DE1948850A1

DE1948850A1 - Differenzverstaerker

Info

Publication number: DE1948850A1
Application number: DE19691948850
Authority: DE
Inventors: Wheatley Jun Carl Franklin
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1968-09-27
Filing date: 1969-09-26
Publication date: 1970-09-03
Also published as: DK142386B; DE1948850B2; FR2019034A1; BR6912611D0; BE738221A; US3614645A; HU163139B; ES371704A1; DE1967366C3; NL161632B; AT312050B; DK142386C; SE359989B; DE1948850C3; JPS5635367B1; SU361605A3; YU241169A; NL161632C; GB1274672A; MY7500093A

Description

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6876-69/Kö/S

RCA 60,405

UK Convention Date:

September 27, 1968

RCA Corporation, New York, N.Y,, V.St.A,

Differenzverstärker

Die Erfindung betrifft Verstärkerschaltungen, insbesondere einen Differenzverstärker, der sich besonders für integrierte Schaltungen eignet.

Es ist bekannt, sogenannte Funktionsverstärker ±1 Form integrierter Schaltungen herzustellen. Jedoch ist die Anwendbarkeit derartiger Verstärker in unterschiedlichen Schaltungsanordnungen beschränkt. Der Konstrukteur integrierter Schaltungen stellt im allgemeinen die Spannungsverstärkungs/Frequenzgang-Charakteristik auf Kriterien ab, die sich nach dem zu erwartenden Anwendungszweie richten. Der Eingangs- und der Ausgangswiderstand stellen eine feste Schaltungsgröße des integrierten Halbleiterschal tungsplättchens dar. Man hat daher zahlreiche Funktionsverstärker für spezielle unterschiedliche Anwendungszwecke entwickelt, die einen hohen bzw. niedrigen Eingangswiderstand, eine niedrige bzw. hohe Spannungsverstärkung, eine hohe bzw. -niedrige Ausgangsleistung für verschiedene Lasten erfordern.

Die Möglichkeit einer Rückkopplung bzw. Gegenkopplung bei Funktionsverstärkern ergibt zwar eine gewisse Flexibilität der Anwendbarkeit. Die Anpassungsmöglichkeit an verschiedene Anwendungen ist jedoch durch die Spannungsverstärkung sowie die

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Frequenzgangcharakteristik wegen möglicher !Instabilität oder Selbsterregung stark eingeschränkt.

Funktionsverstärker, wie sie in Fachbüchern definiert sind, haben einen hohen Eingangswiderstand, einen niedrigen Ausgangswiderstand und eine charakteristische Spannungsverstärkung. Auße£ dem müssen die Spannungsverstärkung und die Phasenverschiebung in Abhängigkeit von der Frequenz so bemessen werden, daß ein sta-. biler Betrieb unter Anwendung von Gegenkopplung möglich ist. Die Leistung von Funktionsverstärkern mit Gegenkopplung wird in Fachbüchern herkömmlicherweise durch Formeln für die Spannungsver- ^ Stärkungscharakteristik beschrieben. Man stützt sich auf diese Charakteristik deshalb, weil Verstärker gewöhnlich einen eigenen Arbeitswiderstand haben, durch den die verfügbare Spannungsverstärkung definiert oder festgelegt ist.

Für hohe Spannungsverstärkungen verwendet man gewöhnlich einen großen Arbeitswiderstand. Dies erfordert jedoch im allgemeinen höhere Betriebs- oder Speisespannungen, was den Nachteil eines erhöhten Leistungs- oder Energieverbrauchs hat. Bei integrierten Schaltungen erfordern große Widerstände in normalerweise kritischenSchaltungsbereichen wie z.B. Kollektorarbeitswiderstände außerdem den "Basisdiffusioaswiderstand". Die Abmessung dieses integrierten Widerstands ist seinem ohmsehen Wert direkt k proportional. Ein hochohmiger Widerstand dieser Art benötigt jalso mehr Platz, so daß sich die Kosten der integrierten Schaltung entsprechend erhöhen.

Es wäre an sich möglich, integrierte Funktionsverstärker für viel mehr Zwecke zu verwenden, wenn die Arbeitseigenschaften oder -kenngrößen des integrierten Verstärkers sich durch äußere Mittel an die Erfordernisse des jeweiligen Anwendungsfalles anpassen ließen.

Der erfindungsgemäß vorgesehene Differenzverstärker arbeitet vorzugsweise mit einer aktiven Kollektorlast, mit deren Hilfe sich die erforderliche Spannungsyerstärkiaag bei niedrigen Kollektorströaaen erzielen läßt. Diese Lösaag ermöglicht eine hohe

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Spannungsverstärkung bei niedrigem Leistungsaufwand.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Verstärker zu schaffen, dessen Eigenschaften oder Kenngrößen sich durch äußere Mittel einstellen lassen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wurde ein Funktionsverstärker mit eines neuartigen Differenzverstärker als Eingangsstufe oder Eingangskreis entwickelt. Der Eingangswiderstand kann Über einen sehr «reiten Bereich durch Verändern der Emitter-Kollektorströme der Transistoren verändert werden. Die Spannungsverstärkung wird zusätzlich zur Steuerung des Transistorbetriebsstromes durch einen äußeren Arbeitswiderstand bestimmt. Die Schaltung liefert eine hohe GleichtaktunteridrUckung und Frequenzgangcharakteristik.

