NL8204024A

NL8204024A - Operationele versterker.

Info

Publication number: NL8204024A
Application number: NL8204024A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1982-10-19
Filing date: 1982-10-19
Publication date: 1984-05-16
Also published as: JPH0616570B2; CA1194153A; EP0107250A1; US4502017A; JPS5991716A; DE3362619D1; EP0107250B1

Description

\r y * 9 PHN 10.480 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

Operationele versterker.

De uitvinding heeft betrekking op een operationele versterker omvattende ten minste een eerste versterkertrap, een tweede versterker-trap die door de eerste versterkertrap wordt aangestuurd, ai een eerste en een tweede knooppunt voor het daartussen opnemen c.q. opgenomen zijn 5 van een eerste capacitieve signaalwag om de hoogfrequente eigenschappen van de operationele versterker te verbeteren, welk-eerste knooppunt gekoppeld is met een uitgang van de eerste versterkertrap en welk tweede knooppunt gekoppeld is met een uitgang van de tweede versterkertrap, waarbij de versterking vanaf het eerste knooppunt naar het 10 tweede knooppunt niet-inverterend is en waarbij de impedantie van de uitgang van de tweede versterker relatief hoogohmig is ten opzichte van de impedantie van het eerste knooppunt.

Een dergelijke operationele versterker is bekend uit de tervisiegelegde Nederlandse Octrooiaanvrage nr. 8002666 (PHN 9743) welke ‘ 15 hierin in zijn geheel opgenomen wordt geacht te zijn als referentie.

Deze bekende operationele versterker omvat een spanningsversterker met laagohmige uitgang (de eerste versterkertrap) gevolgd door een trans-conductantieversterker (de tweede versterkertrap) waar overheen een hoogfrequente, voorwaartskoppeling (de eerste capacitieve signaalweg) 20 is aangebracht. Hierdoor is het mogelijk in de operationele versterker een frequentieocnpensatie ter verkrijging van een 6 dB/octaaf afval aan te brengen zonder bandbreedteverlies omdat door die compensatie de OdB-bandbreedte van de operationele versterker gelijk is aan de 0-dB bandbreedte van de eerste versterkertrap. Daarnaast heeft deze bekende 25 operationele versterker als voordeel, dat via die capacitieve signaalweg voor hoge frequenties de hoogohmige uitgang van tweede versterkertrap door de laagohmige uitgang van de eerste trap wordt belast waardoor de hoogfrequente ruis van die operationele versterker gereduceerd wordt.

In de praktijk is de wens ontstaan on aan deze bekende 30 operationele versterker een extra versterkertrap toe te kunnen voegen om de signaalspanningszwaai aan de uitgang van de transconductantie-versterker (de tweede trap) te beperken hetgeen minder distorsie blijkt te geven, of cm extra versterking te behalen. De uitvinding heeft tot 8204024 ΡΗΝ 10.480 2 » ♦ Tï doel een operationele versterker van het in de aanhef genoemde type voorzien van een extra versterkertrap te verschaffen met behoud van de uitstékende frequentieccmpensatie. De uitvinding wordt daartoe gekenmerkt, doordat de uitgang van de tweede versterkertrap verbonden.is 5 met een ingang van een derde versterkertrap waarvan een uitgang met een derde knooppunt is gekoppeld voor het opnemen c.q. opgencmen zijn van een tweede capacitieve signaalweg tussen het tweede en derde knooppunt, waarbij de derde versterkertrap tussen het tweede en derde knooppunt inverterend is zodat deze tezamen met de tweede capacitieve signaal-10 weg een Miller-werking vertoond.

De uitvinding berust pp het inzicht, dat, alhoewel toevoeging van een extra trap in het algemeen de frequentiecorpensatie te niet zal doen door het veroorzaken van extra versterkingsafval zodat een afval van 12 dB/octaaf ontstaat, bij de operationele, versterkers van 15 het in de aanhef genoemde type dit niet gebeurt wanneer achter de capacitief voorwaartsgékqppelde transconductantieversterker een Miller-integrator als derde trap geplaatst wordt. De tweede en derde trap samen blijken dan evenals bij de békende versterker de tweede trap alleen, een 6 dB/octaaf afval te vertenen. De versterking van de 20 tweede en derde trap samen blijkt, na een traject met 6 dB/octaaf afval, over te gaan in een frequentieonafhankelijke versterker omdat beide capacitieve signaalwegen als hoogfrequent signaal inverter gaan functioneren doordat het tweede knooppunt voor der derde versterkertrap als virtuele aarde gaag fungeren. Hierdoor is het evenals bij de be-25 kende operationele versterker mogelijk cm de versterkingsafval van de eerste versterkertrap te doen aansluiten pp de versterkingsafval van de tweede en derde trap samen zodat een 6 dB/octaaf afval tot aan het Ο-dB punt gehandhaafd blijft.

