DE10207675A1

DE10207675A1 - Schaltungsanordnung für einen stromgesteuerten Widerstand mit erweitertem Linearitätsbereich

Info

Publication number: DE10207675A1
Application number: DE10207675A
Authority: DE
Inventors: Cord Heinrich Kohsiek
Original assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 2002-02-22
Filing date: 2002-02-22
Publication date: 2003-09-04
Also published as: US6867636B2; US20030227317A1

Abstract

Schaltungsanordnung für einen in Bipolartechnik realisierbaren und über den Strom (Io1, Io2) gesteuerten Widerstand mit hoher Linearität, die aus zwei Transistorpaaren, bestehend aus als Dioden geschalteten Transistoren (T1...T4) gleichen Leitungstyps, aufgebaut ist. Jedes Transistorpaar (T1, T2 und T3, T4) weist einen gemeinsamen Verbindungspunkt (D, E) auf, der die Anoden des einen und die Kathoden des anderen Diodenpaares miteinander verbindet. Der Verbindungspunkt (D) des ersten Transistorpaares (T1, T2) liegt in deren Kollektorleitung, verbindet also die Anoden und stellt den Einspeisepunkt für eine erste Steuerstromquelle (Io1) dar. Der Verbindungspunkt (E) des zweiten Transistorpaares verbindet die Kathoden, liegt also in deren Emitterleitung, und stellt den Einspeisepunkt für eine zweite Steuerstromquelle (Io2) dar. Die Emitterleitung des ersten Transistors (T1) ist mit der Kollektorleitung des ersten Transistors (T3) des zweiten Paares verbunden, wobei dieser Verbindungspunkt (B) auch den einen Widerstandsanschluß (A') bildet. Die Emitterleitung des zweiten Transistors (T2) des ersten Paares ist mit der Kollektorleitung des zweiten Transistors (T4) des zweiten Paares verbunden, wobei dieser Verbindungspunkt (C) mit dem zweiten Anschlußpunkt (A'') des Widerstandes kontaktiert ist. Der erfindungsgemäße stromgesteuerte Widerstand weist eine hohe Linearität auf und ist schaltungstechnisch einfach zu realisieren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen stromgesteuerten Widerstand mit erweitertem Linearitätsbereich.
Als steuerbarer Widerstand werden in integrierten bipolaren Schaltungen Dioden oder Transistoren verwendet, deren Innenwiderstand vom Strom gesteuert wird. Nachteil ist die begrenzte Linearität des Widerstandsverlaufs, die auf die Verwendung an sich nicht linearer Elemente zurückzuführen ist.
Aus der DE 30 27 071 A1 ist die Verwendung von zwei Transistorpaaren als Transistorverstärker bekannt, wobei jedes Transistorpaar zwei NPN-Transistoren umfaßt, deren Emitter direkt miteinander verbunden sind. In die gemeinsame Emitterzuleitung des jeweiligen Transistorpaares ist je eine Konstantstromquelle geschaltet, d. h. eine Gleichstromquelle, deren Strom unabhängig von der Spannung an den Basiselektroden des zugeordneten Transistorpaares ist. Der andere Anschluß der Konstantstromquelle ist mit Masse verbunden. Die Kollektorelektrode des ersten Transistors des ersten Paares ist mit der ersten Kollektorelektrode des zweiten Paares verbunden, wobei der gemeinsame Kollektoranschluß über einen Widerstand mit einer positiven Speisespannung verbunden ist und gleichzeitig die Ausgangsklemme A der Verstärkung bildet. Analog dazu ist die Kollektorelektrode des zweiten Transistors des ersten Paares mit der zweiten Kollektorelektrode des zweiten Transistorpaares und der gemeinsame Kollektoranschluß über einen Widerstand mit der gleichen positiven Speisespannung verbunden und bildet gleichzeitig die Ausgangsklemme A'. Die vier Transistoren haben die gleiche Kennlinie. Um bei dieser Schaltungsanordnung die nichtlinearen Verzerrungen zu verbessern, wird in jeweils eine Zuleitung für den Basisstrom des einen Transistors eines Transistorpaares eine Gleichspannungsquelle geschaltet. Bei einer anderen Variante eines Transistorverstärkers aus der DE 30 27 071 A1 wird auf die zusätzliche Gleichspannungsquelle im Basisstromkreis verzichtet, die Verbesserung der nichtlinearen Verzerrung erfolgt hierbei dadurch, daß jeweils eine Emitterfläche eines Transistorpaares um den Faktor k größer ist als die andere Emitterfläche.
Die Steilheit der in der DE 30 27 071 A1 beschriebenen Schaltungsanordnung für einen linearisierten Widerstand ist durch den Betrag der Stromquellen steuerbar. Dies bedeutet, daß der Betrag der Verstärkung zwischen der Eingangsspannung am Eingangsklemmenpaar und der Ausgangsströmung am Ausgangsklemmenpaar steuerbar ist. Diese Schaltung betrifft einen vierpoligen Spannungs-Strom-Wandler.
Die in der DE 30 27 071 A1 beschriebene Schaltungsanordnung enthält den linearisierten und steuerbaren Widerstand als nicht herauslösbaren und deshalb nicht separat verwendbaren Bestandteil eines Differenzverstärkers.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen in integrierter Technik realisierbaren stromgesteuerten Widerstand mit hoher Linearität zu schaffen, der als Zweipol in andere Schaltungen eingefügt werden kann, aus Transistoren gleichen Leitungstyps besteht und durch Stromquellen steuerbar ist.
Diese Aufgabe wird von einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 gelöst. Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß die Kombination zweier unsymmetrischer und verschobener Differenzverstärkerkennlinien zur zumindest teilweisen Kompensation der Kennlinienkrümmung führt.
Erfindungsgemäß wird eine Schaltungsanordnung für einen stromgesteuerten Widerstand mit erweitertem Linearitätsbereich vorgeschlagen, unter Verwendung einer Anordnung aus nichtlinearen, bipolaren Elementen, wobei der Widerstand zwischen einem ersten und einem zweiten Anschluß erzeugt wird, mit