Der erfindungsgemäße Differenzverstärker enthält zwei Verstärkerstufen mit jeweils Eingangselektrode, gemeinsamer Elektrode und Ausgangselektrode sowie eine an die Ausgangselektroden angekoppelte Lastschaltung. Die Lastschaltung enthält zwei Transistoren mit jeweils Basisj " -ttt^r und Kollektor, wobei die Emitter gemeinsam an eine Betriebsspannungsquelle angeschlossen sind, während die beiden Kollektoren an je eine der Ausgangselektroden angeschlossen sind.Die Basen der Transistoren sind gemeinsam untereinander verschaltet, so daß zwischen Basis und Emit ter beider Transistoren gleiche Spannungen liegen. Schließlich sind zwischen die Ausgangselektroden und die gemeinsam geschalteten Basen Gleichtaktkoppelanordnungen geschaltet, die zwei Spannungsschwellen-Leiterelemente enthalten, welche eine Strom/ Spannungs-Koppelcharakteristik ergeben, derzufolge Stromfluß bei Spannungen, die einen Schwellwert Übersteigen, erfolgt.

In den Zeichnungen zeigen:

Figur 1 das Schaltschema einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Differenzverstärkers;

Figur 2 das Schaltschema des DifferenzVerstärkers nach Figur 1 mit hochverstärkender Eingangsverstärkerstufe und Vorspannschaltung; und

Figur 3 das Schaltschema eines Transkonduktanz-Funfetions-

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BAD ORIGIN*¹-'

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Verstärkers mit dbm Differenzverstärker nach Figur 1.

In Figur 1 sind sämtliche Schaltungselemente innerhalb des gestrichelten Rechtecks 10 als integrierte Schaltung auf einem einzigen Halbleiterplättchen ausgeführt. Die integrierte Schaltung bildet einen Differenzverstärker mit zwei Transistoren 11 und 12, einem Stromquellentransistor 13 und einer aktiven Lastschaltung mit den Transistoren 14, 15, 16 und 17 sowie der Diode 18. Eine äußere Stromquelle (nicht gezeigt) ist zwischen die Klemme 19 und die gemeinsame Klemme 20 schaltbar* so daß an die zwischen Basis und Emitter des Transistors 13 geschaltete Diode 21 eine Spannung gelegt werden kann.

Die Diode 21 besteht aus einem Transistor, dessen Kollektor und Basis zusammengeschaltet sind. Da der Transistor 13 und die Diode 21 bei der Herstellung gleichzeitig auf dem gleichen Halbleiterplättchen gebildet werden, sind ihre elektrischen Eigenschaften einander genau angepaßt. Wenn bei der Herstellung der Transistor 13 und die Diode 21 gleichflächig ausgebildet werden, sind die Emitterstrominjektionen in de Basisgebiete bei beiden gleich.

Der den Transistor 13 und die Diode 21 in der Durchlaßrichtung spannende Stromfluß ergibt gleiche Basis-Emitterspannungsabfälle und folglich gleiche Emitterströme. Der Emitterstrom des t Transistors 13 ist gleich der Summe seines Basis- und Kollektorstromes, und der größte Teil des Emitterstromes fließt zum Kollektor . -.■·'.·"

Der Stromfluß zwischen den Klemmen 19 und 20 ist gleich dem Emitterstrom der Diode 21 plus dem kleinen Basisstrom des Transistors 13. Wegen des hohen Basis/Kollektorstrom-Verhältnisses des-Transistors 13 und der gleichen Flächen des Transistors 13 und der Diode 21 sind der Stromfluß zwischen den Klemmen 19 und 20 und der Kollektorstrom des Transistors 13 im wesentlichen gleich* Der vom Stromqtiellentransistor 13 gelieferte Strom läßt sich daher ohne Weiteres genau durch die Parameter einer äußeren Quelle (nicht gezeigt) bestimmen, die zwischen die Klemme 19 und die gemeinsame Bezugsklemme 20 geschaltet sein kanu·

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Die Anordnung eines als Diode geschalteten Transistors zwischen Basis und Emitter eines zweiten Transistors soll nachstehend als "Dioden-Transistor" bezeichnet werden. Der Spannungsabfall zwischen Basis und Emitter eines Transistors bei mit einem beträchtlichen Durchlaßvorstrom beaufschlagtem Transistor soll als V. bezeichnet werden»

Der Kollektorstrom des Transistors 13 speist die Emitter der Transistoren 11 und 12. Der Strom verteilt sich dabei auf die Transistoren 11 und 12, je nach der Differenz der den Basen der Transistoren 11 und 12 über die Eingangsklemmen 22 bzw. 23 zugeführten Eingangssignalspannungen· Wenn die den Eingangsklemmen 22 und 23 zugeführten Spannungen gleich sind, verteilt sich der vom Transistor 13 gelieferte Strom zu gleichen Teilen zwischen den Transistoren 11 und 12. Das heißt, die Transistoren 11 und haben auch gleiche Charakteristiken, da sie in gleichen integrierten Schaltungsplättchen gleichzeitig hergestellt worden sind.

