DE4210215C2 - Differenzverstärkeranordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Differenzverstärkeranordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Grundschaltung einer Differenzverstärkeranordnung ist beispielsweise aus der Literaturstelle U. Tietze, Ch. Schenk: "Halbleiter-Schaltungstechnik", Springer-Verlag, 1978, Seite 59 bekannt. Die dort beschriebene Differenzver­ stärkeranordnung weist zwei Transistoren auf, deren Emitter miteinander und über eine Stromquelle mit einem Pol einer Versorgungsspannung verbunden sind, deren Basisanschlüsse die Eingänge der Anordnung bilden und deren Kollektoren die Ausgangsanschlüsse der Anordnung bilden. Die Ausgangsanschlüsse sind dabei jeweils über einen widerstand mit dem anderen Pol der Versorgungsspannung verbunden. Derartige Differenzver­ stärkeranordnungen bilden die Grundlage für eine Vielzahl von Schaltungs­ anordnungen für unterschiedliche Anwendungen.

So ist aus der DE 35 22 416 A1 eine Differenzverstärkeranordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt, bei der die Ausgangsan­ schlüsse über einen Pegelschieber und über einen Spitzenwertdetektor mit einem Vergleicher verbunden sind. Letzterer erzeugt nach Maßgabe der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen und nach der Maßgabe eines Referenzpotentials eine Regelspannung zur Regelung der Verstärkung der Differenzverstärkeranordnung. Durch diese Verstärkungs­ regelung werden die Potentiale an den Ausgangsanschlüssen auf einen vorgegebenen Wertebereich begrenzt. Der wesentliche Nachteil dieser Art der Potentialbegrenzung besteht darin, daß die Regelschaltung die das Nutzsignal darstellende Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüs­ sen beeinflußt und somit eine Signalverfälschung bewirkt.

Eine Differenzverstärkeranordnung mit automatisch regelbarer Verstärkung ist des weiteren auch aus der DE 39 19 582 A1 bekannt. Aus der JP 59-49 008 A ist ferner eine Differenzverstärkeranordnung mit einer Regelschaltung zur Arbeitspunkteinstellung der Potentiale an den Ausgangsanschlüssen und aus der JP 58 11 15 A eine Differenzverstärkeranordnung mit einer Regelschal­ tung zur Unterdrückung von Offset-Spannungen bekannt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Differenzverstärkeranord­ nung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, deren Regelschaltung keine Signalverfälschung bewirkt und die besonders für den Einsatz als Vorstufe für weitere Schaltungsanordnungen mit geringer Versorgungsspannung geeignet ist.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ermöglicht durch die Arbeitspunktregelung an den Ausgangsanschlüssen einen unmittelbaren Anschluß an nachfolgende Schaltungen (z. B. mit Differenzverstärker) ohne Pegelumsetzerstufen und ist dadurch besonders vorteilhaft für niedrige Versorgungsspannungen, insbesondere in Geräten mit einer einzigen Akumulatorzelle des NiCd-Typs als Spannungsversorgung. Die Schaltungsan­ ordnung zeigt einen großen Aussteuerbereich der Ausgangsspannung, was wiederum für niedrige Betriebsspannungen von besonderem Vorteil ist. Ein besonders geeigneter Anwendungsfall ist der Betrieb der Anordnung als Integrierer.

Die Erfindung ist nachfolgend unter Bezugnahme auf die Abbildungen am Beispiel der Anwendung als integrierer, ohne darauf beschränkt zu sein, noch eingehend erläutert.

Die in Fig. 1 skizzierte Schaltungsanordnung enthält die allgemeine Differenzverstärker-Grundschaltung. Die Transistoren T1 und T2 sind emitterseitig untereinander und über den Stromquellentransistor T7 mit dem einen Pol GND der Versorgungsspannung verbunden. Der den Betriebsstrom des Differenzverstärkers T1, T2 bildende Strom I12 ist über die Stromspiegelschaltung T6, T7 mit dem eingeprägten Strom IO und durch die Flächenverhältnisse von T6 und T7 vorgegeben. Die Ausgangsanschlüsse A1 und A2 sind mit den Kollektoranschlüssen von T1 bzw. T2 verbunden. Die Basisanschlüsse von T1 und T2 sind mit den Eingangsan­ schlüssen E1 und E2 verbunden. Zwischen die Ausgangsan­ schlüsse ist eine Integrationskapazität C geschaltet.

Die Anordnung nach Fig. 1 enthält eine Regelschaltung R, welche die Potentiale an den Ausgangsanschlüssen auf einen durch ein Referenzpotential VR vorgegebenen Arbeitspunkt regelt. Die zwischen E1 und E2 anliegende Eingangsspannung und die zwischen A1 und A2 abgreifbare Ausgangsspannung können beliebige, auch wechselnde Polarität aufweisen. Die Regelschaltung schiebt erforderlichenfalls die Potentiale an den Ausgangsanschlüssen so, daß diese in einem bestimm­ ten für eine nachfolgende Schaltung günstigen Bereich lie­ gen, ohne daß die das Nutzsignal bildende Potentialdiffe­ renz zwischen A1 und A2 durch die Regelung beeinflußt wird. Die skizzierte Ausführung der Regelschaltung R re­ gelt die Potentiale an den Ausgangsanschlüssen speziell so, daß keines der Potentiale höher (d. h. näher am Pol UB der Versorgungsspannung) liegt als das Referenzpotential VR.

