DE4101577A1 - Transkonduktanzverstaerker - Google Patents

Description

Die Erfindung findet Verwendung bei der Realisierung von Transkonduktanzverstärkern, deren Anwendungsbereich u. a. Filterschaltung mit einstellbarer Grenzfrequenz, Generatorschaltungen und Verstärkerschaltungen mit einstellbarer Verstärkung sind.

Transkonduktanzverstärker (OTA-Operational Transkonduktanz Amplifier) sind Verstärker, deren Übertragungsverhalten durch den Quotienten von Ausgangsstrom und Eingangsspannung beschrieben wird. Diese Größe wird als Transkonduktanz oder Steilheit gm bezeichnet. Eine hervorragende Eigenschaft solcher Verstärker besteht in ihrem linearen Übertragungsverhalten innerhalb eines bestimmten Bereiches der Eingangsspannung und in der Möglichkeit, über einen Steuerstrom Ist proportional die Steilheit einzustellen.

Fig. 3 zeigt die Grundanordnung eines OTA, wie sie in der OS 23 22 466 beschrieben wurde.

Eine zwischen invertierendem (101) und nichtinvertierendem (102) Eingang angelegte Eingangsspannung Ue ruft eine Differenz in den Kollektorströmen der Transistoren (5) und (6) hervor. Die Summe der Kollektorströme ist dabei durch den Steuerstrom Ist der Steuerstromquelle (200) gegeben. Die Kollektorstromdifferenz wird mit Hilfe von drei Stromspiegelanordnungen gebildet und als Ausgangsstrom Ia am Schaltungsausgang (105) wirksam. Für kleine Aussteuerungen gilt mit der Steilheit gm als Übertragungsgröße der lineare Zusammenhang:

Ia = gm _* Ue (1)

mit gm = Ist/2 Ut (2)

Wird die in Fig. 3 dargestellte Schaltung in ihrer komplementären Ausführungsform verwendet und zusätzlich ein Darlington-Differenzverstärker benutzt (Fig. 4), kann zwar die Forderung nach einem Eingangsgleichtaktbereich, der die negative Versorgungsspannung mit einschließt, erfüllt werden. Auf Grund der nunmehr vorhandenen vier Ube-Strecken des Differenzverstärkers wird die wirksame Eingangsspannung jedoch halbiert. Daher ergibt sich für diese Schaltung eine halb so große Steilheit:

gm = Ist/4 Ut (3)

Weiterhin können bei der in Fig. 4 dargestellten Schaltung für die npn- Stromspiegel keine vom WILSON-Typ eingesetzt werden, wenn der Vorteil des bis zur negativen Betriebsspannung erweiterten Gleichtakteingangsspannungsbereiches nicht wieder verloren gehen soll. Daher ergibt sich bei dieser Schaltung ein Einfluß der Betriebsspannung auf die Steilheit.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen solchen Transkonduktanzverstärker zu entwickeln, der einen erweiterten linearen Aussteuerbereich und einen die negative Versorgungsspannung einschließenden Eingangsgleichtaktbereich realisiert und der eine zur OTA-Grundschaltung identische Steilheit ermöglicht.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch Verwendung einer solchen Differenzeingangsstufe gelöst, deren zwei pnp-Eingangstransistoren, als Emitterfolger arbeitend, jeweils einen npn-Stromspiegel emitterseitig ansteuern. Dabei weisen beide Stromspiegel ein identisches, abhängig von der verwendeten Stromspiegelschaltung festzulegendes Spiegelverhältnis auf.

In die beiden miteinander verbundenen Eingänge der npn-Stromspiegel wird der Steuerstrom Ist eingespeist.

Die Ausgangsströme der beiden npn-Stromspiegel werden mit Hilfe von drei weiteren Stromspiegelanordnungen in der von der herkömmlichen OTA-Schaltung bekannten Art und Weise in ihrer Differenz als Ausgangsstrom am Schaltungsausgang wirksam gemacht.

Durch die Verwendung der pnp-Emitterfolge für die Eingangstransistoren wird ein Eingangsgleichtaktbereich, der die negative Versorgungsspannung schließt, realisiert.

Während zwischen invertierendem und nichtinvertierendem Eingang bei der herkömmlichen OTA-Schaltung nur die zwei Basis-Emitter-Strecken der Differenzverstärkertransistoren liegen, sind es bei der erfindungsgemäßen Schaltung, die in einer ersten Ausführungsform zwei einfache npn-Stromspiegel und der Differenzeingangsstufe verwendet, vier Basis-Emitter- Strecken, die der Eingangsemitterfolger und die der beiden npn-Stromspiegel. An den Basis-Emitter-Strecken der npn-Stromspiegel wird daher nur die halbe Eingangsspannung wirksam. Das ist gleichbedeutend mit der Verdopplung des linearen Aussteuerbereiches, aber auch mit der Halbierung der Steilheit.

