DE3829135A1 - Operationsverstaerker hoher bandbreite - Google Patents

Description

Operationsverstärker sind gleichspannungsgekoppelte Verstärker mit hoher Spannungsverstärkung, hohem Ein­ gangswiderstand und niedrigem Ausgangswiderstand. Sie bestehen in der Regel aus zwei hintereinandergeschal­ teten Differenzverstärkerstufen, die einzeln phasen­ kompensiert sind und auf einer Endstufe mit niedrigem Ausgangswiderstand als Last arbeiten. Für hohe Grenz­ frequenzen sind sie vorzugsweise vorwärtskompensiert. Die obere Grenzfrequenz der offenen Verstärkung beträgt maximal 10 Hz. Die Frequenz, bei der die Verstärkung auf 1 abgesunken ist, liegt maximal bei 10 MHz.

Hochfrequenzverstärker sind vorzugsweise symmetrisch und ausschließlich mit NPN-Transistoren aufgebaut und können nicht offsetarm und mit hoher Verstärkung realisiert werden.

Eine aus der DE-OS 34 46 600 bekannte Schaltungsmaßnahme für einen breitbandigen Operationsverstärker besteht darin, die Signalwege mittels Hoch- und Tiefpässe in einen HF- und einen NF-Zweig aufzuspalten. Diese Schaltung ist jedoch wegen der Filter nicht auf einem Halbleiterchip integrier­ bar, erfordert hohen Bauelementeaufwand und Platzbedarf und mindestens zwei getrennt aufgebaute Operationsverstärker.

In der gleichen DE-OS ist ein breitbandiger Operations­ verstärker beschrieben, mit einem lediglich einen Eingang aufweisenden HF-Verstärker und einem Operationsverstärker. Der eine Eingang des Operationsverstärkers ist mit dem Eingang des HF-Verstärkers verbunden und der andere Eingang über eine Gegenkopplung mit dem Ausgang der Schaltung. Die Ausgangssignale des HF-Verstärkers und des Operationsver­ stärkers werden in einem Summierpunkt zusammengefaßt, der den Ausgang des breitbandigen Operationsverstärkers bildet. Die Schaltung wirkt so, daß Signale bis etwa 10 Hz vom Operationsverstärker verstärkt werden und Signale hoher Frequenz vom HF-Verstärker. Diese Schaltung hat jedoch den Nachteil, daß die Verstärkerzweige keine gemeinsame Gegen­ kopplung haben. Dadurch muß der HF-Verstärker mehrstufig aufgebaut werden, um die gewünschte Verstärkung zu errei­ chen. Er kann durch die notwendigen Koppelkondensatoren nicht integriert werden. Die Gleichtakt- und Supply-Rejek­ tion im HF-Bereich wird von den ungünstigen Werten des HF-Verstärkers bestimmt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu verbessern. Insbesondere soll ein problemlos integrierbarer Operationsverstärker hoher Band­ breite mit geringer Offsetspannung, geringem Rauschen, breitbandiger Gleichtaktunterdrückung und großer Unempfind­ lichkeit gegen Versorgungsspannungsschwankungen angegeben werden.

Die Erfindung wird bei einem Operationsverstärker der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannte Erfin­ dung gelöst. An ihren Eingängen parallel geschaltete Diffe­ renzverstärker sind einfach integrierbar und äußerst rauscharm.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen im einzelnen:

Fig. 1 Blockschaltbild eines breitbandigen Operations­ verstärkers mit drei Differenzverstärkern,

Fig. 2 Frequenzgang des Operationsverstärkers nach Fig. 1,

Fig. 3 Blockschaltbild eines breitbandigen Operations­ verstärkers mit zwei Differenzverstärkern,

Fig. 4 Schaltung eines Ausführungsbeispiels gemäß dem Blockschaltbild nach Fig. 3.

