DE3941677A1 - Differenzverstaerker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Differenzverstärker mit erweitertem Aussteuerbereich für Verstärker, Mischer, Multiplizierer, Regelschaltungen usw.

Da Verstärker grundsätzlich nichtlineare Elemente sind, ist der Bereich der Eingangsspannung für die eine hin­ reichend lineare Charakteristik gilt, beschränkt. So beträgt z. B. bei Differenzstufen aus bipolaren Sili­ zium-Transistoren der Linearitätsbereich der Eingangs­ spannung nur etwa 10 bis 15 mV. Der Linearitätsbereich kam zwar durch Stromgegenkopplung mit Reihenwiderstän­ den vergrößert werden, dies ergibt jedoch geringere Verstärkung, Nachteile im Rauschverhalten und die Fähigkeit zur Verstärkungsregelung geht drastisch zu­ rück.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Diffe­ renzverstärker anzugeben, dessen Eingangsspannungsbe­ reich vergrößert werden kann, und zwar ohne Einbuße an Verstärkung durch Stromgegenkopplung, ohne Einführung rauschender Widerstände und ohne die Fähigkeit zur Ver­ stärkungsregelung zu verlieren. Diese Aufgabe wird er­ findungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 ge­ löst.

Die Lösung macht Gebrauch von unsymmetrischen Diffe­ renzstufen. Eine Differenzstufe im hier verwendeten Sinne hat im wesentlichen die Aufgabe, einen eingespei­ sten Strom in Abhängigkeit von einer Eingangsspannung auf zwei Ausgangsanschlüsse zu verteilen. Bei einer symmetrischen Differenzstufe werden die beiden Aus­ gangsströme gleich, wenn die Eingangsspannung null ist. Demgegenüber ist bei einer unsymmetrischen Differenz­ stufe eine bestimmte Eingangsspannung notwendig, um die Gleichheit der Ausgangsströme herzustellen. Diese Span­ nung heißt Offsetspannung. Reale Differenzstufen haben auch bei symmetrischer Ausführung gewisse Offsetspan­ nungen, die aber klein gegenüber dem Aussteuerbereich sind. Für den vorliegenden Zweck sind Differenzstufen vorgesehen, die eine Offsetspannung in der Größenord­ nung des Aussteuerbereichs haben.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1 das grundsätzliche Schaltschema nach Anspruch 1;

Fig. 2 die Bildung unsymmetrischer Differenzstufen mit entgegengesetzt gleichen Offsetspannun­ gen;

Fig. 3 eine unsymmetrische Differenzstufe aus Tran­ sistoren verschiedener Basis-Emitter-Fläche;

Fig. 4 eine unsymmetrische Differenzstufe durch Parallelschaltung mehrerer Transistoren;

Fig. 5 einen Differenzverstärker mit 2 Differenzstu­ fen;

Fig. 6 den Verlauf der Ausgangsströme für das letzt­ genannte Beispiel.

In Fig. 1 ist eine Verknüpfung von n Differenzstufen F1, F2, . . . Fn dargestellt. Die ersten Eingangsanschlüsse A1, A2, . . . An der Differenzstufen sind zu einem ge­ meinsamen, ersten Eingangsanschluß A verbunden. Ebenso sind die zweiten Eingangsanschlüsse B1, B2, . . . Bn zu einem gemeinsamen, zweiten Eingangsanschluß B, die er­ sten Ausgangsanschlüsse C1, C2, . . . Cn zum ersten Ausgangsanschluß C und die zweiten Ausgangsanschlüsse D1, D2, . . . Dn zum gemeinsamen, zweiten Ausgangsan­ schluß D verbunden. Ferner besitzen die Differenzstufen F1, F2, . . . Fn je einen Versorgungseingang E1, E2, . . . En zur Stromeinspeisung, der von je einer Stromquelle I1, I2, . . . In oder stromliefernden Schaltung gespeist wird. Die Differenzstufen F1, F2, . . . Fn sind bis auf höchstens eine unsymmetrisch.

Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß zu jeder Diffe­ renzstufe Fi mit einer Offsetspannung Vabi eine Diffe­ renzstufe Fj mit der Offsetspannung Vabj = -Vabi exi­ stiert, wie es auch in Fig. 2 schematisch dargestellt ist. Das bedeutet, daß sich die Differenzstufen F1, F2, . . . Fn zu Paaren ordnen lassen, die jeweils entgegengesetzt gleiche Offsetspannung haben. Nur wenn die Anzahl der Differenzstufen ungerade ist, verbleibt eine restliche Differenzstufe, die dann die Offsetspan­ nung null haben muß.

In Fig. 2 sind zwei Differenzstufen Fi, Fj dargestellt, die aus je zwei Verstärkerelementen Via, Vib gebildet sind. Zur Erzeugung der gewünschten Offsetspannung sind die Verstärkerelemente untereinander verschieden, was durch verschieden hohe Schraffur symbolisiert ist. Die Differenzstufe Fj erhält gegenüber der Differenzstufe Fi eine Offsetspannung der entgegengesetzten Polarität dadurch, daß die Verstärkerelemente Via, Vib in umge­ kehrter Reihenfolge angeordnet sind.

Eine Ausführung mit bipolaren Transistoren ist in Fig. 3 dargestellt. Sie enthält zwei Transistoren Tia, Tib in üblicher Differenzschaltung, wobei Basis und Kollek­ tor des ersten Transistors Tia den ersten Eingangsan­ schluß Ai und ersten Ausgangsanschluß Ci, Basis und Kollektor des zweiten Transistors Tib den zweiten Ein­ gangsanschluß Bi und zweiten Ausgangsanschluß Di bil­ den. Die beiden Emitter sind untereinander verbunden und bilden den Versorgungsanschluß Ei zur Stromeinspei­ sung. Die benötigte Offsetspannung erreicht man da­ durch, daß einer der Transistoren, z. B. der Transistor Tib, mit einer größeren Basis-Emitter-Fläche ausgeführt wird. Dies kann aber nach Fig. 4 auch dadurch gesche­ hen, daß dem Transistor Tib weitere Transistoren Tic, . . . Tin parallel geschaltet sind.

Eine besonders einfache Ausführung ergibt sich bei Ver­ wendung zweier Differenzstufen F1, F2 nach Fig. 5. Die Kennlinie dieser Anordnung wird durch die Abhängigkeit der Ausgangsströme IC = I1a+I2a oder ID = I1b+I2b von der Eingangsspannung VAB beschrieben. I1a bzw. I1b, I2a, I2b ist der Ausgangsstrom des Transistors T1a bzw. T1b, T2a, T2b. VAB ist die am Anschlußpaar AB angelegte Spannung. Die beiden Stromquellen I1, I2 führen unter­ einander den gleichen Strom. Wählt man das Flächenver­ hältnis der Basis-Emitter-Dioden einer Differenzstufe zu (SQR(3)+1) /(SQR(3)-1) = 3732, so verschwindet die Ableitung dritter Ordnung in der Kennlinie des Aus­ gangsstromes und man erhält eine Art der besten Linearität. Bei einem Flächenverhältnis von 4 wird die Kennlinie wellenförmig, dies ist in Fig. 6 dargestellt. Die Abweichung von der Linearität ist in diesem Fall noch sehr gering. Der Aussteuerbereich gegenüber einer konventionellen Differenzstufe ist um etwa einen Fak­ tor 3 vergrößert. Will man einen noch höheren Aus­ steuerbereich der Eingangsspannung erzielen, so muß man mehr als zwei Differenzstufen anwenden. Um einen mög­ lichst großen Aussteuerbereich bei vorgegebener Linearitätsabweichung zu erhalten, müssen die Versor­ gungsströme der Differenzstufen gestaffelt werden. Dabei zeigt sich, daß der höheren Offsetspannung ge­ wöhnlich ein höherer Versorgungsstrom zugeordnet werden muß. Variiert man bei Differenzstufen aus bipolaren Transistoren die Versorgungsströme unter Wahrung ihrer Größenverhältnisse, so wird die Steilheit des Diffe­ renzverstärkers entsprechend geändert ohne den Aus­ steuerbereich der Eingangsspannung zu beeinflussen. Damit ist diese Schaltung im Gegensatz zu einer Diffe­ renzstufe mit Gegenkopplung durch Emitterwiderstände für Regelverstärker, Mischer, Multiplizierer usw. ohne Nachteile anwendbar.