- einem ersten Steueranschluß (D), der von einer ersten Stromquelle (Io1) gespeist wird,
- einem zweiten Steueranschluß (E), der von einer zweiten Stromquelle (Io2) gespeist wird,
- sowie einer Kennlinienverschiebung durch unterschiedliche Flächenfaktoren,

- die Anordnung der nichtlinearen Elemente im wesentlichen aus zwei Paaren bipolarer Transistoren gleichen Leitungstyps besteht, die einen gemeinsamen Verbindungspunkt haben und deren Basen und Kollektoren jeweils miteinander verbunden sind, so daß sie als Diode wirken,
- der Verbindungspunkt des ersten Transistorpaares sich in deren gemeinsamer Kollektorleitung befindet und gleichzeitig der Einspeisepunkt für die erste Steuerstromquelle ist,
- der Verbindungspunkt des zweiten Transistorpaares sich in deren gemeinsamer Emitterleitung befindet und gleichzeitig der Einspeisepunkt für eine zweite Steuerstromquelle ist,
- die Transistoren vom gleichen Leitungstyp sind, aber einen unterschiedlichen Flächenfaktor haben,
- die beiden ein Paar bildenden Transistordioden unterschiedliche Flächenfaktoren haben, wobei der Flächenfaktor der ersten Transistordiode des ersten Paares gleich dem Flächenfaktor der ersten Transistordiode des zweiten Transistorpaares ist und der Flächenfaktor des zweiten Transistors des ersten Paares gleich dem Flächenfaktor des zweiten Transistors des zweiten Paares ist,
- die Emitterleitung des ersten Transistors des ersten Paares einen Verbindungspunkt mit der Kollektorleitung des ersten Transistors des zweiten Paares aufweist, wobei dieser Verbindungspunkt auch der erste Widerstandsanschluß ist,
- die Emitterleitung des zweiten Transistors des ersten Paares einen Verbindungspunkt mit der Kollektorleitung des zweiten Transistors des zweiten Paares aufweist, wobei dieser Verbindungspunkt der zweite Widerstandsanschluß ist,
- die beiden Steuerstromquellen einen gemeinsamen Masseanschluß aufweisen und die beiden Steuerstromquellen Ströme gleicher Größe liefern.

