DE2344216B2 - Differentialverstärker - Google Patents

Description

der verschiebbare Abgriff des Vtiderstandes VR₀ ist an eine gemeinsame Konstantstromquelle / angeschaltt-_ Die Schaltungskomponenten entsprechen denjenigen gemäß F i g. 1 und sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. In der Schaltung gemäß Fi g. 2 ist an Stelle des einstellbaren Widerstandes 7Ji₁ zwischen der Drain-Elektrode D₂ des Feldeffekttransistors Tr₁, und der Quelle V_B ein fester Widerstand R, eingeschaltet

Bei der Schaltung gemäß Fig. 2 ist es durch entsprechende Einstellung des veränderlichen Widerstandes VR₁ möglich, die Vorwärtsübertragungsadmittanzen der beiden Feldeffekttransistoren im wesentlichen gleich zu machen, wodurch der Rejektionsfaktor gegenüber demjenigen der Schaltung gemäß F i g-1 verbessert werden kann. Außerdem kann die Temperaturdrift verbessert werden, da es möglich ist, die Temperaturkoeffizienten der beiden Feldeffekttransistoren im wesentlichen gleich zu mrchen. Die durch die Änderung der Quellenspannung hervorgerufene Spannungsdrift ist jedoch nahezu gleich derjenigen der Schaltung gemäß Fig. 1, so daß die Verstärkung der Verstärkerschaltung um einen Betrag abnimmt, der der über den veränderlichen Widerstand zwischen den Source-Elektroden S₁ und S„ hervorgerufenen Rückkopplung entspricht. Dadurch ist die Spannungsdrift, bezogen auf die Eingangsspannung, wesentlich größer als diejenige bei der Schaltung gemäß F i g. 1.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die bisher tekannten Differentialverstärker in Bezug auf Verstärkung, Rejektionsfaktor und Drift zu verbessern. Außerdem sollen die Verstärker-Abgleichsbedingungen unabhängig von den Betriebscharakteristiken der Feldeffekttransistoren ohne Schwierigkeit herstellbar sein.

Ausgehend von einem Differentialverstärker der eingangs angegebenen Art, wird erfindungsgemäß zur Lösung dieser Aufgabe vorgeschlagen, daß jedem Feldeffekttransistor ein Transistor zugeordnet ist, dessen Basis mit der Drain-Elektrode des zugehörigen Feldeffekttransistors und dessen Kollektor mit 5er Source-Elektrode des anderen Feldeffekttransistors gekoppelt ist.

Bei einem Gleichstromverstärker mit einem Feldeffekttransistor, dessen Gate-Elektrode mit einem Eingangsanschluß dessen Source-Elektrode über einen Widerstand mit Erde und dessen Drain-Elektrode über einen Widerstand mit einer Spannungsquelle verbunden sind, und mit einem Transistor, dessen Basis an die Drain-Elektrode, dessen Emitter an die Source-Elektrode des Feldeffekttransistors und dessen Kollektor an die Spannungsquelle angeschaltet sind, wird zur Lösung der obengenannten Aufgabe erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß imVerbindungsweg zwischen dem Emitter des Transistors und der Source-Elektrode des Feldeffekttransistors ein Widerstand angeordnet ist und ein Ausgangsanschluß des Verstärkers von dem Verbindungspunkt zwischen der Basis des Transistors und der Drain-Elektrode des Feldeffekttransistors abgeleitet ist.