Die von der herkömmlichen OTA-Schaltung bekannte Steilheit wird jedoch auf einfache Weise wieder erreicht, indem die npn-Stromspiegel der Differenzeingangsstufe mit einem Spiegelverhältnis von S=2 versehen werden. Dies kann über die Dimensionierung der Emitterflächen bzw. über die Parallelschaltung gleicher Transistoren geschehen.

Dem gleichen Prinzip entsprechend, werden bei Verwendung von WILSON-Stromspiegeln in der Differenzeingangsstufe diese Stromspiegel mit einem Spiegelverhältnis von S=3 ausgeführt, um die in diesem Fall auftretende Verringerung der Eingangsspannung und der Steilheit auf ein Drittel auszugleichen.

Ebenso kann über die Wahl des Spiegelverhältnisses der Stromspiegel der Differenzeingangsstufe die Steilheit der Schaltung, bezogen auf einen gegebenen Steuerstrom, abweichend von der herkömmlichen OTA-Schaltung eingestellt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend an zwei Beispielen näher erläutert:

1. Fig. 1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Schaltung. Nachfolgend werden zur Vereinfachung der Berechnung die Basisströme der Transistoren vernachlässigt.

Die Stromspiegel 10 und 50 arbeiten mit einem Spiegelverhältnis von S=1 und führen den über den Steuerstromeingang 100 eingespeisten Strom Ist der Steuerstromquelle 200 den Eingängen 61, 71 der npn-Stromspiegel 60, 70 zu.

Ist = Ic65 + Ic75 (4)

Für kleine Aussteuerungen gilt:

Ic65 = Ic75 = Ist/2 (5)

Der Ausgangsstrom des Stromspiegels 60 wird durch den Stromspiegel 20 zum Schaltungsausgang 105 gespiegelt.

Der Ausgangsstrom des Stromspiegels 70 wird durch die Stromspiegel 30 und 40 ebenfalls, aber in entgegengesetzter Richtung zum Schaltungsausgang 105 gespiegelt. Somit wird am Schaltungsausgang die Differenz der Kollektorströme Ic74 und Ic64 wirksam.

Ia = Ic74 - Ic64 (6)

Beide npn-Stromspiegel 60 und 70 arbeiten mit dem gleichen Spiegelverhältnis Sn.

Ia = Sn (Ic75 - Ic65) (7)

Für die zwischen invertierenden (101) und nichtinvertierendem (102) Eingang angelegte Eingangsspannung Ue gilt die Beziehung:

Ue = Ube75 - Ube65 + Ube2 - Ube1( )(8)

Für die Berechnung dieser Ube-Differenzen kann folgende allgemeine Näherung angewandt werden:

Damit gilt mit Gl. 5 und Gl. 7:

Die Kollektorströme der pnp-Transistoren 1 und 2 betragen:

Ic1 = Ic65 (1 + Sn) (11)

Ic2 = Ic75 (1 + Sn) (12)

Für die Berechnung der Differenz der Ube dieser Transistoren gilt wieder Gl. 9 unter Beachtung von Gl. 5 und 7:

Damit ergibt sich aus Gl. 8, 10 und 13 der folgende Zusammenhang für das Übertragungsverhalten der Schaltung:

Die Steilheit

kann also in bekannter Weise über den Steuerstrom Ist, aber auch über das Spiegelverhältnis Sn beeinflußt werden. Wird Sn=2 gewählt, ergibt sich eine Steilheit wie bei der herkömmlichen OTA-Schaltung (Gl. 2).

2. In einer weiteren Ausführungsform werden in der Differenzeingangsstufe entlastete Stromspiegel vom WILSON-Typ verwendet. Eine solche Differenzeingangsstufe zeigt Fig. 2. Gleichung 8 lautet nun

Ue = Ube76 - Ube66 + Ube75 - Ube65 + Ube2 - Ube1 (8.1)

Für die Berechnung dieser Ube-Differenzspannungen gilt wieder Gl. 10 bzw. 13.

Das Übertragungsverhalten der Schaltung wird nun beschrieben durch:

Wird Sn=3 gewählt, ergibt sich eine Steilheit wie bei der herkömmlichen OTA-Schaltung (Gl. 2).