Voor wat betreft beide capacitieve signaalwegen kan de 30 uitvinding nader worden gekenmerkt, doordat tussen het tweede en derde en tussen het eerste en tweede knooppunt capaciteiten van nagenoeg gelijke grootte zijn opgenomen.

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van de tekening, waarin 35 figuur 1 de bekende operationele versterker toont, figuur 2 een drietal frequentiekarakteristieken ter verklaring van de werking van de operationele versterker volgens figuur 1 toont, 8204024 PHN 10.480 3 * t Λ figuur 3 het principeschema van een operationele versterker volgens de uitvinding toont, figuur 4 een drietal frequentiekarakteristieken ter verklaring van de werking van de operationele versterker volgens figuur 3 toont, 5 en figuur 5 een uitvoeringsvoorbeeld van een operationele versterker volgens de uitvinding toont.

Figuur 1 toont de uit de Nederlandse octrooiaanvrage nr. 8002666 (PHN 9743) bekende frequentiegeccrapenseerde versterker 10 waarbij de maatregel volgens de uitvinding kan worden toegepast.

De versterker cravat tussen een ingang 1 en een uitgang 5 een eerste versterkertrap 2, die een spanningsversterker is met versterking A=a^ en een relatief laagohmige uitgang 10 gevolgd door een transconductantie-versterker 3 met een transoonductantie gm en een relatief hoogohmige 15 uitgang 11. De transoonductantieversterker 3 is afgesloten met een weerstand 7, met weerstandswaarde R, welke weerstand 7 de equivalente ingangsweerstand van een volgende trap kan zijn, en is overbrugd door een capaciteit 6 met capaciteitswaarde . De capaciteit 6 kan eventueel ook tussen de uitgang 11 van de transoonductantieversterker 3 en een 20 andere laagohmige uitgang van versterker 2 dan de uitgang die met de transoonductantieversterker is verbanden, opgenanen zijn.

Eventueel kan de transoonductantieversterker 3 gevolgd worden door een spanningsvolger of eind trap 4 met versterking A=1.

Ter verduidelijking van de werking van de frequentie-25 compensatie van de versterker volgens figuur 1 toont figuur 2 een drietal frequentiediagrammen tanende van boven naar beneden de versterking van de eerste versterkertrap 2, de versterking van de transccnductantieversterker 3 met kondensator 6 en weerstand 7 en de versterking van de gehele versterker als functie van de hoekfrequentie 30 U op logarithmische schaal. De versterking van de spanningsversterker 3 kan geschreven warden als:

a10 1+j vC

35 met a1Q de versterkin9 bij lage frequenties en ^ ^ de tijdconstante van de frequentieafval van de versterking van de eerste trap.2.

Zoals figuur 2 toont, betekent dit dat die eerste trap 2 bij ^ = -—*— begint af te vallen met 6 dB/octaaf en dat voor a10x1 8204024 * * PHN 10.480 4 = —r de versterking 0 dB bereikt is.

o-1

Van de tweede trap 3 is de openlus-versterking gmR, zijnde de transconductantie maal de afsluitweerstand. Voor hogere frequenties gaat een stroon via de condensator 6 een spanning over weerstand 7 5 leveren en voor zeer hoge frequenties vormt condensator 6 een kortsluiting zodat de versterking 1 is. De versterking als funktie van de hoekfrequentie is: —

io 1 v λCK

Zoals figuur 2 toont is dit een karakteristiek met een versterking gmR voor lage frequenties, een 6 dB/octaaf afval beginnende bij iO - en overgaande in een constante versterking gelijk aan 1 bij u; - . Voorwaarde bij voorgaande beschouwing is, dat de 15 tijdconstante van de transconductantieversterker 3 kleiner is dan de tijdconstante "H/V .

φ f>V

Een 6 dB/octaaf versterkingsafval tot voorbij het punt met versterking OdB voor de totale versterking kan verkregen worden door de frequentieafval van de eerste versterkertrap precies te doen aan-20 sluiten op de tweede trap, dus voor,----- ill* te kiezen.