Die aktive Lastschaltung mit den Transistoren 14, 15> 16 und 17 verbindet die Kollektoren der Transistoren 11 und 12 mit einer zwischen die Klemmen 24 und 20 geschalteten Betriebsspannungsquelle (nicht gezeigt). Die Transistoren 14» 15» 16 und 17 sind vom entgegengesetzten Leitungstyp wie die Transistoren 11 und 12.

Die Transistoren 14 und 15 sind in Reihe mit den Transistoren 11 bzw. 12 geschaltet. Die in Differenzschaltung ausgelegten Transistoren 16 un^_d 17 sind mit ihren Emittern gemeinsam an die Basen der Transistoren 14 und 15 sowie über den als Diode geschalteten Transistor 18 an die Betriebsspannungsspeiseklemme 24 angeschlossen. Die Basen der Transistoren 16 und 17 sind an den Kollektor des Transistors 11 bzw. den Kollektor des Transistors 12 angeschlossen.

Der Kollektor des Transistors 16 ist über einen als Diode geschalteten Transistor 25 mit der Bezugsklemme 20 verbunden. Die Diode 25 ist zwischen die Basis und den Emitter eines Ausgangstransistors 26 geschaltet. Der Transistor 26 und der Transistor

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17, der vom entgegengesetzten Leitungstyp ist, sind in Reihe geschaltet. An die Kollektoren dieser Transistoren ist eine Ausgangsklemme 27 angeschlossen.

Durch die Verschaltung der Transistoren 14» 16, 15 und ergibt sich ein Mechanismus, demzufolge die Leitwerte der Transistoren 14 und 15 automatisch so eingestellt werden, daß sie dem vom Transistor 13 gelieferten Strom, der durch die zwischen die Klemmen 19 und 20 geschaltete äußere Quelle bestimmt ist, angepaßt sind. Dies kommt dadurch zustande, daß die Basisansteuerung für die Transistoren 14 und 15 durch die Transistoren 16 und 17 in Abhängigkeit vom Strom in den Transistoren 11 und 12 gesteuert wird. Obwohl der Strom des Transistors 13 innerhalb eines verhältnismäßig weiten Bereiches beliebig eingestellt werden kann, ändert sich die Spannung an den Lasttransistoren 14 und 15 nicht nennenswert. Die Kollektor-Emitterspannung des Transistors 14 beträgt 2V, , das heißt die Summe der Spannungen an den Basis-Emitterübergängen der Transistoren 14 und 16. Ebenso ist die Kollektor-Emitterspannung des Transistors 15 gleich 2V , und zwar aufgrund der Spannungen an den Basis-Emitterübergängen der Transistoren 15 und 17« Infolgedessen wird an den Transistoren 14 und 15 keine nennenswerte Gleichtaktsignalspannung entwickelt.

Der Kollektorwiderstand der Transistoren 14 und 15 ist für Gleichtaktstrom verhältnismäßig niedrig, indem die Kollektor-Emitterspannung dieser Transistoren über einen weiten Änderungsbereich des Gleichtaktstroms im wesentlichen konstant ist. Für Differenzströme weisen die Transistoren 16 und 17 gleichgroße und gegensinnige Stromänderungen auf, so daß die Basisansteuerung der Transistoren 14 und 15 gleich und unverändert bleibt. Als Folge davon ist der Kollektorwiderstand der Transistoren 14 und , 15 für Differenzströme sehr hoch, und es fließt im wesentlichen der gesamte Differenzstrom durch die Basis-Emitterstrecken der Transistoren 16 und 17.

Die beschriebene Lastschaltung ergibt einen modulierten

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Leitwert entsprechend Gleichtaktstromänderungen'sowie einen hohen Lastwiderstand für Differenzstromfluß. Diese Lastschaltung liefert gegenüber normalen Differenzverstärkerschaltungen eine erhöhte Gleichtaktsignalunterdrückung·

Wie erwähnt sind die Transistoren 16 und 17 mit ihren Emittern zusammengeschaltet und arbeiten als zweiter Differenzverstärker. Die Amplitude der Kollektorströme dieses Differenzverstärkers ist gleich dem Beta-Wert mal dem den Basen dieser Transistoren zugeführten Differenzsignalstrom. Der als Diode geschaltete Transistor 18 liegt in Reihe mit der Emitter-Kollektorstrecke der Transistoren 16 und 17 sowie zwischen Basis und Emitter sowohl des Transistors 14 als auch des Transistors 15·

Die Diode 18 wird durch den Emitter-Kollektor-Gleichtaktstrom der Transistoren 16 und 17 in Durchlaßrichtung gespannt und bildet zusammen mit den Transistoren 14 und 15 eine Dioden-Transistoreinheit. Wenn die Übergangsflache der Diode 18 zweimal so groß ist wie die übergang.«Tläc-he des Transistors 14 und des Transietors 15j so erzeugt ein Strössfluß in der Diode 18 von 2 Mikroampere in den Transistoren-14 "und 15 einen Stromfluß von je 1 Mikroampere.