Hiermit gelingt die Realisierung eines linearisierten und im weiten Bereich steuerbaren Widerstandes, dessen Leitwert proportional zum Steuerstrom ist. Die erfindungsgemäße Schaltung ist ein Zweipol, der für das zu verarbeitende Signal nur zwei Anschlüsse hat, zwischen denen ein definierter Strom-Spannungs-Zusammenhang mit besonderen Eigenschaften hergestellt wird.
Die Erfindung wird angewandt zur Verstärkungsregelung, als Pin-Diode, als Modulator, als Multiplizierer, als Abschwächer oder als steuerbarer Tief oder Hochpaß.
Vorteil der Erfindung ist, daß der Steuerstrom und der Signalstrom nicht über dieselben Klemmen geführt werden.
Im folgenden soll die Erfindung lediglich beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
Fig. 2 die Kennlinie der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 und
Fig. 3 den Widerstandsverlauf der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 in Abhängigkeit von der Spannung.
Das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in Fig. 1 weist einen ersten und einen zweiten Anschluß A' bzw. A" für den Widerstandsanschluß auf, welche Anschlüsse A' bzw. A" je mit einem ersten bzw. einem zweiten Verbindungspunkt B bzw. C kontaktiert sind. Steuersignale werden durch zwei gleich große Stromquellen Io1 und Io2 gebildet, die mit einem dritten bzw. einem vierten Verbindungspunkt D bzw. E verbunden sind. Ein weiterer Anschluß A''' stellt einen Masseanschluß GND dar.
Die Schaltung besteht aus zwei Transistorpaaren T1, T2 und T3, T4, wobei bei diesem Ausführungsbeispiel Basis und Kollektor jedes der Transistoren T1 . . . T4 jeweils miteinander verbunden sind, so daß diese Transistoren T1 . . . T4 als Diode wirken. Der dritte Verbindungspunkt D als Verbindungspunkt des ersten Transistorpaares befindet sich in der jeweiligen Kollektorleitung der Transistoren T1 und T2 und ist gleichzeitig Einspeisepunkt für eine erste der Stromquellen Io1, Io2, die Konstantstromquelle Io1. Der vierte Verbindungspunkt E der Transistoren T3 und T4 des zweiten Transistorpaares T3, T4 befindet sich in deren gemeinsamer Emitterleitung und ist gleichzeitig Einspeisepunkt für eine zweite der Stromquellen Io1, Io2, die Konstantstromquelle Io2.
Das erste und das zweite Transistorpaar T1, T2 und T3, T4 sind an den Verbindungspunkten B und C miteinander verbunden. Dabei steht die Emitterleitung des ersten Transistors T1 des ersten Transistorpaares T1, T2 mit der Kollektorleitung des ersten Transistors T3 des zweiten Transistorpaares T3, T4 am Verbindungspunkt B in Kontakt; entsprechend steht die Emitterleitung des zweiten Transistors T2 des ersten Transistorpaares T1, T2 am Verbindungspunkt C in Kontakt mit der Kollektorleitung des zweiten Transistors T4 des zweiten Transistorpaares T3, T4.
In einer bevorzugten Ausführungsform haben die beiden ersten Transistoren T1, T3 des ersten und des zweiten Transistorpaares T1, T2 und T3, T4 den gleichen Flächenfaktor area, der sich von dem gemeinsamen Flächenfaktor der zweiten Transistoren T2, T4 des ersten und des zweiten Transistorpaares T1, T2 und T3, T4 unterscheidet. In dem Ausführungsbeispiel ist der Flächenfaktor area der beiden ersten Transistoren T1, T3 des ersten und des zweiten Transistorpaares T1, T2 und T3, T4 um das Vierfache größer als der Flächenfaktor area der beiden zweiten Transistoren T2, T4 des ersten und des zweiten Transistorpaares T1, T2 und T3, T4, und zwar beträgt er
area = 4 für die Transistoren T1 und T3 und
area = 1 für die Transistoren T2 und T4.
Die Schaltungsanordnung läßt sich sowohl mit NPN- als auch mit PNP-Transistoren realisieren. Auch die Verwendung von N- oder P-Kanal-Feldeffekt-Transistoren sowie auch diskreter Dioden ist möglich.
Fig. 2 zeigt ein Diagramm mit der Differenzverstärkerkennlinie des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Dargestellt ist der Strom Iin, gemessen am Verbindungspunkt B der Transistoren T1 und T3, über der Eingangsspannung Uin, gemessen zwischen den Anschlüssen A' und A'''. Zu erkennen ist, daß die Kennlinie in einem Bereich um ihren mit 0.0, 0.0 bezeichneten Mittelpunkt herum einen geraden Verlauf hat, die Steigung s also konstant ist. Die Gleichung (1) drückt den Leitwert des stromgesteuerten Widerstandes gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung aus und lautet:

