NL8702379A - Precisieverschilversterker met snelle oversturingsherstelling. - Google Patents

Description

Y

t 87.3069/AA/ki ♦

Korte aanduiding: Precisieverschilversterker met snelle oversturingsherstel1ing.

De uitvinding heeft betrekking op verschilversterkers in het algemeen en in het bijzonder op verschilversterkers met snelle overbelastingsherstelling.

Monolitische verschilversterkers met bufferversterker-5 ingangstrappen met eenheidsversterking zijn in het bijzonder nuttig in electronische meetinstrumenten omdat zij niet alleen zeer nauwkeurige replica van hoogfrequente verschilsignalen met sterke onderdrukking van gemeenschappelijke ("common mode") spanningen leveren, maar ook een zeer hoge ingangsim-10 pedantie, lage ruis en lage spanningsverschuivingen hebben en met relatief lage voedingsspanningen en -stromen werken.

Dit type versterker heeft, zoals de meeste versterkers, typisch een dynamisch werkgebied, of "ingangsvenster", waarover de overdrachtsfunctie in hoofdzaak lineair is. Er treedt een 15 probleem op bij het meten van ingangssignalen die spannings- zwaaien buiten het ingangsvenster hebben omdat de versterker in een niet-lineair gebied buiten het normale werkgebied gedreven zal worden, wat kan leiden tot een overbelasting die een transistor kan verzadigen of afsnijden. Een ongebalanceerde wer-20 king als gevolg van een overbelasting zal verder leiden tot verschillende vermogensdissipatie in de vorm van warmte in sommige transistors.

Het herstel uit het niet-lineaire gebied volgend op een oversturingstoestand wordt daardoor niet alleen vertraagd door 25 het opladen of ontladen van inherente capaciteiten, maar ook door thermische veranderingen die voortgaan met vervorming van golfvormen totdat een thermisch evenwicht verkregen is.

Een oplossing voor dit probleem is voorgesteld in de op 19 september 1986 ingediende Amerikaanse octrooiaanvrage met 30 serienummer 909,437 ten name van aanvraagster. Hoewel transis-torverzadiging voorkomen wordt en de hersteltijd aanmerkelijk verkleind wordt, vereist het aan de basisketen toegevoegde klemnetwerk twee weerstanden en een extra transistor aan elke kant van de verschilversterker. Het is gewenst om het aantal 8702379 - 2 - * onderdelen te verkleinen en de aan de voeding gestelde eisen te verminderen en om warmteopwekkende weerstanden en de belasting die dergelijke weerstanden vormen te elimineren.

Volgens de uitvinding omvat een precisieverschilverster-5 ker met bufferversterkeringangstrappen met eenheidsversterking een eerste terugkoppelweg tussen de collector en de basis van de binnenste bufferversterkertransistor, die werkt wanneer de versterker in het lineaire werkgebied ervan werkzaam is, en een tweede terugkoppelweg die de collector en de basis van de bin-10 nenste bufferversterkertransistor stuurt voor het voorkomen van verzadiging daarvan bij oversturing. De terugkoppelwegen bestaan slechts uit halfgeleiderovergangen, wat warmte- en be-lastingseffecten minimaliseert en snel herstel van oversturing vergemakkelijkt.

15 De uitvinding beoogt daarom een precisieverschilverster ker te verschaffen die bijna zonder vertraging van een overstu-ringstoestand herstelt naar een lineair werkgebied.

Een ander doel van de uitvinding is het verschaffen van een verbeterde verschilversterker met een oversturingsherstel-20 lingsketen die lagere eisen stelt aan de voedingsspanning en minder componenten heeft.

De uitvinding wordt toegelicht aan de hand van de figuren. In de figuren tonen: figuur 1 een schema van een verschilversterker waarin de 25 oversturingsherstellingsketen volgens de uitvinding is toegepast, figuur 2 een gedeeltelijk schema van één kant van de versterker van figuur 1, waarin de eerste terugkoppelweg geleidend is voor het verzorgen van normale lineaire werking, en 30 figuur 3 een gedeeltelijk schema van één kant van de ver sterker van figuur 1 waarin de tweede terugkoppelweg geleidend is voor het verzorgen van een besturing in een oversturingstoe-stand»

