DE1948850C3

DE1948850C3 - Operationsverstärker

Info

Publication number: DE1948850C3
Application number: DE1948850A
Authority: DE
Inventors: Carl Franklin Somerset N.J. Wheatley Jun.
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1968-09-27
Filing date: 1969-09-26
Publication date: 1984-12-20
Also published as: BE738221A; MY7500093A; DK142386C; FR2019034A1; NL161632C; HU163139B; DK142386B; NL161632B; ES371704A1; SU361605A3; SE359989B; BR6912611D0; US3614645A; DE1948850A1; YU32327B; GB1274672A; JPS5635367B1; DE1967366C3; AT312050B; DE1948850B2

Description

Die Erfindung betrifft einen Operationsverstärker einer Gattung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs I.

Es ist bekannt, Operationsverstärker in Form integrierter Schaltungen herzustellen, jedoch ist die Anwendbarkeit derartiger Verstärker in unterschiedlichen Schallungsanordnungcn beschränkt. Der Konstrukteur integrierter Schallungen stellt im »!!gemeinen den l-'rc quenzgang der Spannungsverstärkung auf Kriterien ab, die sich nach dem zu erwartenden Anwendungszweck richten. Der Eingangs- und der Ausgangswiderstand stellen eine feste Schaltungsgröße des integrierten Halbleiterschaltungsplättchcns dar. Man hat daher zahlreiche Operationsverstärker für spezielle unterschiedliche Anwendungsgebiete entwickelt, die einen hohen bzw. niedrigen Eingangswiderstand, eine niedrige bzw. hohe Spannungsverstcrkung, eine hohe bzw. niedrige

to Ausgangsleistung für verschiedene Lasten erfordern.

Die Möglichkeit einer Rückkopplung bzw. Gegenkopplung bei Operationsverstärkern ergibt zwar eine gewisse Flexibilität der Anwendbarkeit Die Anpassungsmöglichkeit an verschiedene Anwendungen ist je-

i! doch durch die Spannungsverstärkung sowie den Frequenzgang wegen möglicher Instabilität oder Selbsterregung stark eingeschränkt

Operationsverstärker, wie sie in Fachbüchern definiert sind, haben einen hohen Eingangswiderstand, ei- nen niedrigen Ausgangswiderstand und eine charakteristische Spanr.ungsverstärkung. Außerdem müssen die Spannungsverstärkung und die Phasenverschiebung in Abhängigkeit von der Frequenz bemessen werden, daß ein stabiler Betrieb unter Anwendung von Gegenkopp lung möglich ist Die Leistung von Operationsverstär kern mit Gegenkopplung wird in Fachbüchern herkömmlicherweise Uurch Formeln für die Spannungsverstärkungscharakteristik beschrieben. Man stützt sich auf diese Charakteristik deshalb, weil Verstärker ge wohnlich einen eigenen Arbeitswiderstand haben, durch den die verfügbare Spannungsverstärkung definiert oder festgelegt ist.

Für hohe Spannungsverstärkungen verwendet man gewöhnlich einen großen Arbeitswiderstand. Dies er-

Ji fordert jedoch im allgemeinen höhere Betriebs- oder Speisespannungen, was den Nachteil eines erhöhten Lcislungs- oder Energieverbrauchs hat. Bei integrierten Schaltungen erfordern große V/idcrstände in normalerweise kritischen Schaltungpbereit>?n. wie z. B. Kollek- lorarbeitswidcrstände, außerdem einen sogenannten »Basisdiffusionswiderstand«. Die Abmessung eines solchen integrierten Widerstands ist seinem ohmschen Wert direkt proportional. Ein hochohmiger Widerstand dieser Art benötigt also viel Platz, so daß sich die Ko sten der integrierten Schaltung entsprechend erhöhen.

Ähnliches gilt auch für eine aus der US-Patentschrift 32 78 761 bekannte Verstärkeranordnung, welche die im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale aufweist. Diese Verstärkeranordnung enthält als Ein- gangsstufe einen aus einem ersten und einem zweiten Transistor gebildeten Differenzverstärker, deren Kollektorlasten jeweils aus einer gesonderten Konstantstromschaltung bestehen, deren jede einen Emitterverstärker (dritter bzw. vierter Transistor) mit Emitter-Ge- genkopplungswiderstand und einer über einen großen Widerstand gehenden Kollektor-Basis-Kopplung aufweist. Die Kollektor-Ausgangssignale dieses Differenzverstärkers steuern einen weiteren Differenzverstärker (fünfter und sechster Transistor) an, dessen Kollcklorla-

bo stcn ebenfalls relativ große Widerstände sein müssen, wenn die Verstärkung hoch sein soll.

