DE3731130C2 - Spannungs/Strom-Wandleranordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Spannungs/Strom-Wand­ leranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (DE 34 20 068 A1).

Wandleranordnungen dieser Art sind Vorrich­ tungen, die in elektronischen Schaltungen eingesetzt wer­ den, wenn ein in Form einer sich ändernden Spannung vorlie­ gendes Eingangssignal in einen auf das Eingangssignal bezo­ genen Ausgangsstrom umgesetzt werden soll. Eine solche Wandleranordnung weist einen Parameter auf, der als Steil­ heit bezeichnet wird; für diesen Parameter wird das Symbol "gm" benutzt. Die Steilheit ist die Steigung des linearen Teils einer Kennlinie, die den Ausgangsstrom in Abhängig­ keit von der Eingangsspannung repräsentiert.

In Fig. 1 der Zeichnung ist eine bekannte Spannungs/Strom- Wandleranordnung dargestellt. Sie ist von einer Schaltung abgeleitet, die als Stromübernahmeschalter bekannt ist. Die Eingangsspannung wird an die Basisanschlüsse 10 von zwei Transistoren 12 angelegt, und der sich ändernde Aus­ gangsstrom wird vom Kollektor eines Transistors des Paares abgegriffen) Die Beziehung zwischen der Eingangsspannung V_in und dem Ausgangsstrom I_out ist in Fig. 2 dargestellt. Es ist zu erkennen, daß die Übertragungskennlinie nur über einen sehr begrenzten Bereich linear ist, der in dem Dia­ gramm zwischen -25 mV und +25 mV dargestellt ist. Unter und über diesem Bereich der Eingangsspannungen hängt der Ausgangsstrom nichtlinear von der Eingangsspannung ab.

Eine bekannte Möglichkeit zur Vergrößerung des linearen Bereichs der Übertragungskennlinie ist in Fig. 3 darge­ stellt. In die Emitterleiter 16 von zwei als Stromüber­ nahmehalter miteinander verbundenen Transistoren 18 sind Rückkopplungswiderstände 14 eingefügt. Das Ausmaß der Li­ nearität der Übertragungskennlinie wird gemäß Fig. 4 zwar vergrößert, jedoch nimmt die Steilheit der Kennlinie ab, so daß der Bereich der Ausgangsströme der Schaltungsanord­ nung im wesentlichen gleich bleibt. Wenn der Strom in der Leitung, in der die beiden Emitter zusammengeführt sind, bei dieser Schaltungsanordnung klein ist, müssen die Rück­ kopplungswiderstände 14 einen entsprechend hohen Wert ha­ ben, damit die erforderliche Erweiterung des linearen Be­ reichs der Übertragungskennlinie erhalten wird. Wenn irgend­ eine Fehlanpassung der Rückkopplungswiderstände 14 vorliegt, wird die ganze Schaltung unsymmetrisch, so daß auch die Übertragungskennlinie unsymmetrisch bezüglich des Koordi­ natensprungs wird.

