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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Differenzschaltung mit hoher
Linearität mit einer konstanten Stromversorgungsquelle aus einem
Versorgungsspannungsreferenzkontakt, die Emitter-Kollektor-Wege eines Differenz-
Eingangstransistorpaars, die Eingangstransistoren, deren Kollektoren jeweils von einem
anderen Versorgungsspannungskontakt versorgt werden, ihre Basis, die ein
Eingangsspannungssignal erhält und ihren Emitter, der mit der konstanten
Stromversorgungsquelle über einen Emitter-Ladewiderstand des nahezu für jeden der
Eingangstransistoren identischen Wertes R verbunden ist.
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Eine solche Differenzschaltung ist die Basis der meisten bekannten
Eingangsstufen von Differenzverstärkern, wo ein Ausgangssignal dieser Stufe entweder
an den Emitter-Ladewiderständen oder an den gepaarten Impedanzen entnommen
werden kann, die in die Verbindung der Kollektoren der Transistoren des
Differenzpaars zu dem besagten anderen Versorgungskontakt eingefügt sind.
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Die Erfindung hat insbesondere das Ziel, eine integrierbare
Differenzschaltung vorzusehen, deren nahe (oder unter) der der Einheit liegende
Steigerung genau defmiert und reproduzierbar ist und wobei die Linearität des
Ausgangssignals im Verhältnis zum Eingangssignal um über 1 % respektiert wird. Eine
Steigerungs-Differenzschaltung mit einer Spannung gleich list aus dem Artikel "A 10-b
75-MSPS Subranging AID Converter with Integrated Sample and Hold" von Reinhard
Petschacher et al bekannt, veröffentlicht im IEEE Journal of Solid-State Circuits, Band
25, Nr.6, Dez. 1990. Diese Schaltung weist über die direkte Einfügung eines
polarisierten Übergangs in die Verbindung des Kollektors jedes Eingangstransistors zum
Versorgungsspannungskontakt einen Linearitätsausgleich auf.
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Die bekannte Schaltung weist den Nachteil auf, daß die Amplitude das
Ausgangssignal stark begrenzt ist.
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Eine Differenzschaltung mit geringer Steigerung und hoher Linearität ist
in Anwendungen analoger Signalmessungen gefragt, und u.a. m Analog-Digital-
Wandlern.
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Eine andere bekannte Methode für den Erhalt einer sehr guten Linearität
besteht in der Verwendung eines Operationsverstärkers, dem eine hohe Gegenreaktion
zugeführt wird, um die gesuchte Steigerung festzulegen, doch diese Lösung ist in bezug
auf die Begrenzung des Laufbands undloder des Stromverbrauchs und ebenso vom
Standpunkt der Schaltungskomplexität, also er erforderlichen Halbleiterfläche und
folglich aufgrund seines relativ hohen Preises nicht voll zufriedenstellend.
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Eines der Ziele der Erfindung ist folglich die Vorkehrung einer
Differenzschaltung mit hoher Linearität mit einer weniger komplexen Struktur als einer
einem Operationsverstärker zugrundeliegenden, deren Laufband- und
Verbrauchsleistungen zufriedenstellender sind.
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Ein anderes Ziel der Erfindung ist die Verbesserung der Linearität einer
Differenzschaltung, die ein Eingangstransistorpaar aufweist, insbesondere für
Eingangssignale mit einer hohen Spannungsauswanderung der Größenordnung eines
Volts oder mehr und unter Beibehalt eines hohen Laufbands, einer hohen
Ausgangsspannungsauswanderung und einem relativ geringen Stromverbrauch.
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Diese Ziele werden der Erfindung zufolge mit einer dem einleitenden
Absatz entsprechenden Schaltung erreicht, mit dem Merkmal, daß zwischen dem
Emitter jedes Eingangstransistors und der Stromquelle ein Steuerzweig eines
Stromspiegels eingefügt wird, der q direktpolarisierte Übergänge aufweist, daß ein
Ausgangszweig des Stromspiegels über einen Ausgangsladewiderstand in Serie mit einer
Anzhl ungleich null k direktpolarisierter Übergänge an den besagten anderen
Versorgungskontakt angeschlossen ist, und daß der Wert jedes Ausgangsladewiderstands
praktisch gleich k.R/(1+q) gewählt wird, der so eine Ausgangsspannungssteigerung
gleich k/(1+q) im Verhältnis zum Eingangsspannungssignal liefert.
