DE1905718C3

DE1905718C3 - Schaltungsanordnung zur Produkt- und/ oder Quotientenbildung

Info

Publication number: DE1905718C3
Application number: DE1905718A
Authority: DE
Inventors: Frederick Vestal N.Y. Buckley; Lawrence Patrick Warrenton Va. Fitzgerald
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1968-02-09
Filing date: 1969-02-05
Publication date: 1979-05-23
Also published as: FR1604093A; DE1905718A1; GB1245895A; DE1905718B2; US3500032A

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Produkt- und/oder Quotientenbildung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches.

Derartige Schaltungen finden in erster Linie in der Analogschaltungstechnik Anwendung, z. B. bei Steuersystemen, Analog- und Hybridrechnern, auf dem Gebiet der Zeichenerkennung und in Schaltungen zur automatischen Verstärkungsregelung.

Während auf dem Gebiet der Digitaltechnik, wo von jeher nur wenige Standardschaltungen, aber in entsprechend hoher Stückzahl anfallen, die Festkörpertechnik zur Integration bereits seit langem Anwendung findet, werden zur Zeit große Anstrengungen unternommen, auch Schaltungen der Analog- und Linearverstärkertechnik mit Festkörperschaltkreisen zu realisieren. Trägt man den besonderen Anforderungen dieser Technologie Rechnung, so ergeben sich Schaltungen, die ausgesprochen kondensatorarm und bevorzugt mit aktiven Elementen aufgebaut sind.

Dabei ist jedoch davon auszugehen, daß die verschiedenen Festkörperkomponenten, wie Transistoren, Dioden, Widerstände usw. mit den gleichen Kosten hergestellt werden können, also kein unbedingter Zwang für den aus Kostengründen bevorzugten Einsatz von passiven Elementen vorliegt, wie das bei der herkömmlichen Schaltungstechnik der Fall ist

Analoge Multiplizierschaltungen, die mit den Anmeldungsgegenstand die im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gemeinsam haben, sind bereits aus der FR-PS 14 50 104 sowie aus dem Aufsatz von R. R. A. M ο r t ο η, »A simple d. c. to 10 Mc/s analogue multiplier« im Journal Sei. Instrum., 1966, Vol. 43, Seiten 165 bis 168, bekanntgeworden. Dabei kann die in der erstgenannten Literaturstelle behandelte Multiplizierschaltung letztlich als auf Wechselspannungsverarbeitung erweiterte Version der in der zweiten Literaturstelle für Gleichspannungen behandelten Schaltung angesehen werden. Beide Entgegenhaltungen erlauben nicht eine zusätzlich oder alternativ zur Produktbildung durchführbare Quotientenbildung, weil die Summenströme in den Emitterknoten nicht unabhängig voneinander wählbar sind, sondern durch notwendigerweise vorzusehende weitere Transistorstufen streng voneinander abhängig sind. Ferner liegt dort keine unmittelbare Darstellung der Funktionsgrößen in Form von Strömen vor, woran aber hinsichtlich der Störsicherheit im Hinblick auf Spannungseinstreuungen in vielen Anwendungsfällen erhöhtes Interesse besteht. Die Ableitung eines am Ausgang brauchbaren Signals erfordert demnach nach dem genannten Stand der Technik noch einen erheblichen weiteren Schaltungsaufwand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf dem Gebiet der Analog-Technik eine Schaltung zur Produkt- und/oder Quotientenbildung anzugeben, die diesen besonderen Anforderungen im Rahmen der Realisierung in Festkörpertechnik voll Rechnung trägt. Dabei sollen keine Nachteile hinsichtlich der Arbeitsgeschwindigkeit, der Genauigkeit und des Aussteuerungsbereiches in Kauf genommen werden müssen.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung die im Patentanspruch gekennzeichneten Maßnahmen vor. Durch die konsequente Darstellung der Eingangs- und Ausgangsgrößen als Einzelströme wird somit durch die Erfindung eine gemessen an dem genannten Stand der Technik mit weniger Schaltungsaufwand durchzuführende und besser für eine Integration in Festkörpertechnik geeignete Lösung für den Aufbau von Schaltungen der eingangs genannten Art erzielt

In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß alle Transistoren der beiden in Differentialverstärkeranordnung geschalteten Transistorpaare bezüglich ihrer KoUektor-Basisstrecken kurzgeschlossen sind, wobei dann zwischen den Basisanschlüssen der mit dem ersten Eingangsstrom beaufschlagten Transistoren ein Trennverstärker eingeschaltet ist

