DE1537590A1

DE1537590A1 - Differentialverstaerkerschaltung

Info

Publication number: DE1537590A1
Application number: DE19671537590
Authority: DE
Inventors: Henry Banasiewicz
Original assignee: G&E Bradley Ltd
Current assignee: G&E Bradley Ltd
Priority date: 1966-12-15
Filing date: 1967-12-13
Publication date: 1970-01-22
Also published as: GB1212342A; NL6717083A; DE1537590B2; FR1548008A

Description

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G. & E, Bradley, London /England

Differentialverstärkerschaltung

Die Erfindung betrifft eine Differentia!verstärkerschaltung, in der ein Differentialverstärker mit zwei Eingangsanschlüssen und zwei Ausgangsanschlüssen enthalten ist.

Die beiden Eingangsanschlüsse dea Differentialverstärkers sind symmetrisch zu einem gemeinsamen Punkt, der zum Verstärker gehört. Dieser gemeinsame Punkt ist häufig Erde oder Masse. Das zu verstärkende Signal wird zwischen den Eingangseinschlüssen angelegt. Wenn zwei verschiedene Signale miteinander verglichen werden sollen, werden sie zwischen dem gemeinsamen Punkt und einam der Eingangsanschlüsse getrennt angelegt.

Wenn ein Signal zwischen dem gemeinsamen Punkt und jeweils einem der Eingangsanschlüsse gleichzeitig angelegt wird, dann wird dieses Signal Gleichtaktsignal genannt. Ein Gleichtaktsignal kann in einer Quelle eines zwischen den Eingangsanschlüssen angelegten Signals entstehen, wenn die Innenimpedanz der Quelle nicht relativ zum gemeinsamen Punkt symmetrisch ist. Wenn ein Differentialverstärker ferner nicht völlig symmetrisch in Beaug auf den gemeinsamen Punkt (erdsymmetrisch) ausgebildet ist, erscheint ein gedämpftes Gleichtakteingangssignal am Ausgang des Verstärkers, selbst wenn die Eingangssignalquelle symmetrisch ist.

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Wenn es sich bei dem Differentialverstärker beispielsweise um einen Rechenverstärker mit jeweils einem Eingangswiderstand in jedem Eingangskreis und zwei Rückkopplungswiderständen handelt, und der Verstärker eine hohe Eingangsimpedanz haben soll, können die Eingangswiderstände beispielsweise einen Nennwert von 1 Mfihaben. Der Wert dieser Widerstände kann sich um etwa 10 kSLunterscheiden, bo daß vom Gleichtaktsignal hervorgerufene und über diese Widerstände fließende Ströme an unerwünschtes Eingangssignal erzeugen können, das in der gleichen Größenordnung wie das Nutzsignal liegt, das verstärkt werden soll. Da sich eine völlige Symmetrie in der Praxis nicht ausbilden läßt,ist ein Gleichtaktsüörsignal am Ausgang unvermeidlich.

Eine Aufgabe der Erfindung wird daher darin gesehen, die Gleichtaktsigna!unterdrückung bei Differentialverstärkern zu verbessern.

Gemä» ¹^r Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Umleitungsverstärker (by-pass amplifier) vorgesehen ist, der derart ausgebildet und angeordnet ist, daß er den Ausgangsanschlüssen Ausgleiohssignale zuführt, die weitgehend identisch mit den GleichtaktSignalen sind, wenn diese in einem vorbestimmten Teil des Differentialverstärkers auftreten.

Damit das Ausgleichsignal weitgehend identisch mit einem GMchtaktsignal ist, muß das Ausgleichsignal, wenn das Gleichtaktsignal eine Gleichstromkomponente enthält, ebenfalls eine Gleichstromkomponente enthalten, die in Betrag und Vorzeichen weitgehend gleich der

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Gleichstromkomponente des Gleichtaktsignals ist, und wenn daa Gleichtaktsignal eine Weehselstromkomponente enthält, muß das Ausgleichsignal ebenfalls eine Wechselstromkomponente enthalten, deren Amplitude weitgehend gleich der Amplitude der Wechselstromkomponente des GleichtaktsignaIs und die weitgehend in Phase mit der Wechselstromkomponente des Gleichtaktsignals ist.