Aus der Veröffentlichung »1968 International Solid· Stale Circuits Conference, Digest of Technical Papers«, New York, Februar 1968, S. 20, 21, ist ein Opcrations-

b5 verstärker bekannt, dessen erste Stufe zwei nls Differenzverstärker geschaltete Feldeffekttransistoren enthält, deren Source-Elektroden miteinander und mit einer ersten Stromquelle verbunden sind. Die Drain-Kick-

trotten sind jeweils mit dem Kollektor eines npn-Lasttransistors und der Basis eines weiteren npn-Transistors verbunden, der zu einer zweiten Differenzverstärkerstufe gehört. Die Emitter der Lasttransistoren sind miteinander und über zwei in FiuBrichtung gepolte Dioden mit einer negativen Spannungsquelle verbunden. Die Emitter der Transistoren der zweiten Differenzverstärkerstufe sind jeweils mit der Basis des zugehörigen Lasttransistors sowie über eine eigene Diode mit einer zweiten Stromquelle verbunden. Der Kollektor des einen Differenzverstärkertransistors der zweiten Stufe liegt an Masse, der Kollektor des anderen Transistors der zweiten Stufe ist mit dem Eingang einer dritten Stufe verbunden. Bei dieser Schaltung ist für jede Differenzverstärkerstufe eine eigene getrennte Stromquelle vorgesehen, die jeweils den Ruhestrom der betreffenden Stufe bestimmt

Aus dem Datenblatt der Firma National Semiconductors »A VERSATILE, MONOLITHIC VOLTAGE R EGULATOR« S. AN 1-2 - AN 1-4, insbesondere Figur 3. ist ein vereinfachtes Schaltbild einer Spannungsregelschaltung bekannt, die einen Differenzverstärker mit nachgeschaJtetem Darlington-Emitterfolger enthält. Der Differenzverstärker enthält zwei emittergekoppelte npn-Transistoren, von denen der eine eine feste Basisspannung und der andere eine gegenkoppelnde Basisspannung erhält. Der Kollektor des einen Transistors ist über einen als Diode geschalteten Transistor entgegengesetzten Leitungstyp mit einer Betriebsspannungsklcmme verbunden, während der Kollektor des anderen Transistors mit dem Kollektor eines Lasttransistors und dem Eingang des Emitterfolgers verbunden ist. Der Lasttransistor hat einen Leitungstyp der dem der Transistoren des Differenzverstärkers entgegengesetzt ist, er ist mit seiner Basis an den Kollektor des js ersten Differenzverstärkeriransistors und seinem Emitter an die Betriebsspannungsklemme angeschlossen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuen Operationsverstärker zu schaffen, der spezielle - Anforderungen genügt.

Bei dem gattungsgemäßen Operationsverstärker wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen schaltungstechnischen Merkmalen gelöst.

Dieser Operationsverstärker enthält einen emittergckoppelten Differenzverstärker mit eimern ersten und einem zweiten Transistor II, 12 eines ersten Leitungstyps, deren Emitter vom Kollektor eines Stromquellentransistors 13 des ersten Leitungstyps Betriebsstrom empfangen, und der ferner einer; dritten 14, einen vierten 15, einen fünften 16 und einen sechsten 17 jeweils als Verstärker in Emitterschaltung geschalteten Transistor eines /weiten Leilungstyps sowie eine Ausgangsklemme 27, an welcher Ausgangssignale als Antwort auf zwischen die Basen des ersten und zweiten Transistors 11. 12 gelegte Eingangssignale erscheinen. Es bestehen ferner folgende Verbindungen:

Eine Verbindung der Kollektoren des ersten und dritten Transistors 11 bzw. 14 miteinander und mit der Basis des fünften Transistors 16; eine Verbindung der Kollek- bo torcn des zweiten und vierten Transistors 12 bzw. 15 miteinander und mit der Basis des sechsten Transistors 17: eine Verbindung der Emitter des dritten und vierten Transistors 14 bzw. 15 mit einem ersten Betricbspoteniiul 24; eine Verbindung zwischenKollektor und Basis des ts dritten Transistors 14 und zwischen Kollektor und Basis des vierten Transistors IV eine Verbindung der Emitter des fünften und des sechsten Transistors 16 bzw. 17 mit dem ersten Betriebspotential 24.

