DE4123904C1 - - Google Patents
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- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
- H03F3/45—Differential amplifiers
- H03F3/45071—Differential amplifiers with semiconductor devices only
- H03F3/45479—Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of common mode signal rejection
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- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
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- H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
- H03F3/50—Amplifiers in which input is applied to, or output is derived from, an impedance common to input and output circuits of the amplifying element, e.g. cathode follower
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Spannungsfolgerschaltung
mit einem Eingang zum Anlegen einer Eingangsspannung und einem
Ausgang zum Abgeben einer von der Eingangsspannung abhängigen
Ausgangsspannung, und einer ersten Stromspiegelschaltung mit einem
Eingangstransistor und einem Ausgangstransistor, wobei der
durch den Eingangstransistor fließende Strom von der Eingangs
spannung abhängig ist und die Ausgangsspannung in Abhängigkeit
vom Strom durch den Ausgangstransistor erzeugt wird.
Eine Spannungsfolgerschaltung dieser Art kann mittels des Ope
rationsverstärkers des von der Firma Texas Instruments Incor
porated hergestellten Typs TL 052 aufgebaut werden, dessen
Schaltbild in dem von dieser Firma herausgegebenen Handbuch
"Linear Circuits, Data Book, Volume 1", 1989 auf S. 2-300 dar
gestellt ist. Wenn dieser Operationsverstärker als Spannungs
folger beschaltet wird, wirkt er als Impedanzwandler mit
hochohmigem Eingang und niederohmigem Ausgang. Der Operations
verstärker enthält eine Stromspiegelschaltung, wie sie aus dem
Buch "Elektrische Eigenschaften linearer integrierter Schal
tungen" der Firma VALVO in der Ausgabe vom November 1977, ins
besondere in Bild 6.13 dargestellt ist. Der Operationsverstär
ker als Spannungsfolger mit diesem herkömmlichen Aufbau ist
nur für einen begrenzten Eingangsspannungsbereich einsetzbar,
da immer dann, wenn die Eingangsspannung (je nach der Polari
tät der verwendeten Transistoren) gegen den Wert der Versor
gungsspannung oder gegen den Massewert geht oder diese Werte
überschreitet, die Ausgangsspannung nicht mehr der Eingangs
spannung entspricht, so daß die Spannungsfolgerfunktion nicht
mehr gewährleistet ist.
Aus der US-A-42 23 276 ist ebenfalls eine Spannungsfolger
schaltung der Art bekannt, wie sie im Oberbegriff des Patent
anspruchs 1 beschrieben ist. Diese bekannte Spannungsfolger
schaltung ist jedoch speziell im Hinblick darauf entwickelt
worden, daß sie sich für die Herstellung in Form einer inte
grierten Schaltung eignet und daß sie gegen Schwingungser
scheinungen unempfindlich ist.
Aus der US-A-44 89 285 ist eine Stromspiegelschaltung be
kannt, die zwei Eingangsklemmen aufweist, der zwei Eingangs
ströme zugeführt werden. Die Stromspiegelschaltung ist spe
ziell so aufgebaut, daß sie einen Ausgangsstrom liefert, der
dem größeren der beiden Eingangsströme proportional ist. Es
findet sich in diesen beiden Druckschriften kein Hinweis dar
auf, wie die in ihnen beschriebenen Schaltungen so kombiniert
werden könnten, daß die Funktionsfähigkeit einer Spannungs
folgerschaltung in einem großen Eingangsspannungsbereich ge
währleistet werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spannungsfol
gerschaltung der eingangs angegebenen Art so auszugestalten,
daß sie in einem großen Eingangsspannungsbereich ihre Funk
tionsfähigkeit beibehält.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß dem
Ausgangstransistor der ersten Stromspiegelschaltung ein
weiterer Eingangstransistor zugeordnet ist, der mit diesem
Ausgangstransistor eine zweite Stromspiegelschaltung bildet,
und daß in der Kollektorleitung des weiteren Eingangstran
sistors eine Konstantstromquelle angebracht ist, die in die
zweite Stromspiegelschaltung einen konstanten Strom einprägt.
In der erfindungsgemäßen Spannungsfolgerschaltung bleibt die
Ausgangsspannung auch dann noch auf einem hohen Spannungswert,
wenn die Eingangsspannung den Wert der Versorgungsspannung an
nimmt oder über diesen Wert ansteigt. Dadurch können nachfol
gende Schaltungen, die abhängig davon, ob die Eingangsspannung
hoch oder niedrig ist, bestimmte Funktionen ausführen sollen,
auch im Grenzfall einer sehr hohen Eingangsspannung immer noch
die entsprechende, der hohen Eingangsspannung zugeordnete
Funktion ausführen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist im Patentan
spruch 2 gekennzeichnet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun unter Bezugnah
me auf die Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur ein
Schaltbild der erfindungsgemäßen Spannungsfolgerschaltung
zeigt.