Da die durch ein Gleichtaktsignal und das Ausgleichsignal hervorgerufenen Potentiale der Eingangs- und Ausgangsanschlüsse weitgehend gleich sind, fließt kein Gleichtaktstrom in einem vorbestimmten Teil des Verstärkers. So kann beispielsweise bei den erwähnten Rechenverstärkern dafür gesorgt werden, daß über die Eingangswiderstände keine unsymmetrischen Ströme mehr fließen.

Praktisch erscheint das Gleichtaktsignal jetzt am Verstärkerausgang, da das Ausgleichsignal den Ausgangsanschlüssen zugeführt wird, jedoch ist das Verhältnis des verstärkten Nutzsignals zum Gleichtaktsignal jetzt um einen Faktor verbessert, der gleich der Verstärkung des Verstärkers ist. Außerdem läßt sieh die Ausgangsimpedanz des Verstärkers sehr niedrig ausbilden, z.B. 1 Ohm, und die Eingangswiderstände eines nachgeschalteten Differentialrechenverstärkers können entsprechend hochohmig gewählt werden, so daß jede Unsymmetrie praktisch vernachlässigbar ist und das Gleichtaktsignal am Ausgang dieses nachgeschalteten Verstärkers leicht unterdrückt werden kann.

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Wie bereits erwähnt wurde, kann es sich "bei dem Verstärker um einen Rechenverstarker handeln, und außerdem kann er mehrere Stromübernahmestufen (auch emittergekoppelte oder kollektorgekoppelte. Gegentaktetufen genannt) mit Field-Effekt-Transistoren oder herkömmlichen Transistoren, weiterhin "Transistoren" genannt, enthalten.

Die Ausdrücke "Katode", "Anode" und "Steueranschluß" werden hier generell jeweils anstelle von Stromabgabeanschluß (Quelle) und Emitteranschluß, Saugelektrodenanschluß (Senke) und Kollektoranschluß und Tor- und Basisanschluß von FieldL-Effekt-Transistoren und Transistoren verwendet. Die Transistoren und Pield-Effekt-Transistoren werden weiterhin auch als aktive Bauelemente bezeichnet.

Bei dem Umleitungsverstärker kann es sich um einen Trennverstärker mit Verstärkungsfaktor 1 handeln, der zwischen die Katoden einer ersten Stromübernahmestufe und die Anoden einer zweiten Stromübernahmestufe geschaltet ist. Die Steueranschlüsse einer dritten Stromübernahmestufe, deren aktive Bauelemente als Katodenfolger geschaltet sind, und die die Verstärkerausgangsstufe bildet, können mit den Anoden der aktiven Bauelemente der zweiten Stromübernahmeschaltung verbunden sein.

Das Gleichtaktsignal wird dem Ausgang also praktisch über die Katodenfolger in der ersten Stromübernahmeschaltung, üb.er den Verstärker mit Verstärkungsfaktor 1 und über die Katodenfolger in der dritten Stromübernahmestufe zugeführt.

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Eine vierte Strömübernahmestufe mit zwei aktiven Bauelementen kann in die Anodenkreise der aktiven Bauelemente der ersten Stramübernahmestufe geschaltet sein, um eine Differenz zwischen der Amplitude des Gleichtaktsignals an den Steueranschlüssen und Katoden der aktiven Bauelemente der ersten Stromübernahmestufe zu verringern. Die Steueranschlüsse dieser vierten Stromübernahmestufe sind miteinander und über einen weiteren Trennverstärker mit Verstärkung 1 mit den Katoden der aktiven Bauelemente in der ersten Stromübernahmestufe verbunden, um die Gleichtakt signalunter drückung weiter zu verbessern.

Die beiden Trennverstärker Ic nnen in Reihe geschaltet sein, wobei der zuerst erwähnte Trennverstärker zwischen dem Ausgang des anderen Trennverstärkers und den Anoden der beiden aktiven Bauelemente der zweiten Stromübernahmestufe liegt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der Zeichnungen naher beschrieben.

In den Zeichnungen ist:

Pig. 1 ein Blockschaltbild einer Schaltung mit einem Differentialverstärker,

Fig. 2 ein Schaltbild eines erfindnngsgemäßen Differentialveräärkers und

Fig. 3 ein Schaltbild einer weiteren Ausführung eines erfindungsgemäßen Differentialverstärkers.