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Für einen Stromspiegel mit einem einzigen direkten Übergang (q= 1) kann
die Spannungssteigerung einer solchen Schaltung unter den Werten 1/2, 1, 1½ ...
gewählt werden, wobei die Anzahl k verwendeter Übergänge jeweils gleich 1, 2, 3, ...
ist, die interessantesten Anwendungen liegen bei einer Steigerungswahl von ½ oder 1,
für die die Spannungsauswanderung des Ausgangssignal wegen der Einfügung von
Übergängen und des entsprechenden Spannungssprungs nur geringfügig begrenzt ist.
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Es können auch andere, diskrete Steigerungswerte verwendet werden, in
einer ähnlichen Durchführungsform der Erfindung, mit dem Merkmal, daß zusätzlich
zwischen dem Emitter jedes Eingangstransistors und der Stromquelle in Serie mit dem
Steuerzweig des Stromspiegels eine Anzahl p direktpolarisierter Übergänge eingefügt
wird, und daß der Wert jedes der Ladewiderstände praktisch gleich k.R/(1+p+q)
gewählt und so eine Steigerung der Ausgangsspannung gleich k/(1+p+q) erhalten wird.
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So kann man z.B. durch die Wahl q=1 p=1 und k=1 oder k=2 eine
Steigerung von 1/3 oder 2/3 erhalten.
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In allen Fällen wird die Linearität des Ausgangssignal aufgrund der
Tatsache gewährleistet, daß der Emitterstrom jedes Eingangstransistors, der im
Verhältnis zur Fingangsspannung mit einer nichtlinearen Komponente versehen ist, im
Ausgangszweig jedes Stromspiegels kopiert wird, wo er eine Ausgangsspannung auf den
Ausgangsladewiderstand erzeugt, erhöht um die Spannung der k Direktübergänge,
wobei diese Elemente den richtigen Maßstab haben, um einen Spannungsausgleich der
nichtlinearen Stromkomponente zu liefern.
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Die der Erfindung entsprechende Schaltung liefert dank der Verwendung
der Stromspiegel den Vorteil einer möglichen Ausgangsspannungsauswanderung, die
höher ist als die einer Schaltung, in der der Ausgang einer Kollektorladung der
Transistoren des Eingangstransistorpaars entnommen wird.
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Die der Erfindung entsprechende Schaltung behält eine sehr einfache,
leicht zu integrierende Struktur bei, sie kann mit einem relativ schwachen Strom
versorgt werden und dabei ein hohes Laufband beibehalten, das vornehmlich von der
Grenzfrequenz der verwendeten Transistoren bestimmt wird.
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Um die Möglichkeit einer hohen Spannungsauswanderung am Eingang
beizubehalten verwendet die der Erfindung entsprechende Schaltung vorzugsweise
Stromspiegel in ihrer einfachsten bekannten Form, d.h. mit nur einem als Diode
vorgesehenen Transistors im Steuerzweig. In Stromspiegeln dieses Typs wird aufgrund
der Tatsache ein leichter Kopierfehler des Steuerstroms erzeugt, daß der Wert eines
Basisstroms eines der Transistoren des Stromspiegels im Ausgangszweig nicht kopiert
wird.
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Eine teilweise Korrektur dieses kleinen Fehlers, diese Korrektur ist an
sich bekannt, kann in einer der Erfindung entsprechenden Durchführungsform
vorgesehen werden, mit dem Merkmal, daß in jedem der Stromspiegel der besagte
Steuerzweig einen direkt als Diode angeschlossenen Steuertransistor enthält, der Emitter
dieses Steuertransistors über einen Stromausgleichwiderstand an die konstante
Stromquelle verbunden ist, während der Ausgangszweig des Stromspiegels einen
Transistor ausweist, dessen Emitter direkt mit der konstanten Stromquelle verbunden ist.
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Der Wert des Ausgleichwiderstands wird durch eine einfache Rechnung
bestimmt, unter Berücksichtigung der maximalen für diese Schaltung vorgesehenen
Eingangsspannungsauswanderung.
