NL8501882A - Signaalspanning-stroom omzetter. - Google Patents

Description

. V-' .

PHQ 85.012 1 N.V. Philips' Glceilairpenfahrieken te Eindhoven.

"Signaalspanning-strocm. anzetter".

De uitvinding heeft betrekking op een signaalspanning-strocm cmzetter, voorzien van twee ingangsklertiten, althans taree stroombronnen, een eerste weerstand en een lineairiteits-korrektie circuit en tenminste twee als diode geschakelde trans is toren, waarbij de eerste stroombron 5 is aangesloten op twee parallelle takken die elk een van de trans is toren bevat, waarbij de ingangskleirmen bestemd zijn om te worden verbonden met een signaalspanningsbron, waarbij in de bedrijfstoestand de kombinatie van de signaalspanningsbron en de weerstand de beide parallelle takken met elkaar verbindt en zo tezamen met althans de beide trans is toren een 10 elektrische lus vormt waarin het aantal basis-emitterovergangen gelijk is aan het aantal emitter-bas isovergangen, en de weerstand is aangesloten tussen de eerste van de heide ingangsklenmen en de tweede stroombron, en de tweede ingangsklem bestemd is te worden aangesloten op een vaste potentiaal.

15 Een signaalspanning-strocm omzetter wordt bijvoorbeeld gebruikt cm met behulp daarvan de effektieve waarde van de signaal-spanning te meten.

Een bekende signaalspanning-strocm cmzetter van de in de aanhef aangeduide soort is bijvoorbeeld beschreven in US 4.268.759.

20 Een nadeel van die békende omzetter is dat deze slechts voor betrekkelijk lage frequenties, van de signaalspanning, geschikt is. Namelijk bij relatief hoge frequenties, bijvoorbeeld van enkele tientallen MHz, is de omzetting net een vrij grote fout behept.

Een verder nadeel van de genoemde bekende signaalspanning- 25 stroom cmzetter is dat deze, om tot een uitgangsstrocm te komen, relatief veel elektrische koirponenten bevat. Er vindt daar namelijk eerst een omzetting naar een hulpspanning plaats. Door die koirponenten worden weer foutenbronnen geïntroduceerd.

De uitvinders hebben ingezien, dat de ongeschiktheid voor 30 hoge frequenties van de, in het bovengenoemde US 4.268.759,beschreven bekende signaalspanning-strocm omzetter is toe te schrijven aan een in de elektrische lus aanwezige kruisgekcppelde verbinding van twee extra trans is toren. Uitvinders hebben namelijk gekonstateerd dat zulk een H I M § 5 ^ ^ ty . ^ s ^__, 4 EHQ 85.012 2 kruisgekoppelde verbinding van toree trans is toren - bij frequenties bijvoorbeeld ter grootte van enkele tientallen MHz - als een opslinge-ringsbron fungeert, waardoor fouten in de spanning-stroom omzetting ontstaan.

5 De uitvinders hebben tevens ingezien dat de genoemde kruis gekoppelde verbinding van twee transistoren de lineariteit van de spanning-stroom omzetting ten goede kwam - dat wil zeggen fungeerde als lineariteits-korrektie circuit - zodat weglating van die kruisgekoppelde verbinding uit de elektrische lus gekombineerd dient te worden net een 10 maatregel om de lineariteit van de spanning-stroom omzetter weer op te voeren.

Onder een ideale lineariteit wordt hier verstaan een omzetting waarbij een p maal zo grote effektieve waarde van de signaalspanning leidt tot een p maal zo grote effektieve waarde van de uitgangsstroom.

15 Een van de redenen voor een niet-lineariteit is gelegen in de in de praktijk aanwezige invloed van een signaalafhankelijke weerstand (r^) van zowel de eerste als van de tweede transistor.

De uitvinding beoogt een signaalspanning-stroom omzetter van de aangeduide soort aan te geven, die voor een relatief groot frequentie-20 gebied geschikt is, en die tevens uit relatief weinig komponenten bestaat.