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Der in Pig. 1 dargestellte Differential-Rechenverstärker enthält ein oder mehrere Verstärkerstufen 10, Eingangswiderstände R₁ und R'_1f Rückkopplungswiderstände R₂ und R¹P und Eingarigsanschlüsse 11 und 12. Das zu verstärkende Signal wird aus einer Quelle 13, die zwischen den Eingangsanschlüssen, liegt, und ein GMchtakteingangssignal aus einer Quelle 14 dem Eingangsanschluß 11 und über die Quelle 13 dem Eingangsanschluß 11 zugeführt. Am Ausgang des Verstärkers liegt ein Verbraucher 15. Pur den Ausgangsstrom der Stromquelle 14 gibt es vier Stromkreise:

1) über die Widerstände R₁ und Rp und den Verbraucher 15 nach Masse

2) über die Widerstände R'.. und R'p und den Verbraucher 15 nach Masse

3) über den Widerstand R₁ und die Verstärkerstufen 10 zum Ausgsn gsanschluß 16 und

4) über den Widerstand R¹.. und die Verst.-rkerstuf en 10 zum Ausgangsanschluß 17.

Der aus der Stromquelle 14 über die Widerstände R₁ und R'-.. fließende Strom ruft eine Spannung am Eingang der Verstärkerstufen 10 hervor, wenn öiese Widerstände nicht genau gleich sind. Diese zusätzliche Eingangsspannug kann groß im Verhältnis zum Signal aus der Quelle 13 sein, wenn es sich beispielsweise bei den Widerständen R₁ und R-'. um 1-Megaohm-Widerstände und bei den Widerständen R₂ und R'₂ um 100-Megaohm-Widerstände handelt, da eine Unsymmetrie von beispielsweise 10 Kiloohm zwischen den Widerständen R₁ und R¹ ₁ wahrscheinlich ist und eine Gleichtaktspannung von nur 10 mmV eine Eingangsspannung von Mikrovolt hervorruft.

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Ein aus der Quelle H über die Widerstände R- und R'^ fließender Strom kann dadurch unterdrückt werden, daß an die Ausgangsanschlüsse 16 und 17 des Verstärkers ein Ausgleichsignal angelegt wird, das mit dem Gleichtaktsignal identisch ist. Wenn es sich beispielsweise bei dem Gleichtaktsignal um ein Gleichstromsignal handelt, entsteht keine Spannung, die einen Strom durch die Widerstände R. treiben würde, da das Ausgleichssignal an den Anschlüssen 16 und 17 nach Betrag und Vorzeichen gleich dem Gleichtaktsignal an den Anschlüssen 11 und ist.

Das Gleichtaktsignal wird zwar dan Eingangsanschlüssen des Verbrauchers 15 zugeführt, jedoch ist das Verhälnis des verstärkten Ausgangssignals der Verstärkerstufen10 zum Gleichtaktsign^l verbessert. Da dieses Verhältnis außerdem um einen Faktor verbessert ist, der gleich der Verstärkung des Verstärkers ist, und da die Ausgangsimpedanz der Verstärkerstufen 10 niedrig gehalten werden kann, zum Beispiel auf 1 Ohm, ist die Gleichtaktunterdrückung am Verbraucher 15 unter der Annahme, daß es sich bei diesem Verbraucher tun einen weiteren Verstärker handelt, verhältnismäßig einfach.

Eine Möglichkeit, den Ausgangsanschlüssen Ausgleichsignale zuzuführen, um die Unterdrückung von Gleichtaktsignalen zu verbessern, die in demjenigen Teil des Verstärkers entstehen, der von den Eingangswider st and en R^ und R¹.. gebildet wird, infolge einer Ungleichheit von R-. und R¹.. oder einer Unsymmetrie in einer an die Eingangsanschlüsse

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11 und 12 angeschlossenen Quelle, ist in Pig. 2 gezeigt. Hier sind die Verstärkerstufen 10 zusammen mit den Widerständen* R-, R¹-, R₂ und R'p sowie den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen 11, 12, 16 und 17 gezeigt.