wobei mit DIin ein Strominkrement des Stromes Iin und mit Duin ein Spannungsinkrement der Eingangsspannung Uin bezeichnet ist.
Der von der Eingangsspannung Uin erzeugte Strom Iin verhält sich also proportional zu der Eingangsspannung Uin. Für Spannungswerte, die sich weiter von dem Nullpunkt entfernen, nimmt die Kennlinie den typischen gekrümmten Verlauf an. Zu erkennen ist des weiteren, daß eine positive Eingangsspannung Uin einen positiven Strom Iin erzeugt und eine negative Eingangsspannung Uin einen negativen Strom Iin.
Das in Fig. 3 dargestellte Diagramm zeigt den Verlauf des Widerstandswertes des stromgesteuerten Widerstands in Abhängigkeit von der Eingangsspannung Uin. Die Gleichung (2) für diesen Widerstandsverlauf a ergibt sich aus dem Reziproken des Leitwerts s und lautet:

Deutlich zu erkennen ist, daß der Widerstand um den Nullpunkt herum einen konstanten Wert hat, in diesem Ausführungsbeispiel von ungefähr 81,5 kΩ. BEZUGSZEICHENLISTE a Verlauf des Widerstandswertes des stromgesteuerten Widerstands in Abhängigkeit von der Eingangsspannung Uin
A' Erster Anschluß für den Widerstandsanschluß bzw. erster Widerstandsanschluß
A" Zweiter Anschluß für den Widerstandsanschluß bzw. zweiter Widerstandsanschluß
A''' Weiterer Anschluß, stellt den Masseanschluß GND dar
area Flächenfaktor der Transistoren T1, T2, T3 bzw. T4
B Erster Verbindungspunkt
C Zweiter Verbindungspunkt
D Dritter Verbindungspunkt bzw. erster Steueranschluß, der von der ersten Stromquelle Io1 gespeist wird
E Vierter Verbindungspunkt bzw. zweiter Steueranschluß, der von der zweiten Stromquelle Io2 gespeist wird
GND Masseanschluß, durch Anschluß A''' dargestellt
Iin Strom, gemessen am Verbindungspunkt B
Io1 Erste Stromquelle bzw. erste Konstantstromquelle bzw. erste Steuerstromquelle
Io2 Zweite Stromquelle bzw. zweite Konstantstromquelle bzw. zweite Steuerstromquelle
s Verlauf des Leitwerts des stromgesteuerten Widerstands in Abhängigkeit von der Eingangsspannung Uin
T1 Transistor: Erster Transistor des ersten Transistorpaares
T2 Transistor: Zweiter Transistor des ersten Transistorpaares
T3 Transistor: Erster Transistor des zweiten Transistorpaares
T4 Transistor: Zweiter Transistor des zweiten Transistorpaares
T1, T2 Erstes Transistorpaar
T3, T4 Zweites Transistorpaar
Uin Eingangsspannung
DIin Strominkrement des Stromes Iin
DUin Spannungsinkrement der Eingangsspannung Uin