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In der Praxis wurde in einem Anwendungsbeispiel beobachtet, in der eine
Steigerung 1/2 vorgesehen war, daß die Linearität des Ausgangssignal auf 1/1000 genau
nach einem symmetrisch angewandten Eingangssignal von 1 Volt gewährleistet wird.
Bei einem unsymmetrischen Eingangssignal war die Linearität jedoch etwas weniger gut
und nur auf 5/1000 genau gewährleistet.
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Dieser dem Anwendungsmodus entsprechende Steigerungsunterschied des
Eingangssignals ist hauptsächlich auf den durch die Transistoren des Eingangs-
Differenzpars auftretenden Early-Effekt zurückzuführen.
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Auch dieser kleine Fehler kann in einer anderen der Erfindung
entsprechenden Durchführungsform noch praktisch beseitigt werden, mit dem Merkmal,
daß in jedem der Stromspiegel der besagte Ausgangszweig eine Kaskadenstufe enthält,
die von einem zusätzlichen Transistor gebildet wird, dessen Basis unter Zuhilfenahme
einer Spannungsverschiebung polarisiert wird, die im Verhältnis zu dem Knoten
bestimmt wird, der von der konstanten Stromquelle und den Stromspiegeln gebildet
wird, wobei der Kollektor den mit der bestimmten Anzl k Übergänge in Serie
geschalteten Ausgangsladewiderstand versorgt, und wobei der Emitter mit dem
Kollektor des Transistors des Ausgangszweigs des Stromspiegels verbunden ist.
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Bei dieser Durchführungsform ist das Einfügen einer zusätzlichen
Verlustspannung m den Ausgangszweig der Stromspiegel in allen den Fällen kein
Nachteil, in denen die gesuchte Steigerung nahe der Einheit oder darunter liegt.
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Versuche haben in diesem Fall ergeben, daß die Linearität des
Ausgangssignals dann auf 1/1000 genau oder mehr gewährleistet wird, selbst bei einem
unsymmetrisch zugeführten Eingangssignal von 1 Volt.
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Die folgende Beschreibung, die sich auf die beigefügten Zeichnungen
bezieht, wird als nicht begrenzendes Beispiel gegeben und leicht verständlich machen,
aus was die Erfindung besteht und wie sie vorgesehen werden kann.
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Abbildung 1 zeigt den elektrischen Schaltplan einer Differenzschaltung
gemäß der einfachsten Durchführungsform der Erfindung, in der der Spannungsgewinn
gleich 1/2 ist,
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Abbildung 2 zeigt einen elektrischen Schaltplan einer Schaltung gemäß
einer Durchführungsform der Erfindung, in der die Steigerung aus mehreren diskreten
Werten ausgewahlt werden kann,
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Abbildung 3 Zeigt den Plan einer Schaltung gemaß der Erfindung mit
mehreren zusätzlichen Mitteln für den Ausgleich resfficher Linearitätsfehler.
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Der elektrische Schaltplan eines ersten Beispiels der Differenzschaltungen
mit hoher Linearität gemäß der Erfindung ist in Abbildung 1 dargestellt.
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Eine konstante Stromquelle S versorgt aus einem
Versorgungsspannungsreferenzkontakt E den Weg Emitter-Kollektor eines Differenz-
Eingangstransistorpaars, jeweils 11 und 12. Jeder dieser Transistoren 11 und 12 hat
seinen Kollektor direkt mit einem anderen Kontakt VCC der Versorgungsspannung
verbunden, seine Basis erhält ein jeweiliges Eingangssignal Vi1 und Vi2 an den
jeweiligen Eingangskontakten 1 und 2, und sein Emitter ist über einen
Emitterladewiderstand 21 bzw. 22 des selben Wertes R an die konstante Stromquelle S
verbunden.
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Gemäß der Erfindung ist zwischen dem Emitter jedes Eingangstransistors
11, 12 und der konstanten Stromquelle S ein Steuerzweig eines Stromspiegels M&sub1;, M&sub2;
eingefügt, wobei der Ausgangszweig an den besagten anderen Versorgungskontakt VCC
über einen Ausgangsladewiderstand 31 bzw. 32 angeschlossen ist, der mit einem
direktpolarisierten Übergang J1, J2 in Serie geschaltet ist. Jeder der Stromspiegel M&sub1;,
M&sub2; besteht einfach aus einem als Diode angeschlossenen Eingangstransistor 15, 17, mit
seiner Basis an einen Ausgangstrrnsistor 16, 18 angeschlossen, wobei die
Ausgangszweige dieser Spiegel einen zum Steuerstrom am Eingang dieser Spiegel
weitgehend gleichen Strom liefern.