Hierzu sind in den Kollektorleitungen von T1 und T2 zwi­ schen den Ausgangsanschlüssen und dem Pol UB der Versor­ gungsspannung als zwei gemeinsam gesteuerte Stromquellen die Transistoren T10 bzw. T11 angeordnet. Die gleich großen Ströme IR durch die beiden Stromquellen sind ein­ stellbar über die Stromspiegelanordnung mit T9, T10 und T11, wobei das Verhältnis der Quellenströme IR und des Steuerstroms IS wieder durch das Flächenverhältnis der Transistoren T9 und T10, T11 festlegbar ist.

Die Transistoren T3, T4, T5 bilden einen Stromteiler mit Aufteilung eines vorgegebenen Maximalstroms IM nach Maß­ gabe eines Istwert-Sollwert-Vergleichs der Ausgangspoten­ tiale mit dem Referenzpotential VR. Dabei sind die Basis­ anschlüsse von T3, T4, T5 jeweils mit einem der beiden Ausgangsanschlüsse A1, A2 bzw. mit dem Referenzpotential VR verbunden. Als weitere Stromquelle zur Vorgabe des Ma­ ximalstroms IM ist ein Transistor T8 vorgesehen, der vor­ teilhafterweise in die durch T6 und T7 gebildete Strom­ spiegelschaltung mit eingefügt ist. Die Höhe des Stroms durch T8 ist wiederum durch den eingeprägten Strom IO und das Flächenverhältnis von T6 und T8 bestimmt. Der Strom IM ist größer zu wählen als 1/2 I12. Vorzugsweise ist un­ gefähr IM ≧ 2 × I12.

Für die weitere Erläuterung der Anordnung nach Fig. 1 sei der Einfachheit halber angenommen, daß die Transistorflä­ chen von T9, T10 und T11 gleich seien und damit IR = IS gilt. Die Anordnung im skizzierten Beispiel hält immer das höhere der beiden Ausgangssignale an A1 bzw. A2 auf einem durch VR vorgegebenen Wert, indem in der Stromaufteilstufe mit T3, T4, T5 der Strom IS jeweils sich so einstellt, daß keines der Potentiale an A1, A2 über das Potential VR an­ steigt.

Liegt beispielsweise A1 auf VR und A2 darunter, so stellt sich ein Strom I4 so ein, daß IS = IR = IM - I4 = I1 wird, daß also am Ausgangsanschluß A1 sich IR und I1 genau kom­ pensieren. Da die Ströme durch T10 und T11 gleich sind, bestimmt das Stromaufteilungsverhältnis im Differenzver­ stärker T1, T2 den Verlauf des Potentials an A2:

• a) bei Gleichtaktaussteuerung des Differenzverstärkers, d. h. keine Spannung zwischen E1 und E2, teilt sich der Strom I12 zu gleichen Teilen auf T1 und T2 auf, so daß I1 = I2. Wegen IR = I1 = I2 kompensieren sich an beiden Aus­ gangsanschlüssen die Ströme IR und I1 bzw. I2 und die La­ dung des Kondensators C und damit die Ausgangsspannung zwischen A1 und A1 bleiben unverändert;
• b) steigt E2 über E1, so ergibt sich im Differenzverstär­ ker eine ungleiche Stromaufteilung I2 < I1. Die Ströme IR durch die beiden Stromquellen T10, T11 stellen sich über die Regelschaltung auf den Wert IR = I1 ein, so daß das Potential an A1 konstant bleibt, das an A2 hingegen ab­ sinkt und die Spannung zwischen A1 und A2 steigt;
• c) steigt E1 über E2, so ergibt sich im Differenzverstär­ ker eine ungleiche Stromaufteilung I1 < I2. Die Ströme IR stellen sich anfänglich wieder so ein, daß IR = I1, wobei höchstens IR = IM. Für IM ~ 2 × I12 ist auch im Extremfall I1 = I12 die Stromaufteilstufe mit T4 und T5 noch ausba­ lanciert. Wegen IR = I1 bleibt das Potential an A1 anfäng­ lich konstant, wogegen das Potential an A2 steigt. Wenn bei unveränderter Stromaufteilung I1 < I2 am Ausgangsan­ schluß A2 das Potential VR erreicht ist, wird T3 stromfüh­ rend und es stellt sich ein neuer Wert IR = I2 ein. Nun bleibt das Ausgangspotential an A2 konstant und das Poten­ tial an A1 sinkt wegen I1 < IR, d. h. die Spannung zwischen A1 und A2 wird negativ.