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist der Trennverstärker als ein Transistordifferentialverstärker ausgeführt Die Basisanschlüsse der den Differentialverstärker bildenden Transistoren sind mit den Basisanschlüssen der nicht auf der Bezugsspannung liegenden zu den beiden ersten Transistorpaaren gehörenden Transistoren verbunden. Der Ausgangsstrom wird dabei vom Kollektorstrom einer zum Trennverstärker in Kaskade geschalteten Transistorstufe gebildet Für diese Transistorstufe eignet sich insbesondere eine Darlington-Schaltung.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die Schaltung in monolithischer Technik auf einem einzigen Halbleiterplättchen ausgebildet ist Dieses gilt sowohl für die beiden Transistorpaare in Differentialverstärkeranordnung als auch für den Trennverstärker.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung besteht darin, daß die Eingangsströme selber wieder Funktionen weiterer veränderlicher Größen darstellen. Weiterhin kann, die Schaltungsanordnung vorteilhaft zur Verstärkungsregelung verwendet werden, wenn eine Eingangssignalquelle direkt mit der den zweiten Eingangsstrom liefernden Stromquelle und über eine Speichereinrichtung mit der den dritten Eingangsstrom liefernden Stromquelle gekoppc'· ist. Der Ausgangsstrom stellt dabei die Regelgröße, der zweite Eingangsstrom die zu regelnde Größe und der dritte Eingangsstrom die Stellgröße dar.

Der erste Eingangsstrom wird in dieser besonderen Anwendung konstant gehalten.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausfuhrungsbeispielen unter Zuhilfenahme der Zeichnungen näher erläutert

Es zeigt

F i g. 1 ein teilweise Schematisches Schaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung,

F i g. 2 eine geeignete Lastschaltung für die Schaltung nach F ig. 1,

F i g. 3 und 4 zusätzliche vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung und

F i g. 5 die Darstellung einer für die Schaltung nach F i g. 4 geeigneten Lastschaltung.

Die in F i g. 1 dargestellte erfindungsgemäße Schaltung besteht aus einem ersten Paar von Transistoren 1 und 2, die bezüglich ihrer Kollektor-Basisstrecken kurzgeschlossen und deren Emitteranschlüsse direkt miteinander und mit einer Stromquelle 3 verbunden sind. Der Basis- bzw. Kollektoranschluß von Transistor 1 liegt auf Massepotential, während der Basis- bzw. Kollektoranschluß von Transistor 2 an eine weitere Stromquelle 4 angeschlossen ist.

Ein zweites Transistor paar besteht aus den Transistoren 5 und 6, deren Emitteranschlüsse direkt miteinander und mit der Stromquelle 7 verbunden sind. Der Basisbzw. Kollektoranschluß von Transistor 6 liegt auf Massepotential. Der Basisanschluß von Transistor 5 ist an die Stromquelle 4 angeschlossen, während im Kollektorkreis die Lastschaltung 10 liegt Die in der Schaltung fließenden Ströme sind mit x,y,z bezeichnet und die Richtung des Stromflusses ist jeweils durch den

ίο Pfeil angegeben. Durch die Last fließt demnach der Strom w. Eine geeignete Lastschaltung 10 ist in F i g. 2 dargestellt und besteht aus einem Umkehrverstärker 11 mit einem Rückkopplungselement 12.

Um die gewünschte Funktion der Schaltung nach

ι^r) F i g. 1 zu erreichen, ist es notwendig, daß die Transistoren 1 und 2 bezüglich ihrer Basis-Emittercharakteristiken möglichst identisch sind. Dasselbe gilt für die Transistoren 5 und 6. Ferner muß jeder der Transistoren 1,2,5 und 6 im linearen Bereich betrieben werden, d. h. der Kollektorstrom soll in linearer Weise abhängig sein vom Basisstrom.

Weiterhin sollte die Basis-Kollektorstrecke von Transistor 2 möglichst niederohmig kurzgeschlossen sein, was bei einer Realisierung in integrierter Technik

_'j am besten durch eine Metallisierungsschicht zu erreichen ist Obwohl dieses grundsätzlich auch für die Basis-Kollektorstrecken der Transistoren 1 und 6 gilt, kann bezüglich dieser Transistoren eine ordnungsgemäße Funktion jedoch so lange erreicht werden, als die

jo Impedanz des jeweils zugehörigen Kollektorkreises und die Kollektorspannung auf Massepotential bezogen genügend klein gehalten werden. Mit einem Anstieg der Impedanz des Kollektorkreises nimmt zwangläufig die Arbeitsgeschwindigkeit ab. Weicht die Kollektorspan-

r> nung weiter vom Massepotential ab, nimmt auch die Genauigkeit der Schaltung infolge der unterschiedlichen Verlustleistung der Transistoren 1 und 2 ab. Entsprechendes gilt für die Transistoren 5 und 6. Die in F i g. 2 im Detail dargestellte Lastschaltung 10 liefert für den Transistor 5 eine nur sehr gering vom Massepotential abweichende Kollektorspannung.