Die in der Zeichnung dargestellte Spannungsfolgerschaltung
enthält eine erste Stromspiegelschaltung mit zwei PNP-Transi
storen Q1 und Q3. Der Transistor Q1 ist dabei der Eingangs
transistor, und der Transistor Q3 ist der Ausgangstransistor.
In die direkte Verbindung zwischen den verbundenen Basis-Anschlüssen der
beiden Transistoren Q1 und Q3 und dem Kollektor des Eingangs
transistors Q1 ist im Falle der hier zu beschreibenden Schal
tung ein PNP-Transistor Q2 eingefügt, dessen Emitter mit den
Basis-Anschlüssen der beiden Transistoren Q1 und Q3 verbunden
ist und dessen Kollektor an Masse liegt. Im Falle der hier zu
beschreibenden Spannungsfolgerschaltung ist in die Kollektor
leitung des Eingangstransistors Q1 eine Diode D eingefügt,
deren Zweck noch erläutert wird. Der Basis-Anschluß des Tran
sistors Q2 ist an die Kathode der Diode D angeschlossen.
Die in der Spannungsfolgerschaltung zu verarbeitende Eingangs
spannung wird der Eingangsklemme 10 zugeführt, die direkt mit
dem Basis-Anschluß eines NPN-Transistors Q5 verbunden ist. Der
Kollektor-Anschluß dieses Transistors Q5 ist mit dem Basis-An
schluß des Transistors Q2 und der Kathode der Diode D verbun
den. Der Emitter-Anschluß des Transistors Q5 ist mit dem Emit
ter-Anschluß eines weiteren NPN-Transistors Q6 verbunden, der
symmetrisch zum Transistor Q5 in die von den Transistoren Q1
und Q3 gebildete Stromspiegelschaltung eingefügt ist. Der Kol
lektor-Anschluß des Transistors Q6 ist mit dem Kollektor-An
schluß des Transistors Q3 verbunden. Die miteinander verbunde
nen Emitter-Anschlüsse der beiden Transistoren Q5 und Q6 sind
an eine Konstantstromquelle K1 angeschlossen, deren zweiter
Anschluß an Masse liegt.
Mit den verbundenen Kollektor-Anschlüssen der Transistoren Q3
und Q6 ist auch der Basis-Anschluß eines NPN-Transistors Q7
verbunden, zwischen dessen Emitter-Anschluß und Masse ein Wi
derstand R liegt. Der Kollektor-Anschluß des Transistors Q7
ist ebenso wie die Emitter-Anschlüsse der Transistoren Q1 und
Q3 mit einer Versorgungsspannungsleitung 15 verbunden, an der
die positive Versorgungsspannung Vcc liegt. Der Basis-Anschluß
des Transistors Q6 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen dem
Emitter-Anschluß des Transistors Q7 und dem Widerstand R ange
schlossen. Die Ausgangsspannung wird mittels der Ausgangsklem
me 20 von diesem Verbindungspunkt abgegriffen.
Die bisher beschriebene Spannungsfolgerschaltung ist voll
funktionsfähig und liefert an ihre Ausgangsklemme 20 eine von
der Eingangsspannung an der Eingangsklemme 10 abhängige Aus
gangsspannung, solange die Eingangsspannung innerhalb eines
vorgegebenen Bereichs bleibt. Wenn beispielsweise die Ein
gangsspannung etwa in der Mitte zwischen dem Massewert und dem
Wert der positiven Versorgungsspannung Vcc liegt, fließt durch
den Transistor Q5 ein Strom, dessen Wert durch die Konstant
stromquelle K1 bestimmt ist, und aufgrund der Eigenschaften
der Stromspiegelschaltung in Zusammenwirkung mit dem Transi
stor Q7 fließt im Idealfall der gleiche Strom durch den Tran
sistor Q6. Ein Teil des Kollektorstroms des Transistors Q3
wirkt als Basisstrom für den Transistor Q7, durch dessen Kol
lektor-Emitter-Strecke ein Strom fließt, der am Widerstand R
einen solchen Spannungsabfall erzeugt, daß die Ausgangsspan
nung an der Ausgangsklemme 20 gleich der Eingangsspannung an
der Eingangsklemme 10 ist.