Bei einer aus der Zeitschrift »radio, fernsehen, elektronik«, 18, Heft 2, 1969, Seite 53 und 54, bekannten Spannungsdiskriminatorschaltung sowie einer Kondensatormikrophon-Verstärkerschaltung entsprechender Gattung wird zwar die dem Feldeffekttransistor innewohnende, gegenüber Normaltransistoren verbesserte Temperaturcharakteristik ausgenutzt, ohne daß jedoch die Temperatuicharakteristik des Feldeffekttransistors selbst durch Schaltungsmaßnahmen verbessert wird. Die Verbesserung dieser Betriebscharakteristik des Feldeffekttransistors erfolgt jedoch erfinduagsgemäß durch eine Gegenkopplung zum Transistor über den im Verbindungsweg zwischen dem Emitter des Transistors und der Source-Elektrode des Feldeffekttransistors liegenden Widerstand, der eine temperaturbedingte Änderung des Drain-Stroms im Feldeffekttransistor unterdrückt.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 und 2 die Schaltbilder von zwei bekannten. Feldeffekttransistoren verwendeten Differentialverstärkem,

F i g 3 und 4 Schaubilder der Betriebscharakteristiken des bei dem erfindungsgemäßen Differentialverstärker verwendeten Feldeffekttransistors,

F i g. 5 ein Schaltbild eines Ausführungsbeisptels des erfindungsgemäßen Differentialverstärkers,

F i g. 6 ein Schaubild zur Erläuterung der Be triebsweise des in Fig. 5 gezeigten Differentialverstärkers, und

F i g. 7 ein Schaltbild eines abgewandelten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Zum besseren Verständnis der Erfindung werden zunächst die Charakteristiken des verwendeten Feldeffekttransistors an Hand der Schaubilder gemäß F i g. 3 und 4 beschrieben. In dem Schaubild gemäß F i g. 3 ist die Beziehung zwischen dem Drain-Strom I₀ und der Vorwärtsübertragungsadmittanz G_n, gezeigt. Bei den nach den gleichen Kenndaten hergestellten Feldeffekttransistoren ist es generell möglich, deren Vorwärtsübertragungsadmittanz durch Einstellung gleicher Drain-Ströme I₀ im wesentlichen gleich zu machen.

F i g. 4 zeigt die Beziehung zwischen der Umgebungstemperatur Ta und dem Drain-Strom I₀, wobei V_GS die Spannung zwischen den Gate- und Source-Elektroden des Feldeffekttransistors darstellt. Wie durch die Kurve b gezeigt ist, ist es bei geeigneter Wahl des Drain-Stroms I₀ (0,5 mA in diesem Falle) möglich, den Drain-Strom I₀ unabhängig von Änderungen der Umgebungstemperatur im wesentlichen konstant zu halten.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 5 ist die Gate-Elektrode G₁ eines ersten Feldeffekttransistors Tr₁ mit einem Eingangsanschluß verbunden, während dessen Source-Elektrode S₁ über einen veränderlichen Widerstand VR₃ mit der Source-Elektrode S₂ eines zweiten Feldeffekttransistors Tr₂ gekoppelt ist, dessen Gate-Elektrode G₂ mit dem anderen Eingangsanschluß verbunden ist. Der bewegliche Abgriff des veränderlichen Widerstands VR₃ ist über eine Konstantstromqueüe / geerdet. Die Drain-Elektrode D₁ des ersten Feldeffekttransistors; Tr₁ ist über einen Widerstand R₁ mit einer Spannungsquelle Vβ sowie direkt mit der Basis eines Transistors Tr₃ verbunden. Der Kollektor des Transistors Tr₃ ist mit der Source-Elektrode S₂ des zweiten Feldeffekttransistors Tr₂ gekoppelt, während der Emitter des Transistors Tr₃ über einen Widerstand A₈ an die Spannungsquelle V_n angeschaltet ist. Die Drain-Elektrode D₂ des zweiten Feldeffekttransistors Tr₂ ist über einen Widerstand i?₂ mit der Spannungsquelle V₈ und direkt mit der Basis eines Tran-

sistors Tr₄ gekoppelt. Der Kollektor des Transi- Bezeichnet man die Vorwärtsübertragungsadmit-

stors Tr₄ liegt an der Source-Elektrode S₁ des ersten tanz der ersten und zweiten Feldeffekttransistoren