Bezugszeichen

1, 2 - pnp-Eingangstransistor
3, 4 - npn-Transistor
5, 6, 7, 8 - Eingangstransistor
10, 40, 60, 70 - npn-Stromspiegel
11, 41, 61, 71 - Eingang npn-Stromspiegel
12, 42, 62, 72 - Ausgang npn-Stromspiegel
13, 43, 63, 73 - Bezugsklemme npn-Stromspiegel
14, 44, 64 - npn-Transistor
15, 45, 65 - npn-Transistor
16, 46, 66 - npn-Transistor
20, 30, 50 - pnp-Stromspiegel
21, 31, 51 - Eingang pnp-Stromspiegel
22, 32, 52 - Ausgang pnp-Stromspiegel
23, 33, 53 - Bezugsklemme pnp-Stromspiegel
24, 34, 54 - pnp-Transistor
25, 35, 55 - pnp-Transistor
26, 36, 56 - pnp-Transistor
 80 - Ausgangsstufe
100 - Steuerstromeingang
101 - invertierender Eingang
102 - nichtinvertierender Eingang
103 - positive Versorgungsspannung
104 - negative Versorgungsspannung
105 - Schaltungsausgang
106 - Eingang Ausgangsstufe
107 - Ausgang Ausgangsstufe

Claims (5)

1. Transkonduktanzverstärker, bestehend aus
einem ersten Stromspiegel
dessen Bezugsklemme mit der negativen Versorgungsspannung und dessen Eingang über einem Steuerstromeingang mit einer externen, gegen die positive Versorgungsspannung geschalteten Steuerstromquelle verbunden ist,
einem zweiten Stromspiegel
dessen Bezugsklemme mit der positiven Versorgungsspannung und dessen Ausgang mit dem Ausgang eines vierten Stromspiegels sowie mit dem Schaltungsausgang verbunden ist,
einem dritten Stromspiegel
dessen Bezugsklemme mit der positiven Versorgungsspannung und dessen Ausgang mit dem Eingang eines vierten Stromspiegels verbunden ist,
einem vierten Stromspiegel
dessen Bezugsklemme mit der negativen Versorgungsspannung verbunden ist,
einer Ausgangsstufe,
die durch eine aus zwei npn-Transistoren bestehende Darlingtonanordnung gebildet wird, deren Eingang mit dem Schaltungsausgang und deren Ausgang mit einem externen Lastwiderstand verbunden wird, wobei die Kollektoren beider Transistoren mit der positiven Versorgungsspannung verbunden sind,
gekennzeichnet dadurch, daß
ein fünfter, aus pnp-Transistoren bestehender Stromspiegel (50) verwendet wird, dessen Bezugsklemme (53) mit der positiven Versorgungsspannung (103), dessen Eingang (51) mit Ausgang (12) des ersten Stromspiegels (10) und dessen Ausgang (52) mit den Eingängen (61, 71) eines sechsten und siebenten Stromspiegels (60, 70) verbunden ist,
ein sechster, aus npn-Transistoren bestehender Stromspiegel (60) verwendet wird, dessen Bezugsklemme (63) mit dem Emitter eines Eingangstransistors (1) und dessen Ausgang (62) mit dem Eingang (21) des zweiten Stromspiegels (20) verbunden ist,
ein siebenter, aus npn-Transistoren bestehender Stromspiegel (70) verwendet wird, dessen Bezugsklemme (73) mit dem Emitter eines Eingangstransistors (2) und dessen Ausgang (72) mit dem Eingang (31) des dritten Stromspiegels (30) verbunden ist,
ein erster pnp-Eingangstransistor (1) verwendet wird, dessen Kollektor mit der negativen Versorgungsspannung (104) und dessen Basis mit dem invertierenden Eingang (101) verbunden ist,
ein zweiter pnp-Eingangstransistor (2) verwendet wird, dessen Kollektor mit der negativen Versorgungsspannung (104) und dessen Basis mit dem nichtinvertierenden Eingang (102) verbunden ist.

2. Transkonduktanzverstärker nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß statt der verwendeten einfachen Stromspiegel (60) und (70) solche vom WILSON-Typ verwendet werden.

3. Transkonduktanzverstärker nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Stromspiegel (10) entfällt und die externe Steuerstromquelle mit dem Eingang (51) des fünften Stromspiegels und mit der negativen Versorgungsspannung (104) verbunden ist.

4. Transkonduktanzverstärker nach Anspruch 1-3, gekennzeichnet dadurch, daß anstelle der angegebenen Transistoren die hierzu komplementären verwendet werden.

5. Transkonduktanzverstärker nach Anspruch 1-4, gekennzeichnet dadurch, daß die Schaltung monolithisch integriert wird.