DE4001573A1 - Differenzverstaerker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Differenzverstärker mit ei­ nem ersten und einem zweiten Transistor.

Ein Differenzverstärker ist ein symmetrischer Spannungs­ verstärker mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen. Bei der Grundschaltung eines Differenzverstärkers sind die Emit­ teranschlüsse zweier Transistoren miteinander und mit ei­ ner Konstantstromquelle verbunden. Die Kollektoranschlüs­ se der Transistoren sind jeweils getrennt über einen Ar­ beitswiderstand mit einer Versorgungsspannung verbunden. Die Basisanschlüsse der Transistoren bilden die Eingänge des Differenzverstärkers während die Kollektoranschlüsse die Ausgänge des Differenzverstärkers bilden.

Eine solche Grundschaltung eines Differenzverstärkers ist beispiels­ weise aus Halbleiterschaltungstechnik, U. Tietze, Ch. Schenck, Springer Verlag Berlin, 8. Auflage, Seite 66 bis 71 bekannt.

Je nach dem vorgesehenen Verwendungszweck ist es bekannt, die Grundschaltung eines Differenzverstärkers mit weite­ ren Transistoren und Widerständen zu erweitern. So sind beispielsweise aus EP 03 00 494 A2 verschiedene Schal­ tungsanordnungen für Breitband-Differenzverstärker be­ kannt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schal­ tungsanordnung für einen Differenzverstärker mit gegen­ über der bekannten Grundschaltung eines Differenzverstär­ kers vergrößerter Bandbreite anzugeben, der sich gegen­ über anderen bekannten Breitband-Differenzverstärkern durch einen einfachen Aufbau und einen geringen Stromver­ brauch auszeichnet.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein dritter und ein vierter Transistor mit ihren Emittern jeweils an der Basis des ersten bzw. des zweiten Transistors angeschlos­ sen sind und daß ein fünfter und ein sechster Transistor jeweils mit ihren Emittern mit dem Kollektor des dritten bzw. vierten Transistors verbunden sind und mit ihren Ba­ sen mit dem Kollektor des zweiten bzw. ersten Transistors verbunden sind.

Der dritte und der vierte Transistor sind als Impedanz­ wandler geschaltet und bilden die Eingangstransistoren des Differenzverstärkers. Der fünfte und sechste Transi­ stor sind als Emitterfolger geschaltet und dienen zum Auskoppeln des Ausgangssignals des Differenzverstärkers. Diese Transistoren werden daher im folgenden auch als Auskoppeltransistoren bezeichnet. Die Auskoppeltransisto­ ren T5, T6 sind emitterseitig mit den Kollektoren der Eingangstransistoren T3, T4 verbunden. Die Basen der Aus­ koppeltransistoren T5, T6 sind jeweils mit dem Kollektor des Grundtransistors der anderen Differenzverstärkerhälf­ te verbunden. Bei niedrigen Frequenzen sind dadurch Si­ gnalspannungen an der Basis des Grundtransistors und an dem Emitter des Ausgangstransistors einer jeweiligen Dif­ ferenzverstärkerhälfte in Phase.

Transistoren weisen parasitäre Kapazitäten und Widerstän­ de auf, welche beim Betrieb der Transistoren mit hochfre­ quenten Signalen ursächlich sind für eine Phasenverschie­ bung zwischen Eingangs- und Ausgangssignal. Durch die ge­ wählte Schaltungsanordnung wird die durch diese parasitä­ ren Bauelemente hervorgerufene Phasenverschiebung bei ho­ hen Frequenzen dazu genutzt, im Frequenzbereich des sich bei der bekannten Grundschaltung ergebenden Verstärkungs­ abfalls ein induktives Verhalten der Ausgangsimpedanz zu bewirken. Hierdurch erhält man bei hohen Frequenzen eine Verstärkungsanhebung. Des weiteren bilden Bahnwiderstand und Basis-Emitter-Kapazität des Eingangstransistors einen Eingangstiefpaß. Durch die Schaltungsanordnung wird eine Spannungsanhebung an den Basen der Transistoren T3 und T4 hervorgerufen, wodurch die Eckfrequenz des Eingangstief­ passes zu hohen Frequenzen hin verschoben wird. Diese Ef­ fekte lassen sich durch die Dimensionierung der Transi­ storen T3 und T4 erheblich beeinflussen, da die parasitä­ re Transistorkapazität C_CB zwischen Kollektor und Basis der Eingangstransistoren die Verstärkungsüberhöhungen maßgeblich beeinflußt.

Es ergibt sich zu hohen Frequenzen eine Verstärkungsanhe­ bung, die die Bandbreite gegenüber einem Differenzver­ stärker in Grundschaltung erheblich verbessert. Durch die hohe Bandbreite der Anordnung können die Arbeitswider­ stände entsprechend hochohmiger dimensioniert werden, wo­ durch sich der Strom verringern läßt. Eine weitere Strom­ ersparnis gegenüber getrennter Ein- und Auskopplung mit Eingangs- und Ausgangsemitterfolgern bieten die in Reihe geschalteten Ausgangs- und Eingangstransistoren jeder Differenzverstärkerhälfte. Durch diese Reihenschaltung wird in vorteilhafter Weise in jeder Differenzverstärker­ hälfte auch nur ein den jeweiligen Eingangs- und Aus­ gangstransistor gemeinsamer Emitterwiderstand R3, R4 be­ nötigt. Auf diese Weise besteht der Aufwand an Bauteilen für diesen Breitbanddifferenzverstärker aus nur sechs Transistoren, vier Widerständen und einer Konstantstrom­ quelle.