In figuur 1 is een hoogfrequente verschilversterker 35 getoond met een linker helft 10 en een rechter helft 12. De linker helft omvat een ingangsversterkerbuffer met eenheidsver- 8702379 - 3 .- sterking, omvattende een paar emittergekoppelde transistors Q1 en Q2 en een als Darlington-transistor verbonden paar transistors Q3 en Q4 die tussen de collector en de basis van Q2 verbonden zijn. De emitters van Q1 en Q2 zijn verbonden met een 5 geschikte negatieve voedingsspanning -VKF via een constante-stroomgenerator 14, die een gelijkelijk over de transistors Q1 en Q2 verdeelde stroom 2Ι„ afneemt. De collector van de tran- 13 sistor Ql is met een geschikte positieve voedingsspanning +V verbonden, terwijl de collector van Q2, naast met de basis van 10 de transistor Q3 verbonden te zijn, via een belastingsweerstand 16 met een positieve voedingsspanning +VqC verbonden is. De basis van de transistor Ql is met een ingangsaansluiting 18 verbonden. De emitter van de transistor Q4 is via een eerste paar dioden Dl en D2 naar de basis van de transistor Q2 terug-15 gevoerd, en de emitter van de transistor Q3 is ook via een tweede paar dioden D3 en D4 naar de basis van de transistor Q2 teruggevoerd. De werking en de schakeling van deze dioden zal later toegelicht worden. Een constante-stroomgenerator 20, die als stroombron werkt, is met de anoden van de dioden D2 en D4 20 en de basis van de transistor Q2 verbonden, terwijl de constante-stroomgenerator 22 die als s troom put werkt , met de kathoden van de dioden D3 en D4 verbonden is.

Op gelijke wijze omvat de rechterhelft 12 van de ver-schilversterker een ingangsversterkerbuffer met eenheidsver-25 sterking, omvattende een paar emittergekoppelde transistors Q5 en Q6 en een als Darlingtontransistor verbonden paar transistors Q7 en Q8 die tussen de collector en de basis van de transistor Q5 verbonden zijn. De emitters van Q5 en Q6 zijn naar de negatieve voedingsspanning -VEE teruggevoerd via een constante-30 stroomgenerator 24, die een gelijkelijk tussen de transistors Q7 en Q8 verdeelde stroom 2Ιβ afneemt. De collector van de transistor Q6 is met de positieve voeding +V verbonden, terwijl de collector van de transistor Q5, naast met de basis van de transistor Q7 verbonden te zijn, via een belastingsweerstand 26 35 met een positieve voedingsspanning +VCC verbonden is. De basis van de transistor Q6 is met een ingangsaansluiting 28 verbonden. De emitter van de transistor Q8 is via een derde paar dioden D5 8702379 t - 4 - « en D6 naar de basis van de transistor Q5 teruggevoerd, en de emitter van de transistor Q7 is via een vierde paar dioden D7 en D8 naar de basis van de transistor Q5 teruggevoerd. Een constante-stroomgenerator (stroombron) 30 is met de anoden van 5 de dioden D6 en D8 verbonden, terwijl een constante-stroomgenerator (stroomput) 32 met de kathoden van de dioden D7 en D8 verbonden is.

De twee helften van de verschilversterker zijn met elkaar verbonden door middel van in serie verbonden weerstanden 40 en 10 42 tussen de emitters van de transistors Q4 en Q8. Het knoop punt van de weerstanden 40 en 41 is met een als stroomput werkende constante-stroomgenerator 44 verbonden, voor het verdelen van een stroom 2I_ over de transistors Q4 en Q8. Er hi moet opgemerkt worden dat deze "T" rangschikking in de voor-15 keursuitvoeringsvorm opgenomen is als ontwerpkeuze en dat de weerstanden 40 en 42 en de stroomgenerator 44 vervangen kunnen worden door een enkele weerstand en aparte met de emitters van de transistors Q4 en Q8 verbonden stroomgenerators.

Tijdens normale werking van de verschilversterker wordt 20 een ingangssignaal VjN over de ingangsaansluitingen 18 en 28 gelegd, dat naar de basissen van de transistors Q2 en Q5 overgedragen wordt en over de weerstanden 40 en 42 opgewekt wordt voor het leveren van een signaalstroom lg die via de collectors van de transistors Q4 en Q8 uitgevoerd wordt. Wanneer beide 25 ingangen 18 en 28 met gelijke spanning gebalanceerd zijn wordt de door de stroomgenerator 44 geleverde stroom 2I„ gelijkelijk hi verdeeld over de weerstanden 40 en 42, zodat beide helften van de verschilversterker gelijk geleiden en de signaalstroom Ig nul is. De signaalstroom I wordt opgewekt wanneer de ingangs- b 30 spanningen aan de aansluitingen 18 en 28 verschillend zijn.

Om het mechanisme volledig te begrijpen wordt voor het moment slechts de linker helft 10 van de verschilversterker beschouwd. Wanneer een klein signaal naar de ingangsaansluiting 18 gevoerd wordt volgt de emitter van de transistor Q1 de 35 ingang, wat een kleine verandering van de collectorstroom van de transistor Q2 en daardoor een kleine verandering van de spanning aan de basis van de transistor Q3 tot gevolg heeft.

