DE19614996A1

DE19614996A1 - Polungsunabhängiger Differenzverstärker

Info

Publication number: DE19614996A1
Application number: DE1996114996
Authority: DE
Inventors: Drazenko Dipl Ing Sukalo
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-04-16
Filing date: 1996-04-16
Publication date: 1997-10-23

Description

Die Erfindung betrifft einen Differenzverstärker mit symmetrischen Ausgängen. Durch seine Schaltungsanordnung soll erreicht werden, daß die Signale zu beiden Ausgängen mit der gleichen Phasenverschiebung übertragen werden. Diese Erfindung erhält ihre Bedeutung bei der symmetrischen Signalübertragung, in dem das Signal - die symmetrische Leitungen entlang - möglichst unempfindlich gegen den Einfluß äußerer Störsignale übertragen werden soll.

Beispiel: Beschreibung eines solchen Audio-Signalübertragungs-Systems in "Analog Devices-Amplifier Reference Manual 1992, Seite 4-201 bis 4-220".

Dynamische Eigenschaften des realen Differenzverstärkers lassen sich leichter gemäß der vereinfachten Darstellung in Abb. 2 untersuchen. Wenn man den N-Eingang des Verstär kers an Masse anschließt und das Eingangssignal am P-Eingang einspeist, entsteht ein unsymmetrisch betriebener Differenzverstärker, der als Phasenumkehrstufe funktioniert. Widerstand Rq ist der Innenwiderstand der Signalquelle Uq. Beide Transistoren werden mit demselben Kollektorruhestrom betrieben, jedoch T1 in Basisschaltung und T2 in Emitterschaltung. Infolge der parasitären Kapazitäten nimmt der Betrag der Verstärkung mit der Frequenz zu und, wegen der ungleichen dynamischen Arbeitspunkte der Transistoren, entsteht eine Phasenverschiebung zwischen beiden Ausgangssignalen, weil das Signal durch die verschiedenen Wege zu den Ausgängen geleitet wird. Um eine möglichst hohe Ausgangs-Gleichtaktunterdrückung (Output-Common-Rejection Ratio) zu erreichen, man muß sicherstellen, daß keine zeitliche Verschiebung der beiden Signale gegeneinander auftritt, sondern, daß der Signalweg (qualitativ) der beiden Adern der Leitung gleichbleibt.

Diese "unterschiedlichen Laufzeit" - Verzerrungen werden durch die Schaltungs anordnung des Verstärkers beseitigt, und zwar wie folgt:

a) daß jeder beliebig ausgesuchte Transistor des Schaltbildes seinen komplementären Transistor hat, der in dem gleichen statischen und dynamischen Arbeitspunkt betrieben wird,
b) daß die Signalwege von jedem Eingang (während der andere auf der Masse liegt) zum gewünschten Ausgang - auf denen das Signal weitergeleitet wird - theoretisch unter einander gleich sind,
c) daß, gleich wieviele Verstärkerstufen hintereinander gleichstromgekoppelt sind, der Ausgangsnullpunktfehler der letzten Stufe gleich bleibt.

Durch die Beschreibung des Anspruches unter Punkt a) und b) wird erreicht, daß jeder Ausgang als Signalgenerator gesehen ein gleiches Ersatzschaltbild besitzt. Man muß aber bemerken, daß die Elektronenbeweglichkeit im allgemeinen höher als die Löcherbewe glichkeit ist, somit ist es unmöglich, daß ein Komplementär-Transistorenpaar gleiche Eigenschaften hat. Die Beschreibung des Anspruches unter Punkt c) ermöglicht die Serienverknüpfung von mehreren Verstärkerstufen, um eine möglichst hohe CMRR zu erzielen. Da enge Toleranzen der Kondensatoren schwer zu erreichen sind, verwendet man nur Widerstände, die serienmäßig mit den Adern der Leitungen gekoppelt sind.

Die Funktionsweise eines polungsunabhängigen Differenzverstärkers mit symmetrischen Ausgängen wird gemaß seinem Schaltbild in Abb. 1 erklärt.

Die JFET-Transistorenpaare T1.1, T1.2 und T2.1, T2.2 bilden den Eingangsdifferenz verstärker. Um enge Paarungstoleranzen und eine hohe Symmetrie der Schaltung zu er reichen, sind monolithische Doppelfets erforderlich. Die Widerstände Rs bestimmen den fließenden Drainruhestrom der Eingangstransistoren.