Je nach verwendeten Transistoren bzw. dem für die Transi­ storen verwendeten Herstellungsprozesses kann es sein, daß die mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung er­ zielte Verschiebung der Eckfrequenz noch nicht optimal eingestellt ist. Von Fall zu Fall kann daher eine zusätz­ liche zwischen Kollektor und Basis der Eingangstransisto­ ren T3, T4 geschaltete Kapazität bewirken, daß die Eck­ frequenz des Differenzverstärkers noch weiter zu höheren Frequenzen hinausgeschoben wird.

Im folgenden wird in einem in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel die Erfindung näher beschrieben und erläutert.

In der Fig. 1 wird die Grundschaltung eines Differenzver­ stärkers durch einen ersten und einen zweiten Grundschal­ tungstransistor T1, T2, deren Emitteranschlüsse miteinan­ der verbunden sind und an eine Stromquelle I_q geführt sind, gebildet. Der Konstantstrom der Stromquelle wurde im Ausführungsbeispiel zu 1,2 mA gewählt. Die Kollektor­ anschlüsse eines jeweiligen Grundschaltungstransi­ stors T1, T2 sind jeweils über einen Kollektorwider­ stand R1, R2, deren Widerstandswert im Ausführungsbei­ spiel zu 200 Ohm gewählt wurde, mit einem Bezugspotenti­ al OV verbunden. Eingangstransistoren T3, T4, deren Ba­ sisanschlüsse jeweils einen Eingang U_{e 1}, U_{e 2} des Diffe­ renzverstärkers bilden, sind mit ihren Emittern mit dem Basisanschluß des jeweiligen Grundschaltungstransi­ stors T1, T2 verbunden. Zwischen dem Emitter eines jewei­ ligen Eingangstransistors T3, T4 und einer negativen Ver­ sorgungsspannung -U_B (-5,2 Volt im Ausführungsbeispiel) liegt jeweils ein Emitterwiderstand R3, R4 (ca. 2000 Ohm im Ausführungsbeispiel). An der negativen Betriebsspan­ nung -U_B ist auch der andere Pol der Konstantstromquel­ le I_q angeschlossen. Während Kollektoranschlüsse von Aus­ gangstransistoren T5, T6 mit dem Bezugspotential verbun­ den sind, sind deren Emitteranschlüsse mit den Kollektor­ anschlüssen eines jeweiligen Eingangstransistors T3, T4 verbunden. Die Emitteranschlüsse der Ausgangstransisto­ ren T5, T6 bilden auch zugleich die Ausgänge U_{a 1}, U_{a 2} des Differenzverstärkers. Die auf diese Weise in Reihe ge­ schalteten Eingangs- und Ausgangstransistoren und der je­ weils mit dieser Reihenschaltung basisseitig verbundene Grundschaltungstransistor des Differenzverstärkers bilden jeweils eine der beiden Differenzverstärkerhälften. Die Basen der Ausgangstransistoren T5, T6 sind jeweils mit dem Kollektor des in der anderen Differenzverstärkerhälf­ te liegenden Grundschaltungstransistors verbunden. Auf diese Weise ist die Basis des Ausgangstransistors T5 mit dem Kollektor des Grundschaltungstransistor T2 und die Basis des Ausgangstransistors T6 mit dem Kollektor des Grundschaltungstransistors T1 verbunden.

Die Eingangs- und Ausgangstransistoren sind so ausgebil­ det, daß sie als Impedanzwandler arbeiten. Demzufolge wird durch die Eingangstransistoren eine hohe Eingangsim­ pedanz und durch die Ausgangstransistoren eine niedrige Ausgangsimpedanz des Differenzverstärkers erzielt. Beim Ausführungsbeispiel, einer monolithisch integrierten Schaltung, sind die Eingangstransistoren T3, T4 so dimen­ sioniert, daß deren Kollektor-Basis-Kapazitäten bei höhe­ rer Frequenz die bereits geschilderte Verstärkungsüberhö­ hung bewirken. Durch diese Verstärkungsüberhöhung wird der bei einer Grundschaltung eines Differenzverstärkers bei hohen Frequenzen einsetzende Verstärkungsabfall in­ nerhalb eines begrenzten Bereiches kompensiert. Je größer die Verstärkungserhöhung gewählt wird, umso weiter kann die 3dB-Eckfrequenz des dargestellten Differenzverstär­ kers zu hohen Frequenzen hin hinausgeschoben werden. All­ gemein gilt aber auch hier, daß bei zu hohen Verstär­ kungsüberhöhungen die Schwingneigung des Verstärkers zu­ nimmt.

Wegen der geringen Anzahl von Bauelementen und des für alle Transistoren gleich gewählten Polaritätstyps eignet sich dieses Schaltungskonzept insbesondere für eine mono­ lithisch integrierte Bipolarschaltung. Bei einem nach dem vorliegenden Schaltungskonzept hergestellten integrierten Differenzverstärker im sogenannten HS3-Prozeß von Signe­ tics ist eine Eckfrequenz von 2,05 GHz gegenüber einer Eckfrequenz von 1,05 GHz bei der bekannten Grundschal­ tung, die nach dem gleichen Halbleiterherstellungsprozeß hergestellt ist, erzielbar.

Claims (2)

1. Differenzverstärker mit einem ersten und einem zweiten Transistor, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter und ein vierter Transistor (T3, T4) mit ihren Emittern jeweils an der Basis des ersten bzw. des zweiten Transistors (T1, T2) angeschlossen sind und daß ein fünfter und ein sechster Transistor (T5, T6) jeweils mit ihren Emittern mit dem Kollektor des dritten bzw. vierten Transistors (T3, T4) verbunden sind und mit ihren Basen mit dem Kollektor des zweiten bzw. ersten Transi­ stors (T2, T1) verbunden sind.

2. Differenzverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kollektor und Basis des dritten und vierten Transistors (T3, T4) jeweils ein Kondensator angeschlos­ sen ist.