Een signaalspanning-stroom omzetter, volgens de uitvinding, voorzien van twee ingangsklemmen, althans twee stroombronnen, een eerste weerstand en een lineariteits-korrektie circuit en tenminste twee als 25 diode geschakelde transistoren, waarbij de eerste stroombron is aangesloten op twee parallelle takken die elk een van de transistoren bevat, waarbij de ingangsklemmen bestemd zijn om te worden verbonden met een signaalspanningsbron, waarbij in de bedrij fstoes tand de kombinatie van de signaalspanningsbron en de weerstand de beide parallelle takken met 30 elkaar verbindt en zo tezamen met althans de beide transistoren een elektrische lus vormt waarin het aantal basis-emitterovergangen gelijk is aan het aantal emitter-basisovergangen, en de weerstand is aangesloten tussen de eerste van de beide ingangsklemmen en de tweede stroombron, en de tweede ingangsklem bestemd is te worden aangesloten op een vaste 35 potentiaal, is daardoor gekenmerkt, dat de verbinding van de weerstand naar de tweede stroombron behoort tot het lineariteits-korrektie circuit dat tevens is aangesloten op de tweede ingangsklem, en dat de ene zijde van de kombinatie van de signaalspanningsbron en de weerstand laagohmig £? Tr1 A 4 ... .

' ' * 'r* > 4 \ EHQ 85.012 3 * A: is verbonden met de basis van een derde transistor, en de andere zijde van die kcmbinatie laagohmig is verbonden met de basis van een vierde transistor, en dat er aanwezig is een verbinding van de emitters van de derde en de vierde transistor.

5 Een voordeel van deze signaalspanning-stroom. omzetter is dat deze voor een relatief groot frequentiegebied, van de signaalspanning, geschikt is. Voorts kan deze omzetter uit een in verhouding klein aantal elektrische komponenten bestaan.

Een belangrijk punt is dat de uitvinders op de gedachte zijn 10 gekomen de lineariteitskorrektie door te voeren op een plaats die gelegen is buiten het pad van de signaalspanningsbron naar de derde en vierde transistor; doch aanwezig is in een gedeelte, van de signaal-spanning-stroon omzetter, waartoe eventuele hoge frequenties van de signaalspanningsbron geen toegang hebben.

15 De genoemde vier trans is toren vormen in feite komponenten van een zogenaamde "gain-cell" waarvan bekend is dat de eigenschappen ook bij hoge frequenties goed zijn.

Het lineariteits-korrektie circuit zou bijvoorbeeld kunnen bestaan uit een hulpinrichting die voorzien is van een circuitelement 20 met een negatieve strocm-spanning karakteristiek. Dat is een karakteristiek die bijvoorbeeld bij gasontladingsinrichtingen, of bij tunnel-dioden, voorkomt.

Bij een voorkeursuitvoering van een signaalspanning-stroom omzetter volgens de uitvinding bevat het lineariteits-korrektie circuit 25 de hoofdelektrodenketen van een vijfde transistor in de verbinding van de weerstand naar de tweede stroombron, en bevat dit korrektiecircuit tevens een zesde transistor waarvan de hoofdelejctrodenketen op de tweede ingangsklem is aangesloten, waarbij de bases en de kollekbors van de vijfde en de zesde transistor kruisgekoppeld zijn, en hun emitters 30 verbonden zijn door een tweede weerstand waarvan de ohmse waarde praktisch gelijk is aan die van de eerste weerstand, en is de verbinding van de zesde transitor met de tweede weerstand aangesloten op een derde stroombron.

Ben voordeel van deze verbetering is dat de lineariteit van 35 de signaalspanning-strocm omzetter zeer goed is.