In DE 34 20 068 A1 ist ebenfalls ein Spannungs/Stromwandler zur Umwandlung einer Eingangssignalspannung in einen Aus­ gangssignalstrom beschrieben. Dieser Spannungs/Stromwandler geht unter anderem von dem hier in Fig. 3 dargestellten Spannungs/Stromwandler aus, weist genau wie dieser einen vergrößerten linearen Bereich der Übertragungskennlinie auf, kommt jedoch mit einer vergleichsweise geringeren Leistung aus. Dieser Spannungs/Stromwandler besitzt einen relativ komplexen Aufbau: Es sind Eingangs-Ausgangs-Stromspiegel mittel vorgesehen, die einen Strom-Eingangstransistor und wenigstens einen Strom-Ausgangstransistor aufweisen, dessen Basis mit der Basis des Strom-Eingangstransistors verbunden ist, wobei der Kollektor des Strom-Ausgangstransistors als Ausgang zur Verbindung mit weiteren Ausgangsmitteln zur Ent­ wicklung des Ausgangssignalsstromes dient, während ein Ein­ gangswiderstand zwischen der Eingangsklemme und dem Kol­ lektor des Strom-Eingangstransistors liegt. Der Eingang ei­ nes nicht invertierenden Stromverstärkers ist mit dem Kol­ lektor des Strom-Eingangstransistors verbunden, während sein Ausgang mit der Basis des Strom-Eingangstransistors und der Basis des Strom-Ausgangstransistors verbunden ist. Darüber hinaus ist eine Konstantstromquelle mit dem Kollektor des Strom-Eingangstransistors zur Lieferung eines im wesentli­ chen konstanten Referenzstromes verbunden. Über das Problem einer Erweiterung des Linearitätsbereichs unter Beibehaltung der Steigung der Übertragungskennlinie ist in dieser Offen­ legungsschrift nichts offenbart.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Spannungs/Strom-Wandler­ anordnung zu schaffen, bei der der Linearitätsbereich der Übertragungskennlinie erweitert wird, ohne daß eine ent­ sprechende Verringerung der Steigung, d. h. der Steilheit gm der Schaltung eintritt. Zudem ist die Spannungs/Strom-Wand­ leranordnung der Erfindung einfach aufgebaut und kann so leicht als integrierte Schaltung hergestellt werden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Bezug­ nahme auf die Fig. 5 bis 9 der Zeichnung erläutert. Die Figuren zeigen folgendes:

Fig. 5 ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform einer Wandleranordnung nach der Erfindung,

Fig. 6 ein ähnliches Schaltbild wie in Fig. 5, wobei jedoch eine modifizierte Wandleranordnung nach der Erfindung dargestellt ist,

Fig. 7 ein Diagramm zur Veranschaulichung der erweiter­ ten linearen Übertragungskennlinie, die mit Hil­ fe der Wandleranordnungen nach der Erfindung erzielt werden kann,

Fig. 8 ein Schaltbild ähnlich den Schaltbildern von Fig. 5 und Fig. 6, wobei eine Spannungs/Strom- Wandleranordnung nach der Erfindung dargestellt ist, die als Schaltung mit linearer Spannungsver­ stärkung arbeitet, und

Fig. 9 ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform einer Wandleranordnung nach der Erfindung.

In Fig. 5 ist eine Spannungs/Strom-Wandleranordnung nach der Erfindung dargestellt. Die Wandleranordnung enthält zwei Transistoren 20, die nach Art eines Stromübernahme­ schalters miteinander verbunden sind. Stromquellen 22 spei­ sen die Kollektoren 24 der Transistoren 20 aus einer Ver­ sorgungsleitung 26. Die Emitter 28 der Transistoren 20 sind miteinander verbunden und über einen eine Stromquelle 30 bildenden Widerstand an Masse angeschlossen. An die Basis­ anschlüsse 32 der Transistoren 20 sind Signaleingangsmittel 34 angeschlossen, mit denen die Basisanschlüsse an eine veränderliche Wechselspannungsquelle angeschlossen werden können.

Nach der Erfindung liegt parallel zu jedem Transistor 20 ein zweiter Transistor 36. Jeder Basisanschluß 32 eines ersten Transistors 20 ist mit dem Basisanschluß 38 des pa­ rallelgeschalteten zweiten Transistors 36 über einen Wider­ stand 40 verbunden. Die Widerstände 40 haben so eng wie möglich aneinander angepaßte Werte, und die Basisanschlüs­ se 38 sind miteinander verbunden. Die auf diese Weise an die Basisanschlüsse 38 über den von den Widerständen 40 gebildeten Spannungsteiler angelegte Spannung ist halb so groß wie die Spannung, die an der Basis eines der Transi­ storen 20 erscheint.

Bei einem Betrieb in einem normalen linearen Bereich der Wandleranordnung ist in der Übertragungskennlinie nur ein sehr geringer Unterschied zu erkennen. Wenn jedoch der nor­ male Bereich überschritten wird, wird die Steilheit der ersten Transistoren 20 nichtlinear und kleiner. In dieser Phase befinden sich die zweiten Transistoren 36, die bei der halben Signalspannung an ihren Basisanschlüssen arbei­ ten, immer noch im linearen Übertragungsbereich, so daß sie ausreichenden zusätzlichen Strom liefern, damit die Übertragungskennlinie im wesentlichen linear gehalten wird. Wenn die Fläche der Emitter 42 der zweiten Transistoren 36 genauso groß wie die der Transistoren 20 ist, ergibt sich eine effektive Verdopplung der gesamten Emitterfläche und folglich nahezu eine Verdopplung des Eingangsspannungsbe­ reichs, während die Linearität der Übertragungskennlinie und die Steilheit gm der Schaltung aufrechterhalten werden.

