DE4304898C2 - Differenzverstärkerschaltung - Google Patents
DifferenzverstärkerschaltungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Differenzverstärkerschaltung, diese ist
auf einen Komparator sowie einen Hochgeschwindigkeits-A/D-Konverter
und auf A/D-Konverter vom Serien-Parallel-Typ
anwendbar.
Konverter zum Umsetzen von analogen Signalen in digitale Signa
le (nachfolgend als A/D-Konverter bezeichnet) sind für die digitale
Verarbeitung von Analogsignalen weit verbreitet. Beispielsweise
ist im Bereich der Viedeosignalverarbeitung eine digitale Hochge
schwindigkeitssignalverarbeitung notwendig, bei welcher ein A/D-
Konverter mit hoher Geschwindigkeit arbeiten sollte.
Bekannte A/D-Konverter, die für eine Hochgeschwindigkeitskonver
sion geeignet sind, sind herkömmliche A/D-Konverter vom Parallel-
Typ und A/D-Konverter vom Seriell-Parallel-Typ. Sowohl beim
Parallel-Typ A/D-Konverter als auch beim seriellen-parallelen A/D-
Konverter wird eine Mehrzahl von analogen Eingabesignalen an
Eingänge des Komparators parallel angelegt. Beim Seriell-Parallel-
Typ A/D-Konverter wird ein Analogsignal in ein Digitalsignal
konvertiert, auf serielle Weise, auf Zeitbasis.
Ein Komparator zur Benutzung in einem A/D-Konverter wird generell
mit einem Differenzverstärker versehen. Eine Operationsgeschwin
digkeit des Differenzverstärkers beeinflußt daher direkt eine
Konversionsgeschwindigkeit des A/D-Konverters. Während die vorlie
gende Erfindung allgemein auf einen Differenzverstärker und eine
Elektronikschaltung, die den Differenzverstärker einsetzt, anwend
bar ist, wird eine Anwendung der vorliegenden Erfindung auf einen
A/D-Konverter im folgenden beispielhaft beschrieben.
Die Fig. 14 ist ein Blockschaltbild eines herkömmlichen A/D-Kon
verters. Eine Äquivalenzschaltung des A/D-Konverters aus Fig. 17
ist in "Digest of Technical Papers of ISSCC of 1990", Seiten 162-163
dargestellt. Wie in Fig. 14 gezeigt, umfaßt ein A/D-Konverter
900 eine Referenzspannungsgeneratorschaltung 902 zum Erzeugen
einer Referenzspannung, eine Widerstandsleiterschaltung
(Widerstands-Kaskadenschaltung) 901, Komparatoren 908a bis 908f
sowie einen Codierer 4. Komplementäre oder differentielle analoge
Eingabesignale V1 und V2 werden an die Komparatoren 908a bis 908f
über die Referenzspannungserzeugungsschaltung 902 und die Wider
standsleiterschaltung 901 angelegt. Die Referenzspannungserzeu
gungsschaltung 902 ist mit Spannungsquellen 903 bis 906 versehen,
die jeweils eine Referenzspannung VREF erzeugen. Die Widerstands
leiterschaltung 901 umfaßt Widerstände, die jeweils einen Wider
standswert Rr als Leiter (Kaskade) verbunden aufweisen. Eine Po
tentialdifferenz zwischen den gegenüberliegenden Enden jedes Wi
derstandes beträgt Vr. Der Codierer 4 gibt konvertierte digitale
Daten D1 bis Dm aus.
Die Fig. 15 ist ein Diagramm zum Illustrieren des Betriebs des in
Fig. 14 gezeigten A/D-Konverters. Wie in den Fig. 14 und 15
gezeigt, wird dessen Operation nachfolgend beschrieben. Jeder der
Komparatoren 908a bis 908f empfängt eine positive Eingabespannung
und eine negative Eingabespannung aus der Widerstands-
Kaskadenschaltung 901. Beispielsweise empfängt der Komparator 908a
eine positive Eingabespannung Vap und eine negative Eingabe
spannung Van von der Widerstandskaskadenschaltung 901. Entspre
chend empfängt der Komparator 908b eine positive Eingabespannung
Vbp sowie eine negative Eingabespannung Vbn. Die Fig. 15 zeigt
eine Änderung einer Eingabespannung jedes der Komparatoren 908a
bis 908f bezüglich einer analogen Eingabespannung V1. Mit anderen
Worten, die Abszisse zeigt eine Änderung der analogen Eingabe
spannung V1, während die Ordinate eine Änderung der Eingabespan
nung von jedem der Komparatoren 908a bis 908f zeigt.