Wenn beispielsweise ein Vorstrom von 2 Mikroampere in der Diode 21 besteht, so fließt in den Transistoren 11 und 12 sowie in den Transistoren 14 und 15 ein Strom von je 1 Mikroampere. Da die Übergangsfläche der Diode 18 doppelt so groß ist wie die Basis-Emitterübergangsfläche der Transistoren 14 und 15 und in Reihe mit den Transistoren 16 und 17 liegt, fließt in der Diode 18 ein Strom von 2 Mikroampere, der gleich ist der Summe der Ströme.der Transistoren 16 und 17 von je 1 Mikroampere«,

Der als Diode geschaltete Transistor 25 und der Transistor 26 bilden eine Dioden-Transistoreinheit mit Stromverstärkungsgrad 1. Durch gleichgroße Kollektorruheströme der Transistoren 16 und wird im Transistor 26 ein Kollektorstrom erzeugt, der gleich ist dem Kollektorstrom des Transistors 16. Der Kollektorausgangswiderstand der Transistoren 17 und 26 kann je nach der Herstellungs-

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BAD ORIGINAL

■ J ^t;. ^: 1943850

;;,.. . ■ 8 ; :'.- .- ' : : V . weise sehr hoch sein. An die gemeinsam an die Kollektoren der Transistoren 17 und 26 angeschlossene Ausgangsklemme 27 wird dann eine Transistorlastschaltung angeschaltet.

Wie erwähnt können weite Bereiche unterschiedlichen Betriebs_ Stroms für die Transistoren 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 25 und 26 eingestellt werden. Beispielsweise wurde die integrierte Schaltung nach Figur 1 mit einem Emitter-Kollektorstrombereich von 20 Nanoampere bis 400 Mikroampere betrieben.·

Da der Kollektorausgangswiderstand der Transistoren 17 und 26 hoch ist, wird die Spannungsverstärkung des Funktionsverstärkers durch den verwendeten äußeren Lastwiderstand bestimmt, was durch Berechnungen unter Zuhilfenahme der Transkonduktanz (Übertragungsleitwert) des Verstärkers geschehen kann. Die Transkonduktanz kann als Änderung des Ausgangsstromes bei Änderung der Differenzspannuhg an den Eingangsklemmen 22 und 23 definiert werden.

Die Transkonduktanz (g ) des Teils des DifferenzVerstärkers mit lediglich den Transistoren 11 und 12 beträgt:

39 χ Ι Siemens

■.-.■"■-——

worin I der Emitterstrom für einen der Transistoren 11 und 12 in Ampere ist und die Transkonduktanz als Änderung des einen Kollektorausgangsstromes bei Änderung der Spannung zwischen den Klemmen 22 und 23 definiert ist.

Da der Kollektordifferenzstrom durch die Basis-Emitterstrecken der Transistoren 16 und 17 fließt, steuern die Transistoren 16 und 17 einen Beta-Multiplikator zur Stromverstärkung des Differenzverstärkers bei. Der Ausgangsstrom des Transistors 16 fließt durch die Diode 25 und erzeugt einen gleichgroßen, gegenphasigen Ausgangsstrom des Transistors 26. Der Ausgangsstrom des Transistors 17 addiert sich dann zum Ausgangsstrom des Transistors 26 zur Aussteuerung eines über die Klemme 27 angekoppelten Lastelements. Die Gesamttranskonduktanz beträgt dann: . 009836/1764

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g = 39 ß I Siemens
m e

worin ß der Beta-Wert der Transistoren 16 und 17 und I der Emitterstrom eines der Transistoren 11 und 12 bedeuten·

Bei einem Strom des Transistors 11 von 1 Mikroampere und bei einem Beta-Wert des Transistors 16 von 50 beträgt beispielsweise die verfügbare Verstärkertranskonduktanz:

S = 39 χ 50 χ 1 χ 10" Siemens = 1950 Mikrosiemens. m ■

'.■■■■'■"■.' ι

Die Spannungsverstärkung ist dann einfach gleich der Ausgangsspannung, dividiert durch die Eingangsspannung, oder:

worin R. der an die Klemme 27 angeschlossene Ausgangslastwiderstand ist.

