DE69113856T2

DE69113856T2 - Verstärker.

Info

Publication number: DE69113856T2
Application number: DE69113856T
Authority: DE
Inventors: Yoshihiro Yoshida
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-05-10
Filing date: 1991-05-03
Publication date: 1996-04-11
Anticipated expiration: 2011-05-04
Also published as: JPH0787314B2; US5144259A; EP0456127A1; KR910021007A; JPH0416008A; DE69113856D1; EP0456127B1; KR950005170B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verstärker, der eine verbesserte Gegentaktausgangsstufe aufweist; und insbesondere auf einen Verstärker, der für die Herstellung einer integrierten Schaltung (IC) geeignet ist.
Fig. 1 zeigt eine gewöhnliche Spannungsfolgerschaltung. Die Bezugszeichen 11 und 12 stellen jeweils entsprechend eine Differentialeingangsstufe und eine Differentialausgangsstufe dar. Bei der in Fig. 1 dargestellten Schaltung besteht die Ausgangsstufe 12 aus einer Emitterfolgerkonfiguration, und ein Senkenstrom an der Ausgangsstufe AUS wird durch eine interne Konstantstromauelle 13 bestimmt. Als Maßnahme zur Steigerung des Ausgangssenkenstromes ist eine Ausgangsstufe 21 als Gegentaktausgangsschaltung vorgesehen, wie in Fig. 2 dargestellt. Bei der in Fig. 2 dargestellten Schaltung wird ein Transistor Q4 von einem Differential- Eingangsstufentransistor Q1 über eine Stromspiegelschaltung 22 und einen Transistor Q21 angesteuert. Ein Transistor Q3 wird von einem Differential-Eingangsstufentransistor Q2 über Stromspiegelschaltungen 23 und 24 und einen Transistor Q22 angesteuert. Bezüglich des Kollektorstromes und des Basisstromes des Transistors Q3, jeweils entsprechend mit IC und IB bezeichnet, gilt folgende Beziehung:
IC/TB = hFE (Stromverstärkungsfaktor)
Wenn ein Eingang IN2 an den Kollektor des Transistors Q2 unter Vermeidung der Stromspiegelschaltungen 23 und 24 angeschlossen werden muß, die eine Ursache für den komplizierten Schaltungsaufbau bilden, wird ein gleiches Potential an den Kollektor und den Emitter des Transistors Q2 angelegt, d.h. daß das Potential am Ausgang AUS einen Pegel annimmt, der um die Basis-Emitter-Spannung VBE abgefallen ist, mit der Folge, daß der Transistor Q2 in Sättigung getrieben wird. Die Verbindung kann nicht unter Vermeidung der Stromspiegelschaltung 23 und 24 erzielt werden, was zu einem komplexen Schaltungsaufbau führt.
Fig. 3 zeigt eine bekannte Ausgangsstufe 31, die Transistoren Q11 und Q12 sowie Konstantstromquellen 32 und 33 verwendet, welche es vermeiden, daß den Pegeln der Anschlüsse IN1 und IN2 in Fig. 3 besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden muß. Die Schaltung erfordert aber zwei Konstantstromquellen 32 und 33.
Die Druckschrift US-A-4,837,523 gibt den in Fig. 3 dargestellten Stand der Technik wieder. Die IEEE-Publikation "Journal of Solid State Circuits", Bd. SC-16, Nr. 4, August 1981, S. 261-266 gibt den in Fig. 2 dargestellten Stand der Technik wieder.
Es ist demgemäß das Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Verstärker zu schaffen, der eine Gegentaktausgangsschaltung mit einer geringeren Anzahl von Elementen bereitstellt, ohne daß ein Differential-Eingangsstufenelement in Sättigung getrieben wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verstärker geschaffen, der eine Gegentaktausgangsschaltung bildet, und der aufweist:
- einen ersten Transistor eines ersten Polaritätstyps, dessen Emitter an einen ersten Eingangsanschluß und dessen Basis und Kollektor an einen zweiten Eingangsanschluß angeschlossen sind;