De in figuur 2 getoonde overdrachtskarakteristiek wordt dan verkregen met totaalversterking 1** T’j ‘ - JT' 25 Dit is een karakteristiek met versterking a^gj^R voor lage frequenties een kantelpunt bij ^' = '/tf c < · een 6 dB/octaaf afval en versterking 0 dB bij u ^ . Op deze wijze is dan een extra versterking (gmR) verkregen zonder afbreuk te doen aan de frequentiekarakteristiek van de eerste trap, dat wil zeggen behoud van de 6 dB/octaaf af val 30 tot voorbij het punt waar de versterking 1 is en bij welk punt de hoekfrequentie gelijk is aan w ~ . Daarnaast heeft deze fre- quentiecarrpensatie nog als extra voordeel dat buiten de frequentieband ( Vf- ) waar de versterking A=1, de ruis van de hoogohmige uitgang van de transconductantieversterker 3 via de condensator 6 naar de 35 laagohmige uitgang 10 van de spanningsversterker 2 wordt kortgesloten en niet aan uitgang 5 van de versterker verschijnt.

Vaak is het gewenst om een derde versterkende trap 8 toe te voegen niet alleen cm extra versterking te krijgen maar ook 8204024 « ψ ΕΗΝ 10.480 5 αη de spanningszwaai aan de uitgang van de transoonductantieversterker te beperken teneinde de vervorming te reduceren crriat in de praktijk vaak een transoonductantieversterker aanmerkelijk meer vervorming geeft dan een spanningsversterker bij een zelfde spanningszwaai aan 5 zijn uitgang. Deze grotere vervorming is cnder andere te wijten aan het feit dat de uitgang van een transoonductantieversterker vaak de kollektor van een transistor is, die belast is met een relatief grote spanningsafhahkelijke parasitaire kolléktorcapaciteit, waarbij de spanningsafhankelij kheid van die capaciteit voor genoemde vervormingen 10 verantwoordelijk is.

Figuur 3 toont zo'n versterker volgens figuur 1, waarbij volgens de uitvinding de transoonductantieversterkertrap 3 gevolgd wordt door een spanningsversterker 8 met een spanningsversterking A=a2· Volgens de uitvinding is deze spanningsversterker via een con-15 densator 9 met capaciteit c2 als Miller integrator geschakeld.

Tfer verklaring van de met de versterker volgens de uitvinding bereikte frequentieccrrpensatie toont figuur 4 van boven naar beneden de versterking van de eerste versterkertrap 2, de versterking van de combinatie van de tweede (3) en derde (8) versterkertrap te zamen met 20 de condensatoren 6 en 9 en weerstand 7 en de versterking van de gehele versterker als functie van de hoekfrequentie «o op logarithmische schaal.

Van de eerste spanningsversterkertrap 2 is de versterking ongewijzigd: ^

Sc ,

25 ^ S

hetgeen een frequentiekarakteristiek geeft met een laagfrequent-versterking a1n een kantelpunt bij oc - een 6 dB/octaaf af val

IU

en een versterking 0 dB bij

De tweede en de derde trap functioneren niet onafhankelijk 30 van elkaar en moeten als één versterker beschouwd worden. Voor lage frequenties vloeit de uitgangsstrocm van de hoogohmige transoonduc-tantieversterker uitsluitend over weerstand 7 en werkt versterker 8 als spanningsversterker zodat de versterking van beide gelijk is aan gmRa2o» met a2Q de laagfrequentversterking van versterker 8.

35 Voor hogere frequenties gaat een signaalstroom via condensator 6 vloeien en ook condensator 9 gaat bij hogere frequenties een rol spelen. Voor het kantelpunt kan uitgerekend worden dat dit ligt bij 60,--—--. Vanaf dat punt is de versterkingsafval 6 dB/octaaf 8204024 PHN 10.480 6 omdat condensatoren 6 en 9 aanleiding geven tot êên tijdconstante met condensator 6 parallel aan de door de Miller-werking vergrootte condensator 9 die een tijdconstante 5vac« 5 die voor a2Q >^1 evenals a2oC2^C1 is 9911 a20C2R’

Voor noge hogere frequenties gaan condensatoren 6 en 9 zeer laagohmig worden. Mits punt 11 virtuele aarde blijft hetgeen het geval is zo lang versterker 8 nog niet sterk afgevallen is geldt dan dat de uit— gangsspanning V1Q aan uitgang 10 wordt omgezet in een signaalstrocm 10 j*> C1V10 door condensator 6 welke signaalstrocm óver condensator 9 in een spanning V5 aan uitgang 5 van V,. = - Vt0 wordt omgezet.