Zuerst zeigen die Spannungen Vcp und Vdp, die beide gleich der
Eingangsspannung V1 sind, ansteigende durchgezogenen Linien in
Fig. 15. Die der Eingangsspannung V1 komplementäre (oder diffe
rentielle) Eingangsspannung V2 wird durch eine abfallende durch
gezogene Linie gezeigt, mit einem Absolutwert, der dem von V1
gleich ist. Die Spannungen Vcn und Vdn werden daher mit einer
abfallenden durchgezogenen Linie in der Mitte des Schaubildes
gezeigt.
Die Spannung Vap wird höher als die Eingangsspannung V1 um VREF,
durch die Spannungsquelle 903. Andererseits wird die Spannung Van
um VREF niedriger als die Eingabespannung V1, durch die Span
nungsquelle 905. Die Spannungen Vap und Van werden daher durch
eine ansteigende durchgezogene Linie beziehungsweise eine abfal
lende durchgezogene Linie im Schaubild dargestellt. Die Spannung
Vfp wird niedriger als die Eingangsspannung V1 um VREF, durch die
Spannungsquelle 904. Die Spannung Vfn wird um VREF höher als die
Eingangsspannung V1 durch die Spannungsquelle 905. Die Spannungen
Vfp und Vfn werden daher durch eine ansteigende beziehungsweise
eine abfallende durchgezogene Linie in dem Schaubild gezeigt.
Jeder dem Komparatoren 908a bis 908f vergleicht eine empfangene
positive Eingabespannung mit einer empfangenen negativen Eingabe
spannung. Beispielsweise vergleicht der Komparator 908a eine
Spannung Vap mit Van. Wenn V1-V2 = -2VREF ist, wird die Spannung
Vap gleich der Spannung Van. Der Komparator 908a gibt daher ein
Niedrigpegelsignal (logisch niedrig) aus, wenn V1-V2 kleiner als
-2VVEF ist, während er ein Hochpegelsignal (logisch hoch) ausgibt,
wenn V1-V2 größer als -2VREF ist.
Der Komparator 908b vergleicht Spannungen Vbp und Vbn. Wenn V1-V2
= -2VREF + 2Vr ist, wird die Spannung Vbp gleich Vbn. Daher gibt
der Komparator 908b ein Niedrigpegelsignal aus, wenn V1-V2
kleiner als -2VREF + 2Vr ist, während er ein Hochpegelsignal
ausgibt, wenn V1-V2 größer als
-2VREF + 2Vr ist.
Auf dieselbe Weise wird jedesmal, wenn eine Differenz V1-V2
zwischen den Eingabespannungen V1 und V2 um 2Vr ansteigt, die
Anzahl von Komparatoren, die ein Hochpegelsignal ausgeben, um 1
erhöht, beginnend von 908a in Richtung auf 908f, wie in Fig. 14
gezeigt. Die Änderung der Ausgabesignale der Komparatoren 908 bis
908f ist in der nachfolgenden Tabelle 1 gezeigt.
Wie in Tabelle 1 zu sehen ist, geben jedesmal, wenn die Differenz
V1-V2 der Eingabespannungen um 2Vr erhöht wird, eine vergrößerte
Anzahl von Komparatoren ein Hochpegelsignal aus, beginnend mit der
linken Seite hin zur rechten Seite in Tabelle 1. Mit anderen
Worten, die Komparatoren 908a bis 908f geben Ausgabesignale aus,
die "Thermo-meter-Code" genannt werden. Der Codierer 4 codiert
Thermometer-Codes von den Komparatoren 908a bis 908f zu digitalen
Ausgabesignalen D1-Dm.
