DE1272378B

DE1272378B - Gleichstromgekoppelter Differential-Operationsverstaerker

Info

Publication number: DE1272378B
Application number: DEP1272A
Authority: DE
Inventors: Melvin George Wilson
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1965-10-06
Filing date: 1966-10-04
Publication date: 1968-07-11
Also published as: GB1144808A; FR1493916A; US3414831A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES -^Pfiw^ PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H03f

Deutsche Kl.: 21 a2 -18/02

Nummer: 1272378

Aktenzeichen: P 12 72 378.3-31 (J 31914)

Anmeldetag: 4. Oktober 1966

Auslegetag: 11. Juli 1968

Die Erfindung bezieht sich auf einen gleichstromgekoppelten Differential-Operationsverstärker mit eingangsseitiger Differential-Verstärkerstufe und ausgangsseitiger Emitterfolgestufe, der unabhängig von Betriebsspannungsschwankungen ist.

Operationsverstärker sind in großer Anzahl bekannt und finden weitverbreitete Anwendung. Unter einem Operationsverstärker versteht man eine besondere Klasse von gegengekoppelten Verstärkern. Die normalen Verstärker dienen dazu, ein Signal zu verstärken und dabei die Form des Signals möglichst zu erhalten. Bei den Operationsverstärkern steht die Verstärkung nicht im Vordergrund. Sie üben vielmehr auf die angelegte Signalform einen linearen Differential-Operator aus. Den Kern bildet ein Verstärker mit einem Verstärkungsfaktor, der als frequenzunabhängig betrachtet wird. Wesentlich ist, daß die Eingangsimpedanz des Verstärkers als unendlich angenommen wird, d. h., daß in die Eingangsklemme kein Strom fließen kann, während die Ausgangsimpedanz klein ist.

Bei einem idealen Differential-Operationsverstärker ist die Leerlaufspannungsänderung als Funktion der Betriebsspannungsänderung gleich Null. Bei den meisten Operationsverstärkern jedoch ist eine Ausgangsspannungsänderung in Abhängigkeit von wenigstens einer oder zwei Betriebsspannungen durchaus feststellbar (d. h., sie liegen in Abhängigkeit von dem speziellen Aufbau in der Größenordnung von 25 bis 200°/₀).

Demgemäß ist es die Aufgabe der Erfindung, einen Differential-Operationsverstärker anzugeben, bei dem diese Abhängigkeit nicht vorhanden ist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Kollektor der eingangsseitigen, emittergekoppelten Differential-Verstärkerstufe mit der Basis einer zwischen Emitter und Basis ein erstes Dämpfungsglied aufweisenden Kollektorstufe verbunden ist, deren Emitterausgang am Emittereingang einer im Kollektorkreis ein zweites Dämpfungsglied aufweisenden Basisstufe liegt, und daß der Kollektorausgang dieser Basisstufe mit dem Basiseingang einer Emitterfolgestufe verbunden ist, deren Emitterausgang zum Eingang der Differential-Verstärkerstufe rückgekoppelt ist.

Vorteilhaft ist es, daß das erste Dämpfungsglied zwischen Emitter und Basis der Kollektorstufe aus der Parallelschaltung eines Kondensators und eines Widerslandes besteht.

Weiterhin wird vorgeschlagen, daß das zweite Dämpfungsglied durch ein RL-Netzwerk im Emitterkreis der Differential-Verstärkerstlife ersetzt ist.

Gleichstromgekoppelter
Differential-Operationsverstärker

Anmelder:

International Business Machines Corporation,

Armonk,N.Y.(V.St.A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Busch, Patentanwalt,

7030 Böblingen, Sindelfinger Str. 49

Als Erfinder benannt:
Melvin George Wilson,
·. Rochester, Minn. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 6. Oktober 1965
(493 395)

Insbesondere ist es von Vorteil, wenn die Induktivität des RL-Netzwerkes in eine Reihenschaltung aus einer verhältnismäßig großen Induktivität und einer verhältnismäßig kleinen Induktivität aufgespalten ist, so daß die Reihenschaltung den gewünschten Wert ergibt.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nunmehr an Hand der Zeichnung erfolgenden Beschreibung. Es zeigt

Fig. 1 das Schaltbild eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels und

F i g. 2 eine Abwandlung dieses Ausführungsbeispiels, wobei im Emitterkreis der Differential-Verstärkerstufe ein induktives Dämpfungsglied eingefügt ist.