Die Anordnung wirkt somit integrierend für die Stromdiffe­ renz I2 - I1 bzw. bei linearem Zusammenhang für die Ein­ gangsspannung zwischen E1 und E2. Ein Absinken eines der beiden Potentiale an A1 bzw. A2 kann begrenzt werden durch z. B. Diodenklemmschaltungen o. ä. Die skizzierte Schal­ tungsanordnung ist noch bei einer Versorgungsspannung zwi­ schen 1 und 1,2 Volt betriebsbereit.

Die Erfindung ist vorstehend am Beispiel eines Integrie­ rers eingehend erläutert, ist jedoch auch für viele andere Anwendungen einsetzbar, wobei insbesondere eine Abänderung derart, daß anstelle des in der skizzierten Anordnung vor­ gesehenen Kondensators C ein Widerstand R zwischen die Ausgangsanschlüsse eingefügt ist, von Bedeutung ist. Die Anordnung wirkt dann als Verstärker mit A1 - A2 = R × (I2 - I1). Für sehr hohe Werte von R bzw. ohne eine Verbindung zwischen A1 und A2 verhält sich die Anordnung wie ein Kom­ parator.

Insbesondere vorteilhaft ist der Einsatz der erfindungsge­ mäßen Differenzverstärkeranordnung als Operationsverstär­ ker mit symmetrischem Eingang und Ausgang oder als aktives Schleifenfilter einer Phasenregelschleife.

Die in Fig. 2 skizzierte Anordnung unterscheidet sich von der nach Fig. 1 in einigen Einzelheiten, die unabhängig voneinander realisiert sein können.

Die Basisströme der Transistoren T3, T4 und die in die Ausgangsanschlüsse A1, A2 fließenden Ausgangsströme bela­ sten nach Fig. 1 das Ausgangssignal des Integrierers, das als Spannung am Kondensator C vorliegt.

Diese Belastung kann die Verstärkung der Differenzverstär­ keranordnung u. U. unzulässig stark verringern und bei­ spielsweise die Regelgenauigkeit eines Regelkreises beein­ trächtigen. Zur Vermeidung dieses Nachteils ist in Fig. 2 in den Ausgangsleitungen jeweils ein Impedanzwandler W vorgesehen.

Die Stromquellentransistoren T10, T11 können anstelle über die Stromspiegelschaltung mit dem Transistor T9 auch di­ rekt durch den Kollektorstrom I5 des Transistors T5 ange­ steuert sein. Die Quellenströme IR ergeben sich dann nicht aus Flächenverhältnissen von Transistoren, sondern aus der Stromverstärkung der Transistoren T10, T11. Der Steuer­ strom I5 nach Fig. 2 ist daher im allgemeinen wesentlich niedriger als der Steuerstrom IS nach Fig. 1, womit sich auch der Strom IM und die Ströme I3, I4 und die Basis­ ströme durch T3, T4 entsprechend verringern.

Zur Vermeidung des Early-Effekts des Transistorpaars T1, T2 kann eine an eine Referenzspannung V1 gelegte erste Kaskodenstufe K1 vorgesehen sein. In entsprechender Weise kann eine Kaskodenstufe K2 mit einer Referenzspannung V2 den an den Stromquellen-Transistoren T10, T11 auftretenden Early-Effekt vermeiden.

Weitere für die Grundschaltung des Differenzverstärkers bekannte Schaltungsergänzungen sind in entsprechender Weise auf die Erfindung übertragbar.

In an sich bekannter Weise können Differenzverstärkeran­ ordnungen selbstverständlich auch komplementär zu den skizzierten Grundaufbauten oder mit Feldeffekt-Transisto­ ren anstelle der Bipolartransistoren realisiert sein.

Claims (4)

1. Differenzverstärkeranordnung mit zwei Ausgangsanschlüssen (A1, A2) und mit einer Regelschaltung (R) zur Begrenzung der Potentiale an den Ausgangsanschlüssen (A1, A2) auf einen vorgegebenen Wert, wobei die Regelschaltung (R) einen mit den Ausgangsanschlüssen (A1, A2) verbundenen und mit einem Referenzpotential (VR) beaufschlagten Vergleicher (T3, T4, T5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung (R) zwischen den Ausgangsanschlüssen (A1, A2) und einem Versorgungspotential je eine von zwei Stromquellen (T10, T11) mit gleich großen steuerbaren Strömen (IR) als Stellmittel aufweist und daß die Ströme (IR) der Stromquellen (T10, T11) durch den Vergleicher (T3, T4, T5) nach Maßgabe des Referenzpotentials (VR) und der Potentiale an den Ausgangsanschlüssen (A1, A2) einstellbar sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ströme (IR) durch die beiden Stromquellen über einen steuerbaren Stromspiegel (T9, T10, T11) einstellbar sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleicher eine Stromaufteilstufe enthält, die von einem vorgegebenen Maximalstrom (IM) nach Maßgabe des Referenzpotentials (VR) und der Potentiale an den Ausgangsanschlüssen (A1, A2) des Differenzverstärkers einen Regelstrom (IS) zur Einstellung der Ströme durch die beiden Stromquellen abteilt.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die beiden Ausgangsanschlüsse des Differenzverstärkers eine Kapazität C geschaltet und die Anordnung als Integrierer betrieben ist.