DE2528424C2 - Differenzverstärker - Google Patents
DifferenzverstärkerInfo
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- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
- H03F3/45—Differential amplifiers
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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- 3υ
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 (4)
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.
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