Der in Fig. 1 dargestellte Operationsverstärker hat einen Eingangswiderstand R_ei„, einen Gegenkopplungswiderstand Rf und einen Ausgang e₀. Die innere Schaltung des Verstärkers setzt sich aus einer eingangsseitigen Differential-Verstärkerstufe T₁, einer zwischen Emitter und Basis gegengekoppelten Kollektorstufe T₂, einer Basisstufe T₃ und einer sich aus den Transistoren T₄. und T₅ zusammensetzenden Emitterfolgestufe zusammen. An jeden Emitter der Transistoren TJ ist ein Widerstand .R₁, angeschlossen; die beiden anderen Anschlüsse dieser Widerstände sind miteinander verbunden. Der gemeinsame Verbindungspunkt liegt über einen Widerstand R₁ an der

809 569/420

Betriebsspannung —36 Volt. An die Basis des zweiten, die Differential-Verstärkerstufe T₁ bildenden Transistors ist ein Widerstand angeschlossen, der gleich dem Verhältnis Rückkopplungswiderstand R_f zu Eingangswiderstand R_11n ist.

Die zwischen Emitter und Basis der Kollektorstufe T₂ liegende Gegenkopplung besteht aus der Parallelschaltung eines Widerstandes R₂ mit der Reihenschaltung aus dem Widerstand R₁₁ und der Kapader eine Transistor der Differential-Verstärkerstufe T₁ und der Transistor 7^ nicht in die Sättigung gesteuert wird. Durch die Schwankung der +6-Volt-Betriebsspannung verändert sich der Kollektorstrom des betreffenden Transistors der Stufe T₁. Dadurch ändert sich der Spannungsabfall am Widerstand R₂. Auf diese Weise gelangt die Betriebsspannungsänderung zum Kollektor T₂, der seinerseits mit dem Emitter Tj über den Widerstand R₃ gekoppelt ist. Da die Be-

zität C₂. Kapazität C₂ und Widerstand R₂ stellen das io triebsspannungsänderung sowohl an der Basis als

wichtigste, erste Dämpfungsglied dar. Widerstand R_a zusammen mit Kapazität C₂ schwächen die Wirkung des ersten Dämpfungsgliedes ab und bewirken, daß die Dämpfungskurve im Leerlaufbetrieb bei einer bi

auch am Emitter des Transistors T₃ ¹ anliegt, ergibt sich am Ausgang von T₃ keine Änderung.

Schwankungen der +30-Volt-Betriebsspannung haben in erster Näherung keinen Einfluß auf die

bestimmten Frequenz, im betrachteten Beispiel bei 15 Ausgangsspannung. Der Kollektor von T₃ wird auf

450 kHz, abgeflacht wird. Der Emitter des Transistors T₂ ist über den Widerstand R₇ an +30VoIt Betriebsspannung und über den Widerstand R₃ an den Emitter der Basisstufe T₃ angeschlossen. Der einem Potential gehalten, das im wesentlichen vom Kollektorstrom von 7} über Widerstand R₂ bestimmt ist. Die 30-Volt-Betriebsspannungsquelle stellt lediglich genügend Strom für den Kollektor von T₁ und

Kollektor der Basisstufe 7^ steht über den Wider- 20 den Emitter von T, zur Verfügung, ein Überschuß

stand R₄. mit der — 36-Volt-Betriebsspannung in Verbindung. Das zweite Dämpfungsglied wird von der Kapazität C₄ und dem Widerstand R₄. gebildet. Der Widerstand R_b wirkt in ähnlicher Weise wie der Widerstand R₁₁.