Fig. 6 zeigt eine Abwandlung der in Fig. 5 dargestellten Wandleranordnung. In dieser Ausführungsform sind die Basis­ anschlüsse 38a der zweiten Transistoren 36a miteinander und mit einer Bezugsspannungsquelle 44 verbunden. Die Bezugs­ spannung der Quelle 44 wird in der Mitte des Bereichs der aus der Quelle 34a stammenden Eingangssignalspannung ge­ halten.

Auf diese Weise arbeiten die zweiten Transistoren 36 stets im linearen Teil der Übertragungskennlinie des Eingangs­ spannungsbereichs.

Fig. 7 zeigt die mit Hilfe der Wandleranordnungen nach der Erfindung erreichbare Übertragungskennlinie. Die herkömm­ liche Übertragungskennlinie ist in diesem Diagramm zu Ver­ gleichszwecken angegeben. Wie in Fig. 2 ergibt sich eine lineare Übertragungskennlinie beim Eingangsspannungsbereich von ± 25 mV. Bei einer Erweiterung des Bereichs unter Ver­ wendung der Wandleranordnungen nach der Erfindung bleibt jedoch die Steilheit gm im wesentlichen unverändert.

Wenn durch die Verwendung der parallelgeschalteten zweiten Transistoren eine effektive Verdopplung der Emitterfläche auf den zweifachen Wert gegenüber dem Wert des Stromüber­ nahmeschalters erreicht wird, wird der Bereich der linea­ ren Übertragungskennlinie mehr als verdoppelt. Wenn zweite, dritte und vierte Transistoren (mit gleichen Emitterflächen) parallel zu jedem ersten Transistor geschaltet werden, wird eine im wesentlichen lineare Übertragungskennlinie über einen Eingangsspannungsbereich von ±200 mV erhalten, was einen Verbesserungsfaktor von nahezu 10 darstellt.

Wenn die zweiten (oder zweiten und dritten) parallelgeschal­ teten Transistoren eine größere Emitterfläche als die er­ sten Transistoren haben, wird eine Vergrößerung erhalten, die von der Summe der Emitterflächen der parallelgeschal­ teten Transistoren abhängt.

Wie in Fig. 8 dargestellt ist, kann die Spannungs/Strom- Wandleranordnung nach der Erfindung auch als Spannungsver­ stärkungsschaltung mit verbesserter Linearität benutzt werden. Die in dieser Figur dargestellte Schaltung enthält in den Kollektorleitungen der parallelgeschalteten ersten und zweiten Transistoren Lastwiderstände 46. Die an diesen Widerständen entstehenden Spannungsschwankungen können als Ausgangssignal der Schaltung verwendet werden.

Fig. 9 zeigt ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungs­ form einer Wandleranordnung nach der Erfindung. Die Schal­ tung enthält zweite Transistoren 36b und dritte Transisto­ ren 48, die parallel zu jedem der ersten Transtoren 20b geschaltet sind. Ein von vier im wesentlichen gleichen Wi­ derständen 50 gebildeter Spannungsteiler liegt parallel zu den Basisanschlüssen der ersten Transistoren 20b und somit auch parallel zur Signalquelle 34b. An den Basisanschlüs­ sen der zweiten Transistoren liegt eine Spannung, die gleich drei Viertel der zugeführten Signalspannung ist, während an den Basisanschlüssen der dritten Transistoren eine Spannung liegt, die gleich der Hälfte der angelegten Signalspannung ist.

Die Erfindung ist nicht auf die genauen Einzelheiten der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt; es können vielmehr ohne weiteres auch Abwandlungen vorgenom­ men werden.