Wenn aber die Eingangsspannung gegen den Wert der Versorgungs
spannung Vcc geht, fließt praktisch der gesamte Strom, der von
der Konstantstromquelle K1 festgelegt wird, durch die Basis-
Emitter-Strecke des Transistors Q5, so daß für den Transistor
Q6 kein Strom mehr übrigbleibt. Dies würde bedeuten, daß auch
durch den Transistor Q3 kein Strom mehr fließen kann, so daß
demgemäß auch der vom Strom durch den Transistor Q3 ange
steuerte Transistor Q7 in den gesperrten Zustand versetzt
wird. Da im gesperrten Zustand des Transistors Q7 kein Strom
durch den Widerstand R fließt, geht in diesem Zustand die Aus
gangsspannung an der Ausgangsklemme 20 auf den Wert Null. Dies
würde aber bedeuten, daß die Ausgangsspannung nicht mehr der
Eingangsspannung entspricht, wie dies für eine Spannungsfol
gerschaltung gewünscht wird.
Um das geschilderte nachteilige Verhalten zu vermeiden, ent
hält die Schaltung einen weiteren PNP-Transistor Q4, der so in
die Schaltung eingefügt ist, daß er zusammen mit dem Transi
stor Q3 eine zweite Stromspiegelschaltung bildet. Der Transi
stor Q4 bildet dabei den Eingangstransistor für die zweite
Stromspiegelschaltung, und der Transistor Q3 bildet deren Aus
gangstransistor. Wie bei einer Stromspiegelschaltung üblich,
ist beim Eingangstransistor Q4 der Kollektor-Anschluß mit dem
Basis-Anschluß verbunden. Zwischen dem Kollektor-Anschluß und
Masse ist eine zweite Konstantstromquelle K2 eingefügt.
Durch Hinzufügen der zweiten Stromspiegelschaltung aus den
Transistoren Q3 und Q4, die bewirkt, daß durch den Ausgangs
transistor Q3 stets ein durch die Konstantstromquelle K2 ein
geprägter Strom fließt, wird ein Sperren des Transistors Q7
verhindert, auch wenn aufgrund einer hohen Eingangsspannung an
der Eingangsklemme 10 im Bereich der Versorgungsspannung Vcc
praktisch der gesamte Strom der Konstantstromquelle K1 durch
den Transistor K5 fließt und für den den Transistor Q3 enthal
tenden Schaltungszweig kein Strom mehr übrigbleibt. Der auf
grund der zweiten Stromspiegelschaltung in den den Transistor Q3
enthaltenden Schaltungszweig eingeprägte Strom gewährleistet
somit, daß auch bei hohen Eingangsspannungen die Spannung an
der Ausgangsklemme 20 noch eine Aussage darüber zuläßt, ob die
Eingangsspannung hoch oder niedrig ist. Die Spannungsfolger
funktion bleibt somit in einem sehr großen Bereich der Ein
gangsspannungen erhalten, sogar dann, wenn die Eingangsspan
nung über den Wert der Versorgungsspannung Vcc ansteigt.
Die Diode D ist in die Kollektorleitung des Transistors Q1
eingefügt, um zu verhindern, daß bei einer Eingangsspannung,
die größer als die Versorgungsspannung Vcc ist, kein Strom aus
der die Eingangsspannung liefernden Quelle zur Stromquelle K2
fließen kann. Dies würde die Funktion des zusätzlichen Strom
spiegels aufheben. Außerdem würde dies die Eingangsspannung
liefernde Quelle unter Umständen in unerwünschterweise stark
belasten.
Claims (3)
1. Spannungsfolgerschaltung mit einem Eingang zum Anlegen
einer Eingangsspannung und einem Ausgang zum Abgeben einer
von der Eingangsspannung abhängigen Ausgangsspannung, einer
ersten Stromspiegelschaltung mit einem Eingangstransistor und
einem Ausgangstransistor, wobei der durch den Eingangstransi
stor fließende Strom von der Eingangsspannung abhängig ist
und die Ausgangsspannung in Abhängigkeit vom Strom durch den
Ausgangstransistor erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
dem Ausgangstransistor (Q3) der ersten Stromspiegelschaltung
(Q1, Q3) ein weiterer Eingangstransistor (Q4) zugeordnet ist,
der mit diesem Ausgangstransistor (Q3) eine zweite Stromspie
gelschaltung (Q3, Q4) bildet, und daß in der Kollektorleitung
des weiteren Eingangstransistors (Q4) eine Konstantstromquel
le (K2) angebracht ist, die in die zweite Stromspiegelschal
tung (Q3, Q4) einen konstanten Strom einprägt.
2. Spannungsfolgerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Konstantstromquelle (K2) so eingestellt ist,
daß sie einen Strom einprägt, der in der Größenordnung von
1/10 des Stroms liegt, der in der ersten Stromspiegelschaltung
(Q1, Q3) fließt.
3. Spannungsfolgerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß in die Kollektorleitung des Eingangstran
sistors (Q1) der ersten Stromspiegelschaltung (Q1, Q2) eine
Diode (D) eingefügt ist, die einen Stromfluß von der Eingangs
klemme (10) zu diesem Eingangstransistor (Q1) verhindert.
Priority Applications (4)
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