DE2943012C2

DE2943012C2 - Linearer Differenzverstärker

Info

Publication number: DE2943012C2
Application number: DE2943012A
Authority: DE
Inventors: Bruno Monza Mailand/Milano Murani; Marco Vittuone Mailand/Milano Siligoni
Original assignee: SGS ATES Componenti Elettronici SpA
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 1978-11-03
Filing date: 1979-10-24
Publication date: 1987-04-16
Also published as: SE443901B; GB2035003A; GB2035003B; IT7829388A0; IT1100052B; FR2440649B1; SE7908980L; DE2943012A1; US4293824A; FR2440649A1

Description

Die Erfindung betrifft einen linearen Differenzverstärker gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein derartiger Differenzverstärker weist symmetrische Eingänge und einen unsymmetrischen Ausgang auf. Er soll sich für Eingangsspannungen bis zum Potential einer der beiden Versorgungsspannungspole, insbesondere dem Potential des die Kollektoren der Differenzverstärkertransistoren speisenden Pols, eignen. Bei diesem Pol handelt es sich insbesondere um den Massepol der Schaltungsanordnung. Das heißt, ein solcher linearer Differenzverstärker soll einen Betrieb ermöglichen, bei dem sich die Eingangsspannungen bis herab zu 0 V oder Massepotential erstrecken können. Ein solcher Verstärker wird hier als mit Masse kompatibler Differenzverstärker bezeichnet. Der Massepol ist negativ, wenn die Transistoren des Differenzverstärkers PNP-Transistoren, und positiv, wenn diese Transistoren NPN-Transistoren sind.
Ein linearer Differenzverstärker der eingangs angegebenen Art ist aus Fig. 2 der DE-AS 22 00 580 bekannt und in beiliegender Fig. 1 dargestellt. Um einen Betrieb mit Eingangsspannungen bis herab zu 0 V oder Massepotential zu ermöglichen, weist dieser bekannte Verstärker in beiden Verstärkungszweigen je eine Darlington-Stufe auf. Bei einer Beaufschlagung des Eingangs e ₁ mit Massepotential nehmen die Basis und der Kollektor des Transistors Q ₁ dasselbe Potential bezüglich Masse an, wenn man von der in der Praxis zutreffenden Voraussetzung ausgeht, daß V _BE des Transistors Q ₁ &min; gleich dem Durchlaßspannungsabfall an der Diode D ist. Das bedeutet, daß der Transistor Q ₁ bei Beaufschlagung des Eingangs e ₁ mit Massepotential, was vorliegend auch als Ruhezustand des Differenzverstärkers bezeichnet wird, mit V _CB = 0 arbeitet. Dadurch kann das Eingangssignal die Maximalamplitude in einer Halbwelle für V _CB = V _CEsat - V _BEsat haben. Das heißt, der Kollektor-Basis-Übergang ist für diese Halbwelle in Durchlaßrichtung vorgespannt, während dieser Übergang für die andere Halbwelle in Sperrichtung vorgespannt ist. Dasselbe gilt für den Transistor Q ₂ bei an Massepotential gelegtem Eingang e ₂. Das vom Wechselsignalgenerator G _a gelieferte Signal weist keine Gleichspannungskomponente auf.
Dieser bekannte Differenzverstärker ist zwar mit Masse kompatibel, weil auch bei einer Eingangsspannung von 0 V oder Massepotential an dem mit der Eintakt-Ausgangsstufe verbundenen Darlington-Ausgangstransistor noch eine Spannung liegt, welche die Eintakt-Ausgangsstufe auch bei einer solchen Eingangsspannung noch in den leitenden Zustand bringt. Allerdings führt dieser bekannte Differenzverstärker zu einem zu großen Offsetwert und zu einem zu hohen Rauschfaktor.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Differenzverstärker der eingangs angegebenen Art sowohl den Offsetwert als auch den Rauschfaktor zu verringern.
Lösungen dieser Aufgabe sind in den Ansprüchen 1 und 2 angegeben und können gemäß Anspruch 3 vorteilhaft weitergebildet werden.
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ist es möglich geworden, einen mit Masse kompatiblen Differenzverstärker mit der Mindestanzahl von Transistoren, nämlich mit zwei Transistoren aufzubauen, so daß man auch für den Offsetwert und den Rauschfaktor minimale Werte realisieren kann. Aufgrund der erfindungsgemäßen Festlegung der Kollektorpotentiale der beiden Differenzverstärkertransistoren wird erreicht, daß die Spannung 0 bzw. Massepotential im Eingangsdynamikbereich des Differenzverstärkers liegen darf und für beide Halbwellen des zu verstärkenden Eingangssignals der leitende Transistor immer im aktiven Betriebsbereich des Transistors bleibt, und zwar in demjenigen Teil des aktiven Betriebsbereichs, der unmittelbar an den Sättigungsbetriebsbereich angrenzt. Dabei beträgt die Kollektor-Basis-Spannung im Ruhezustand, d. h., bei Beaufschlagung beider Differenzverstärkereingänge mit 0 V oder Massepotential,

V _CB = V _R .