Beispielsweise können in der Schaltung entweder NPN- oder PNP-Transistoren verwendet werden, vorausgesetzt, daß in jedem Paar die ersten, zweiten, dritten Transistoren usw. vom gleichen Typ sind. Die Wandleranordnung nach der Er­ findung eignet sich vorzüglich für eine Herstellung als integrierte Schaltung, so daß Transistoren des gleichen Typs bevorzugt eingesetzt werden.

Claims (9)

1. Spannungs/Strom-Wandleranordnung mit zwei aneinander an­ gepaßten ersten Transistoren (20), deren Emitterelektroden (28) miteinander und mit einer gemeinsamen Stromquelle (30) verbunden sind,
Eingangsmitteln (34) zum Anlegen eines veränderlichen Eingangsspannungssignals zwischen die Basiselektroden (32) der ersten Transistoren (20), und
Mitteln zum Ableiten von Ausgangsstromsignalen von den Kollektorelektroden (24) der ersten Transistoren (20),
gekennzeichnet durch zwei aneinander angepaßte zweite Transistoren (36), deren Emitter-Kollektor-Strecke jeweils mit der Emitter-Kollektor-Strecke eines entsprechenden der ersten Transistoren (20) parallel verbunden ist, und
eine Spannungsversorgungsvorrichtung (40, 50, V_ref), um an die Basiselektroden (38) der zweiten Transistoren (36) Spannungen anzulegen, die zwischen den an die jeweiligen Basiselektroden (32) der ersten Transistoren (20) angelegten Spannungen liegen.

2. Spannungs/Strom-Wandleranordnung nach Anspruch 1, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Spannungsversorgungs­ vorrichtung (40, 50, V_ref) eine ohmsche Spannungsteiler­ schaltung (40) umfaßt, die zwischen den Basiselektroden (32) der ersten Transistoren (20) liegt, wobei die Basiselek­ troden (38) der zweiten Transistoren (36) an einem Abgriff der ohmschen Spannungsteilerschaltung (40) angeschlossen sind.

3. Spannungs/Strom-Wandleranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgriff der ohmschen Spannungs­ teilerschaltung (40) so gelegt ist, daß die an die Basis­ anschlüsse (38) der zweiten Transistoren (36) anlegbare Spannung (V) gleich der Hälfte der Eingangsspannung (V_in) an den Eingangsmitteln ist.

4. Spannungs/Strom-Wandleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsspannungssignal (V_in) in einem vorbestimmten Bereich liegt und daß die Basisan­ schlüsse (38) der zweiten Transistoren (36) an eine Bezugs­ spannung (V_ref) anlegbar sind, deren Wert in der Mitte die­ ses Bereichs liegt.

5. Spannungs/Strom-Wandleranordnung nach Anspruch 1, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie zwei aneinander angepaß­ te dritte Transistoren (48) aufweist, deren jeweilige Emit­ ter-Kollektor-Strecke parallel mit den parallel geschalteten Emitter-Kollektor-Strecken der entsprechenden ersten und zweiten Transistoren (20 und 36) verbunden ist, und die Spannungsversorgungsvorrichtung (40, 50, V_ref) ei­ nen ohmschen Spannungsteiler (50) umfaßt, der zwischen die Basiselektroden der ersten Transistoren (20) geschaltet ist, wobei die Basiselektroden der dritten Transistoren (48) an den jeweiligen Abgriffen des ohmschen Spannungsteilers (50) angeschlossen sind.

6. Spannungs/Strom-Wandleranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsversorgungsvorrichtung so ausgebildet ist, daß sie an die Basisanschlüsse der dritten Transistoren (48) eine Spannung liefert, die von der den Basisanschlüssen der zweiten Transistoren (36) angelegten Spannung verschieden ist.

7. Spannungs/Strom-Wandleranordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterfläche der zweiten Transistoren (36) und/oder der dritten Transistoren (48) größer als die Emitterfläche der ersten Transistoren (20) ist.

8. Spannungs/Strom-Wandleranordnung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den ge­ meinsamen Kollektorleitungen (20a, 36a) der Transistoren (20, 36, 48) Widerstände (46) angeordnet sind.

9. Spannungs/Strom-Wandleranordnung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie als in­ tegrierte Schaltung aufgebaut ist.