Zwei Transistoren unterscheiden sich bei gleichem Drainstrom immer in ihrer Gate- Source-Spannung. Daher und weil beide Eingänge auf Nullpotential liegen, werden die Drainströme nicht untereinander genau gleich sein. Demzufolge fließt durch die Wider stände Rg ein Ausgleichsstrom. Rg bestimmt außerdem die Differenzverstärkung. Das heißt, daß die Offsetspannung des Verstärkers nicht in der Eingangsstufe auf Null ausgeglichen ist. Dadurch gewinnt man den Vorteil, daß die Anordnung der Bau elemente im Eingangsdifferenzverstärker absolut symmetrisch ist.

Legt man an beide Eingänge dieselbe Signalquelle (Gleichtaktaussteuerung), dann ist es aus Symmetriegründen möglich, die Widerstände Rg wegzulassen. Wenn man die Maschenregel auf die Eingangsschleife (mit der Voraussetzung Uds=konstant) verwendet, ergibt sich, daß bei dieser Betriebsart die Drainströme konstant bleiben, das heißt, die Gleichtaktverstärkung ist gleich Null.

Erfindungsgemäß (PA unter a)), arbeitet jedes von den Transistorenpaaren T1.1 + T2.1, T1.2 + T2.2, T3.1 + T4.1, T3.2 + T4.2, ,T5.2 + T6.2 in dem gleichen statischen und dynamischen Arbeitspunkt. Die Transistorenpaare T3.x (die Transistoren T3.1 und T3.2), T4.x, T5.x und T6.x sind auch als Doppeltransistoren ausgeführt.

Um die Nullpunktfehler der Gesamtschaltung wegen der Eingangs-Offsetspannung zu kompensieren, dienen die Operationsverstärker OV1 und OV2, die als Integratoren arbeiten. Da die OV1 und OV2 einen NF-Zweig bilden, muß man die Zeitkonstante R3C so dimensionieren, daß die niedrigste Signalfrequenz noch voll übertragen wird. Auf diese Weise ist es möglich, mehrere Verstärkerstufen hintereinander galvanisch zu koppeln.

Im folgenden werden einige Anwendungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 3 Audio Brückenendstufe

Wenn eine Leistungsendstufe größere Ausgangsströme und Ausgangsspannungen abgeben soll, stellt man die Endtransistoren vor große Anforderungen. Sie sollen gleich zeitig große Ströme und Spannungen aushalten können ohne die Transistoreigenschaften zu verschlechtern. Da solche Anforderungen schwer zu erreichen sind, besteht z. B. eine Möglichkeit, die Brückenschaltung zu verwenden, um die Spannung an den Endtransi storen zu halbieren.

Wegen der hohen Ausgangs-Gleichtaktunterdrückung ist ein extrem hoher Dämpfungs faktor in den Höhen ereichbar.

Fig. 4 Symmetrische Signalübertragung

Der Verstärker V1 arbeitet als Phasenumkehrschaltung, also als "Leitungstreiber". Er gibt symmetrische Signale an die Leitung ab. Bei der relativ großen Länge der Leitungen empfiehlt es sich, das Signal zu verstärken und Gleichtaktstörsignale in den Leitungen zu unterdrücken. Diese Aufgabe erfüllt der Verstärker V2. Als Empfänger am Ende der Leitung dient der Verstärker V3 der als Differenzverstärker arbeitet und ein zweiphasiges Ausgangssignal liefert.

Claims

Der polungsunabhängige Differenzverstärker ist ein Differenzverstärker mit symme trischen Ausgängen, bei dem die Phasenverschiebungen der beiden Ausgangssignale zum Eingangssignal, das nur auf einem von beiden Eingängen eingespeist ist (wenn der andere auf der Masse liegt), möglichst gleich sind und dessen Schaltungsanordnung dadurch gekennzeichnet ist,
- a) daß jeder beliebig ausgesuchte Transistor des Schaltbildes seinen komplementären Transistor hat, der in dem gleichen statischen und dynamischen Arbeitspunkt betrieben wird,
- b) daß die Signalwege von jedem Eingang (während der andere auf der Masse liegt) zum gewünschten Ausgang - auf denen das Signal weitergeleitet wird - theoretisch unter einander gleich sind,
- c) daß, gleich wieviele Verstärkerstufen hintereinander gleichstromgekoppelt sind, der Ausgangsnullpunktfehler der letzten Stufe gleich bleibt.