Die maximale Gleichtakteingangsgröße, welche den Betrieb der Eingangsstufe des Differenzverstärkers aus dem Gleichgewicht bringt, wird durch die Dauerspannungseigenschaften der Stromquelle mit dem Transistor 13 und den erforderlichen Spannungsabfall an den Lasttransdstoren 14 und 15> die sich beide von der verfügbaren Spannung der Versorgungsquelle subtrahieren, bestimmt. In der Schaltung nach Figur 1 können Gleichtakteingangsspannungen an den Klemmen 22 und 23 bis zu einer negativen Grenze, die gleich ist der negativen Quellenspannung an der Klemme 20 plus 0,8 Volt, und bis zu einer positiven Signalgrenze, die gleich ist der positiven Quellenspannung an der Klemme 24minus 1,4 Volt, ausschwingen, ohne daß der Betrieb des Differenzverstärkers gestört wird.

Die maximale Gleichtakteingangsgröße wird hauptsächlich bestimmt durch die Betriebsspannung verringert um sehr kleine Werte, da sowohl der Quellentransistor 13 als auch die Lasttransistoren 14 und 15 nur sehr kleine Spannungsabfälle benötigen, um wirksam zu arbeiten·

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Figur 2 zeigt einen Differenzverstärker mit in Kaskode geschalteten Transistorpaaren 28, 29 und 30, 31, die eine verbesse£ te Gleichtaktunterdrückung sowie einen verbesserten rauscharmen Betrieb ergeben. Die Transistoren 28 und 30 sind Eingangsverstärkertransistoren spezieller Konstruktion, die an die Eingangs klemmen 22' und 23' angekoppelt sind. Die Transistoren 28 und 30 sind Hochbeta-Transistoren (Superbeta-Transistoren) mit Beta-Werten in der Größenordnung von 1000 sowie sehr niedrigen Kollektor-Emitter durchbruchsspannungen in der Größenordnung von 1 Volt· Bei herkömmlichen höhervoltigen Transistoren ist der· Beta-Wert des Transistors im wesentlichen konstant als Funktion der Kollektorspannung im Niederspannungsarbeitsbereich. Dagegen bei höheren Spannungen im Bereich von V angenäherten Werten ist der Kollektorstrom sowohl vom Basisstrom als auch von der Kollektorspannung abhängig. V ist definiert als die Kollektor-Emitter-Durchbruchsspannung bei offenem Basiskreis mit nicht angeschlossener Basis.

Transistoren sind im allgemeinen durch einen Kollektor-Basis-Leckstrom gekennzeichnet, der bei Werten von weniger als 50 Millivolt der Kollektor-Basisspannung proportional ist* Diese Eigenschaft ergibt ein schlechtes Rauschverhalten bei kleinen Eingangssigrialen sowie eine unerwünschte Temperaturabhängigkeit.

Das schlechte Rauschverhalten und die Temperaturabhängigkeit werden in vorliegenden Falle durch eine spezielle Vorspannschaltung behoben, die nicht nur eine relativ feste niedrige Kollektorspannung für den Betrieb der Transistoren 28 und 30, sondern auch eine Kollektor-Basisspannung in den Transistoren 28 und 30 von im wesentlichen null herstellt, so daß auch der Kollektor-Basis-Leckstrom auf null herabgedrückt wird. Das Rausch- ι verhalten wird damit stark verbessert, so daß der Hochbeta-Transistdr in der Eingangsstufe eines Funktionsverstärkers verwendet werden kann. „

Die Transistoren 28, 29 und 30, 31 sind in Kaskode geschaltet, wobei 28 und 30 in Emitterschaltung arbeiten und ihren Emitterstrom vom Quellentransistor 13', der dem Quellentransistor in

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Figur 1 gleichartig sein kann, beziehen. Die Transistoren 29 und

31 arbeiten in Basisschaltung, wobei die Basen der Transistoren 28 und 30 über eine Vorspannschaltung mit den als Dioden geschalteten Transistoren 32 und 33 mit den Emittern der Transistoren

28 und 30 verbunden sind. Der Kollektorausgang der Transistoren

29 und 31 ist an eine Lastschaltung mit den Transistoren 14'r 15' 16', 17' und 18', die der Lastschaltung in Figur 1 gleichartig ist, angekoppelt.

Die Dioden 32 und 33 sind in der Durchlaßrichtung gespannt . und erzeugen eine Vorspannung 2V, zwischen den zusanunengeschalteten Basen der Transistoren 29 und 31 und den Emittern der Transistoren 28 und 30. Der Spannungsabfall am Basis-Emitterübergang der Transistoren 29 und 31 beträgt V. , so daß zwischen Kollektor und Emitter der Transistoren 28 und 30 eine Spannung von V. herrscht. Die Transistoren 28 und 30 sind in den leitenden Zustand gespannt, so daß zwischen Jiren Basen und Emittern eine Durchlaßvorspannung von V. herrscht. Es erscheint dann eine vernachlässigbar kleine Spannung zwischen Kollektor und Basis der Transistoren 28 und 3O₁₁ so daß sich ein sehr geringer Leckstrc-a ergibt, wie oben erläutert.