Dabei ist

V _R = (I _C + I _x) R ≤V _CEsat - V _BEsat-.

Dabei ist I _C der Kollektorstrom eines Transistors des Differenzverstärkers, I _X der von der Stromquellenschaltung aufgeprägte Strom, V _CEsat die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung und V _BEsat die Basis-Emitter-Spannung im Sättigungsbetrieb des jeweiligen Transistors. R ist der jeweilige Kollektorwiderstand.
Bekanntlich liegen bei Siliciumtransistoren die Kollektor- Emitter-Sättigungsspannung im Bereich von 0,1 V bis 0,2 V und die Basis-Emitter-Spannung eines im Sättigungsbereich betriebenen Transistors im Bereich von 0,6 bis 0,7 V. Im Ruhestand, in dem beide Differenzverstärkereingänge auf Massepotential liegen, tritt somit bei dem erfindungsgemäßen Differenzverstärker eine Kollektor-Basis-Spannung auf, die kleiner oder höchstens gleich einem Spannungswert im Bereich von 0,4 V bis 0,6 V ist.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das nachfolgend beschrieben wird.
Es zeigt
Fig. 1 einen bekannten mit Masse kompatiblen Differenzverstärker;
Fig. 2 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Differenzverstärkers mit Doppeltakt/Eintakt-Umsetzung;
Fig. 3 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Differenzverstärkers mit Doppeltakt/Eintakt-Umsetzung;
Fig. 3a und 3b Schaltungen gemäß der Erfindung, die von der Schaltung nach Fig. 3 abgeleitet sind.
Fig. 1 zeigt die bekannte Schaltung, deren Betriebsweise bereits erläutert worden ist. Der Eingang e ₂ ist an Masse angeschlossen. Der Generator G _a liefert ein Wechselsignal an den Eingang e ₁ des Differenzverstärkers, jedoch keine Gleichspannung zwischen e ₁ und Masse.
Fig. 2 zeigt eine Schaltung gemäß der Erfindung, in der die Kollektorwiderstände R zwischen dem Kollektor des ersten PNP-Transistors Q ₁ der Differenzstufe und Masse sowie zwischen dem Kollektor des zweiten PNP-Transistors Q ₂ derselben Stufe und Masse vorgesehen sind, wobei die Masse der negative Pol der Versorgungsspannungsquelle ist.
Beide Widerstände sind außer vom Kollektorstrom des entsprechenden Transistors auch vom Emitterstrom eines ersten Hilfstransistors Q ₃ bzw. eines zweiten Hilfstransistors Q ₅ durchflossen. Diese Hilfstransistoren sind an ihrer Basis in fester Weise vorgespannt (D ₁, G ₁), und der Kollektorstrom des ersten Hilfstransistors Q ₃ wird durch einen Stromspiegel (D ₂, Q ₄) am zweiten Versorgungspol (+) gespiegelt und dann zusammen mit dem Kollektorstrom des zweiten Hilfstransistors Q ₅ an die Ausgangselektrode 0 geführt. Diese Art und Weise, mit Hilfe einer Spiegelung einen Eintaktausgang zu erhalten ist an sich bekannt. Die Schaltung der Fig. 2 behält ihre Gültigkeit, wenn die Polarität aller Transistoren, der Dioden und der Versorgungspole umgekehrt wird.
In Fig. 3 ist eine Schaltung gemäß der Erfindung wiedergegeben, die nicht nur die besonderen Kollektorwiderstände R in dem mit Masse kompatiblen Differenzverstärker aufweist, sondern auch eine neuartige, in die Erfindung einbezogene Doppeltakt/ Eintaktumsetzung. Fig. 3 zeigt somit einen linearen Differenzverstärker mit Eingängen, die an einen der Versorgungspole anschließbar sind, und einem Eintakt-Ausgang.
In Fig. 3 ist zu erkennen, daß der Kollektorwiderstand R des ersten Transistors Q&sub1; außer von dem Kollektorstrom dieses Transistors auch vom Strom einer Diode D durchflossen ist, die einen konstanten Strom in Durchlaßrichtung führt, welcher von einer unabhängigen Konstantstromquelle G ₁ geliefert wird, die an den zweiten Versorgungspol (+) angeschlossen ist, während der Kollektorwiderstand R des zweiten Transistors Q ₂ außer von dem Kollektorstrom dieses Transistors auch von dem Emitterstrom eines dritten Transistors Q ₃ durchflossen ist.
Der Transistor Q ₃, dessen Kollektor von einer Konstantstromquelle G ₂versorgt wird, erfährt an seinem Emitter die Stromänderungen an Q ₂ und an seiner Basis die Spannungsänderungen, die von den Stromänderungen an Q ₁ erzeugt werden, wodurch der Strom der Konstantstromquelle G ₂ an dem den Ausgangsanschluß des Differenzverstärkers bildenden Kollektor dieses Transistors eintaktmäßig moduliert wird.
Die Figur behält ihre Gültigkeit bei, wenn die Polarität aller Transistoren, der Diode und der Versorgungspole umgekehrt wird.
Die Fig. 3a und 3b zeigen Variationen der in Fig. 3 gezeigten Schaltung, was die Realisierung des Doppeltakt/ Eintakt-Umsetzers betrifft. In beiden Schaltungen sind die erfindungsgemäß betriebenen Kollektorwiderstände R enthalten.
In Fig. 3a ist zu erkennen, daß anstelle der Diode D der Fig. 3 zwei als Diode geschaltete Transistoren vorgesehen sind.
In Fig. 3b ist dargestellt, daß das Summensignal am Ausgang für den ersten Zweig des Differenzverstärkers durch zwei Transistoren gebildet wird, die jeweils ihre eigene unabhängige Stromquelle haben, und daß das Summensignal für den zweiten Zweig von einer Diode gebildet wird, die im Ruhezustand denselben Strom aufweist, der den Emitter einer der beiden genannten Transistoren durchfließt.