Für eine einwandfreie Funktion der Schaltung empfiehlt es sich ferner, die Transistoren 1 und 2 sowie 5 und 6 möglichst eng thermisch zu koppeln. Damit die

■i Schaltung mit der größtmöglichen Genauigkeit arbeitet, muß gefordert werden, daß der Strom * wesentlich größer als der Basisstrom von Transistor 5 und der Strom ζ größer als der Strom χ ist

Die in F i g. 1 dargestellte Schaltung arbeitet wie

w folgt: Der Strom χ ist im wesentlichen gleich dem Emitterstrom von Transistor 2; der Basisstrom von Transistor 5 ist dabei vernachlässigbar klein.

Der Emitterstrom von Transistor 1 ist gleich der Differenz zwischen den Strömen ζ und x. Bei

v, konstantem Strom ζ verursacht eine Zunahme des Stromes χ eine Zunahme des Emitterstromes und damit der Basis-Emitterspannung von Transistor 2 und demzufolge eine Abnahme des Emiüerstromes bzw. der Basis-Emitterspannung von Transistor 1, woraus eine bo Zunahme der Spannung am Basisanschluß von Transistor 2 resultiert.

Diese Zunahme der Spannung am Basisanschluß von

Transistor 2 hat einen entsprechenden Anstieg des Ausgangsstromes w zur Folge. Im einzelnen wird die Spannung am Basisanschluß des Transistors 5 positiver, wodurch sich die Basis-Ernitterspannung von Transistor

5 erhöht bzw. die Basis-Emitterspannung von Transistor

6 erniedrigt, so daß ein größerer Anteil des Stromes y in

den Emitteranschluß von Transistor 5 und nur ein kleinerer Anteil des Stromes y in den Emitteranschluß von Transistor 5 und nur ein kleinerer Anteil des Stromes y in den E-mueranschluß von Transistor 6 fließt. F'ir die Abhängigkeit der Basis-Emiuerspannung ν vorn tmitterstrom /gilt:

f - V + ein / (!)

Es bedeutet:

Vdie Basis-Emitterspannung bei einem Emitterstrom von einer Stromeinheit (i = I)-,

e den Kieinsignaiwidersiand der Basis-Emiüerdiode bei einem Emitterstrom von einer Stromeinheit und In den natürlichen Logarithmus.

Die Spannung am Verbindungspunkt a in F i g. 1 ergibt sich demnach zu:

\V\

\ el In (z - v|] + [ 1'2 + t<2 In U)] = - f ^6 +■ 6 I ( )] [ VS

el In (z - v|] + [ 1'2 + t<2 In U)] ■ t'6 In (y - u)] + [ VS + vS !n (n|] .

Dabei stellen die Ausdrücke in den rechteckigen Klammern die Basis-Emitterspannungen der einzelnen Transistoren in Abhängigkeit von jeweiligen Strom dar. Da infolge der Gleichheit der Charakteristiken der Transistoren Vl und V 2 und V6 gleich V 5 sowie el gleich e2 und e6 gleich e5 ist, kann Gleichung (2) wie folgt umgeschrieben werden:

: - χ γ - iv

In = In "

V IV

VV

Daraus wird deutlich, daß die Schaltung nach Fig. 1 zur Produkt- und/oder Quotientenbildung geeignet ist, wobei der Strom w proportional dem Produkt der Ströme χ und ygeteilt durch den Wert des Stromes ζ ist Wird der Strom ζ konstantgehalten, bildet die Schaltung das Produkt x, y. Hält man einen der Ströme χ oder y konstant, bildet die Schaltung den Quotienten - bzw. ^.