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Es wird ein Ausgangs-Differenzspannungssignal V&sub0;&sub1;, V&sub0;&sub2; an den
jeweiligen Kontakten 41 und 42 entnommen, mit den jeweiligen Knoten verbunden,
gebildet zwischen den Kollektoren der Ausgangstransistoren der Spiegel M&sub1; und M&sub2; und
ihren jeweiligen Ladungen, gebildet von der Serienabzweigung der
Ausgangsladewiderstände 31, 32 und der Übergänge J&sub1;, J&sub2;.
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Dieser Aufbau ermöglicht den Erhalt einer Ausgangsspannungssteigerung
im Vergleich zur Eingangsspannung nahezu gleich 1/2, während der Wert der
Widerstände 31, und 32 gleich R12 gewählt wird.
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Unter diesen Umständen wird die Spannungslinearität des Ausgangssignals
aufgrund der Tatsache gewährleistet, daß in jedem der Wege der Differenzschaltung der
Emitterstrom jeder der Eingangstransistoren auf differentielle Art von der
Eingangsspannung bestimmt wird, einerseits durch den Emitterladewiderstand des
Wertes R und andererseits durch die nichtlinearen Impedanzen von zwei Übergängen,
dem Übergang Basis-Emitter des Eingangstransistors 11, 12 und dem Übergang des
Steuerzweigs der Stromspiegel M&sub1;, M&sub2; (Transistoren 15, 17). Dieser Emitterstrom wird
im Ausgangszweig jeder der Stromspiegel M&sub1;, M&sub2; kopiert und entwickelt im Verhältnis
zur Versorgungsspannung VCC eine Spannung, die einerseits durch die
Ausgangsladewiderstände 31, 32 und andererseits durch die nichtlinearen Impenzen
der Übergänge J&sub1; und J&sub2; bestimmt wird. Die Summe der Ausgangsimpedanzen ist genau
gleich der Hälfte der Eingangsimpedanzen, die Steigerung ist folglich gleich 1/2, und
der Effekt der nichtlinearen Impedanzen ist grundlegend beseitigt.
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Die Ertindung begrenzt sich nicht auf eine Differenzschaltung einer
Steigerung 1/2, sondern ermöglicht es dagegen, verschiedene diskrete
Spannungssteigerungswerte zu wählen, unter Verwendung derselben Grundidee.
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Abbildung 2 zeigt den Plan einer Differenzschaltung gemäß der
Ertindung, für die die Steigerung unter mehreren diskreten Werten gewählt werden
kann. Auf dieser Abbildung sind die eine gleiche Funktion wie in Abbildung 1
aufweisenden Elemente mit denselben Referenzbezeichnungen versehen. Im Vergleich
zu der beschriebenen Schaltung von Abbildung 1 unterscheidet sich die Schaltung von
Abbildung 2 durch die Einfügung von zusätzlichen Übergängen, alle in direkter
Richtung polarisiert, entweder in den Steuerzweigen der Stromspiegel M&sub1; und M&sub2; als
zusätzliche Eingangsladungen oder in den Ausgangszweigen derselben Spiegel oder
jedoch in beiden Zweigen. Genauer wählt man beim Einfügen von k Übergängen wie
J&sub1;, J&sub1;&sub2;..., J&sub2;, J&sub2;&sub2;... einen Widerstandswert der Ausgangsladung 31, 32 gleich kR/2, und
die Ausgangssteigerung wird dann durch den Wert k/2 geliefert. Andererseits, wenn
man eine Anzahl p zusätzlicher Übergänge einfügt, direkt polarisiert und in Serie mit
dem Steuerzweig der Stromspiegel M&sub1; und M&sub2; wie J&sub1;&sub0;&sub1;, J&sub1;&sub0;&sub2;..., J&sub2;&sub0;&sub1;, J&sub2;&sub0;&sub2;..., dann wird
der Wert jedes Ausgangsladewiderstands 31, 32 gleich k.R/(2+p) gewählt und die
Spannungssteigerung der Schaltung wird gleich k/(2+p). Wenn z.B. ein Übergang J&sub1;&sub0;&sub1;,