Wie aus Fig. 14 zu sehen ist, empfängt jeder der Komparatoren
908a bis 908f eine entsprechende positive Eingabespannung und
negative Eingabespannung über die Wiederstandskaskadenschaltung
901. Mit anderen Worten, komplementäre oder differentielle zu
konvertierende analoge Eingabesignale V1 und V2 werden an jeden
der Komparatoren 908a bis 908f über die Widerstandskaskadenschal
tung 901 angelegt. Der entsprechende positive Eingabeanschluß und
der negative Eingabeanschluß von jedem der Komparatoren 908a bis
908f besitzen parasitäre Kapazitäten, bezüglich der Masse. Eine
Änderung der angelegten positiven Eingabespannung und der negati
ven Eingabespannung wird entsprechend einer Zeitkonstante verzö
gert, die durch parasitäre Kapazitäten und den Widerstandswert Rr
der Widerstandskaskadenschaltung 901 bestimmt wird. Mit anderen
Worten, eine Änderung der an jeden Komparator angelegten Eingabe
spannung wird verzögert und vermindert eine Konversionsgeschwin
digkeit des A/D-Konverters 900.
Aus der US 4 109 214 ist eine Schaltung mit einer aus einem Transistor
32 und einer Stromquelle 34 gebildeten ersten Konstantstromquelle
und einer aus Transistoren 30, 24 und einer Stromquelle
34 gebildeten zweiten Konstantstromquelle bekannt. Es ist
ferner aus dieser Druckschrift ein auf ein analoges Eingangssignal
reagierender Transistor zum Anlegen eines ansteigenden oder
absinkenden Stroms an die erste Konstantstromquelle bekannt, und
es ist weiterer Transistor 60 bekannt, der einen Konstantstrom
an die zweite Konstantstromquelle anlegt. Schließlich sind
zwei Widerstände in Form einer ersten und einer zweiten Lastvorrichtung
mit dem Transistor 44 bzw. dem Transistor 60 verbunden,
wobei eine Ausgabespannung an Anschlüssen der beiden Widerstände
ausgegeben wird. Bei der beschriebenen Schaltung handelt es sich
allerdings um keinen Differenzverstärker, sondern um einen Verstärker
mit konstanter Verstärkung.
Aus der DE 34 07 200 A1 sind ebenfalls zwei Konstantstromquellen,
zwei auf ein Eingangssignal reagierende Transistoren und zwei
elektrische Lasten wie in der oben beschriebenen Weise miteinander
verschaltet bekannt.
Schließlich ist aus der JP 62-188510 A In: Patent Abstract of
Japan, Sect, E. Vol. 12 (1988), Nr. 35 (E-579) eine Schaltung
mit einer gemeinsamen Konstantstromquelle und zwei Paaren von
gegenüberliegenden, auf ein Eingangssignal reagierenden Transistoren
bekannt, wobei eines der Paare mit Lastwiderständen
verbunden ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Differenzverstärkerschaltung
vorzusehen, bei der die Differenz zweier angelegter
analoger Eingangssignale groß werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Differenzverstärkerschaltung
mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
Bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Differenzverstärkerschaltung
ergeben sich aus den zugehörigen Unteransprüchen.
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines A/D-Konverters vom Se
rien-Parallel-Typ, auf den die
Erfindung anwendbar ist;
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer A/D-Konverterschaltung
für niederwertige Bits aus Fig. 1;
Fig. 3 ein Schemaschaltbild einer Referenzspannungserzeu
gungsschaltung aus Fig. 2;
Fig. 4 ein Schaltbild eines in Fig. 2 gezeigten Kompara
tors;
Fig. 5 eine Grafik mit einem Zusammenhang zwischen einer
Eingabespannungsdifferenz und einem Shuntstrom;
Fig. 6 ein Schaltbild eines weiteren Komparators;
Fig. 7 ein Schaltbild eines noch weiteren Komparators;
Fig. 8 ein Schaltbild einer Differentialverstärkerschal
tung;
Fig. 9 ein Schaltbild einer Differenzverstärkerschaltung entsprechend
einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 10A-E ein Signalpulsdiagramm zum verdeutlichen des Be
triebs der in Fig. 9 gezeigten Differenzverstärkerschaltung;
Fig. 11 ein Schaltbild mit einem Beispiel der Eingabetrei
berschaltung, die auf die Ausführungsform
anwendbar ist;
Fig. 12 ein Schaltbild mit einem Beispiel der Eingabetrei
berschaltung, zum Anwenden auf die
Ausführungsform;
Fig. 13 ein Schaltbild mit einem weiteren Beispiel der
Eingabetreiberschaltung, zum Anwenden auf die
Ausführungsform;
Fig. 14 ein Blockschaltbild eines herkömmlichen A/D-Kon
verters; und
Fig. 15 ein Schaubild zum Verdeutlichen des Betriebs des in
Fig. 14 gezeigten A/D-Konverters.
