DE2528424C2

DE2528424C2 - Differenzverstärker

Info

Publication number: DE2528424C2
Application number: DE2528424A
Authority: DE
Inventors: Rudy Johan van de Eindhoven Plassche
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1974-07-08
Filing date: 1975-06-26
Publication date: 1982-06-03
Also published as: US4002993A; IT1036448B; JPS5132156A; FR2278198B1; GB1472670A; FR2278198A1; JPS5739683B2; CA1025067A; DE2528424A1; NL7409191A

Description

Die Erfindung betrifft einen Differenzverstärker mit einem ersten und einem zweiten Transistor gleichen Leitfähigkeitstyps, deren Emitter über je einen Widerstand mit einem gemeinsamen Punkt verbunden sind.

Bei Differenzverstärkern tritt bei hohen Frequenzen und großen Signalen eine Beschränkung auf, die durch die sogenannte »slew rate« bestimmt wird. Unter »slew rate« ist die Höchstgeschwindigkeit zu verstehen, mit der sich das Ausgangssignal ändern kann.

U. a. aus dem Aufsatz »IC Electronica toegepast in analoge bouwlokken« (= »IC Elektronik, in analogen Bausteinen angewandt«) von R. J. v. d. Plassche, erschienen in »Tijdschrift van het Nederlandse Electronica — en Radiogenootschap,« Band 38, Nr. 2/3, 1973.S. 47-56, ist bekannt, daß diese »slew rate« bei gleichbleibender Bandbreite durch das Verhältnis zwischen dem Ruhestrom und der Steilheit der Transistoren des Differenzpaares bestimmt wird. Bei einem Differenzpaar mit gemeinsamem Emitterkreis ist die Steilheit der Ruhestromstellung proportional, so daß die »slew rate« konstant ist. Durch Gegenkopplung des Differenzpaares durch Anordnung von Widerständen in den Emitterleitungen wird erreicht, daß die Effektivsteilheit in geringerem Maße von der Ruhestromeinstellung abhängig wird, so daß Vergrößerung des Ruhestroms eine größere »slew rate« ergibt Für verhältnismäßig kleine Signale bedeutet jedoch eine Vergrößerung des Ruhestroms eine beträchtliche Herabsetzung des Signal-Rausch-Verhältnisses, während außerdem Vergrößerung des Ruhestroms eine Zunahme der Temperaturdrift herbeiführt Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, daß diese Probleme dadurch verringert

ίο werden können, daß die Ruhestromeinstellung des Differenzpaares mit dem Eingangssignal geändert wird.

Änderungen der Ruhestromeinstellung mit dem

Eingangssignal ist u. a. bei Signalexpansionsschaltungen bekannt, wie sie z. B. in der österreichischen Patentschrift 1 74 421 beschrieben sind. Bei Differenzverstärkern ist aus der US-Patentschrift 36 68 538 als eine die »slew rate« erhöhende Maßnahme bekannt, die Emitter eines Eingangstransistorpaares kreuzweise über die Basis-Emitter-Strecken eines Transistorenpaares von einem dem der Eingangstransistoren entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps miteinander zu koppeln. Die Kollektorströme bilden dabei das Ausgangssignal des Differenzverstärkers. In der Praxis führt die Anwendung von Transistoren vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp zu einem schlechteren Hochfrequenzverhalten der Schaltung.

Urn die »slew rate« eines Differenzpaares, deren Emitter über je einen Widerstand mit einem gemeinsamen Punkt verbunden sind, zu vergrößern, ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Emitter der Transistoren außerdem über mindestens die gegensinnige Reihenschaltung zweier Halbleiterübergänge miteinander verbunden sind, wobei eine erste Stromquelle die Einstellströme für diese Halbleiterübergänge liefert, und daß der gemeinsame Punkt mit dem Emitter eines dritten Transistors verbunden ist, dessen Basis mit der Verbindungsleitung zwischen den beiden Halbleiterübergängen gekoppelt ist, während die Ruhestromeinstellung des dritten Transsitors durch eine zweite Stromquelle bestimmt wird.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine erste Ausführungsform,

F i g. 2 eine zweite Ausführungsform

Fig. 3 eine dritte Ausführungsform eines Differenzverstärkers nach der Erfindung.