Der Ausgang der Basisstufe Tj ist mit der Basis des Transistors T₄. verbunden, der zusammen mit dem Transistor T₅ eine Emitterfolgestufe bildet. Der Kollektor von T₄. und die Basis von T₅ sind mitwird vom Kollektor des T₂ aufgenommen. Es ergibt jedoch einen Einfluß zweiter Ordnung dieser Betriebsspannungsschwankungen infolge der begrenzten Stromverstärkung des Transistors T₂. Wie eben festgestellt, verursachen Schwankungen der +30-VoIt-Betriebsspannung Schwankungen des Kollektorstromes von T₂. Dies wiederum verursacht eine Änderung des Basisstromes von T₂, was sich in einer Änderung des Spannungsabfalls an Widerstand R₂ niederschlägt.

einander verbunden und über den Widerstand R₆ an 30 Die Schwankung des Kollektorstromes von T₂ bedie Anschlußklemme +30 Volt der Betriebsspannung
angeschlossen. Der Emitter von T₄. und der Kollektor von T₅ sind ebenfalls miteinander verbunden
und liegen über den Widerstand R₅ an der Anschluß

IP

trägt etwa -=~ , wobei . \E der Änderung der 30-Volt-Betriebsspannung entspricht. Die Änderung des Basisstromes von T₂, die gleich der Änderung des Kol

klemme — 36 Volt der Betriebsspannung. Der Emitter 35 lektorstromes von T₂ geteilt durch den Stromver

stärkungsfaktor ist, beträgt demnach

f F

Änderung des Kollektorpotentials von T₂[Ae₁.) ist gleich der Änderung des Basisstromes multipliziert

von T₄. bildet den Ausgang des Verstärkers und ist über den Widerstand R_f auf den Eingang des Verstärkers rückgekoppelt.

Am Ende der Beschreibung sind die Werte für
die wesentlichen Schaltelemente für ein Ausführungs- 40 . _D , , . . JZiR, _D · . .- . · · , h«c«.vi «„« v^tarv-ro «.SR ρ ! „ 1 _nnA -> L· ^mit ^ ^also S^leich ^T?" beispiels-

weise zugrunde gelegten Werten und der Annahme eines typischen /? von 100 wird der Faktor -^-f~

beispiel eines Verstärkers gemäß F i g. 1 und gegeben.

Die in den Fig. 1 und 2 gezeigten Schaltungen sind so aufgebaut, daß sie am Ausgang relativ un-

empfindlich gegen Schwankungen der Betriebsspan- 45 gleich 0,025, und die Leerlaufausgangsspannung e₀ nungen sind. Es kann auf mathematischem Wege ist etwa gleich 6e_e. Deshalb errechnet sich Je₀ zu gezeigt werden, daß Schwankungen der Leerlaufspannung am Ausgang (Jc₀) von Schwankungen

der —36-Volt-Betriebsspannung in folgender Weise abhängig sind:

g _c ₀

0,15 J E, wobei AE gleich der Änderung der + 30-Volt-Betriebsspannung ist.

Die beiden im Verstärker verwendeten Dämpfungsglieder sind R₂C₂ und R₄C₄.. Diese beiden Dämpfungsglieder sind im angenommenen Beispiel so ausgelegt, daß sie im belasteten Falle eine 6-db-Dämpfung bei 500 kHz und eine 12-db/Oktave-Dämpfung von 500 kHz bis etwa 10 MHz bewirken, i Widd d R id hl dß

wobei AE = die Schwankung der —36-Volt-Betriebsspannung ist. Wählt man den Wert des Bruches 55 Die Widerstände R₀ und R_b sind so gewählt, daß

RR
¹ ^A gleich oder etwa gleich 1, so wird die Leer-

2K₁R₃

die Dämpfungskurve der beiden Dämpfungsglieder bei etwa 10 MHz abgeflacht wird.

Bei hohen Frequenzen wird die Impedanz des zweiten Dämpfungsgliedes [R₄C₄) so niedrig, daß

laufausgangsspannung vonÄnderungen der — 36-Volt-Betriebsspannung unabhängig. Die Widerstände im

hier betrachteten Beispiel sind so gewählt, daß der 60 nur verhältnismäßig kleine Amplituden unverzerrt Wert des Bruches = 1,06 ist, was ausreicht, daß übertragen werden, da der von der Differentialdie Leerlaufausgangsspannung e₀ nahezu unempfind- Verstärkerstufe T₁ gelieferte Strom begrenzt ist lieh gegen Schwankungen der negativen Betriebs- (0,5 Volt Spitze—Spitze bei 500 kHz). Diese Schwiespannung ist. rigkeit kann umgangen werden, indem das zweite Eine Schwankung der +6-Volt-Betriebsspannung 65 Dämpfungsglied durch ein RL-Netzwerk im Emittererscheint sofort an der Basis der Basisstufe TJ. Es kreis der Differential-Verstärkerstufe ersetzt wird, ist hier darauf hinzuweisen, daß die zulässige Schwan- Diese Maßnahme ist in F i g. 2 dargestellt Diese Schalkung innerhalb eines Bereiches liegen muß, in dem tung ist mit der in Fig. 1 gezeigten Schaltung

identisch bis auf ein #L-Netzwerk, das an Stelle des Dämpfungsgliedes R₄C₄ im Emitterkreis der Differential-Verstärk erstufe eingebaut ist. Der in F i g. 2 dargestellte Verstärker ergibt bei 500 kHz eine unverzerrte Ausgangsspannung von 6 Volt Spitze Spitze.