- einen zweiten Transistor eines zweiten Polaritätstyps, dessen Basis an den zweiten Eingangsanschluß angeschlossen ist, dessen Kollektor an einen ersten Potentialversorgungsanschluß angeschlossen ist, und dessen Emitter an einen zweiten Potentialversorgungsanschluß durch eine erste Stromquelle angeschlossen ist;
- einen dritten Transistor eines ersten Polaritätstyps, dessen Basis an den Emitter des zweiten Transistors angeschlossen ist, dessen Kollektor an den zweiten Potentialversorgungsanschluß angeschlossen ist und dessen Emitter an einen Ausgangsanschluß angeschlossen ist; und
- einen vierten Transistor des zweiten Polaritätstyps, dessen Basis an den ersten Eingangsanschluß angeschlossen ist, dessen Kollektor an den ersten Potentialversorgungsanschluß angeschlossen ist, und dessen Emitter an den Ausgangsanschluß angeschlossen ist, wobei der erste bis vierte Transistors die Gegentaktausgangsschaltung bilden.
Das heißt also, daß gemäß der vorliegenden Erfindung die Potentiale am ersten und am zweiten Eingangsanschluß der Basis-Emitter-Spannung VBE = 0.65 V des ersten Transistors entsprechen, und daß der zweite Eingangsanschluß sowie der zweite Ausgangsanschluß auf gleiches Potential eingestellt werden.
Dementsprechend kann eine Potentialdifferenz VBE zwischen den Kollektor und den Emitter des Differential- Eingangsstufentransistors gelegt werden.
Der zweite Eingangsanschluß kann direkt an den Kollektor des Differential-Eingangsstufentransistors der vorhergehenden Stufe angeschlossen werden, ohne daß der Differential- Eingangsstufentransistor in Sättigung getrieben wird. Weiter ist der erste Eingangsanschluß bei dem vorerwähnten Transistor vorgesehen, und die Gegentaktausgangsschaltung wird angesteuert. Infolgedessen erfordert die sich ergebende Schaltung die Verwendung von nur einer einzigen Konstantstromquelle.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verstanden.
Fig. 1 bis 3 zeigen jeweils einen herkömmlichen Verstärker;
Fig 4 ist ein Schaltbild, das einen Verstärker gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
Fig. 5 bis 8 stellen jeweils ein Schaltbild dar, das einen Verstärker gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Nachfolgend werden die Ausführungs formen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Fig. 4 ist ein Schaltbild, das das Prinzip des Ausgangsschaltungsteils zeigt, wobei die gleichen Bezugszeichen zur Bezeichnung von Teilen oder Elementen verwendet werden, die ihrer Funktion nach denen in der bekannten Schaltung gleichen. Wie in Fig. 4 dargestellt, ist ein PNP-Transistor Q12 mit seinem Emitter an einen ersten Eingangsanschluß IN1 zum Ansteuern der Gegentaktschaltung und mit seiner Basis sowie seinem Kollektor an einen zweiten Eingangsanschluß IN2 angeschlossen; und ein NPN-Transistor Q11 ist mit seiner Basis an den zweiten Eingangsanschluß IN2 angeschlossen, während sein Kollektor an eine Hochpotential- Versorgungsquelle 15 angeschlossen ist und sein Emitter durch eine Konstantstromquelle 33 an eine Niedrigpotential- Versorgungsquelle 16 angeschlossen ist. Ein PNP-Transistor Q3 ist mit seiner Basis an den Emitter des Transistors Q11 angeschlossen, und sein Kollektor ist an die Niedrigpotential-Versorgungsquelle 16 angeschlossen, während sein Emitter an einen Ausgangsanschluß AUS angeschlossen ist. Ein NPN-Transistor Q4 ist mit seiner Basis an den ersten Eingangsanschluß IN1 angeschlossen, während sein Kollektor an die Hochpotential-Versorgungsquelle 15 und sein Emitter an den Ausgangsanschluß AUS angeschlossen ist. Dieser Schaltungsaufbau ergibt eine Gegentaktschaltung. Die in Fig. 4 dargestellte Schaltung umfaßt eine einzelne Konstantstromquelle (die Konstantstromquelle 33), bei der eine Potentialdifferenz zwischen den Anschlüssen IN1 und IN2 den Wert VBE = 0.65 V aufweist, und auch die Potentiale an den Anschlüssen IN2 und AUS sind auf den gleichen Pegel eingestellt.