Claims

1. Schaltungsanordnung zum Steuern eines Widerstandes zwischen einem ersten und einem zweiten Anschluß (A', A"), die aus einem ersten und einem zweiten Transistorpaar (T1, T2; T3, T4) besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kollektoren des ersten Transistorpaares (T1, T2) und die beiden Basen des ersten Transistorpaares (T1, T2) mit einem dritten Verbindungspunkt (D) verbunden sind, daß die beiden Emitter des zweiten Transistorpaares (T3, T4) mit einem vierten Verbindungspunkt (E) verbunden sind, daß der Emitter des ersten Transistors (T1) des ersten Transistorpaares (T1, T2) und der Kollektor und die Basis des ersten Transistors (T3) des zweiten Transistorpaares (T3, T4) mit dem ersten Anschluß (A') verbunden sind und der Emitter des zweiten Transistors (T2) des ersten Transistorpaares und der Kollektor und die Basis des zweiten Transistors (T4) des zweiten Transistorpaares mit dem zweiten Anschluß (A") verbunden ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Einspeisepunkt einer ersten Steuerstromquelle (Io1) der dritte Verbindungspunkt (D) ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Einspeisepunkt einer zweiten Steuerstromquelle (Io2) der vierte Verbindungspunkt (E) ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (T1 . . . T4) als Transistordioden geschaltet sind.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweils erste Transistor (T1, T3) eines Transistorpaares um einen Flächenfaktor (area) größer gestaltet ist als der jeweils zweite Transistor (T2, T4) eines Transistorpaares.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Transistoren (T1 . . . T4) vom gleichen Leitungstyp sind.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Flächenfaktor (area) den Betrag 4 hat.

8. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (T1 . . . T4) als Dioden oder NPN-, PNP-, N-Kanal- oder P-Kanal-Feldeffekttransistoren ausgebildet sind.

9. Verwendung einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Verstärkungsregelung, als Pin-Diode, als Modulator, als Multiplizierer, als Abschwächer oder als steuerbarer Tief oder Hochpaß.

10. Verfahren zum Steuern eines durch Transistoren erzeugten Widerstandes mit einer aus einem ersten (T1, T2) und einem zweiten (T3, T4) Transistorpaar bestehenden Anordnung, insbesondere einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Widerstandsanschluß (A') mit dem Emitter eines ersten Transistors (T1) des ersten Transistorpaares (T1, T2) und mit dem Kollektor und der Basis eines ersten Transistors (T3) des zweiten Transistorpaares (T3, T4) verbunden ist und daß ein zweiter Widerstandsanschluß A" mit dem Emitter eines zweiten Transistors (T2) des ersten Transistorpaares (T1, T2) mit dem Kollektor und der Basis eines zweiten Transistors (T4) des zweiten Transistorpaares (T3, T4) verbunden ist und daß ein Steuerstrom (Io1) auf einen dritten Verbindungspunkt (D) gegeben wird und dieser dritte Verbindungspunkt (D) die Kollektoren und Basen des ersten Transistorpaares (T1, T2) miteinander verbindet und daß ein zweiter Steuerstrom (Io2) auf einen vierten Verbindungspunkt (E) gegeben wird und dieser vierte Verbindungspunkt (E) die Emitter des zweiten Transistorpaares (T3, T4) miteinander verbindet und daß durch verschiedene Flächenfaktoren (area) für die Transistoren (T1 . . . T4) die Linearität des durch den Betrag der Ströme der Steuerstromquellen (Io1, Io2) bestimmten Widerstandes verbessert wird.