Der Verstärker nach Fig. 1 besteht aus einem Transistorpaar Tl und T2, deren Emitter über Widerstände 7 bzw. 8 mit einem gemeinsamen Punkt 13 verbunden sind. Die Kollektoren der Transistoren T\ und T2 sind mit den Ausgangsanschlußpunkten 3 bzw. 4 und über die Widerstände 9 bzw. 10 mit einer Klemme 6 einer Speisequelle, in dem dargestellten Beispiel dem positiven Anschlußpunkt, verbunden. Die Basis-Elektroden Ii und 2 der Transistoren Π bzw. 72 bilden die Eingangsschlußpunkte, zwischen denen eine Eingangsspannung angelegt werden kann, während die Ausgangüspannung zwischen den Punkten 3 und 4 entnehmbar ist. Die Emitter der Transistoren Ti und T2 sind mit den Basis-Elektroden der Transistoren Γ 4 bzw. Γ5 verbunden, deren Leitfähigkeitstyp dem der Transistoren T\ und Tl entgegengesetzt ist. In dem dargestellten Beispiel sind die Transistoren TA und Γ5 vom pnp-Leitungsfähigkeitstyp. Die Emitter der Transistoren Γ4 und 7"5 sind miteinander und über eine Stromquelle 12 mit dem positiven Speisungsanschlußpunkt 6 verbunden, so daß zwischen den Emittern der

Transistoren 7*1 und 72 die gegensinnige Reihenschaltung zweier Halbleiterübergänge — die durch die Emitter-Basis-Obergänge der Transistoren 74 und 7*5 gebildet werden — vorhanden ist Die Kollektoren der Transistoren ΤΛ und 7"5 sind mit ernem negativen Speisungsanschlußpunkt 5 verbunden. Außerdem sind die Emitter der Transistoren 74 und TS mit der Basis eines Transistors TZ verbunden, aer im dargestellten Beispiel vom pnp-Leitfähigkeitstyp ist und dessen Kollektor mit dem positiven Speisungsanschlußpunkt 6 ,0 und dessen Emitter mit dem gemeinsamen Punkt 13 verbunden ist der über eine Stromquelle 11 mit dem negativen Speisungsanschlußpunkt 5 verbunden ist

Beim Fehlen einer Spannung zwischen den Basis-Elektroden der Transistoren 7"1 und 72 sollen die Transistoren 7*1 und TI einen verhätnismäßig niedrigen Ruhestrom führen. Außerdem ist eine gute Symmetrie wünschenswert, d.h. daß die Ruheströme, die die Transistoren 7*1 und T2 führen, einander gleich sind. Sind die Transistoren 71 und 7"2 miteinander identisch und sind die Basisströme der Transistoren 74 und 7"5 einander gleich, so bedeutet dies, daß die Widerstände 7 und 8 einender gleich sein sollen. Die Spannungen über den Widerständen 7 und 8 sind dann einander gleich, so daß bei identischen Transistoren TA und 75 der Strom /12, der von der Stromquelle 12 geliefert wird, sich gleichmäßig über die Transistoren 7*4 und 7"5 verteilt Beim Fehlen eines Differenzsignals an den Basis-Elektroden der Transistoren TX und T2 gilt dann, daß die Basis-Emitter-Spannung des Transi- 3_υ stors gleich der Summe der Basis-Emitter-Spannung des Transistors TA und der Spannung über dem Widerstand 7 und auch gleich der Summe der Basis-Emitter-Spannung des Transistors T5 und der Spannung über dem Widerstand 8 ist Wenn angenommen wird, daß es erwünscht ist daß die Kollektorströme der Eingangstransistoren maximal um einen Faktor 10 variieren und daß bei vollständiger Aussteuerung der Strom, der dann durch die KoHektor-Emiuer-Strecke des Transistors 73 fließt, vernachlässigbar klein gegenüber dem von der Stromquelle 11 gelieferten Strom /11 ist, muß der Ruhestrom der Transistoren T\ und Tl beim Fehlen eines Eingangssignals gleich 0,1 /11 sein, wobei durch die: Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors TZ ein Strom von 0,8/11 fließt Die Ströme /11 fließen dabei as durch die Widerstände 7 und 8. Unter Berücksichtigung der voererwähnten Gleichheit der Basis-Emitter-Spannung des Transistors 73 und der Summe der Basis-Emitter-Spannung des Transistors TA und der Spannung über dem Widerstand 7 kann dann ein geeigneter Wert für die Widerstände 7 und 8 und für den Strom /12 gefunden werden.