J&sub2;&sub0;&sub1; in den Steuerzweig der Stromspiegel M&sub1;, M&sub2; (p = 1) eingefügt wird, während die
zwei Übergänge in jeden Ausgangszweig der Stromspiegel J&sub1;, J&sub1;&sub2;, J&sub2;, J&sub2;&sub2; (k=2)
eingefügt werden, wird eine Steigerung von 2/3 erhalten, mit Ausgleich der
nichtlinearen Impedaren, wenn die Ausgangsladewiderstände 31 und 32 2R/3 als Wert
haben. In den beschriebenen Beispielen sind die Stromspiegel M&sub1;, M&sub2; gleichen,
einfachsten Typs, bei dem der Steuerzweig nur einen direktpolarisierten Übergang
einbezieht (die Transistoren 15 und 17, als Diode vorgesehen). Es können auch andere
Stromspiegeltypen vorgesehen werden, die q direktpolarisierte Übergänge einbeziehen,
wobei q> 1. In diesem Fall haben die Ausgangsladewiderstände 31 und 32 einen gleich
k.R/(1+p+q) gewählten Wert, und die erhaltene Steigerung wird: k/(1+p+q).
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Es ist eindeutig, daß im Falle die Versorgungsspannung VCC relativ gering
ist (5 Volt), die in Abbildung 2 dargestellte Differenzschaltung besonders interessant ist,
da die Zahlen q und k eingefügter Übergänge gering bleiben, um die
Auswanderungsspannung der Eingangs- und Ausgangssignale durch die eingefügte
Spannung der im Vergleich zu der in Abbildung 1 dargestellten Schaltung zusätzlich
eingefügten Übergänge nicht zu sehr zu begrenzen.
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Die in den Abbildungen 1 und 2 abgebildeten Schaltungen weisen
insbesondere dann eine hervorragende Ausgangsspannungslinearität auf, wenn die
Eingangsspannung symmetrisch zugeführt wird, und dies bis zu einer
Spitzeneingangsspannung von 1 Volt. Bei unsymmetrischem Eingangsspannungsmodus
ist eine solche Schaltung etwas weniger leistungsstark und weist einen Linearitätsfehler
der Größenordnung von 5/1000 auf. Kleine Restfehler können auf einfache Weise in
einer auf Abbildung 3 dargestellten Durchführungsform der Erfindung ausgeglichen
werden.
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Abbildung 3 zeigt den Plan einer zu der in Abbildung 1 dargestellten
älinliche Differenzschaltung einer Steigerung 1/2, in der die Elemente selber Funktion
mit denselben Referenzbezeichnungen versehen wurden. Im Vergleich zu dem Plan von
Abbildung 1 wurden die Linearitätrestfehler durch Einfügung einiger zusätzlicher
Elemente ausgeglichen. Die Stromspiegel M&sub1; und M&sub2; der Abbildung 1 weisen in ihrer
einfachsten Form aufgrund der Tatsache einen kleinen Fehler beim Kopieren des
Eingangsstroms auf, daß der Basisstrom der Transistoren 16 und 18 im Steuerzweig
entnommen wird, ohne im Ausgangszweig kopiert zu werden. Dieser Fehler ist umso
geringer, wenn die verwendete Steigerung der Transistoren hoch ist, und er kann
zumindest teilweise auf an sich bekannte Art ausgeglichen werden, indem
Stromausgleichwiderstände 51 und 52 zwischen den Emittern der als Dioden
vorgesehenen Steuertransistoren 15 und 17 und dem konstanten
Stromversorgungskontakt S eingefügt werden, die gegenüber dem Referenzkontakt der
Versorgungsspannung E liegt. In den Stromspiegeln M&sub1; und M&sub2; sind die Emitter der
Ausgangstransistoren 16 und 18 direkt an die Stromquelle S angeschlossen. Auch andere
Lösungen sind möglich, um die präzision der Kopie des Eingangsstroms dieser Spiegel
zu verbessern, doch die aufgeführte Lösung ermöglicht es, die in die Steuerzweige
dieser Spiegel zusätzlich eingefügte Zwischenspannung so gering wie möglich zu halten.