Der Verstärker wird zuerst beschrieben. Eine erste Stromübernahmestufe enthält z\e. Field-Effekt-Transistoren 18 und 19, deren Katodenanschlüsse S mit einer Konstantstromquelle und deren Anodenanschlüsse mit zwei Verbrauchern 21 und 22 verbunden sind. Diese Stromübernahmestufe verstärkt den Anschlüssen 11 und 12 zugeführte Signale und führt sie einer zweiten Stromübernahmestufe zu, die die Transistoren 23 und 24, einen Konstantstromgeneaator 25 die die Widerstände

und R¹, enthält. Zwei weitere mit Widerständen R. und R¹. als Katodenfolger geschaltete Transistoren 26 und 27 verstärken das an den Kollektoren der Transistoren 23 und erscheinende Signal und führen es den Anschlüssen 28 und zu. Da zwischen den Anschlüssen 11 und 17 und zwischen den Anschlüssen 12 und 16 keine Umkehr erfolgt, müssen die Rückkopplungswiderstände R₂ und R¹« jeweils zwischen den Anschluß 16 und den Steueranschluß des Pield-Effekt-Transistors 18 und den Anschluß 17 und dem Steueranschluß des Fittd Effekt-Transistors 19 geschaltet werden, um den Verstärker als Rechenverstärker wirken zu lassen.

Das Crleichtaktsignal wird den Eingangsanschlüssen 11 und zugeführt und praktisch wie M, einem Kotodenfolger ohne wesentliche Änderung der Amplitude und Phasenlage und Größe und Polarität von den Steueranschlüssen der PieId-Effekt-Transistoren 18 und 19 zu ihren Katodenanschlüssenifcertragen.

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Ein Trennverstärker 3D mit Verstärkungsfaktor 1 überträgt das Gleichtaktsignal praktisch ebenfalls ohne wesentliche Änderung der Amplitude und Phase oder Größe und Polaität au den Kollektoren der Transistoren 23 und 24. Auf diese Weise wird ein Ausgleichssignal, das im wesentlichen mit dem Gleichtaktsignal identisch ist, den Ausgangsanschlüssen, zugeführt, die von den Kollektoren der Transistoren 23 und 24 gebildet werden* und der Verstärker 30 dient als Umleitungsvorrichtung, da er eine Umleitung für das Gleichtaktsignal in Bezug auf einen Teil des Differentialverstärkers darstellt. Von dort erreicht es die Anschlüsse 16 und 17 durch die Katodenfolgerwirkung der Transistoren 26 und 27, wiederum weitgehend ohne Änderung der Amplitude und Phase oder Größe und Polarität. Der Trennverstärker 30 ermöglicht es, daß die Katodenanschlüsse der Field-Effekt-Transistoren 18 und 19 an die Kollektoren der Transistoren 23 und 24 angeschlossen werden, ohne daß die hohe Impedanz der Konstantstromquelle 20 geshuntet wird. Per Innenwcderstand der Stromquelle 20 sollte so hochohmig wie möglich sein, so daß praktisch 100 % des Gleichtaktsignals dem Trennverstärfeer 30 zugeführt werden.

Die Glj/echt aktunt erdrückung beim Verstärker nach Fig. 2 läßt sich noch weiter verbessern, wenn der Einfluß irgendeiner Unsymmetrie in der Steuerelektroden-Anoden-Kapazität der Field-Effekt-Transistoren 18 und 19, der Einfluß irgandeiner Unsymmetrie in den Ausgangswiderständen und der Kapazitäten ihrer Steueranschlüsse nach Erde oder Masse verringert werden kann. Der infolge des Gleichtaktsignals über diese Kapazitäten fließende Strom kann durch

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Anlegen des Gleichtaktsignals· an die Anodenanschlüsse dieser Field-Effekt-TransiBtoren verringert werden. Beispielsweise kann ein Verstärker mit Verstärkungsfaktor zwischen die verbundenen Anodenanschlüsse der Field-Effekt-Transistoren 18 und 19, und die verbundenen Basisanschlüsse der beiden weiteren Transistoren gestaltet werden, wobei die Anodenverbindung jedes Field-Effekt-Transistors die Emitter/Kollektor-Strecke eines der weiteren Transistoren enthält. Auf diese Weise wird das bereits an den Katodenanschlüssen der Field-Effekt-Transistoren vorhandene Gleichtakteignal ihren Anodenansohlüssen zugeführt.

Da die Gleichtakt-Unterdrückung bei dem Verstärker nach Fig. 2 und der erwähnten Abwandlung dieses Verstärkers davon abhängt, daß das Ausgleichssignal weitgehend gleich dem Gleichtaktsignal ist, können als Verstärker mit Verstärkungsfaktor 1 Katodenfolger verwendet- werden.