Dit is toe te schrijven aan de omstandigheid dat dit lineariteits-korrektie circuit in feite fungeert als een soort "negatieve" weerstand (-R) tussen enerzijds een verbindingspunt van de eerste weer- 8501982 ' - Π * ; PHQ 85.012 4 stand (+R) met de eerste transistor en anderzijds de tweede ingangsklem. De "negatieve" weerstand ontstaat door de aansluiting via de kruisge-koppelde trans is toren van de tweede weerstand. Hierop wordt straks nader ingegaan.

5 Bij een verbetering van de genoemde voorkeursuitvoering is in de verbinding van de eerste weerstand naar de vijfde transistor een als diode geschakelde zevende transistor aanwezig, en bevindt zich in de verbinding van de tweede ingangsklem naar de zesde transistor een als diode geschakelde achtste transistor.

10 Een voordeel hiervan is dat de invloed van een signaalafhanke- lijke bas is -emitterovergang van zovel de vijfde- als van de zesde transistor wordt gekompenseerd, waardoor de werking van het lineariteits-korrektie circuit nog verder is verbeterd.

Bij een verdere verbetering is een verbindingspunt tussen de 15 eerste weerstand en de eerste transistor direkt aangesloten qp een vierde stroombron.

Een voordeel daarvan is dat de signaalspanning-stroom omzetter ook gekompenseerd kan worden voor fouten ontstaan door de aanwezigheid van, weliswaar kleine, basisstromen van de transistoren. Dit geldt met 20 name voor de basisstromen van de derde en de vierde transistor.

Bij een volgende verbetering van een signaalspanning-stroom omzetter volgens de uitvinding is in serie met de derde transistor een volgende transistor opgenomen, en is in serie met de vierde transistor eveneens een verdere transistor opgenomen, en zijn de bases van deze 25 twee toegevoegde trans is tor en verbonden met de bases van de eerste en de tweede transistor.

Met de aldus verkregen gecascodeerde trans istorschakeling wordt een vermindering van het Early-effekt verkregen.

Met een achter de signaalspanning-stroom omzetter geschakeld 30 hulpcircuit kunnen bijvoorbeeld één of meer mathematische bewerkingen, zoals bijvoorbeeld kwadrateren, middelen en worteltrekken, worden nagebootst.

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van een tekening. Hierin toont: 35 Figuur 1 een elektrisch circuit van een signaalspanning-stroom omzetter volgens de uitvinding, alsmede een daarachter geschakeld hulpcircuit; figuur 2 een vereenvoudigd vervangingsschema van een lineariteits- Λ 1= >f'\ <ί ιΛ r> 8 t ! 4 .v- V' w S;' * ί PHQ 85.012 5 korrektie circuit dat deel uitnaakt van de omzetter van figuur 1.

In figuur 1 zijn 1 en 2 ingangskleimen die zijn aangesloten op een signaalspanningshron 3. Met 4 is een eerste stroombron aangeduid.

5 Deze is verbonden met twee, als diode geschakelde, npn transistoren 5 en 6. De emitter van de transistor 5 is aangesloten op een eerste weerstand 7. De andere zijde van deze weerstand is verbonden met de ingangsklem 1.

De emitter van de transistor 6 is aangesloten op de ingangsklem 2, die geaard is.

10 De kombinatie van de signaalspanningshron 3 en de weerstand 7 vormt dan ook een elektrische lus met de emitter-bas isovergang van de transistor 5 en de basis-emitterovergang van de transistor 6.

Voorts is een punt tussen de transistor 5 en de weerstand 7 aangesloten op de basis van een derde npn transistor 8. Bovendien is de 15 ingangsklem 2 aangesloten op de basis van een vierde npn transistor 9.

De emitters van de transistoren 8 en 9 zijn met elkaar verbonden en aangesloten qp een verdere stroombron 10.

De kombinatie van de signaalspanningsbron 3 en de weerstand 7 vormt met de bas is-emitterovergang van de transistor 8 en de verbinding 20 van de emitters van de transistoren 8 en 9 alsmede de emitter-bas isovergang van de transistor 9 ook een elektrische lus.