Um die beschriebenen Eigenschaften zu erzielen, muß die Induktivität L des RL-Netzwerkes einen vorgeschriebenen Wert haben. Es ist aber bekannt, daß alle Induktivitäten eine Streukapazität aufweisen, die unerwünschte Phasenprobleme mit sich bringt. Diese Probleme können durch Aufspalten der Induktivität L in eine relativ große Induktivität L₁ und eine relativ kleine Induklivität L₁, weitgehend vermieden werden. Im betrachteten Beispiel ist L₁ zu 120 μΗ und L₁₁ zu 13 μΗ gewählt. Die Resonanzfrequenz von L₁ und L₂ bt-irägt etwa 5 MHz, während die Resonanzfrequenz der kleineren Induktivitäten L₁₁ und L₇, etwa 40 Milz beträgt. Infolge der Aufteilung der Induktivität ergibt die Gesamtinduktivität eine hohe Resonanzfrequenz und erscheint bei hohen Frequenzen deshalb als reine Induktivität, so daß das Problem der Slieukapazität nicht auftritt.

Die folgende Aufstellung stellt lediglich ein Beispiel für die Wahl di:r Schaltelemente der erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung dar.

R,	= 17 7 kü,
R₂	= 6,04 ki2,
R,	= 147 ki).
R₄	= 0.13 k£2.
Rs	= IJkLl
	= 21 kü.
	= 2,4 kü.
	= 3(K) U,
R,	= 430 U,
Rh	(.0 kü,
U	= L₂ -- 120 _μΗ,
K	= I.,, = 13 _μΗ,
C₂	= 5(K)JiF,
C₄	= 330 pF,
K	= IH ILl.

Die Beschreibung der dargestellten Ausführungsbeispiele zeigt, daß durch die Erfindung ein Operationsverstärker ermöglicht wird, der weitgehend unabhängig von Stromversorgungsschwankungen ist und außerdem einen wählbaren Frequenzgang aufweist.

Claims

Patentansprüche:

1. Gleichstromgekoppelter Differential-Operationsverstärker mit eingangsseitiger Differential-Verstärkerstufe und ausgangsseitiger Emitterfolgestufe, der unabhängig von Betriebsspannungsschwankungen ist, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Kollektoren der eingangsseitigen, emittergekoppelten Differential-Verstärkerstufe (T₁) mit der Basis einer zwischen Emitter und Basis ein erstes Dämpfungsglied aufweisenden Kollektorstufe (T₂) verbunden ist, deren Emitterausgang am Emittereingang einer im Kollektorkreis ein zweites Dämpfungsglied aufweisenden Basisstufe (7^) liegt, und daß der Kollektorausgang dieser Basisstufe mit dem Basiseingang einer Emitterfolgestufe (T₄, T₅) verbunden ist, deren Emitterausgang zum Eingang der Differential-Verstärkerstufe rückgekoppelt ist.

2. Gleichstromgekoppelter Differential-Operationsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Dämpfungsglied zwischen Emitter und Basis der Kollektorstufe aus der Parallelschaltung eines Kondensators und eines Widerstandes besteht.

3. Gleichstromgekoppelter Differential-Operationsverstärker nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Dämpfungsglied durch ein i?L-Netzwerk im Emitterkreis der Differential-Verstärkerstufe ersetzt ist.

4. Gleichstromgekoppelter Differential-Operationsverstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität des RL-Netzwerkes in eine Reihenschaltung aus einer verhältnismäßig großen Induktivität und einer verhältnismäßig kleinen Induktivität aufgespalten ist, so daß die Reihenschaltung den gewünschten Wert ergibt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

109 569/420 7. U Q Bundedruckerti Berlin