Die erfindungsgemäße Schaltung nach F i g. 1 kann in vorteilhafter Weise als Schaltung zur automatischen Verstärkungsregelung dienen, indem man eine Eingangssignalquelle 20 mit der Stromquelle 7 derart verbindet, daß der Strom y sich in Abhängigkeit von der momentanen Eingangssignalspannung Ei ändert. Die Eingangssignale Ei werden gleichzeitig auf eine Speichereinrichtung 21 geführt, aufgrund derer der Wert des Stromes ζ der Stromquelle 3 eine bestimmte Abhängigkeit von Ei annimmt Beispielsweise kann die in einem konventionellen Kondensatorspeicher gespeicherte Spannung den Amplitudenwert, den Spitzenwert etc. der Eingangsspannung darstellen.

Es Eoll beispielsweise für diesen bestimmten Anwendungsfall der automatischen Verstärkungsregelung einmal angenommen werden, daß sich der Verstärkungsfaktor umgekehrt proportional zum Amplitudenmittelwert der Eingangssignale Ei ändert In einem solchen Fall wird in der Speichereinrichtung 21 eint Spannung gespeichert, die eine direkte Funktion diese! Amplitudenmittelwertes der Eingangssignale ist. Diest Spannung wird derart in Änderungen des Stromes dei Stromquelle 3 umgeformt, daß der Strom ζ seinerseit! direkt eine Funktion der in der Speichereinrichtung 21 gespeicherten Spannung ist Wie bereits oben geschii dert, liefert die Spannung nach Fig. 1 einen Ausgangs strom w, der gleich dem Produkt der Ströme χ und j geieiii durch den Wert des Stromes zist Wenn sich dei Wert des Stromes χ nicht ändert, wird der Strom w dargestellt durch die Funktion y geteilt durch z. Mil zunehmendem Amplitudenmittelwert der Eingangssi gnale nimmt auch der Strom zzu und die Eingangssignale werden nur mit einem kleinen Faktor multipliziert. Ds der Wert ζ direkt vom Amplitudenmittelwert dei Eingangssignale abhängig ist, wird auf diese Weise eine automatische Verstärkungsregelung erreicht.

Für Anwendungen mit größerer geforderter Genauigkeit kann in vorteilhafter Weise ein Spannungstrennverstärker mit dem Verstärkungsfaktor 1, wie ζ. Β 25 in F i g. 3 zwischen die Stromquelle 4 und derr Transistor 5 eingeschaltet werden. In diesem Fall wire zusätzlich die Basis-Kollektorstrecke des Transistors 5 kurzgeschlossen.

Diese Zwischenschaltung gewährleistet, daß irr wesentlichen der gesamte von der Stromquelle A bereitgestellte Strom der Basis bzw. dem Kollektor vor Transistor 2 zugeführt wird. Im übrigen ist die Schaltung gemäß F i g. 3 mit der in F i g. 1 identisch und arbeitet irr wesentlichen genauso.

Eine vorteilhafte Realisierung der Schaltung vor F i g. 3 ist in F i g. 4 dargestellt Entsprechende Bauelemente der Schaltungen in F i g. 4 und F i g. 1 sind gleich bezeichnet. Die Schaltung in Fig.4 enthält wiederurr ein erstes Transistorpaar mit den Transistoren 1 und 2 die an die Stromquelle 3 angeschlossen sind, sowie eir zweites an die Stromquelle 7 angeschlossenes Transistorpaar 5 und 6. Der Spannungstrennverstärker 25 mil dem Verstärkungsfaktor i besteht einmal aus der Transistoren 26 und 27, deren Emitteranschlüsse miteinander und mit einer Stromquelle 28 verbunder sind. Der Basisanschluß von Transistor 26 ist an die Stromquelle 4 und der Kollektoranschluß an die Klemme 29 mit positiver Spannung angeschlossen. Dei Kollektoranschluß des Transistors 27 ist einmal mit dei Stromquelle 30 und zum anderen mit dem BasisanschluC von Transistor 31 verbunden. Die Transistoren 31 unc 32 bilden eine Darlington-Schaltung, in deren Kollek torkreis die Lastschaltung 33 eingeschaltet ist. Die Gegenkopplung für den Trennverstärker 25 wird durch die direkte Verbindung des Emitteranschlusses vor Transistor 32 mit dem Basisanschluß von Transistor 2Ί bewerkstelligt

Am Emitteranschluß von Transistor 32 steht auch da; Ausgangssignal des Verstärkers 25 zur Verfugung weshalb dieser Anschluß auch mit dem BasisanschluC des hinsichtlich seiner Basis-Kollektorstrecke kurzge schlossenen Transistors 5 verbunden ist

Der Strompegel der Stromquelle 30 kann irr Verhältnis zum Pegel der Stromquelle 28 derar eingestellt werden, daß eventuelle Ungleichhheiten ir den Transistorcharakteristiken der Transistorpaare 1, ί und 5, 6 kompensiert werdea Eine für die Schaltung nach Fig.4 geeignete Lastschaltung ist in Fig.f dargestellt und besteht aus einem über ein Gegenkopp lungselement 36 rückgekoppelten Umkehrverstärkei 35.