In Fig. 1 sind die Eingänge von drei Differenzverstärkern 1, 2 und 3 unterschiedlicher Bandbreite und Leerlaufverstärkung parallel geschaltet und mit den Eingangsklemmen E 1 und E 2 des Operationsverstärkers verbunden. Die Ausgänge der Diffe­ renzverstärker sind an einem Stromverstärker 4 angeschlos­ sen. Vom Ausgang des Stromverstärkers 4, der gleichzeitig Ausgang A des Operationsverstärkers ist, ist eine Gegenkopp­ lung 5 zum Eingang der Differenzverstärker vorgesehen. Der Differenzverstärker 1 hat eine Verstärkung für den Bereich von 0 bis 20 MHz, der Differenzverstärker 2 eine Verstärkung von 0 bis 1 kHz und der dritte eine Verstärkung von 0 bis 10 Hz. Der Frequenzgang (Bode-Diagramm) der drei Differenz­ verstärker ist in Fig. 2 dargestellt. Die Gegenkopplung wird jeweils durch den Verstärker mit der höchsten Verstärkung bestimmt, und zwar im Bereich bis 30 Hz vom Differenzverstär­ ker 3, im Bereich bis 200 kHz vom Differenzverstärker 2 und im Bereich über 1 MHz vom Differenzverstärker 1. Da bei der sogenannten 1-Verstärkung der Differenzverstärker 2 und 3 der Verstärker 1 noch 30 dB verstärkt, wird die Gegenkopp­ lung von dem Differenzverstärker 1 bestimmt. Dadurch können die Differenzverstärker 2 und 3 unkompensiert betrieben werden und entsprechend höhere Bandbreiten haben.

Die Phase des Gesamtverstärkers wird ausschließlich vom Differenzverstärker 1 bestimmt, wodurch im Bereich von 0 bis 100 kHz keine Phasenverschiebungen auftreten. Die Kompensa­ tionskapazität für den Differenzverstärker 1 beträgt ledig­ lich etwa 1/100 der notwendigen Kompensationskapazität handelsüblicher Operationsverstärker. Andererseits wird die offene Verstärkung des Differenzverstärkers 1 durch die Tatsache, daß der Differenzverstärker 3 die Offsetspannungen von 20 mV auf unter 0,2 mV verringert und die Eingangsimpe­ danz am Eingang des Stromverstärkers 4 erhöht, entsprechend vergrößert.

Dadurch, daß die Differenzverstärker 1 bis 3 mit hohem Differenzstrom betrieben werden können, wird das Kollek­ torstromrauschen entsprechend gering. Die Eingangsoffset­ spannung wird durch die Parallelschaltung der n Differenz­ verstärkerstufen - im Ausführungsbeispiel ist n=2 - auf √ reduziert. Infolge der großen Bandbreite und Phasen­ starre der offenen Verstärkung und der geringen Offsetspan­ nung von <0,2 mV wird die Gleichtaktunterdrückung und die Versorgungsunterdrückung entsprechend breitbandig und ist je nach Frequenzbereich wesentlich größer als bei bisher er­ hältlichen Operationsverstärkern.

In Fig. 3 ist ein Blockschaltbild eines breitbandigen Opera­ tionsverstärkers mit lediglich einem Differenzverstärker 1 für die HF-Verstärkung und einem schmalbandigen Differenz­ verstärker 2 mit hoher Verstärkung, jedoch einer Bandbreite von 0 bis etwa 10 Hz, dargestellt, dem zur Vermeidung der Ableitung der oberen Frequenzen des HF-Verstärkers ein Trennverstärker 6 nachgeschaltet ist. Über einen Stromver­ stärker 4, der mit dem Ausgang A des breitbandigen Opera­ tionsverstärkers verbunden ist, führt eine Gegenkopplung 5 zum Eingang des Differenzverstärkers zurück.

In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel des in Fig. 3 ge­ zeigten Blockschaltbildes dargestellt. Die Bezeichnungen sind so gewählt, daß AiK ein Bauelement des Blockes i von Fig. 3 ist. Damit sind T 11 und T 12 die beiden NPN-Transi­ storen des Differenzverstärkers 1 für die Verstärkung der HF-Signale. Die Emitterzuleitungen der Transistoren T 11 und T 12 sind zusammengeschaltet und über eine Stromquelle, in Fig. 4 als Widerstand R 11 dargestellt, mit der Klemme K 1 für die Betriebsspannung verbunden.

Als Lastwiderstände der Transistoren T 11 und T 12 ist eine Stromspiegelschaltung mit den Transistoren T 13 und T 14 vorgesehen, deren Ausgang mit dem Ausgang P des HF-Ver­ stärkers verbunden ist.

