connections of the second transistors which is equal to three quarters of the supplied signal voltage, while at the base connections of the third transistors there is a voltage which is equal to half the applied signal voltage.

Die Erfindung ist nicht auf die genauen Einzelheiten der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt; es können vielmehr ohne weiteres auch Abwandlungen vorgenom men werden. The invention is not based on the exact details of the limited embodiments described above; it Rather, modifications can easily be made men.

Beispielsweise können in der Schaltung entweder NPN- oder PNP-Transistoren verwendet werden, vorausgesetzt, daß in jedem Paar die ersten, zweiten, dritten Transistoren usw. vom gleichen Typ sind. Die Wandleranordnung nach der Er findung eignet sich vorzüglich für eine Herstellung als integrierte Schaltung, so daß Transistoren des gleichen Typs bevorzugt eingesetzt werden.For example, either NPN or PNP transistors are used, provided that in each pair the first, second, third transistors, etc. are of the same type. The converter arrangement according to the Er is particularly suitable for production as integrated circuit so that transistors of the same Type are preferably used.

Claims

1. voltage / current converter arrangement with two mutually fitted first transistors ( 20 ), the emitter electrodes ( 28 ) of which are connected to one another and to a common current source ( 30 ),
Input means ( 34 ) for applying a variable input voltage signal between the base electrodes ( 32 ) of the first transistors ( 20 ), and
Means for deriving output current signals from the collector electrodes ( 24 ) of the first transistors ( 20 ),
characterized by two mutually matched second transistors ( 36 ), the emitter-collector path of which are each connected in parallel to the emitter-collector path of a corresponding one of the first transistors ( 20 ), and
a voltage supply device ( 40 , 50 , V _ref ) for applying voltages to the base electrodes ( 38 ) of the second transistors ( 36 ) which lie between the voltages applied to the respective base electrodes ( 32 ) of the first transistors ( 20 ).

2. Voltage / current converter arrangement according to claim 1, characterized in that the voltage supply device ( 40 , 50 , V _ref ) comprises an ohmic voltage divider circuit ( 40 ) between the base electrodes ( 32 ) of the first transistors ( 20 ) lies, the Basiselek electrodes ( 38 ) of the second transistors ( 36 ) are connected to a tap of the ohmic voltage divider circuit ( 40 ).

3. Voltage / current converter arrangement according to claim 2, characterized in that the tap of the ohmic voltage divider circuit ( 40 ) is placed so that the connections to the base ( 38 ) of the second transistors ( 36 ) voltage (V) equal to that Half of the input voltage (V _in ) is at the input means.

4. Voltage / current converter arrangement according to claim 1, characterized in that the output voltage signal (V _in ) is in a predetermined range and that the Basisan connections ( 38 ) of the second transistors ( 36 ) to a reference voltage (V _ref ) can be applied whose value lies in the middle of this range.

5. voltage / current converter arrangement according to claim 1, characterized in that it has two mutually adapted te third transistors ( 48 ), the respective emit ter-collector path in parallel with the parallel-connected emitter-collector paths of the corresponding first and second transistors ( 20 and 36 ), and the voltage supply device ( 40 , 50 , V _ref ) comprises an ohmic voltage divider ( 50 ) connected between the base electrodes of the first transistors ( 20 ), the base electrodes of the third transistors ( 48 ) are connected to the respective taps of the ohmic voltage divider ( 50 ).

6. Voltage / current converter arrangement according to claim 5, characterized in that the voltage supply device is designed such that it supplies to the base connections of the third transistors ( 48 ) a voltage which is different from the voltage applied to the base connections of the second transistors ( 36 ) is.

7. Voltage / current converter arrangement according to claim 5 or 6, characterized in that the emitter area of the second transistors ( 36 ) and / or the third transistors ( 48 ) is larger than the emitter area of the first transistors ( 20 ).

8. Voltage / current converter arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that in the common collector lines ( 20 a, 36 a) of the transistors ( 20 , 36 , 48 ) resistors ( 46 ) are arranged.

9. Voltage / current converter arrangement according to one of the previously claims, characterized in that they are in tegrated circuit is built.