Um die Spannung zwischen Kollektor und Basis der Transistoren 28 und 30 minimal klein zu machen, sieht man gleichgroße und identisch hergestellte Basis-Emitterübergangsflächen bei den Transistoren 29» 31 und 33 vor, und für den Transistor 32 verwendet man ein Bauelement mit hohem Beta-Wert und niedriger Durchbruchsspannung' von gleicher Fläche und identischer Herstellungsweise wie die Hochbeta-Transistoren 28 und 30. Die mittleren Ströme, die durch die beiden Zweige 28, 29 und 30, 31 fließen, ■acht aan jeweils gleich dem Strom der Dioden 33, 32.

Die Spannungsabfälle V. an den Kollektor-Emitterübergängen der Transistoren 28, 30 sind gleich dem Spannungsabfall V. am Hochbeta-Transistor 32. Da die Basis-Emitterspannung der Transistoren 28 und 30 ebenfalls gleich der Spannung V, an der Diode

32 ist, beträgt der Spannungsabfall zwischen Kollektor und Basis der Transistoren 28 und 30 null.

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Die Vorspannschaltung mit den Dioden 32 und 33 wird durch Strom von einem zusätzlichen Transistor 34 gespeist, der durch den Spannungsabfall an der Diode 18' in der Durchlaßrichtung gespannt ist. Das Übergangsflächenverhältnis der Diode 18' zum Basis-Emitterübergang des Transistors 34 bestimmt den durch die Dioden 32 und 33 fließenden Strom, der auch in den Quellentransistor 13' fließen muß. Man macht daher den Basis-Emitterübergang des Quellentransistors 13' in seiner Fläche um 50 % größer als bei dem Transistor 13 in Figur 1, da der Transistor 13' um 50 % mehr Strom liefern muß. Bei einem Stromfluß im Transistor 13' von 3 Mikroampere fließt in den Transistoren 28 und 30 sowie in der φ Diode 32 ein Strom von je 1 Mikroampere. Der Strömfluß in den Transistoren 14' und 15' sowie in den Transistoren16' und 17' beträgt jeweils 1 Mikroampere. Bei einem Stromfluß von je 1 Mikroampere in den Transistoren 16' und 17' leitet die Diode 18' einen>Strom von 2 Mikroampere.

Die Basis-EmitterUbergangsflache des Transistors 34 beträgt die Hälfte der Übergangs- oder Sperrschichtfläche der Diode l8, so daß er einen Strom von 1 Mikroampere leitet, der dann durch die Vorspanndiodeii 32 und 33 fließt. Die Größe aller dieser Strö me wird von der einzigen Eingangsklemme 19' aus gesteuert, wo der Vorstrom für die Diode 21' angeliefert wird, der den vom Transistor 13' gelieferten Strom steuert.

Wenn den Klemmen 24' und 20' eine Quellenspannung und der , Diode 21' eine Betriebsspannung zugeführt wird, leitet der Transistor 13 Strom in die Transistoren 28 und 30. Beim Anschalten einer Quelle an die Klemmen 24' und 20' wird jedoch kein anfäng- · licher Vorstrom den Vorspanndioden 32 und 33 geliefert, so daß die Transistoren 29 und 31 und folglich die Transistoren 14, 15 und 18 keinen Strom leiten.

Wenn die Diode 18' und folglich der Transistor 34 nicht leiten, beträgt de Kollektor-Emitterspannung der Transistoren und 30 null. Bei fehlender Kollektor-Emitterspannung fließt daher der gesamte Strom vom Transistor 13' in der Basis-Emitterstrecke der Transistoren 28 und 30 und in die an die Klemmen 22'

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und 23' angekoppelten Signalquellen.

Um eine anfängliche Leitung in der Diode 18' herzustellen, ist zusätzlich ein kleinflächiger Transistor 41 vorgesehen, der mit seinem Basis-Emittereingang über die Diode 21' gekoppelt und mit seinem Kollektor an die Diode 18' angeschlossen ist. Der Transistor 41 braucht nur einen sehr kleinen Anfangsstrom an die Diode 18' zu liefern, um den Einschaltzyklus einzuleiten, wobei dieser Stromanteil nur so klein zu sein braucht, daß die Flächen Verhältnisse der Diode 18' und der Transistoren 14, 15, 16, 17 dadurch nicht gestört werden.

Da der Spannungsabfall an den Transistoren 28 und 30 niedrig ist, können Spitze —Spitze-Gleichtakteingangsspannungen an den Klemmen 22' und 23' nahezu so groß sein wie die verwendete Versorgungsspannung, ohne daß der Betrieb des Verstärkers beeinträch tigt wird, wie bereits erläutert.