De combinatie van versterkertrappen 3 en 8 met condensatoren 6 en 9 werkt dat als inverter met frequentieonafhankelijke versterking . De aldus ontstane frequentiekarakteristiek toont figuur 4 en kan be-15 schreven worden met de formule: Λ Ί 4- tu> ft - «-2o3^k --i-hi__

Dit is een karakteristiek die - afgezien van het minteken ten gevolge van de inverterende werking van de Miller integrator - een laagf requent 20 versterking gelijk aan gmRa2g vertoont' vanaf *-· ·- */( C, +ïi ±A-ic) C.L j ^ afvalt met 6 dB/octaaf en bij ^ - ^'"/c overgaat in een versterking A. C ^ gelijk aan----—i----- hetgeen voor aon »1 en aonCL » C. gelijk c 20 20 2 1 is aan c i /( . / *·

Voor nog hogere frequenties bij <>.* ·- ~ zal doordat de derde trap 8 de 25 versterking 0 dB bereikt de Miller-integratorwerking verloren gaan en de versterking weer verder afvallen.

De aldus verkregen karakteristiek is van een zelfde vorm als de tweede karakteristiek volgens figuur 2. Met de versterker volgens figuur 3 kan dus op een zelfde manier als bij de versterker 30 volgens figuur 1 frequentieocnpensatie worden verkregen - nu echter met drie versterkertrappen - door de twee eerste karakteristieken volgens figuur 4 op elkaar te laten aansluiten door. ~ - - -= te kiezen. Aldus wordt de karakteristiek die onderaan in figuur 4 wordt getoond, verkregen welke een laagfrequentversterking gelijk aan 35 aioa20gmR vertoont' bjO Vfc.t- \ K. ~ hetgeen voor a2Q >> 1 en a20C2 >>C1 gelijk is aan u·-. ^ ^ - over gaat in een af val van 6 dB/octaaf en bij ω - '/^ de versterking Cl/c^ bereikt.

De karakteristiek kan beschreven worden met de formule: 8204024 PUN 10.480 7 ΛΙθ . ^2.r ^·ν»χ ^--;-----— *♦!"* ί i hetgeen voor a^ >> 1 en a2QC2 »C<j S herleidbaar is tot: „ Ί 4 J w <\2l, K.

Deze karakteristiek vertoont een bij w -* V^. een versterking en een 6 dB/octaaf af val, echter met een extra versterking a2Q.

10 Het Ο-dB punt wordt bereikt voor <«. .

Hieruit volgt, dat de Ο-dB bandbreedte <..· ·- 1 van de derde trap Λ £ i Cl 8 ten minste een fractie */(\ groter moet zijn dan de bandbreedte ( van de eerste trap 2 om aan de eis te voldoen dat het knikpunt bij - boven het Ο-dB punt van de totale karakteris-15 tide valt. Om dat in de praktijk de bandbreedte van de derde trap 8 niet zeer veel groter (dus bijvoorbeeld geen faktor 2 groter) dan de bandbreedte van de eerste trap gekozen kan worden volgt daaruit dat in de praktijk C,/^ ongeveer gelijk aan 1 zal zijn. Is de band-• breedte van de derde trap onvoldoende, dan kan de bandbreedte van 20 de eerste trap gereduceerd worden of de verhouding kleiner dan 1 gekozen worden.

Figuur 5 toont een uitvoer ingsvoorbee ld van de versterker volgens figuur 3. De eerste versterkertrap 2 heeft een paar FET-ingangstransistoren 12 en 13 waarvan de poortelectroden de ingang 1 25 vormen, de bronelectroden via weerstanden 14 en 15 naar een voedings-aansluitpunt 60 voeren en de afvoerelectroden naar een voedingsaan-sluitpunt 59 voeren. De bronelectroden zijn via weerstanden 16 en 17 met de basiselectroden van twee als verschilpaar geschakelde transis-toren 18 en 19 verbanden waarvan de emitterelectroden via emitter-30 degeneratieweerstanden 20 en 21 en stroombron 22 met het voedings-aansluitpunt 60 verbonden zijn. De kollektoren zijn via weerstanden 23 en 24 met het voedingsaansluitpunt 59 verbonden. De signalen over weerstanden 23 en 24 worden met emittervolger-tr ans is toren 25 en 26 aan de differentiële uitgang 10 van de eerste versterkertrap 2 35 doorgegeven. Aan de emitter van transistor 25 is een emittervolger-transistor 29 aangesloten cm een laagohmig punt 44 te verkrijgen cm condensator 6 op aan te sluiten.