Feldeffekttransistors Tr₁, und sein Emitter ist über mit g_m, die Last mit R und den zwischen den Source-

einen Widerstand A₄ mit der Spannungsquelle V_B ver- Elektroden liegenden veränderlichen Abgleichswider-

bunden. 5 stand mit F_Ä, so ergibt sich eine Verstärkung für die

Der in Fig. 5 gezeigte Differentialverstärker arbei- Schaltung gemäß Fig. 2 von g_mR/(l+g_mV_R), wähtet wie folgt: Zunächst wird der einstellbare Wider- rend diejenige der Schaltung nach F i g. 5 g_mR ist. stand VR₃ so eingestellt, daß der Differentialverstär- Das bedeutet, daß der veränderliche Widerstand VR_x ker seine Abgleichspannungen erreicht. Da die Drain- allein zum Abgleich der Charakteristiken der beiden Ströme der ersten und zweiten Feldeffekttransi- io Feldeffekttransistoren beiträgt, aber niemals als Gestoren Tr₁ und Tr₂ wie die Kollektorströme durch genkopplung auf das Eingangssignal riickwirkt.
die Transistoren Tr₃ und Tr₄ gleichgemacht werden Die den Differentialverstärker bildenden Feldkönnen, wenn gleiche Eingangssignale an den Gate- effekttransistoren arbeiten mit ihren geerdeten Source-Elektroden G₁ und G₂ der Feldeffekttransistoren Tr₁ Elektroden in Abhängigkeit von an ihren Gate-Elek- und Tr₂ anstehen, ist es möglich, die Vorwärtsüber- 15 troden anstehenden Eingangssignalen. Gleichzeitig tragungsadmittanzen dieser Feldeffekttransistoren damit werden durch die Kollektorströme der dem durch Einstellung des veränderlichen Widerstandes Feldeffekttransistoren zugeordneten Transistoren Si- VR₃ im wesentlichen gleichzumachen. gnale an die Source-Elektroden derart angelegt, daß

Nach Anlegen eines Eingangssignals -MF,-., an die die Feldeffekttransistoren so arbeiten, als wären ihre Gate-Elektrode G₁ des ersten Feldeffekttransistors Tr₁ ao Gate-Elektroden geerdet. Demzufolge entspricht die sowie eines Eingangssignals — AV_1n an die Gate-Elek- Funktion jedes Feldeffekttransistors einer Kaskadentrode G₂ des zweiten Feldeffekttransistors Tr₂ nimmt schaltung von zwei Feldeffekttransistoren. Im Verder Drain-Strom des ersten Feldeffekttransistors Tr₁ gleich zu dem bekannten Differentialverstärker gein Abhängigkeit von diesen Eingangssignalen zu, maß F i g. 2 ist es daher möglich, den Rejektionsf akwährend der Drain-Strom des zweiten Feldeffekttran- 25 tor geeignet zu verbessern und die Drift in Bezug auf sistors Tr₂ um einen der Zunahme des Drain-Stroms das Eingangssignal durch Erhöhung der Verstärkung des ersten Feldeffekttransistors Ττ_λ gleichen Betrag zu verringern. Bei der bekannten Schaltung schwankt abnimmt. Wenn Transistoren mit einem großen der Drain-Strom /_DSS (der Drain-Strom bei F_cs=0 Stromverstärkungsfaktor h_FE als Transistoren Tr₃ und entsprechend Kurve α in F i g. 4) von nach denselben Tr₄ verwendet werden, arbeiten diese als Emitter- 30 Richtwerten hergestellten Feldeffekttransistoren um folger mit vollen Gegenkopplungen, so daß ihre Span- einen Faktor von zwei oder drei, so daß es unmögnungsverstärkungsfaktoren im wesentlichen gleich 1 lieh war, den Differentialverstärkeir zum Zwecke der sind. Demzufolge nimmt der Kollektorstrom des Erhöhung seiner Verstärkuug genau abzugleichen, so-Transistors Tr₃ um einen Wert gleich dem Drain- fern nicht ein veränderlicher Widerstand mit einem Stromananstieg des ersten Feldeffekttransistors Tr₁ 35 großen Widerstandswert unter Schaffung einer hohen zu, während der Kollektorstrom des Transistors Tr₄ Gegenkopplung an die Source-Elektroden der FeIdum denselben Wert abnimmt. Da der Drain-Strom effekttransistoren angeschaltet wurde. Demgegenüber des ersten Feldeffekttransistors Tr₁ und der Kollek- ermöglicht die Erfindung nicht nur die mehrfache torstrom des Transistors Tr₄ durch den mit der Verbesserung der Verstärkung, sondern verbessert Source-Elektrode S₁ des ersten Feldeffekttransi- 40 auch wesentlich den Rejektionsfaktor und die Drift, stors Tr₁ verbundenen linken Teil des veränderlichen Darüber hinaus macht es die Erfindung möglich, die Widerstandes FA₃ fließen, wird der durch den Unken Schaltungskonstanten so zu wählen, daß die Kollek-Teil des veränderlichen Widerstandes VR₃ fließenden torströme der Transistoren viel großer als die Drain-Gesamtstrom von den Eingangssignalen nicht verän- Ströme der Feldeffekttransistoren sind, wodurch die dert. Da der Drain-Strom des zweiten Feldeffekttran- 45 Verstärkung weiter verbessert wird,
sistors Tr₂ und der Kollektorstrom des Transistors Tr₃ Obwohl in dem zuvor erläuterten Ausführungsbeidurch den mit der Source-Elektrode S₂ des 2weiten spiel ein doppelseitiger Differentialverstärker mit zwei Feldeffekttransistors Tr₂ verbundenen rechtem Teil Eingangsanschlüssen und zwei Ausgangsanschlüssen des veränderlichen Widerstandes FjR₃ fließen, wird behandelt wurde, ist die Erfindung auf diesen auch der durch den rechten Teil des. veränderlichen 5° Differentialverstärkertyp nicht beschränkt, sondern Widerstandes FA₃ fließende Gesamtetrom nicht von kann auch auf einen Eintaktdifferentialverstärker der Größe der Eingangssignale beeinflußt. Demgemäß mit einem Eingang und einem Ausgang angewandt ist es möglich, Ausgangssignale bei hohen Verstär- werden.