Claims (7)

1. Differenzverstärker mit mehreren Differenzstufen (F1, F2, . . . Fn) mit je einem ersten Eingangsanschluß (A1, A2, . . . An), einem zweiten Eingangsanschluß (B1, B2, . . . Bn), einem ersten Ausgangsanschluß (C1, C2, . . . Cn), einem zweiten Ausgangsanschluß (D1, D2, . . . Dn) und einem Versorgungsanschluß zur Stromein­ speisung (E1, E2, . . . En) wobei der erste Eingang (A) des Differenzverstärkers aus der Verbindung der ersten Eingänge (A1, A2, . . . An), der zweite Eingang (B) des Differenzverstärkers aus der Verbindung der zweiten Eingänge (B1, B2, . . . Bn), der erste Ausgang (C) des Differenzverstärkers aus der Verbindung der ersten Aus­ gänge (C1, C2, . . . Cn) und der zweite Ausgang des Dif­ ferenzverstärkers (D) aus der Verbindung der zweiten Ausgänge (D1, D2, . . . Dn) der Differenzstufen (F1, F2, . . . Fn) besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzstufen bis auf höchstens eine unsymmetrisch und derart ausgebildet sind, daß sie in Paare mit gleich großen, aber entgegengesetzten Offsetspannungen geordnet werden können.

2. Differenzverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine der Differenzstufen (Fi) aus zwei unterschiedlich dimensionierten Verstärkerelementen (Via, Vib) besteht um die gewünschte Offsetspannung zu erzeugen, und daß die Differenzstufe (Fj) mit entgegen­ gesetzter Offsetspannung die gleichen Verstärkerele­ mente (Vib, Via) wie die eine Differenzstufe, jedoch in umgekehrter Reihenfolge aufweist.

3. Differenzverstärker nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Differenzstufe (Fi) aus zwei bipolaren Transistoren (Tia, Tib) besteht, daß die Basis und der Kollektor des ersten Transistors (Tia) den ersten Eingang (Ai) bzw. ersten Ausgang (Ci) bil­ den, daß die Basis und der Kollektor des zweiten Tran­ sistors (Tib) den zweiten Eingang (Bi) bzw. den zweiten Ausgang (Di) bilden, daß die miteinander verbundenen Emitter den Versorgungsanschluß (Ei) zur Stromeinspei­ sung bilden und daß die Fläche der Basis-Emitter-Sperr­ schicht des zweiten Transistors (Tib) ein Mehrfaches der Fläche des ersten Transistors (Tia) ist oder umge­ kehrt.

4. Differenzverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzstufe (Fi) aus mehr als zwei, untereinander gleichen bipolaren Transistoren (Tia, Tib, . . . Tin) besteht, wobei dem zweiten Transi­ stor (Tib) alle weiteren Transistoren (Tic, . . . Tin) parallel geschaltet sind.

5. Differenzverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Differenzstufen (F1, F2) mit bipolaren Transistoren (T1a, T1b, T2a, T2b) vorgesehen sind und daß der zweite Transistor (T1b) der ersten Differenzstufe (F1) und der erste Transistor (T2a) der zweiten Differenzstufe (F2) je­ weils eine Basis-Emitter-Fläche aufweisen, die viermal größer ist als die Basis-Emitter-Fläche des ersten Transistors (T1a) der ersten Differenzstufe (F1) oder des zweiten Transistors (T2b) der zweiten Dif­ ferenzstufe (F2), oder daß statt eines Einzeltransi­ stors mit vierfacher Basis-Emitter-Fläche vier Transi­ storen einfacher Fläche parallel geschaltet sind.

6. Differenzverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsströme (I1, I2, . . . In) der Differenzstufen (F1, F2, . . . Fn) unterschiedlich sind.

7. Differenzverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Änderung der Versorgungsströme (I1, I2, . . . In) ihr Größenverhältnis gewahrt bleibt.