Fig. 5 zeigt eine Spannungsfolgerschaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die in Fig. 4 dargestellte Schaltung als Ausgangsschaltung 31 verwendet wird. Bei der in Fig. 5 dargestellten Schaltung ist ein Differentialverstärker 11 als Eingangsstufe vorgesehen. Ein Differentialeingangsstufentransistor Q1 ist mit seiner Basis an einen Eingangsanschluß angeschlossen, und sein Kollektorstrom wird an den Eingang einer Stromspiegelschaltung 17 geliefert. Der Ausgangsstron der Stromspiegelschaltung 17 wird an den Eingangsanschluß IN1 geliefert. Ein Differentialeingangsstufenelement (Transistor) Q2 ist mit seiner Basis an den Ausgangsanschluß AUS angeschlossen, und sein Kollektorstrom wird an die Eingangsklemme IN2 geliefert.
Gemäß Fig. 5 sind die Potentiale der Ausgangsklemme AUS (der Basis des Transistors Q2) und der Eingangsklemme IN2 auf im wesentlichen den gleichen Pegel eingestellt. Daher kann eine Potentialdifferenz VBE zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Transistors Q2 eingestellt werden, und der Eingangsanschluß IN2 kann direkt an den Kollektor des Transistors Q2 angeschlossen werden, ohne daß dadurch der Transistor Q2 in Sättigung getrieben wird.
Die Betriebsweise der in Fig. 5 dargestellten Schaltung ist folgende:
Wenn der Eingangsanschluß IN und der Ausgangsanschluß AUS abgeglichen sind, sind der Eingangsstrom und der Ausgangsstrom der Stromspiegelschaltung 17 gleich groß, und somit sollten die Kollektorströme der Transistoren Q1 und Q2 auf gleichen Pegel eingestellt werden. Deshalb müssen die Spannungen VBE an den Transistoren Q1 und Q2 auf gleichen Pegel eingestellt werden. Daraus ergibt sich, daß die Potentiale am Eingangsanschluß IN und am Ausgangsanschluß AUS gleich groß sind.
Wenn in dieser Situation die Spannung an dem Eingangsanschluß IN hochpegelig wird, wird die Spannung VBE am Transistor Q1 größer; und auch der Kollektorstrom im Transistor Q1 wird größer und an der Stromspiegelschaltung 17 zurückgeführt. Der größere Strom fließt also jeweils durch die Basis der Transistoren Q4 und Q11. Das Ergebnis ist, daß der Basisstrom im Transistor Q11 dazu dient, den Transistor Q3 auszuschalten, während der Basisstrom im Transistor Q4 dazu dient, zum Ausgangsanschluß AUS zu fließen, wobei das Potential am Ausgangsanschluß AUS nach oben geht. Das Potential am Eingangsanschluß EIN und am Ausgangsanschluß AUS wird stabilisiert, und zwischen beiden ergibt sich eine Koinzidenz der Pegel. Wenn das Potential am Eingangsanschluß EIN negativ wird, ergibt sich ein umgekehrter Funktionsablauf, anders als die oben erläuterte Situation.
Die beschriebene Ausführungsform weist die nachfolgend aufgeführten Vorteile auf.
Die Stromverstärkungsfaktoren der Ausgangsstufe der in Fig. 2 dargestellten Schaltung sind:
hFE(NPN)-mal an der oberen Seite (Q4) und
hFE(PNP)-mal an der unteren Seite (Q3) der in Fig. 2 dargestellten Schaltung.
Die Stromverstärkungsfaktoren der Ausgangsstufe der in Fig. 3 dargestellten Schaltung sind:
hFE(PNP) x hFE(NPN)-mal an der oberen Seite (Q12, Q4) und