Die Basis des dritten Transistors 14 ist mit dem Emitter des fünften Transistors 16 und die Basis des vierten Transistors 15 mit dem Emitter des sechsten Transistors 17 verbunden.

Ein in Durchlaßrichtung gepolter Halbleitergleichrichter 18 in Form eines als Diode geschalteten Transistors verbindet die Emitter des fünften und sechsten Transistors 16 bzw. 17 mit dem ersten Betriebspotential 24.

Es sind ferner ein siebter und ein achter Transistor 25 bzw. 26 vonm ersten Leitungstyp jeweils in Emitterschaltung vorgesehen, deren Emitter mit einem zweiten Betriebspotential 20 verbunden sind, mit welchem auch der Emitter des Stromquellentransistors 13 verbunden ist, während die Basis des siebten Transistors 25 mit dem Kollektor dieses Transistors und mit der Basis des achten Transistors 26 verbunden ist;

der Kollektor des fünften Transistors 16 ist mit der Verbindung zwischen den Basen des s'.'bten und achten Transistors 25 bzw. 26 verbunden; und
die Kollektoren des sechsten und des achten Transistors 17 bzw. 26 sind mit der Ausgangsklemme 27 verbunden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patenunspruch:

Operationsverstärker, der als emittergekoppelten Differenzverstärker einen ersten und einen zweiten Transistor (U₄12) eines ersten Leitungstyps enthält, deren Emitter vom Kollektor eines Stromquellentransistors (13) des ersten Leitungstyps Betriebsstrom empfangen, und der ferner einen dritten, einen vierten, einen fünften und einen sechsten jeweils als Verstärker in Emitterschaltung geschalteten Transistor (14, IS, 16,17) eines zweiten Leitungstyps sowie eine Ausgangsklemme (27) aufweist, an welcher Ausgangssignale als Antwort auf zwischen die Basen des ersten und zweiten Transistors gelegte Eingangssignale erscheinen, wobei folgende Verbindungen bestehen:

Gleichstromkopplung der Kollektoren des ersten und dritten Transistors (11,14) miteinander und mit der Bash-<!es fOnfen Transistors (16); GleschstKHnkopplung der Kollektoren des zweiten und vierten Transistors (12, IS) miteinander und mit der Basis des sechsten Transistors (17); Gleichstromkopplung der Emitter des dritten und vierten Transistors (14, IS) mit einem ersten Betriebspotential (24);

Gleichstromkopplungen zwischen Kollektor und Basis des dritten Transistors (14) und zwischen Kollektor und Basis des vierten Transistors (IS); Gleichstromkopplung der Emitter des fünften und des sechsten Transistors (16,17) mit dem ersten Betriibspoiential (24); dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des dritte» Transistors (14) mit dem Emitter des fünften Transistor (16) und daß die Basis des vierten Transistors (15) mit dem Emitter des sechsten Transistors (17) verbunden ist; daß ein in Durchlaßrichtung gepolter Halbleitergleichrichter (18) die Emitter des fünften und sechsten Transistors (16 und 17) mit dem ersten Betriebspotential koppelt (24);

daß ein siebter und ein achter Transistor (25 und 26) vom ersten Leitungstyp jeweils in Emitterschaltung vorgesehen sind, deren Emitter mit einem zweiten Betriebspotential (20) verbunden sind, mit welchem auch der Emitter des Stromquellentransistors (13) verbunden ist, während die Basis des siebten Transistors (25) mit dem Kollektor dieses Transistors und mit der Basis des achten Transistors (26) verbunden ist;

daß der Kollektor des fünften Transistors (16) mit der Verbindung zwischen den Basen des siebten und achten Transistors (25,26) verbunden ist; und daß die Kollektoren des sechsten und des achten Transistors (17 und 26) mit der Ausgangsklemme (27) verbunden sind.