Cp een verbindingspunt van de transistor 5 naar de weerstand 7 is voorts een kollektor van een volgende, als diode geschakelde, transistor 11 aangesloten. De emitter daarvan is, via een (vijfde) transistor 12, 25 verbonden met een tweede stroombron 13. Cp daaraan overeenkomstige wijze is de ingangsklem 2 aangesloten op de kollektor van een, als diode geschakelde, transistor 14. De emitter van de transistor 14 is, via een (zesde) transistor 15, verbonden met een (derde) stroombron 16.

De kollektoren en bases van de transistoren 12 en 15 zijn 30 kruisgekoppeld. Bovendien zijn hun emitters met elkaar verbonden via een tweede weerstand 17 die praktisch dezelfde ohmse waarde heeft als de weerstand 7.

De kombinatie van de komponenten 11, 12, 14, 15, 17 fungeert als lineariteits-korrektie circuit.

35 De hoofdelektrodenketen van de transistor 8 en die van de transistor 9 bevat voorts een hulpcircuit 20 waarvan geen bijzonderheden zijn weergegeven. De van de transistoren 8 en 9 afgekeerde zijde van het hulpcircuit 20 is aangesloten op een stroombron 21. Tussen het hulpcircuit 3501882 PHQ 85.012 6 20 en de transistor 8 bevindt zich een volgende transistor 22. Tussen het hulpcircuit 20 en de. transistor 9 bevindt zich een transistor 23. De bases van de transistoren 22 en 23 zijn verbonden met de bases van de transis-toren 5 en 6. Met de transistoren 22 en 23 wordt een vermindering van 5 het Early-effekt verkregen.

Ter toelichting aangaande de werking van de beschreven inrichting wordt eerst het volgende medegedeeld.

Er wordt een bepaalde keuze van de grootte van de instelstromen, die door de diverse stroombronnen geleverd worden, verondersteld. Zoals: 10 2 I voor de eerste stroombron (4), en I voor de tweede en ook voor de derde stroombron (13 respektievelijk 16). Met i wordt aangeduid de stroom die de signaalspanningsbron (3) in de eerste weerstand (7) laat vloeien.

Aannemende dat de richting van de stroom i door de weerstand (7) op een bepaald ogenblik naar de eerste ingangsklem (1) is toegericht 15 leidt dit tot een stroom door de emitter van de eerste transistor (5) ter grootte van de som van I en i. Op de emitterstroom van de tweede transistor (6) wordt dan i in mindering gebracht op I. Hierbij is verondersteld dat de eerste- en de tweede transistor dezelfde eigenschappen hebben. Resumerend: door de eerste transistor vloeit dan (I+i), door de tweede 20 transistor (I-i). De kombinatie (I+i, met 1-1) wordt wel met differentiële stromen aangeduid.

Wordt tevens verondersteld dat ook de derde en de vierde transistor (8 respektievelijk 9) dezelfde eigenschappen hebben als die van het eerste trans is torpaar (5,6), en is een op de emitterverbinding van 25 de derde en de vierde transistor aangesloten volgende stroombron (10) bemeten voor 2 I - en zijn de hoofdelektrodenketens van de transistoren 8 en 9 praktisch gelijk - dan vloeit door de emitter van de derde transistor eveneens I-i en door de emitter van de vierde transistor I+i. Dat zijn dan ook weer differentiële stromen, die nu echter naar aparte takken - te 30 weten de hoofdelektrodenketens van de derde en van de vierde transistor (8 respektievelijk 9) zijn overgebracht.

Ter toelichting diene het volgende. Een doorlopen van de zogenaamde translineaire lus gevormd door de bas is -emitter overgangen respektievelijk de emitter-basisovergangen van de vier transistoren (5,6,9,8) 35 leidt tot: +vbeq5 + vbeq8 " vbeq9 " vbeq6 = 0

Daarin stelt V™ de basisemitterspanning voor, en M J V j O Q L

PHQ 85.012 7

Qg de eerste transistor,

Qg de tweede transistor,

Qg de derde transistor,

Qg de vierde transistor.

