NL8500080A - Transconductantieversterker. - Google Patents

Description

PHN 11.255 1 t.n.v. N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven

Transconductantieversterker.

De uitvinding heeft betrekking op een transconductantieversterker bevattende twee als een verschilversterker geschakelde transistors/ die gevoed worden door een stroanbron, waarbij een ingangsspann ing tussen de bases van deze transistors wordt aangelegd en waarbij de in de 5 kollektors van deze transistors vloeiende stromen de uitgangsstranen van de versterker vormen.

Dergelijke transconductantieversterkers of kortweg transconductors kunnen bijvoorbeeld worden toegepast in geïntegreerde filterschake-lingen, die zijn opgebouwd uit transconductors en condensators. Met een 10 transconductor kan een weerstand worden nagebootst, terwijl twee gekoppelde transconductors een gyrator kunnen vonten/ waarmee met behulp van een condensator een inductantie kan worden nagebootst. Met transconductors en condensators kunnen daarom alle filter schakelingen worden gerealiseerd/ die ook met conventionele spoelen, condensatoren en weerstanden kunnen 15 worden vervaardigd. In het bijzonder kunnen dergelijke transconductors worden toegepast in geïntegreerde filterschakelingen bestand voor gebruik in een hoog-frequente egalisatieschakeling van een ccmpact-disc speler.

Een transconductor is een spanningsgestuurde stroombron waarbij de evenredigheidsfactor tussen de uitgangsstroom en de ingangsspanning 20 wordt gegeven door de transconductantie G. De eenvoudigste transconductor is een verschilversterker, waarmee een tussen de bases aangelegde spanning wordt omgezet in twae tegenfasige kollektorstromen. De transconductantie j van een dergelijke verschilversterker is evenredig met de stroomsterkte | van de stroombron, waarmee de verschilversterker wordt gevoed. In veel ! 25 gevallen kan op grond van circuit-technische overwegingen de stroomsterkte

van deze stroombron niet willekeurig klein gemaakt worden. Dit heeft tot I

gevolg, dat de transconductantie van de versterker relatief groot en daardoor de daarmee te realiseren weerstand (R = 1/G) relatief klein is. '

Deze relatief grote transconductanties veroorzaken, dat relatief grote 30 capaciteiten nodig zijn voor het verkrijgen van de voor een gewenste filterkarakteristiek benodigde tijdconstanten. In geïntegreerde vorm zijn voor het realiseren van deze capaciteiten betrekkelijk grote oppervlakken vereist, hetgeen de geïntegreerde schakeling kostbaar maakt.

8500080 ΡΗΝ 11.255 2 ψ »

Het is dan ook gewenst om over relatief kleine transconduc-tanties te beschikken teneinde de voor een gewenste filterresponsie benodigde capaciteiten en dus het daarvoor benodigde integratieoppervlak betrekkelijk klein te houden. Uit het artikel "Bipolar Integration of 5 Analog Gyrator and Laguerre-type Filters (Transconductor-capacitor filters") in Proceedings ECCTD '83 pp. 109-110 is een transconductor van een in de aanhef genoemde soort bekend, die een relatief kleine transconductantie bezit. Bij deze schakeling wordt met behulp van een uit weerstanden opgebouwde spanningsdeler een fractie van de totale 10 ingangsspanning aan de eigenlijke ingangen van de transconductor toege-voerd. Dit heeft een verlaging van de effectieve transconductantie tot gevolg, zodat voor een gegeven filterkarakteristiek kleinere capaciteiten en dus kleinere integratie-oppervlakken nodig zijn.

Een bezwaar van deze bekende transconductor is, dat bij inte-15 gratie de weerstanden uit de spanningsdeler slechts met een beperkte nauwkeurigheid kunnen worden vervaardigd, waardoor de nauwkeurigheid en het frequentiebereik van de spanningsdeler beperkt is. Bovendien is voor de weerstanden, in het bijzonder bij hoogohmige weerstanden, een betrekkelijk groot integratie-oppervlak benodigd.

20 Het is dan ook het doel van de uitvinding een eenvoudige transconductantie versterker aan te geven, die een betrekkelijk kleine transconductantie bezit. Een transconductantieversterker van een in de -r aanhef genoemde soort wordt volgens de uitvinding opgemerkt, doordat de kollektorstromen elk met behulp van een stroomdeelschakeling worden 25 opgedeeld in een eerste en een tweede stroom en doordat de tweede stromen kruisgekoppeld worden toegevoegd aan de eerste stromen.