Bei einem Eingangstransistor mit hohem Beta-Wert sind die Eingangswiderstände entsprechend höher, so daß ein höherer Emitterstrom in einem gegebenen Anwendungsfall erzeugt und folglich eine entsprechend höhere Transkonduktanz erhalten werden kann. •Beta-Werte im Bereich von 1000 wurden bei zufriedenstellend niedrigem Rauschen erhalten. Dieses praktische Verhalten hängt von zwei Faktoren ab: erstens daß die Kollektorspannung auf einen engen Bereich konstant gehalten wird und zweitens, daß für Null-Leckströme die Kollektor—Basisspannung null beträgt.

Es wird eine bessere Gleichtaktunterdrüekung erhalten, da bei Verwendung von integrierten Schaltungen die beiden Hälften des Differenzverstärkers ohne Schwierigkeit symmetrisch ausgebildet werden können. Die für die Herstellung der pnp-Transistoren in integrierter Schaltungsform verwendeten Transistoren sind als Seiten- oder Lateralkonstruktion entlang der Oberfläche des Halbleiterplättchens ausgebildet. pnp-Lateraltransistoren zeichnen sich durch einen niedrigen Beta-Wert sowie durch von der Emitter-Kollektorspannung abhängige Emitter-Kollektorströme aus. Der Verstärkungsgrad des Transistors 17' kann daher eine

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Funktion der Ausgangsspannungssignalamplitude sein, wodurch die Symmetrie der gleichen Verstärkung der Transistoren 16' und 17' gestört werden kann. Bei relativ niedrigen Ausgangsspannungsamplituden, die durch Verwendung einer relativ niedrigen Ausgangswiderstandslast an der Klemme 27' erreicht werden kann, bleibt jedoch die Symmetrie der beiden Diflferenzverstärkerhälften erhalten·

Figur 3 zeigt ein zusätzliches Paar von in Kaskode geschalteten Transistoren 16" und 17™ mit Transistoren 35und 36, um eine konstante Kollektor-Emitterspannung in den Transistoren 16"und 17" herzustellen, so daß die beiden Hälften des Differenzver- ^ stärkers gleiche Verstärkung aufweisen. Durch eine Vorspannschal-— tung mit den Dioden 37j 38 und 39 wird die Basis der Transistoren und 36 vorgespannt, wenn in diesen Dioden ein von einem zweiten Stromquellentransistor 40 entnommener Strom fließt.

Die Größe des Vorstromes in den Dioden 37» 38 und 39 ist im Hinblick auf die Erzeugung der Basisspannung für die Transistoren 35und 36 nicht kritisch. Indem man jedoch den Transistor 40 wie den Transistor 13" mittels der Diode 21" vorspannt, kann man erreichen, daß der Strom der Dioden 37» 38 und 39 die Ströme sämtlicher anderen Transistoren gleich hält.

Wie bei der Anordnung nach Figur 2 liefert eine Startschaltung mit dem Transistor 4I¹ den Anfangsstrom· Ein niedriger Vor-" strom kann für leistungsarmen Betrieb eingestellt werden, wenn alle anderen Transistoren in dieser Weise betrieben werden, undumgekehrt ein hoher Vorstrom für Hochstrombetrieb.

Die Transistoren 35 und 36 sind wie in Figur 1 mittels einer Dioden-Transistoreinheit 25% 26" an die Ausgangsklemme 27" angekoppelt, um eine Last im Gegentakt in bezug auf Bezugsnullpoten-, tial auszusteuern. Der Verstärker ist dadurch gekennzeichnet, daß er einen Transkonduktanzverstärkungsfaktor aufweist, da die Spannungsverstärkung durch die verwendete äußere Last bestimmt wird. Ein derartiger Betrieb ergibt einen zusätzlichen Freiheitsgrad für den Benutzer, durch den der Bereich der möglichen Anwendbarkeit für unterschiedliche Zwecke stark erweitert wird.

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Claims

Patentansprüche

.li Differenzverstärker, gekennzeichnet
durch zwei Verstärkerstufen mit jeweils Eingangselektrode,
gemeinsamer Elektrode und Ausgangselektrode und eine an die Ausgangselektroden angekoppelte Lastschaltung mit zwei Transistoren nit jewels Basis, Emitter und Kollektor, deren Emitter gemeinsam an eine Betriebsspannungsquelle angeschlossen sind und derenKollektoren je an eine der Ausgangselektroden angeschlossen sind;
durch eine die Basen der Transistoren gemeinsam verschaltende
Anordnung, derart, daß zwischen Basis und Emitter beider Transistoren gleiche Spannungen herrschen} sowie durch eine zwischen die Ausgangselektroden und die zusammengeschalteten Basen geschaltete Gleichtaktkoppelanordnung mit zwei Spannungsschwellenleitungselementen, die eine solche Strom/Spannungs-Koppelcharakteristik aufweisen, daß Strom bei einen Schwellwert übersteigenden Spannungen fließt·
2. Differenzverstärker nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die beiden Spannungsschwellen leitungselemente Flächenhalbleiterelemente sind,
3. Differenzverstärker nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet, daß die beiden Spannungsschwellenleitungselemente einen dritten und einen vierten Transistor enthalten, die eine solche Basis-Emitterstrom/Spannungscharakteristik aufweisen, daß Strom fließt, wenn die Spannung einen Schwellwert übersteigt·
4· Differenzverstärker nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, daß der dritte und der vierte Transistor ait ihren Emittern gemeinsam an die zusammengeschalteten
Basen des ersten und des zweiten Transistors und mit ihren Basen je an eine der Ausgangselektroden der Verstärkerstufen angekoppelt sind und mit ihren Kollektoren Ausgangsklemmen für die Ankopplung an eine Ausgangsschaltung bilden.