hFE(NPN) x hFE(PNP)-mal an der unteren Seite (Q11, Q3) der in Fig. 3 dargestellten Schaltung.
Die Stromverstärkungsfaktoren der Ausgangsstufe der in Fig. 4 dargestellten Schaltung sind:
hFE(NPN)-mal an der oberen Seite (Q4)
hFE(NPN) x hFE(PNP)-mal an der unteren Seite (Q11, Q3) der in Fig. 4 dargestellten Schaltung.
Aus den vorstehenden Ergebnissen scheint die Schaltung der Fig. 3 bezüglich des Stromverstärkungsfaktors die beste zu sein. In einer tatsächlichen integrierten Schaltung ist aber der Stromverstärkungsfaktor hFE(PNP) < hFE(NPN), da ein Lateraltransistor als PNP-Transistor verwendet wird. Es ist sehr wichtig, den Stromverstärkungsfaktor hFE des PNP- Lateraltransistors zu kompensieren. In der Praxis kann nahezu kein Unterschied zwischen den Fällen der Fig. 3 und 4 bestehen. Die Schaltung der Fig. 3 erfordert zwei Stromquellen (32, 33), während auf der anderen Seite die Schaltung der Fig. 4 nur eine einzige Konstantstromquelle (33) erfordert, um eine geringere Anzahl von Elementen zu erzielen.
Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform wird die in Fig. 4 dargestellte Schaltung in Verbindung mit einem komplementären Differentialverstärker verwendet, der einen PNP-Transistor 18, einen NPN-Transistor 19 und eine Konstantstromquelle 20 als Eingangsstufe umfaßt. Eine Gegenkopplungsschaltung 25 ist zwischen die Basis des Eingangsstufentransistors 19 und den Ausgangsanschluß AUS geschaltet, wobei jedoch zu bemerken ist, daß stattdessen auch eine Mitkopplungsschaltung verwendet werden kann. Bei der in Fig. 6 dargestellten Schaltung wird die Basis des Transistors 19, die als Rückkopplungsanschluß dient, im Vergleich zum Eingangsanschluß EIN um den Betrag 2VBE hochpegelig. Wenn die Basis des Transistors 19 durch die Rückkopplungsschaltung 25 an den Ausgangsanschluß AUS angeschlossen ist, kann die Verstärkung und die Frequenzkennlinie durch geeignete Gestaltung der Anordnung der Rückkopplungsschaltung 25 optional eingestellt werden.
Fig. 7 zeigt eine Variante der in Fig. 6 dargestellten Schaltung. Wenn auch bei der in Fig. 6 dargestellten Schaltung der Eingangsanschluß EIN an der Seite niedrigen Potentials vorgesehen ist, ist die in Fig. 7 dargestellte Schaltung symmetrisch relativ zu der in Fig. 6 dargestellten Schaltung aufgebaut, so daß der Eingangsanschluß IN an der hochpegeligen Seite vorhanden ist. Die Schaltung erzielt jedoch die gleichen Vorteile wie die in Fig. 6 dargestellte Schaltung.
Die Erfindung ist nicht auf die obigen Ausführungsformen beschränkt. Es können verschiedene Umgestaltungen und Modifikationen der Erfindung vorgenommen werden, ohne vom Prinzip und Umfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise kann der in den obigen Ausführungsformen vorkommende Transistor Q12 als diodengeschalteter Transistor äquivalent durch eine normale Diode 14 ersetzt werden, wie in Fig. 8 dargestellt. Bei den in den Fig. 4 bis 7 dargestellten Ausführungsformen weisen die Transistoren Q3 und Q12 sowie die Transistoren Q4 und Q11 die gleiche Polarität auf, was eine bessere Paarbildungseigenschaft gewährleistet. Es ist daher möglich, Änderungen im Temperaturverlauf zwischen den Transistoren ebenso wie Unterschiede der hergestellten Produkte zu vermeiden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Verstärker, der eine Gegentaktausgangsschaltung verwendet, mit einer geringeren Anzahl von Elementen hergestellt werden.
Die in den Ansprüchen vorhandenen Bezugszeichen dienen dem besseren Verständnis und sollen nicht den Schutzumfang beschränken.