Wird eine Eingangsdifferenzspannung zwischen den Biasis-Elektroden der Transistoren 7*1 und 72 angelegt und nimmt diese zu, wobei die Spannung an der Basis des Transistors 71 positiv gegenüber der Spannung an der Basis des Transistors 72 wird, so wird der Emitterstrom des Transistors 71 zunehmen und der Eniitterstrom des Transistors 72 abnehmen, wodurch die: Spannung über dem Widerstand 7 zunimmt und die Spannung über dem Widerstand 8 abnimmt Demzufolge nimmt die Basis-Emitter-Spannung des Transistors 74 ab und die Basis-Emitter-Spannung des Transistors 73 zu. Der Strom /12 wird dann allmählich auf den Transistor 75 übertragen. In erster Linie übt dies nahezu keinen Einfluß auf die Basis-Emitter-Spannung de:; Transistors 73 aus, so daß die Summe der Emitterströme der Eingangstransistoren 71 und 72 für kleine Eingangssignale nur wenig zunimmt Wenn eine derartige Eingangsdifferenzspannung erreicht ist daß der Transistor 74 nichtleitend wird, fließt der Strom /12 völlig durch die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 75, so daß die Basis-Emitter-Spannung des Transistors 75 sich nicht mehr ändert. Eine weitere Zunahme der Eingangsdifferenzspannung führt eine Herabsetzung der Spannung über dem Widerstand 8 herbei, wobei die Basis-Emitter-Spannung des Transistors 73 unmittelbar dieser Spannungsherabsetzung folgt Der Emitterstrom des Transistors 73 nimmt dabei ab, so daß der zu dem Differenzpaar fließende Teil des Stroms /11 zunimmt. Eine maximale Eingangsdifferenzspannung ist erreicht wenn der Transistor 72 in den nichtleitenden Zustand gelangt ist Wenn der Basis-Strom des Transistors 75 vernachlässigt wird, ist die Spannung über dem Widerstand 8 zu diesem Zeitpunkt 0 V und ist die Basis-Emitter-Spannung des Transistors 73 gleich der Basis-Emitter-Spannung des Transistors 75. Wenn beide Tran 'stören identisch sind, ist der dann durch die Kollektor-EiJtter-Strecke des Transistors 73 fließende Strom gleich/12. Da der Unterschied zwischen den Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren 71 und 72, wobei der Transistor 72 gerade in den nichtleitenden Zustand gelangt ist, verhältnismäßig gering ist, wird die maximale Eingangsdifferenz annähernd durch das Produkt des Stromes /11 und des Wertes des Widerstandes 7 bzw. 8 bestimmt. Der maximale Ausgangsspannungshub wird bei Gleichheit der Widerstände 9 und 10 durch den Strom /11 und den Wert des Widerstandes 9 bzw. 10 bestimmt. Wenn die Spannung an der Basis des Transistors 72 gegenüber der Spannung an der Basis des Transistors 71 positiv wird, findet ähnliches auf symmetrische Weise statt.

Obgleich die Transistoren 74 und 75 pnp-Transistoren und also bei integration laterale Transistoren sind, die Hochfrequenzeigenschaften wegen der geerdeten Kollektoren dieser Transistoren nicht ungünstiger. Außerdem ist es möglich, in integrierten Schaltungen die Transistoren 74 und 75 als vertikale Substrat-pnp-Transistoren auszubilden.

Statt die Kollektoren der Transistoren 74 und 75 mit dem negativen Speisungsanschluß zu verbinden, können diese mil den Basis-Elektroden der Transistoren 74 bzw. 75 verbunden werden, wodurch diese als Dioden geschaltet sind.

F i g. 2 zeigt eine Ausführungsform eines Differenzverstärkers nach der Erfindung, bei der die Transistoren 74 und 75 durch Dioden D1 und D 2 ersetzt sind. Der Verstärker ist weiter gleich dem Verstärker nach Fig. 1. Die Wirkungsweise des Verstärkers nach F i g. 2 entspricht der des Verstärkers nach Fig. 1, wobei jedoch die die Dioden DX und D 2 durchfließenden Ströme zu berücksichtigen sind. Diese Ströme fließen ja auch durch die Widerstände 7 bzw. 8. Wenn der Strom /12 klein gegenüber dem Strom /12 ist, übt dies nahezu keinen Einfluß auf die Wirkung des Verstärkers aus.