Schließlich ist die Erfindung nicht auf die Verwen dung von NPN-Trar^istoren bzw. -Transistorpaaren beschränkt, sondern kann bei entsprechend umgekehrter Polarität der Versorgungsspannungen bzw. Aussteuersignale auch mit PNP-Transistoren realisiert werden. Infolge der ausschließlichen Verwendung von

Transistoren gleichen Leitfähigkeitstyps eignet sich die erfindungsgemäße Schaltung vorzüglich für eine Realisierung in monolithischer Schaltkreistechnik. In den Figuren sind die im Zuge der Integration auf einen einzigen Halbleiterpiättchen realisierbaren Schaltungsteile gestrichelt umrahmt.

Hierzu 1 Blatt Zuichnuneen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Produkt- und/oder Quotientenbildung, bei der die Funktionsgrößen durch elektrische Ströme dargestellt werden, mit zwei jeweils in Differentialverstärkeranordnung geschalteten und an den Emitterknotenpunkten funktionsgrößenunabhängig stromgespeisten Transistorpaaren, deren einander entsprechende Basis- h> anschlüsse miteinander verbunden und an eine Bezugsspannungsquelle bzw. einen ersten Eingang angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Emitterknotenpunkt jedes der beiden Transistorpaare (5, 6; 1, 2) je eine einen i'> zweiten bzw. dritten Eingangsstrom (y, z) liefernde Stromquelle zur Bereitstellung zweier weiterer voneinander unabhängiger Funktionsgrößen verbunden ist,- und daß zur Darstellung der Funktion

(w = —), wonach der Ausgangsstrom (w) dem

Produkt des ersten fxjund zweiten (y) Eingangsstromes direkt und dem dritten Eingangsstrom (z) umgekehrt proportional ist, der durch einen der beiden mit dem ersten Eingangsstrom (x) beauf- 2^r> schlagten Transistoren (2,5) fließende Strom als das Funktionsergebnis repräsentierender Ausgangsstrom (w) erfaßt wird, wobei die nicht den Ausgangsstrom (w) liefernden Transistoren (1, 2, 6) der beiden in Differentialverstärkeranordnung ge- «ι schalteten Transistorpaare (1,2; 5,6) bezüglich ihrer Kollektor-Basisstrecken kurzgeschlossen sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Transistoren der beiden in Differentialverstärkeranordnung geschalteten Tran- s'> sistorpaare (1,2; 5, S) bezüglich ihrer Kollektor·Basisstrecken kurzgeschlossen sind und zwischen den Basisanschlüssen der mit dem ersten Eingangsstrom (x) beaufschlagten Transistoren (2, 5) ein Trennverstärker (25) eingeschaltet ist. 4i>

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Trennverstärker (25) als ein Transistor-Differentialverstärker (26,27) ausgeführt ist, dessen Basisanschlüsse mit den nicht auf der Bezugsspannung (Masse) liegenden Basisanschlüs- 4~> sen der zu den beiden ersten Transistorpaaren (11,2; 5, 6) gehörigen Transistoren (2, 5) verbunden sind, und daß der Ausgangsstrom (w) vom Kollektorstrom einer zum Trennverstärker (25) in Kaskade geschalteten Transistorstufe (31,32) gebildet wird. w

4. Schaltungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch deren Ausbildung in monolithischer Technik auf einen einzigen Halbleiterplättchen.

5. Schaltungsanordnung nach mindestens einem π der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsströme (x, y, z) Funktionen weiterer veränderlicher Größen darstellen.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Eingangssignalquelle (20) w> direkt mit der den zweiten Eingangsstrom (y) liefernden Stromquelle (7) und über eine Speicher leitung (21) mit der den dritten Eingangsstrom (z) liefernden Stromquelle (3) gekoppelt ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, gekenn- *>■> zeichnet durch deren Verwendung als Verstärkungsregelungsschaltung, wobei der Ausgangsstrom (w) die Regelgröße der zweite Eingangsstrom (y) die zu regelnde Größe und der dritte Eingangsstrom (z) die Stellgröße darstellt und der erste Eingangsstrom (x) konstant gehalten wird.