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Der Wert der Stromausgleichwiderstände 51 und 52 kann leicht unter
Berücksichtigung der höchsten Spannungsauswanderung bestimmt werden, die für die
betreffende Differenzschaltung vorgesehen ist. Ein solcher Ausgleich ist
bekannfficherweise aufgrund der Tatsache nicht perfekt, da er keinen zusätzlichen
Ausgangsstrom zuführt, der genau proportional zum Steuerstrom ist. Folglich wählt man
einen Widerstandswert 51 und 52, der Berechnet ist, um einen genauen Ausgleich zur
Umgebung des Höchststroms zu schaffen, der in diesen Spiegeln fließen kann, d.h. der
von der konstanten Stromquelle S abgegebene Strom, denn für diese Werte ist der
absolute Fehlerwert am größten.
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Die genaue Funktionsanalyse der einfachen in Abbildung 1 dargestellten
Schaltung zeigt zudem, daß eine kleine Beeinträchtigung der
Ausgangsspannungslinearität dem Early-Effekt der Ausgangstransistoren 16, 18 der
Stromspiegel M&sub1;, M&sub2; zugrundeliegt. Dieser Restfehler wird in der in Abbildung 3
dargestellten Kaskadenschaltung ausgeglichen, die die zusätzlichen Transistoren 111 und
112 enthält und deren Basen unter Zuhilfenahme einer Spannungsverschiebung im
Verhältnis zur Stromquelle S polarisiert werden, erzeugt durch zwei als Dioden
montierten Transistoren 61 und 62 in Serie, die von der Versorgungsspannung VCC von
einem bestimmten Strom versorgt werden, der z.B. von einem Widerstand 63 begrenzt
wird. Die Transistorkollektoren 111 und 112 versorgen die von den Widerständen 31
und 32 gebildeten Ausgangsladungen, und die Übergänge J&sub1; und J&sub2; erzeugen die
Ausgangsspannungen J&sub0;&sub1; und J&sub0;&sub2; an den Ausgangskontakten 41 und 42. Schließlich
sind die Transistoremitter 111 und 112 jeweils an die Transistorkollektoren 16 und 18
des Ausgangs der Stromspiegel M&sub1; und M&sub2; angeschlossen. So arbeiten diese
Transistoren 16 und 18 mit einer praktisch konstanten Spannung Vce zum Ausgleich des
Early-Effekts. Aufgrund der begrenzten Steigerungen der Transistoren 111 und 112 sind
die Ströme in den Ausgangsladungen 31, J&sub1;, 32, J&sub2; um den Wert des Basisstroms der
besagten Transistoren vermindert. Dieser sehr kleine Fehler kann noch ausgeglichen
werden durch eine leichte Erhöhung der Stromausgleichwiderstände 51 und 52. Die
Leistungen der in Abbildung 3 beschriebenen Differenzschaltung werden im Vergleich
zu der in Abbildung 1 beschriebenen verbessert, da Versuche eine über 1/1000 liegende
Linearität des Ausgangssignals aufweisen, selbst wenn die Eingangsspannung am
Eingang der Schaltung in unsymmetrischem Modus vorgesehen ist.
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Die als Beispiel beschriebenen Schaltungen weisen eine hohe Linearität
auf, wie sie bei Anwendungen für die Spannungsmessung gefragt sind, und
insbesondere bei der Wandlung analoger Signale in digitale Signale. Diese Schaltungen
einfacher Struktur können mit relativ schwachem Strom von z.B. 100 µA versorgt
werden und dabei sehr gute Laufbandeigenschaften beibehalten. Obwohl die in den
Abbildungen gezeigten Beispiels Transistoren vom Typ NPN aufweisen, können solche
Schaltungen ebenso mit PNP-Transistoren gebaut werden, durch Umkehrung des
Vorzeichens der Versorgungsspannung.
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Es versteht sich, daß Herstellungsvaaianten zu den beschriebenen
Beispielen möglich sind, ohne jedoch den Rahmen der nachstehend beanspruchten
Erfindung zu verlassen.