kungen an den Ausgangsanschlüssen zu entwickeln, Fig. 7 zeigt ein derartiges Ausführungsbeispiel mit

ohne die Verstärkung der Schaltung über den ver- 55 einem Feldeffekttransistor Tr₅, dessen Gate-Elek-

änderlichen Widerstand VR₃ in irgendeiner Weise zu trode G mit einem Eingangsanschluß verbunden ist,

beeinträchtigen. dessen Source-Elektrode S über einen Widerstand R₈

F i g. 6 zeigt die Beziehung zwischen der Eingangs- geerdet ist und dessen Drain-Elektrode D über einen signalspannung V_in und dem Drain-Strom I₀ und dem Widerstand R₅ mit einer Sparmungs quelle V_B verbun-Kollektorstrom I_c, wobei die Kurve α den Drain- 60 den ist Außerdem ist ein npn-Transistor Tr₀ vorge-Strom des ersten Feldeffekttransistors Tr₁ und den sehen, dessen Basis mit der Drain-Elektrode des Kollektorstrom des Transistors Tr₃, die Kurve b den Feldeffekttransistors Tr₅, dessen Kollektor mit der Drain-Strom des zweiten Feldeffekttransistors Tr₂ Spannungsquelle V_B und dessen Emitter über einen und den Kollektorstrom des Transistors Tr₄ und die Widerstand R₇ mit der Source-Elektrode S des Feld-Kurve c den durch den veränderlichen Widerstand 65 effekttransistors verbunden ist. Wenn eine Eingangs- VR_n zwischen den Source-Elektroden der ersten und spannung V_in an der Gate-Elektrode G des in der zuzweiten Feldeffekttransistoren Tr₁ und Tr₂ fließenden vor beschriebenen Weise aufgebauten Eintaktverstär-Strom zeigen. kers ansteht, wird das Eingangssignal von dem FeId-

(ο

effekttransistor Tr_s verstärkt und am Ausgangsanschluß eine entsprechende Ausgangsspannung entwickelt.