8702370 - 5 -

Deze kleine verandering wordt overgedragen door de werking als emittervolger van de transistors Q3 en Q4, en door geleidende dioden Dl en D2 terug naar de basis van de transistor Q2. Wanneer gelijke spanningsvallen voor alle halfgeleiderovergan-5 gen in de keten (basis-emitter van Q3 en Q4, en alle dioden) gelijk verondersteld worden, is de potentiaal aan de kathode van de diode D3 gelijk aan de potentiaal aan de emitter van de transistor Q4 en dus aan de basis van de transistor Q2, wat afsnijding van de diode D4 tot gevolg heeft.

10 Zoals in de voorgaande alinea toegelicht voor normale werkingsomstandigheden is het linkergedeelte 10 van de verschil ver sterker als getoond in fig. 2. Dat wil zeggen dat de basis-emitterovergangen van de transistors Q3 en Q4 en de dioden Dl en D2 een eerste terugkoppelweg vanaf de collector 15 naar de basis van de transistor Q2 vormen voor normale lineaire werking. De stroombron 20 levert een constante stroom voor de geleiding van de diode D2, terwijl de stroomput 22 zorgt voor geleiding van de transistor Q3.

Nu wordt aangenomen dat het signaal aan de aansluiting 18 20 (de basis van Ql) ten opzichte van de potentiaal aan de aansluiting 28 (de basis van Q6) negatief getrokken wordt door een grote negatief gaande spanningszwaai die gelijk is aan of groter dan het produkt IgRg. In een dergelijk geval gaat de gehele door de stroomgenerator 44 geleverde stroom 2IE door de 25 weerstand 42 en gaat geen stroom door de weerstand 40, waardoor de dioden Dl en D2 en de transistor Q4 afgesnedenworden, waardoor de eerste terugkoppelweg geopend wordt. Wanneer deze actie optreedt schakelt de diode D4 echter in, wat een tweede terugkoppelweg vanaf de collector naar de basis van Q2 via de 30 basis-emitterovergang van de transistor Q3 en de dioden D3 en D4 geeft. Zoals in de voorgaande alinea toegelicht voor een grote negatief gaande spanningszwaai aan de ingangsaansluiting 18 is de linker helft 10 van de verschilversterker in figuur 3 getoond. De tweede terugkoppelweg houdt de transistor Q2 uit 35 verzadiging en de transistor Ql uit afsnijding wanneer de gehele buffertrap met eenheidsversterking met het ingangssignaal negatief zwaait. Deze actie voorkomt ook een verschil 8702379 - 6 - in vermogensdissipatie in de vorm van warmte in de transistors Ql en Q2. Hierdoor is snelle herstelling volgend op een over-sturingstoestand mogelijk omdat er geen verzadigingseffecten of thermische effecten overwonnen hoeven te worden.

5 In de oversturingstoestand is de versterking van de ver schil ver sterker nul en wordt de uitvoer niet beïnvloed door het oversturingssignaal. De uitgangsstromen voor de toegelichte oversturing zijn 2IE via de transistor Q8 aan de rechterkant en de stroom vanaf de stroomgenerator 22 via de transistor Q3 10 aan de linkerkant. Wanneer de rechter helft van de verschil-versterker de negatief gestuurde kant is, waarbij bijvoorbeeld de basis van de transistor Q6 negatief getrokken wordt, gaat de stroom 2I„ door Q4, terwijl de stroom vanaf de stroomgenerator

E

32 door Q7 gaat.

15 In plaats van de getoonde Schottky dioden kunnen bipolaire dioden gebruikt worden.

8702379

Claims (1)

1. * - 7 - Verschilversterker met twee gelijke helften, elk omvattende : een bufferversterkingsingangstrap, omvattende een emitter gekoppeld paar transistors, waarbij een basis van een eerste 5 transistor van het paar met een ingangsaansluiting verbonden is, een eerste terugkoppelweg, vanaf de collector naar de basis van een tweede transistor van het paar, omvattende als Darlington-transistor verbonden derde en vierde transistors en 10 een eerste diode en een tweede diode, en een tweede terugkoppelweg, vanaf de collector naar de basis van de tweede transistor van het paar, omvattende een derde transistor en een derde diode en een vierde diode; waarbij slechts een van de eerste en tweede terugkoppel-15 wegen tegelijk met de bufferversterkeringangstrap werkzaam is; en waarbij de helften met elkaar verbonden zijn voor het vormen van een verschilversterker waarin beide eerste terug-koppelwegen in een eerste werktoestand geleiden, en waarin een tweede terugkoppelweg in een van de helften in een tweede 20 werktoestand geleidt. 8702379