‘De uitvinding is gebaseerd op het volgende inzicht. De beide kollektorstromen bevatten naast een identieke gelijkstroom een in grootte gelijke maar in fase tegengestelde signaalstroom. Door nu van elke 30 kollektorstroom een deel af te splitsen en toe te voeren aan de andere kollektorstroom worden telkens twee tegenfazige signaalstromen bij elkaar opgeteld, waardoor de resulterende signaalstroom kleiner is dan de oorspronkelijke kollektor-signaalstroom. De resulterende gelijkstroom blijft daarbij gelijk aan de oorspronkelijke kollektor-gelijkstroom. Door de 35 verkleining van de signaalstroom bij gelijkblijvende ingangsspanning wordt de effectieve transconductantie van de schakeling verkleind.

Een uitvoeringsvorm van een transconductantieversterker volgens de uitvinding wordt gekenmerkt, doordat de stroomdeelschakelingen elk 8500080 i. ......................^ PHN 11.255 3 worden gevormd door twee transistoren met parallel geschakelde bas is -emitterovergangen met een gerreenschappelijke emitteraansluitpunt, dat is gekoppeld met de kollektor van een transistor van de verschilversterker, en waarbij de kollektor van de ene transistor van de strooideelschakeling 5 de eerste stroom en de kollektor van de andere transistor van de stroom-deelschakeling de tweede stroom voert. De verhouding tussen de eerste en de tweede stroom kan op eenvoudige wijze worden ingesteld met de verhouding van de emitteroppervlakken van beide transistors van een stroom-deelschakeling.

10 De uitvinding wordt nader toegelicht aan de hand van bijgaande tekening, waarin: figuur 1 het principe-schema van een transconductantievers terker volgens de uitvinding toont, en figuur 2 een uitvoeringsvorm van een transconductantie vers terker volgens 15 de uitvinding toont.

In figuur 1 is het principe-schema van een transconductantie-versterker volgens de uitvinding weergegeven. De versterker bevat twee als verschilpaar geschakelde transistors en T^, waarvan het gemeenschappelijke emitteraansluitpunt 3 is verbonden met een stroombron 4 20 met stroomsterkte 21. In de rusttoestand verdeelt deze stroon zich in gelijke mate over de transistors T-j en T2< Bij het aanleggen van een signaalspanning tussen de bases van transistors en vloeit er in de kollektor van transistor een signaalstrocm i en in de kollektor van transistor T2 een signaalstrocm -i. De totale kollektorstroom van .

25 transistor wordt daardoor gelijk aan 1^ = I + i en de totale kollektorstroom van transistor T2 wordt gelijk aan I2 = I - i. De kollektor van transistor is verbonden met de ingang van een schematisch weergegeven stroorröeelschakeling 5, die de kollektorstroom 1^ van transistor T1 opdeelt in twee stronen Ig en 1^, die zich in grootte verhouden als 1 :a.

30 Op dezelfde wijze is de kollektor van transistor T2 verbonden met een stroomdeelschakeling 6, die de kollektorstroom I2 van transistor T2 opdeelt in twse stromen Ig en Ig, die zich eveneens in grootte verhouden als 1 :a. Ce stroom Ig wordt qpgeteld bij de stroom Ig en de soa van deze straten vormt de ene uitgangsstroau 1^. Op dezelfde wijze wordt de 35 strocm 1^ opgeteld bij de stroom Ig en vormt de soa van deze stroren de andere uitgangsstrcom Ig. De stroom 1^ is gelijk aan: 8500030 PHN 11.255 4 h = ^+ h = <x +» rh. + (1 -« τττ (1) = x + j ~ .a * 1 + a 5 De stroom Ig is gelijk aan: ï8 = I4 + ï5 = (I + i) rf; + (X - i) Tiri -1 - 14rl <2> 10

Uit de vergelijkingen 1 en 2 is eenvoudig te zien, dat de sig-1 - a naalstromen een factor -|··+· — kleiner zijn dan de oorspronkelijke signaal-stromen, terwijl de gelijkstromen onveranderd blijven. Door de kleinere signaalstroom wordt ook de transconductantie van de schakeling, die wordt 15 gegeven door de verhouding van de uitgangssignaalstrccm. en de ingangs-signaalspanning, een faktor 4-- — kleiner dan de oorspronkelijke trans-conductantie.

Bij de toepassing van de schakeling in geïntegreerde filter-schakelingen, die zijn opgebouwd uit transconductors en condensators, 20 zijn door de kleinere transconductanties kleinere capaciteiten, die op een kleiner oppervlak geïntegreerd kunnen worden, nodig voor het verkrijgen van de gewenste tijdconstanten van de-filterschakeling.