Die Katodenfolgerwirkung der Field-Effekt-Tranaistoren 18 unu 19 v/ird durch Einfügen weiterer Transistoren in ihre Anodenkreise weiter verbessert.

Die Verstärker mit Verstärkungsfaktor 1 können in .Reihe * geschaltet werden, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Hier verbindet ein Verstärker mit Verstärkungsfaktor 1, ein Field-Effekt-Transistor 32, die Katoden der Field-Effekt-Transistoren 18 und.^9 mit den Basisanschlüssen zweier Transistoren 33 und 34, die mit den Anodenanschlüssen der Field-Effekt-Transistoren 18 und 19 verbunden sind.

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BAD 0RI3INAI:

Das am Katodenanschluß des Field-Effekt-Transistors 32 erscheinende Gleichtaktsignal wird zum Verstärker 30 weitergeleitet, der durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist und zwei Transistoren enthält.

Das Aus gang s signal des Verstärkers 30, der wid "bereits erwähnt , einen Verstärkungsfaktor 1 hat, wird dann als Ausgleichsignal den Kollektoren der Transistoren 23 und 24 Über eine Zenerdiode 35 zugeführt.

Eine weitere Verstärkerstufe zwischen den Transistoren 33 und 34 und den Transistoren 23 und 24 wird durch die Transistoren 36 und 37 gebildet.

Diejenigen Bauelemente in Fig. 3_f die die gleichen Funktionen wie die Bauelemente nach Fig. 2 haben, sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Funktion und Wirkungsweise der anderen Bauteile nach Fig. 3 sind dem Fachmann geläufig.

Eine kapazitive Unsymmetrie im Eingangskreis des Verstärkers nach Fig. 3 laßt sich ferner durch Einstellung eines Differentialkondensators 38 verringern, der zwischen den Kollektoren der Transistoren 33 und 34 liegt.

Obwohl bei den anhand der Fig· 2 und 3 beschriebenen AusführungBbeispielen Festkörperbauelemente mit einem Katoden-, einem Anoden- und einem Steueranschluß verwendet werden, lassen sich auch Schaltungsanordnungen aufbauen, in denen thermionische Vakuumröhren verwendet werden, die alle einen Katoden-»einen Anoden- und einen Steueranschluß haben.

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Claims

Patentansprüche

I/ Differentialverstärkerschaltung, in der ein Differentialverstärker mit zwei Eingangsanschlüssen und zwei Ausgangsanschlüssen enthalten ist, dadurch gekennz ei ohne t, daß ein Umleitungsverstärker (30) vorgesehen ist, der derart ausgebildet und angeordnet ist, daß er den Ausgangsanschlüssen (28, 29) Ausgleichsignale zuführt, die weitgehend mit Gleichtaktsignalen identisch sind, wenn * diese in einem vorbestimmten Teil des Differentialverstärkers auftreten.

2) Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Differentialverstäker eine erste Stromübernahmestufe mit aktiven Bauelementen (18, 19)» die jsfeils mit den Eingangsanschlüssen (11 und 12) verbunden sind, und eine zweite Stromübernahmestufe enthält, wobei der Umleitungsverstärker (30) zwischen dem gemeinsamen Zweig (20), der ersten Strcmübernahmestufe und den Ausgangsanschl.üssen der aktiven Bauelemente (26 und 24) der zweiten Stromübernahmestufe liegt.

ψ 3) Schaltung nach Anspruch 2, d...a durch g e k e η nzeichne t, daß zwei weitere aktive Bauelemente (23 und 34) jeweils mit den Anoden der aktiven Bauelemente (18 und 19) der ersten Stromübernahmestufe verbunden sind und von einem weiteren Verstärker (32) gesteuert werden, der mit dem gemeinsamen■Zweig (20) der ersten Stromübernahmestufe verbunden ist»

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4) Schaltung nach Anspruch'2 oder 3, dadurch gekennaeic h η e t, daß Trennverstärkerstufen (36 und 37t 26 und 27) zwischen die beiden Stromübernahmestufen und zwischen die zweite Stromübernahmestufe und die Ausgagsanschlüsse (28 und 29) geschaltet sind.

5) Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4» d a du r c h gekennzeichnet, daß Rückkopplungslmpedanzen die Bingangsansohlüsse (11 und 12) mit den Ausgaigsanschlüssen (28 und 29) verbinden,

6) Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch ge kennzeich net, daß die aktiven Bauelemente Festkörperbauelemente sind.

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