Claims

1. Verstärker, der eine Gegentaktausgangsschaltung bildet,

aufweisend:

- einen ersten Transistor (Q12) eines ersten Polaritätstyps, dessen Emitter an einen ersten Eingangsanschluß (IN1) und dessen Basis und Kollektor an einen zweiten Eingangsanschluß (IN2) angeschlossen sind;

- einen zweiten Transistor (Q11) eines zweiten Polaritätstyps, dessen Basis an den zweiten Eingangsanschluß angeschlossen ist, dessen Kollektor an einen ersten Potentialversorgungsanschluß (15) angeschlossen ist, und dessen Emitter an einen zweiten Potentialversorgungsanschluß (16) durch eine erste Stromquelle (33) angeschlossen ist;

- einen dritten Transistor (Q3) eines ersten Polaritätstyps, dessen Basis an den Emitter des zweiten Transistors angeschlossen ist, dessen Kollektor an den zweiten Potentialversorgungsanschluß angeschlossen ist und dessen Emitter an einen Ausgangsanschluß (AUS) angeschlossen ist; und

- einen vierten Transistor (Q4) des zweiten Polaritätstyps, dessen Basis an den ersten Eingangsanschluß angeschlossen ist, dessen Kollektor an den ersten Potentialversorgungsanschluß angeschlossen ist und dessen Emitter an den Ausgangsanschluß angeschlossen ist, wobei der erste bis vierte Transistors die Gegentaktausgangsschaltung bilden.

2. Verstärker nach Anspruch 1, bei dem ein Differentialverstärker (11) an einer Eingangsstufe vorgesehen ist und ein Transistorpaar, bestehend aus einem fünften und sechsten Transistor (Q1, Q2), umfaßt, wobei der Kollektorstrom des fünften Transistors (Q1) an eine Stromspiegelschaltung (17) geliefert wird, wobei der Ausgangsstrom der Stromspiegelschaltung an den ersten Eingangsanschluß der Gegentaktausgangsschaltung geliefert wird, und wobei die Basis des sechsten Transistors (Q2) an den Ausgangsanschluß (AUS) der Gegentaktausgangsschaltung angeschlossen ist, und wobei sein Kollektorstrom an den zweiten Eingangsanschluß der Gegentaktausgangsschaltung geliefert wird, unter Schaffung einer Spannungsfolgerschaltung.

3. Verstärker nach Anspruch 1, bei dem ein komplementärer Differentialverstärkerteil an einer Eingangsstufe vorgesehen ist, wobei eine Kollektorausgabe des komplementären Differentialverstärkers an den ersten und an den zweiten Eingangsanschluß der Gegentaktausgangsschaltung angeschlossen ist, und wobei der anderer Eingangsanschluß an eine Konstantstromquelle (20) angeschlossen ist, wobei der Ausgangsanschluß (AUS) der Gegentaktausgangsschaltung durch einen Rückkopplungskreis (25) an einen Eingangsanschluß des komplementären Differentialverstärkers angeschlossen ist, und wobei der andere Eingangsanschluß des komplementären Differentialverstärkers als Signaleingangsanschluß dient.

4. Verstärker nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistor durch eine Diode (14) ersetzt ist.