Statt den die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 73 durchfließenden Strom in einem mit der Eingangsdifferenzspannung zunehmenden Maße auf die Transistoren des Differenzpaares j:u übertragen, kann der Transistor 73 durch einen Transistor vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp ersetzt werden, durch den die Summe der Emitterströme der Transistoren 71 und 72 fließt

Fig.3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines solchen Verstärkers. Die Schaltung entspricht der nach Fig. 1, wobei der Transistor 73 durch einen pnp-Transistor

ersetzt ist, dessen Kollektor mit dem negativen Speisungsanschlußpunkt 5 und dessen Basis über die Reihenschaltung zweier Dioden, die als Diode geschaltete Transistoren sein können, mit den Emittern der Transistoren 74 und 75 verbunden ist. Die Stromquelle 11 ist durch eine Stromquelle 13 ersetzt, die die Basis des Transistors 76 mit dem negativen Speisungsanschlußpunkt 5 verbindet.

Beim Fehlen einer Eingangsdifferenzspannung und bei einer guten Symmetrie des Verstärkers verteilt sich der Unterschied zwischen dem Strom 12 und dem die Dioden D3 und DA durchfließenden Strom gleichmäßig über die Kollektor-Emitter-Strecken der Transistoren 74 und 75. Dann gilt, daß der Unterschied zwischen der Spannung über der Reihenschaltung der Dioden D3 und DA und der Basis-EmiUer-spannung des Transistors 75 und der Spannung über dem Widerstand 8 ist. Wenn, gleich wie beim Ve bei dem Verstärker nach F i g. 1, sich z. B. derKollektorstrom der Transistoren Tl und 72 um einen Faktor 10 ändern können muß, soll sich der Basisstrom des Transistors 76 um einen Faktor 5 ändern können. Dies bedeutet, daß der Strom /13, der von der Stromquelle 13 geliefert wird, zumindest gleich dem Fünffachen des Basisstroms des Transistors 76 bei dem gewünschten Ruhestrom der Transistoren 71 und T2 beim Fehlen einer Eingangsdifferenzspannung sein soll. Mit diesen Daten können die Werte für die Widerstände 7 und 8 und die Stromquellen 12 und 13 bestimmt werden.

Wenn die Spannung an der Basis des Transistors 7"I allmählich größer gegenüber der Spannung an der Basis des Transistors T2 wird, wird, wie bei dem Verstärker nach F i g. 1, der Transistor 75 mehr Strom führen und der Transistor 7*4 weniger Strom führen, ohne daß anfänglich die Einstellung des Transistors 76 erheblich beeinflußt wird. Wenn der Transistor TA in den nichtleitenden Zustand gelangt, wird die Emitterspannung des Transistors 75 der abnehmenden Spannung an der Basis des Transistors 72 völlig folgen, wodurch die Basis-Emitter-Spannung des Transistors 76 größer und die Spannung über den Dioden D 3 und D 4 kleiner wird. Ein zunehmender Teil des Stromes wird dabei der Basis des Transistors 76 entzogen und der Emitterstrom des Transistors 76 nimmt zu.

deich wie bei dem Verstärker nach Fig. 1 können die Transistoren 74 und 75 durch Dioden ersetzt werden.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen. Verschiedene Abwandlungen sind möglich, während auch andere Transistorlypen verwendet werden können. Außerdem kann die Schaltung als eine monolithische integrierte Schaltung ausgebildet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Differenzverstärker mit einen ersten und einem zweiten Transistor gleichen Leitfähigkeitstyps, deren Emitter über je einen Widerstand mit einem gemeinsamen Punkt verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitter der Transistoren außerdem über mindestens die gegensinnige Reihenschaltung zweier Halbleiterübergänge miteinander verbunden sind, wobei eine erste Stromquelle die Einstellströme für diese Halbleiterübergänge liefert, und daß der genannte gemeinsame Punkt mit dem Emitter eines dritten Transistors verbunden ist, dessen Basis mit der Verbindungsleitung zwischen den beiden Halbleiterübergängen gekoppelt ist, während die Ruhestromeinstellung des dritten Transistors durch eine zweite Stromquelle bestimmt wird.

2. Differenzverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterübergänge durch die Basis-Emitter-Übergänge von Transistoren von einem dem des ersten und des zweiten Transistors entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp gebildet werden.

3. Differenzverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Transistor vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie der erste und der zweite Transistor ist, wobei der Emitter mit der zweiten Stromquelle und die Basis unmittelbar mit der Verbindungsleitung zwischen den beiden Halbleiterübergängen und außerdem mit der ersten Stromquelle verbunden ist.

4. Differenzverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Transistor von einem des ersten und des zweiten Transistors entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp ist, wobei die Basis mit der zweiten Stromquelle und über die Reihenschaltung mindestens eines dritten und eines vierten Halbleiterübergangs mit der Verbindungsleitung verbunden ist, die auch mit der ersten Stromquelle verbunden ist.