5 Aannemende dat ook de temperatuur en de sperstrcmen van deze trans is toren hetzelfde zijn, volgt dan tengevolge van de exponentiële relatie tussen kollektorstrocm en bas isemitterspanning van bipolaire trans istoren:

In I + In I_ - In I. - In I _ , dat wil zeggen: y5 y8 y9 y6 ,0 in (IQs . IQa, = in . I%, 3US! \ ' \ = lQ9 ' Iq6 of te wel: ^8 = ^6 = .

— — 1+1 15 % XQ5

Daar: In + In =21 volgt daaruit y8 y9 y8 20 = I+i y9

De basisstramien van de vier transistoren zijn hierbij verwaarloosbaar klein verondersteld.

In een uitvoeringsvcorbeeld leverden de stroombronnen 4, 13, 16, 25 10 en 21 respéktievelijk 1 mamp; 0,5 mamp; 0,5 mamp? 1 mamp en 1 mamp.

Als echter een bepaalde versterking van de signaalstroon i gewenst is. kan men daartoe de (onderling gelijke) instelstromen van de bronnen 10 en 21 op een hoger niveau brengen.

De beschreven signaalspanning-stroom omzetter werkt als volgt.

30 De stroom door de transistor 5 is I+i, waarin I de instelstroon van 0,5 mamp is, en i de door de bron 3 in veerstand 7 gerealiseerde stroom voorstelt. Door de transistor 6 vloeit I-i. Het betreft hier dus een paar differentiële strcmen, die worden overgedragen naar transistor 9 (I+i) en naar transistor 8 (I-i), zoals in het voorgaande is toegelicht.

35 Het lineariteits-korrektie circuit 11, 12, 14, 15, 17 verbetert de lineariteit van de omzetter. In dit verband wordt verwezen naar figuur 2, die een vereenvoudigd vervangingsschema geeft van het lineariteits-korrektie circuit.

85018S2 PHQ 85.012 8

Circuitkomponenten in figuur 2 die overeenkomen met die uit figuur 1 dragen dezelfde verwijzingscijfers.

Zoals in het voorgaande is opgemerkt is er in de praktijk sprake van een signaalafhankelijke weerstand van de transistor 5 en 6. Die 5 weerstand (gezamenlijk voor de beide transistoren) is in figuur 2 met r^ aangeduid.

P stelt voor een verbindingspunt tussen de weerstand 7 en de emitter van de transistor 5 (uit fig. 1). De weerstand 17 (uit fig. 1), die praktisch dezelfde ohmse waarde heeft als de weerstand 7, is via 10 de kruisgekoppelde transistoren 12 en 15 (zie fig. 1) aangesloten tussen P en klem 2 (zie fig. 2). In verband daarmede verschijnt deze veerstand als (-R) in fig. 2. Waarom dat in dit geval zo is volgt (zie ook fig. 1) uit: U = νΒΕ0Ή + VBEQ15 " VR - VBEQ12 “ VBEQ14 ' 15 waarin U het potentiaalverschil tussen P en aarde voorstelt, en i^ de stroom door weerstand 17 voorstelt. De indices 11, 15 enzovoorts geven aan'de transistor 11 respektievelijk de transistor 15 etc.

Daar namelijk = V

20 031 VBEQ14 = VBEQ15

volgt: = - R

x2 25 Wordt afgezien van de instelstromen dan dient de stroom i door rechtevenredig te zijn met de spanning V van de signaalspanningsbron 3, en wel omdat die i naar de uitgang (transistor 8 en 9, zie fig. 1) wordt getransporteerd.

De som van de stromen in P dient uiteraard nul te zijn. Zij 30 i^ de stroom door R en i2 weer die door (—R), dan dient te zijn voldaan aan: ιΊ =i + x2 of te wel: V~1,rd = i + i*rd R (-R)

35 V V

Hieruit volgt: i = = — 8501882 EHQ 85.012 9

Ben praktisch lineaire overdracht wordt daarbij verkregen, onafhankelijk van de aanwezigheid van r^.