Claims

1. Linearer Differenzverstärker mit einem ersten und einem zweiten Transistor, die zusammen eine Differenzschaltung bilden, wobei deren Kollektoren je über einen Kollektorwiderstand an einen das Massepotential liefernden ersten Spannungsversorgungspol angeschlossen sind,
deren Emitter miteinander verbunden und über eine Konstantstromquelle an einen zweiten Spannungsversorgungspol angeschlossen sind,
und deren Basisanschlüsse die Eingangsanschlüsse des Differenzverstärkers bilden und mit dem Massepotential beaufschlagbar sind,
und mit einer Doppeltakt-Eintakt-Umsetzerschaltung, die das von der Differenzschaltung erzeugte Doppeltaktsignal in ein Eintaktausgangssignal des Differenzverstärkers umsetzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorwiderstände (R) je mit einer Stromquelle (Q ₃, Q ₅, D ₁, G ₁; D, G ₁, Q ₃) verbunden sind und daß die Widerstände (R) und die Stromquellen (Q ₃, Q ₅, D ₁, G ₁, D, G ₁, Q ₃) derart dimensioniert sind, daß im Ruhezustand, in dem beide Eingänge (e ₁, e ₂) auf Massepotential liegen, an den Kollektoren eine auf das Massepotential bezogene Ruhespannung auftritt, deren Absolutwert kleiner oder höchstens gleich der Differenz zwischen der Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung und der Basis-Emitter-Spannung im Sättigungsbetrieb des jeweiligen Transistors (Q ₁, Q ₂) ist.

2. Linearer Differenzverstärker mit einem ersten und einem zweiten Transistor, die zusammen eine Differenzschaltung bilden, wobei deren Kollektoren je über einen Kollektorwiderstand an einen das Massepotential liefernden ersten Spannungsversorgungspol angeschlossen sind, deren Emitter miteinander verbunden und über eine Konstantstromquelle an einen zweiten Spannungsversorgungspol angeschlossen sind,
und deren Basisanschlüsse die Eingangsanschlüsse des Differenzverstärkers bilden und mit dem Massepotential beaufschlagbar sind,
und mit einer Doppeltakt-Eintakt-Umsetzerschaltung, die das von der Differenzschaltung erzeugte Doppeltaktsignal in ein Eintaktausgangssignal des Differenzverstärkers umsetzt, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektorwiderstand (R) des ersten Transistors (Q ₁) außer vom Kollektorstrom dieses Transistors (Q ₁) vom Strom einer Diode (D) durchflossen ist, die in Durchlaßrichtung einen Konstantstrom führt, der von einer zweiten, mit dem zweiten Versorgungspol verbundenen Konstantstromquelle (G ₁) geliefert wird,
daß der Kollektorwiderstand des zweiten Transistors (Q ₂) außer von dem Kollektorstrom dieses Transistors (Q ₂) vom Emitterstrom eines dritten Transistors (Q ₃) durchflossen ist,
daß der Kollektor des dritten Transistors (Q ₃) mit der Ausgangselektrode (O) und mit einer dritten Konstantstromquelle (G ₂) verbunden ist, die von dem zweiten Versorgungspol Strom entnimmt,
und daß die Basis des dritten Transistors (Q ₃) zusammen mit der Diode (D) an die zweite Konstantstromquelle (G₁) angeschlossen ist.

3. Differenzverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Transistor PNP- Transistoren sind, wenn der erste Pol negativ ist, und NPN- Transistoren, wenn der erste Pol positiv ist.