Der neue Differentialverstärker ermöglicht bei einfachem Aufbau eine Verbesserung des Diskiimina-

tionsverhältnisses, der Temperatur- und Spannungsdrif te und kann mit hohen Verstärkungen selbst dann stabil betrieben werden, wenn die Umgebungstemperatur und die Quellenspannung über weite Bereiche schwanken.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

effekttransistoren, dessen Ausgangsanschlüsse mi Patentanspräche: den Drain-Elektroden und dessen Eingangsan Schlüsse mit den Gate-Elektroden der Feldeffekttran

1. Differentialverstärker mit zwei Feldeffekt- sistoren verbunden sind, und mit einem zwischen dii transistoren, dessen Ausgangsanschlüsse mit den 5 Source-Elektroden der Feldeffekttransistoren einge Drain-Elektroden und dessen Eingangsanschlüsse schalteten veränderlichen Widerstand, der mit einen mit den Gate-Elektroden der Feldeffekttran- Zwischenabgriff an eine KonstantstromqueUe ange sistoren verbunden sind, und mit einem zwischefl schaltet ist.

die Source-Elektroden der Feldeffekttransistoren Feldeffekttransistoren werden auf Grand ihre:

eingeschalteten veränderlichen Widerstand, der io hohen Eingangswiderstandes gegenwärtig in weiten mit einem Zwischenabgriff an eine Konstantstrom- Umfang als Gleichstromverstärker, Wechselstromver quelle angeschaltet ist, dadurch gekenn- stärker und dergleichen eingesetzt. Da solche Verzeichnet, daß jedem Feldeffekttransistor (Tr₁, stärker jedoch in der Regel Driftfehler haben, wurde Tr₂) ein Transistor (Tr₉, Tr₄) zugeordnet ist, bereits ein Differentialverstärker vorgeschlagen, bei dessen Basis mit der Drain-Elektrode (D₁, D₂) des 15 dem dieser Drifteffekt beseitigt ist. zugehörigen Feldeffekttransistors und dessen KoI- Es sind verschiedene Arten solcher Differentiallektor mit der Source-Elektrode (S,, S₁) des je- verstärker vorgeschlagen worden, und typische Ausweils anderen Feldeffekttransistors (Tr.,, Tr₁) ge- fühnmgsbeispiele sind in den Fig. 1 und 2 der Zeichkoppelt sind. " ' nung dargestellt. Bei der Schaltung gemäß F i g. 1

2. Differentialverstärker nach Ansprach 1, da- 20 sind die Source-Elektroden eines Paares von FeIddurch gekennzeichnet, daß ein mit der Source- effekttransistoren mit einer Konstantstromquelle verElektrode (S₁) des einen Feldeffekttransistors bunden und von dieser angesteuert. Die Gate-Elek- (Tr₁) verbundener Anschluß des veränderlichen troden G₁ und G₀ der Feldeffekttransistoren Tr₁ und Widerstands (VR₃) mit dem Kollektor des dem Tr., sind mit Eingangsanschlüssen verbunden, die anderen Feldeffekttransistors (7V„) zugeordneten 25 Source-Elektroden S₁ und S₂ liegen über eine gemein-Transistors (Tr₄) gekoppelt ist und der andere, same Konstantstromquelle / an Erde, und die Drainmit der Source-Elektrode (S₂) des anderen Feld- Elektroden D₁ und D, sind über einen Widerstand R₁ effekttransistors (7V₂) verbundene Anschluß des und einen einstellbaren Widerstand VR_x mit einer veränderlichen Widerstandes mit dem Kollektor Spannungsquelle V_B verbunden. Die Ausgangsandes dem einen Feldeffekttransistor (Tr₁) züge- 30 Schlüsse O₁ und O, der Differentialverstärker sind mit ordneten Transistors (Tr₃) gekoppelt ist. den Drain-Elektroden D₁ und D₀ verbunden.