In figuur 2 is een uitvoeringsvorm van de schakeling volgens de uitvinding weergegeven. De transconductantieversterker wordt hierbij ge-25 vormd door een eerste verschilpaar, dat gevormd wordt door de transistors en , waarvan het gemeenschappelijke emitteraansluitpunt is verbonden met een stroombron 10 met strocmsterkte I en een hieraan parallel geschakeld tweede verschilpaar, dat gevormd wordt door de transistors T.j2 en T^g, waarvan het gemeenschappelijke emitteraansluitpunt is 30 verbonden met een stroombron 11 met stroomsterkte I. De kollektors van de transistors en en de kollektors van de transistors en T^g zijn met elkaar verbonden. De transistors en bezitten evenals de transistors en T^g ongelijke emitteroppervlakken. De verhouding van de emitteroppervlakken, bijvoorbeeld 4, van de transistors en is 35 gelijk aan de verhouding van de emitteroppervlakken van de transistors T.j2 en T.j 2» Met een dergelijke transconductantie versterker wordt ten opzichte van die uit figuur 1 een groter bereik verkregen, waarin de uit-gangsstroom lineair toeneemt met de ingangsspanning. De gemeenschappelijke 8500080 r PEN 11.255 5 kollektorstroan van de transistors en T^2 wordt weer toegevoerd aan een strocmdeelschakeling 13, die gevormd wordt door een als diode geschakelde transistor en een transistor T^, waarvan de basis-emitterovergang parallel aan die van transistor is geschakeld. De 5 verhouding van de kolléktorstromen en van respectievelijk trans is-torTi4 en transistor wordt bepaald door de verhouding van de emitter-oppervlakken van deze trans is toren. Is bijvoorbeeld het emitteroppervlak van transistor twee maal zo groot als het emitteroppervlak van transistor T^5 dan is de stroom twee maal zo groot als de stroom 1^. De 10 gemeenschappelijke kollektorstrocm van de transistors en wordt door een strocmdeelschakeling 14, die met transistors en op de zelfde wijze is opgebouwd als de strocmdeelschakeling 13, opgedeeld in een strocm Ic en een stroom I,. De koliektorstrocm Ic van transistor T„_ vormt samen met de kollektorstroan van transistor de uitgangs- 15 strocm I_ en de kollektorstroan I. van transistor T. r vormt samen met de 7 ï5 4 15 kollektorstrocrr/van transistor de uitgangsstrocm Ig. Bij de gegeven verhouding van emitteroppervlakken van de transistors T^4 en gelijk aan twee, is de factor a = i (zie vergelijking 1 en 2). De transconduc- 1 Δ tantie is dan gelijk aan -j van de transconductantie van de oorspronke-20 lijke schakeling.

De uitvinding is niet beperkt tot de getoonde strocmdeelscha-keling. In het kader van de uitvinding kan elke strocmdeelschakeling worden toegepast. Zo is bijvoorbeeld mogelijk de emitteroppervlakken van de transistors van een strocmdeelschakeling gelijk te kiezen en de verhou-25 ding van de uitgangsstromen van de strocmdeelschakeling in te stellen met de verhouding van in de emitter leidingen van deze transistors dan cp te nemen weerstanden. De uitvinding is voorts niet beperkt tot bovengetoonde transconductantieversterkers maar kan bij elke transconductantieversterker worden toegepast, bijvoorbeeld bij die, welke getoond worden in het reeds 30 genoemde artikel in Proceedings of ECCTD '83 en in IEEE Journal of Solid-State Circuits SC-17 713-722 "Integration of analog filters in a bipolar process.". Tenslotte wordt opgemsrkt, dat de toepassing van transconductantieversterkers volgens de uitvinding niet beperkt is tot geïntegreerde filterschakelingen, maar dat deze ook in elke andere schakelingen kunnen ! 35 worden toegepast waarin een kleine transconductantie gewenst is.

8500030

Claims (3)

1. Transconductantieversterker bevattende twee als een verschilver-sterker gekoppelde transistors, die gevoed worden door een stroombron, waarbij een ingangsspanning tussen de bases van deze transistors wordt aangelegd en waarbij de in de kollektors van deze transistors vloeiende 5 stromen de uitgangsstromen van de versterker vormen, met het kenmerk, dat de kollektorstranen elk met behulp van een stroomdeelschakeling worden opgedeeld in een eerste en een tweede stroom en dat de tweede stromen kruisgekoppeld worden toegevoegd aan de eerste straten.

2. Transconductantieversterker volgens conclusie 1, met het kenmerk, 10 dat de stroordeelschakelingen elk worden gevormd door twee transistors met parallel geschakelde bas is-emitter over gangen met een gemeenschappelijk emitteraansluitpunt, dat is gekoppeld met de kollektor van een transistor van de verschilversterker en waarbij de kollektor van de ene transistor van de stroomdeelschakeling de eerste en de kollektor van de andere tran-15 sistor van de stroomdeelschakeling de tweede stroom voert. 20 25 30 35

85. C 0 80