Der Kondensator C 1 zwischen Kollektor und Basis des Tran­ sistors T 12 hat eine Kapazität in der Größenordnung von 1 pF und dient zur Phasenkompensation.

Parallel zu den Eingangsklemmen des Differenzverstärkers 1 liegen die Eingangsklemmen des Differenzverstärkers 2 in Gestalt der Basisanschlüsse der Transistoren T 21 und T 22. Er ist in gleicher Weise geschaltet wie der Differenzverstärker 1. Am Ausgang des kollektorseitigen Stromspiegels, bestehend aus den Transistoren T 23 und T 24, ist jedoch ein Trennver­ stärker, bestehend aus einem Transistor T 6, in Emitterschal­ tung vorgesehen, dessen Kollektor mit dem Ausgang P des Differenzverstärkers 1 verbunden ist. Am Punkt P findet somit eine Summierung der NF- und HF-Signale der beiden Differenzverstärker statt. Der Stromverstärker, bestehend aus dem Transistor T 4, der mit seiner Basis am Punkt P angeschlossen ist, wird in Kollektorschaltung betrieben. Sein Emitter ist sowohl mit dem Ausgang A des breitbandigen Operationsverstärkers als auch mit einer Gegenkopplung, bestehend aus den Widerständen R 51 bis R 53, verbunden. Dabei sind die Widerstände R 51 und R 52 als Spannungsteiler ge­ schaltet, so daß lediglich ein Teil der am Ausgang A stehen­ den Ausgangsspannung zum Eingang, dem Basisanschluß des Transistors T 12 des Differenzverstärkers 1 und damit auch zum Basisanschluß des Transistors T 22 des Differenzverstär­ kers 2 zurückgeführt wird. Zur Verbesserung der oberen Grenzfrequenz des breitbandigen Operationsverstärkers ist der Spannungsteilerpunkt der Gegenkopplung über den Wider­ stand R 53 mit den Basisanschlüssen der Transistoren T 12 und T 22 verbunden.

Im Ausführungsbeispiel ist lediglich ein Eingang E 1 vor­ gesehen. Selbstverständlich kann eine weitere Eingangsklemme E 2 zur symmetrischen Ansteuerung des breitbandigen Opera­ tionsverstärkers, in gleicher Weise wie die Eingangsklemme E 1 mit der Basis des Transistors T 11, über einen Widerstand mit der Basis des Transistors T 12 verbunden werden.

Zur Vollständigkeit sei vermerkt, daß die Transistoren T 13, T 14, T 23, T 24 und T 6 vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp sind wie die Transistoren T 4, T 11, T 12, T 21 und T 22. Ihre Emitter sind mit der anderen Klemme K 2 der Betriebsspannung verbunden.

Es ist vorteilhaft, bei einer Verwendung des breitbandigen Operationsverstärkers als Regelverstärker eines Spannungs­ reglers den Stromverstärker 4 als Emitterfolger oder Dar­ lingtontransistor auszubilden.

Claims (3)

1. Operationsverstärker hoher Bandbreite, dadurch gekenn­ zeichnet,
daß die Eingänge mindestens zweier Differenzverstärker (1, 2, 3) unterschiedlicher Bandbreite und Leerlaufverstärkung parallel geschaltet sind und die Eingangsklemmen (E 1, E 2) des Operationsverstärkers darstellen,
daß die Ausgänge der Differenzverstärker an einen Stromver­ stärker (4) angeschlossen sind, und
daß vom Ausgang des Stromverstärkers (4), der gleichzeitig Ausgang (A) des Opertionsverstärkers ist, eine Gegenkopplung (5) zu einem Eingang der Differenzverstärker (1, 2, 3) vorgesehen ist.

2. Operationsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei seiner Verwendung als Regelverstärker eines Spannungsreglers der Stromverstärker (4) als Emitter­ folger oder Darlingtontransistor ausgebildet ist.

3. Operationsverstärker nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß insgesamt zwei Diffe­ renzverstärker (1, 2) vorgesehen sind, dessen erster Diffe­ renzverstärker (1) ein Differenzverstärker hoher Gleichspan­ nungsverstärkung mit nachfolgendem Trennverstärker (6) und dessen zweiter Differenzverstärker (2) ein HF-Verstärker mit hoher Bandbreite ist.