3. Differentialverstärker nach Anspruch 1, da- Der in der Fig. 1 gezeigte Differentialverstärker durch gekennzeichnet, daß die Drain-Elektroden arbeitet wie folgt:

(D₁, D₂) der Feldeffekttransistoren (Tr₁, Tr_n) und Den Gate-Elektroden G₁ und G₀ aufgedrückte E!n-

die Emitter der beiden Transistoren (Tr₃, Tr₄) je- 35 gangssignale V_1n und - V_1n werden von den Feld weils über Widerstände(R₁...R₄) mit einer effekttransistoren Tr₁ bzw. Tr₂ verstärkt, wobei ein Spannungsquelle (F_ß) verbunden sind. Ausgangssignal an den Ausgangsanschlüssen O,

4. Gleichstromverstärker mit einem Feldeffekt- und O₀ entwickelt wird. Der einstellbare Widerstand transistor, dessen Gate-Elektrode mit einem Ein- VR₁ ist so eingestellt, daß die Transistoren 7V₁ und gangsanschluß, dessen Source-Elektrode über 40 7V_O bei gleichen Eingangssignalen an ihren Gate-Elekeinen Widerstand mit Erde und dessen Drain- troden gleiche Ausgangssignale erzeugen. Unter Elektrode über einen Widerstand mit einer Span- diesen Bedingungen sind die Gate-Source-Spannunnungsquelle verbunden sind, und mit einem Tran- gen der beiden Feldeffekttransistoren gleich, während sistor, dessen Basis an die Drain-Elektrode, ihre Drain-Ströme nicht regelmäßig gleich sind. Da dessen Emitter an die Source-Ellektrode des Feld- 45 die Drain-Ströme auch bei übereinstimmenden Eineffekttransistors und dessen Kollektor an die Span- gangsspannungen von der Charakteristik der FeIdnungsquelle angeschaltet sind, dadurch gekenn- effekttransistoren abhängig sind, sind sie nicht immer zeichnet, daß im Verbindungsweg zwischen dem gleich. Aus diesem Grande ist die Vorwärtsübertra-Emitter des Transistors (7V,₈) und der Source- gungsadmittanz des Feldeffekttransistorpaares nicht fc.lektrode(S) des Feldeffekttransistors (Tr₅) ein 50 gleich, wodurch das Verhältnis der gleichen Phasen-Widerstand (R₇) angeordnet ist und ein Ausgangs- komponente zur umgekehrten Phasenkomponente des anscnluß (Vo) des Verstärkers von dem Verbin- Ausgangs, d. h. der Rejektionsfaktor verschlechtert dungspunkt zwischen der Basis des Transistors wird. Damit ist eine Verminderung der Stabilität des und der Dram-Elektrode (D) des Feldeffekttran- Verstärkerbetriebs verbunden. Aus diesem Grande ist sistors abgeleitet ist (Fig. 7). 55 es notwendig, Feldeffekttransistoren mit übereinstimmenden Betriebscharakteristiken auszuwählen. Anderenfalls ist es unmöglich, Driftänderungen auf Grund von Temperaturänderungen perfekt zu kompensieren. Daher wird die Drift auf Grand der Unterschiede in

^6o den Temperaturcharakteristiken der beiden Feldeffekttransistoren so weit erhöht, daß selbst bei vergrößertem Verstärkungsfaktor des Verstärkers die Eingangsdrift beachtlich wird.

In der in F i g. 2 gezeigten Schaltung ist ein ver-

TV cc α u r η ^{6s änderIicn}er Widerstand VR., zwischen die Source-

uie brnndung befaßt sich mit der Verbesserang Elektroden S₁ und S₀ der "beiden Feldeffekttransi-

von Dirrerentialverstärkern. Insbesondere betrifft die stören Tr₁ und Tr₉ derart eingeschaltet, daß ihre Vor-

fcrnnoung einen Differentialverstärker mit zwei Feld- wärtsübertragungs'widerstände abgeglichen sind und