Eventuele fouten die ontstaan zijn doordat de basisstronsn van de trans is toren in feite niet geheel verwaarloosbaar zijn kunnen warden 5 gekompenseerd door toevoeging van een extra stroanbron (24) die bijvoorbeeld rechtstreeks is aangesloten op een verbindingspunt tussen de weerstand 7 en de emitter van de transistor 5 (punt p in figuur 2).

In het frequentie-inverval van 0-30 MHz is de lineariteitsfout van de beschreven signaalspanning-stroon onzetter (zie figuur 1) 10 minder dan 1%.

15 20 25 30 35 8501882

Claims (5)

1. Signaalspanning-stroom omzetter, voorzien van twee ingangs-klemmen, althans twee stroombronnen, een eerste weerstand en een lineari-teits-korrektie circuit en tenminste twee als diode geschakelde transis-toren, waarbij de eerste stroombron is aangesloten cp twee parallelle 5 takken die elk een van de transistoren bevat, waarbij de ingangsklenmen bestemd zijn om te worden verbonden met een signaalspanningsbron, waarbij in de bedrijfstoestand de kombinatie van de signaalspanningsbron en de weerstand de beide parallelle takken met elkaar verbindt en zo tezamen met althans de beide transistoren een elektrische lus vormt waarin het 10 aantal bas is-emitter o ver gangen gelijk is aan het aantal emitter-basis-overgangen, en de weerstand is aangesloten tussen de eerste van de beide ingangsklemmen en de tweede stroombron, en de tweede ingangsklem bestemd is te worden aangesloten cp een vaste potentiaal, met het kenmerk, dat de verbinding van de weerstand naar de tweede stroombron behoort tot het 15 lineairiteits-korrektie circuit dat tevens is aangesloten op de tweede ingangsklem, en dat de ene zijde van de kombinatie van de signaalspanningsbron en de weerstand laagobmig is verbonden met de basis van een derde transistor, en de andere zijde van die kombinatie laagohmig is verbonden met de basis van een vierde transistor, en dat er aanwezig is een ver-20 binding van de emitters van de derde- en de vierde transistor.

2. Signaalspanning-stroom omzetter volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het lineariteits-korrektie circuit de hoofdelektrodenketen bevat van een vijfde transistor in de verbinding van de weerstand naar de tweede stroombron, en dat het korrektiecircuit tevens een zesde transistor 25 bevat waarvan de hoofdelektrodenketen op de tweede ingangsklem is aangesloten, waarbij de bases en de kollektors van de vijfde- en de zesde transistor kruisgekoppeld zijn, en hun emitters verbonden zijn door een tweede weerstand waarvan de ohmse waarde praktisch gelijk is aan die van de eerste weerstand, en de verbinding van de zesde transistor 30 met de tweede weerstand is aangesloten op een derde stroombron.

3. Signaalspanning-stroom omzetter volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat in de verbinding van de eerste weerstand naar de vijfde transistor een als diode geschakelde zevende transistor aanwezig is, en dat zich in de verbinding van de tweede ingangsklem naar de zesde tran- 35 sistor een als diode geschakelde achtste transistor bevindt.

4. Signaalspanning-stroom omzetter volgens conclusie 2 of 3, met het kenmerk, dat een verbindingspunt tussen de eerste weerstand en de eerste transistor direkt is aangesloten op een vierde stroombron. 3 3 018 8 2 HiQ 85.012 11

5. Signaalspanning-stroom omzetter volgens conclusie 1, 2, 3 of 4, met het kenmerk, dat in serie met de derde transistor een.volgende transistor is opgenomen, en dat in serie met de vierde transistor eveneens een verdere transistor is opgenomen, en dat de bases van deze toegevoegde 5 trans is toren verbonden zijn met de bases van de eerste en van de tweede transistor. 10 15 20 25 30 35 850 1 332