De tweede versterkertrap 3 - de transconductantieversterker 8204024 FHN 10.480 8 cravat twee als spanningsstrocmomzetter geschakelde transistoren 31 en 32 waarvan de basiselectroden met de uitgang 10 zijn verbonden, en de emitterelectroden via weerstanden 33 en 34 met het voedingsaansluit-punt 59 zijn verbonden. De kollektorelectrode van transistor 32 voert 5 rechtstreeks naar uitgang 11 en de kollektorelectrode van transistor 31 via een strocmspiegel bestaande uit transistoren 35, 36 en 37 en weerstanden 38 en 39. Uitgang 11 is met een aansluitpunt 45 voor condensator 6 verbonden evenals met een aansluitpunt 46 voor condensator 9.

De derde versterkertrap 8 cravat een eerste transistor 40 10 waarvan de emitter verbanden is met de basis van transistor 42.

De transistor 42 heeft als kolléktorbelasting een stroombron 43.

De koliek tor van transistor 42 voert naar uitgang 5 en naar een aansluitpunt 47 voor kondensator 9.

De condensatoren 6 ai 9 kunnen als geïntegreerde condensatoren 15 te zamen met de versterkertrappen zijn uitgevoerd alsook als externe condensatoren aan aansluitpennen van de geïntegreerde schakeling waarin de versterkertrappen 2, 3 en 8 zijn aangebracht, warden aangesloten.

Evenals bij de versterker volgens figuur 1 kan ook de 20 versterker volgens figuur 3 uitgebreid worden met een spanningsvolger of eindtrap 61 met versterking A=1. In de uitvoeringsvorm volgens figuur 5 is hiertoe een eindtrap 61 volgens een eerder ingediende en terviesiegelegde Nederlandse aanvrage nr. 8003053 (PHN 9748) gekozen die goede hoogfrequente eigenschappen heeft. In plaats van deze eind-25 trap kan een willekeurig andere eindtrap met goede hoogfrequente eigenschappen gekozen worden.

In de uitvoeringsvorm volgens figuur 5 is condensator 9 over versterker 8 geschakeld tussen uitgangen 11 (van versterker 3) en uitgang 5 van. versterker 8. Het is ook mogelijk cm condensator 9 30 tussen uitgangen 11 en 58 pp te nemen waardoor dus versterker 8 en eindtrap 61 te zamen als Miller-integrator geschakeld worden. Vaak heeft echter deze variant het voordeel van een lagere vervorming.

Alhoewel uitgang 5 in deze uitvoering 66k hoogohmig is, evenals de uitgang 11 van de transoonductantieversterker treedt hierbij 35 in veel mindere mate het genoemde probleem van extra vervorming ten gevolge van de genoemde spanningsafhankelijke capaciteit op cmdat bij deze versterker 8 het uitgangsimpedantieniveau lager dan bij de transoonductantieversterker gekozen kan worden.

8204024

Claims

1. Operationele versterker omvattende ten minste een eerste ver sterkertr ap, een tweede versterkertrap die door de eerste versterkertrap wordt aangestuurd, en een eerste en een tweede knooppunt voor het daartussen ppnemen c.q. opgenanen zijn van een eerste 5 capacitieve signaalweg om de hoogfrequente eigenschappen van de operationele versterker te verbeteren, welke eerste knooppunt gekoppeld is met een uitgang van de eerste versterkertrap en walk twaede knooppunt gekoppeld is met een uitgang van de tweede versterkertrap, waarbij de versterking vanaf het eerste knooppunt naar het tweede 10 knooppunt niet-inverterend is en waarbij de inpedantie van de uitgang van de tweede versterker relatief hoogohmig is ten opzichte van de impedantie van het eerste knooppunt, met het kenmerk, dat de uitgang van de tweede versterkertrap verbonden is met een ingang van een derde versterkertrap waarvan een uitgang met een derde knooppunt 15 is gekoppeld voor het opnemen c.q. opgenanen zijn van een tweede capacitieve signaalweg tussen het tweede en derde knooppunt, waarbij de derde versterkertrap tussen het tweede en derde knooppunt inverterend is zodat deze te zamen met de tweede capacitieve signaalweg een Miller-werking vertoond. 20 2. (Operationele versterker volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat tussen het tweede en derde en tussen het eerste en tweede knooppunt capaciteiten van nagenoeg gelijke grootte zijn op-genanen. 25 30 35 8204024