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5. Differenzverstärker nach Anspruch 3, dadurch ge k e η η ζ e i c h η e t , daß eine Diode direkt zwischen Basis und Emitter des ersten Transistors geschaltet ist.
6. Differenzverstärker nach Anspruch 1, dadurch

g e k e η η ζ e i c h η e t , daß die beiden Verstärkerstufen je ein in Kaskode geschaltetes Transistorpaar mit gemeinsamen Elektroden sowie eine gemeinsame Vorspannschaltung mit zwei in Reihe zwischen die gemeinsamen Elektroden der in Kaskode geschalteten Transistoren geschalteten Dioden enthalten.
7. Differenzverstärker nach Anspruch 6, dadurch ge k e η η ζ e i c h η e t , daß, bei jedem der in Kaskode geschalteten Transistorpaare ein Transistor eine extrem niedrige Kollektor-Emitterdurchbruchsspannung sowie eine Stromverstärkung von extrem hohem Beta-Wert aufweist.
8» Differenzverstärker nach Anspruch 7» dadurch ge k e η η ze i c h η e t, daß eine der Dioden in der gemeinsamen Vorspannschaltung ein als Diode geschalteter Transistor mit an die Hochbeta-Transistoren angepaßten elektrischen Eigenschaften ist. . - ^:
9« Differenzverstärker nach Anspruch 1, dadurch ge k e η η ζ ei c h η e t. , daß eine der beiden Verstärkerstufen einen fünften, und einen sechsten Transistor und die andere Verstärkerstufe einen siebten und einen achten Transistor enthält; daß zwischen Basis und Emitter des fünften und des siebten Tran- · sistors eine Signaleingangsanordnung geschaltet ist; daß der Emitter des sechsten Transistors mit dem Kollektor des fünften Transistors verbunden ist; daß der Emitter des achten Transistors mit dem Kollektor des siebten Transistors verbunden ist; daß in Reihe zwischen die Basen des sechsten und des achten Transistors und die Emitter des fünftenund des siebten Transistors zwei Dioden geschaltet sindj daß zwischen die Kollektoren des sechsten und des

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siebten Transistors eine Ausgangsschaltungsanordnung geschaltet ist; und daß die Dioden in der Durchlaßrichtung vorgespannt sind.
10. Differenzverstärker nach Anspruch 9, d a durch gekennzeichnet , daß der fünfte und der siebte Transistor. Transistoren mit hohem Beta-Wert mit einer Kollektor-Emitter durchbruchsspannung in der Größenordnung von 1 Volt sind.
11. Differenzverstärker nach Anspruch 10, d ad u r c h gekennzeichnet, daß eine der beiden in Reihe geschalteten Dioden ein als Diode geschalteter Transistor mit hohem Beta-Wert ist.
12. Differenzverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine der beiden Verstärker; stufen einen fünften und einen sechsten Transistor mit jeweils Basis, Emitter und Kollektor enthält; daß zwischen Basis und Emitter des fünften Transistors eine Signaleingangsanordnung geschaltet ist; daß der Emitter des sechsten Transistors mit dem Kollektor des fünften Transistors verbunden ist; daß zwischen die Basis des sechsten Transistors und den Emitter des fünften Transistors zwei Dioden in Reihe geschaltet sind; daß zwischen den Kollektor des sechsten Transistors und den Emitter des fünften Transistors eine Ausgangsschaltungsanordnung gekoppelt ist; und daß die beiden Dioden in Durchlaßrichtung vorgespannt sind,derart, daß die Spannung zwischen Kollektor und Basis des fünften. Transistors im wesentlichen null beträgt.
13. Differenzverstärker nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß der fünfte Transistor ein Transistor mit hohem Beta-Wert mit einer Kollektor-Emitterdurch-.bruchsspannung in der Größenordnung von 1 Volt ist»
14. Differenzverstärker nach Anspruch 13, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die eine der beiden Dioden ein als Diode geschalteter Transistor mit hohem Beta-Wert ist.

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15. Differenzverstärker nach Anspruch 12, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t , daß der Emitter des sechsten Transistors direkt mit dem Kollektor des fünften Transistors verbunden ist und daß die beiden^in Reihe geschalteten Dioden direkt zwischen die Basis des sechsten Transistors und den Emitter des fünften Transistors geschaltet sind·

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