Wie in Fig. 1 gezeigt, umfaßt ein A/D-Konverter 1 eine Abtast
halteschaltung 11 zum Empfangen eines extern angelegten analogen
Eingangssignals Ain, eine A/D-Konverterschaltung 12 für höherwer
tige Bits, eine D/A-Konverterschaltung 13 zum Rekonvertieren von
höherwertigen Bits von konvertierten Daten in ein Analogsignal,
einen Differenzverstärker 14 zum Ausgeben von komplementären oder
differentiellen analogen Spannungen VA1 und VA2, sowie eine A/D-
Konverterschaltung 15 für niederwertige Bits. Die A/D-Konverter
schaltung 15 gibt niederwertige Bits der konvertierten Daten D1
bis Dm aus. Die A/D-Konverterschaltung 12 gibt höherwertige Bits
der konvertierten Daten Dm+1 bis Dk aus. Als Ergebnis werden
digitale Daten D1 bis Dk von insgesamt k Bit erhalten.
Während des Betriebs wird ein Signal, das in der Abtasthalte
schaltung 11 abgetastet wird, an die A/D-Konverterschaltung 12 und
den Differenzverstärker angelegt. Die A/D-Konverterschaltung 12
erzeugt höherwertige Bits der konvertierten Daten Dm+1 bis Dk. Die
höherwertigen Bits der konvertierten Daten Dm+1 bis Dk werden an
die D/A-Konverterschaltung 13 angelegt, worin die Daten in analoge
Daten zurückgewandelt werden. Der Differenzverstärker 14 empfängt
das durch die Abtasthalteschaltung 14 gehaltene Signal sowie die
rekonvertierten höherwertigen Bits des Analogsignals und gibt
komplementäre oder differentielle Spannungen VA1 und VA2 aus. Die
Spannungen VA1 und VA2 werden an die A/D-Konverterschaltung 15 als
komplementäre oder differentielle Eingabesignale angelegt. Die
A/D-Konverterschaltung 15 konvertiert die angelegten Spannungen
VA1 und VA2 in niederwertige Bits der konvertierten Daten D1 bis
Dm und gibt diese aus.
Die Fig. 2 ist ein Blockschaltbild der in Fig. 1 gezeigten A/D-
Konverterschaltung für die niederwertigen Bits. Wie in Fig. 2
gezeigt, umfaßt die A/D-Konverterschaltung 15 eine Referenzspan
nungserzeugungsschaltung 5 zum Erzeugen von k Referenzspannungs
paaren VR1a und VR1b bis VRna und VRnb, Komparatoren 61 bis 6n,
die jeweils differentielle Eingabespannungen VA1 und VA2 sowie ein
entsprechendes Referenzspannungspaar empfangen, einen Codierer 4
zum Codieren eines Thermometercode-Ausgangssignals aus den
Komparatoren 61 bis 6n, sowie einen Taktsignalgenerator
(Zeitsignalgenerator) 6.
Die Fig. 3 ist ein schematisches Schaltbild der in Fig. 2 ge
zeigten Referenzspannungserzeugungsschaltung. Wie in Fig. 3
gezeigt, umfaßt die Referenzspannungserzeugungsschaltung 5 eine
serielle Verbindung von Widerständen 111 bis 115, eine Konstant
spannungsquelle 102 zum Vorspannen der seriellen Verbindung sowie
eine Konstantspannungsquelle 101 zum Anlegen einer Konstantspannung
2VREF an die serielle Verbindung. Eine Potentialdifferenz zwischen
den gegenüberliegenden Enden von jedem der Widerstände 111 bis 115
wird durch Vr ausgedrückt. Mit der wie in Fig. 3 gezeigt
aufgebauten Referenzspannungsgeneratorschaltung 5 werden die in
der nachfolgenden Tabelle 2 aufgeführten Spannungen als
Referenzspannungspaare VR1a und VR1b bis VRna und VRnb ausgegeben.
VR1a-VR1b | |
-2 VREF | |
VR2a-VR2b | -2 VREF+2 Vr |
VR3a-VR3b | -2 VREF+4 Vr |
. | . |
. | . |
VR(n-2)a-V(n-2)b | -2 VREF-4 Vr |
VR(n-1)a-V(n-1)b | -2 VREF-2 Vr |
VRna-VRnb | -2 VREF |
Erneut unter Bezug auf Fig. 2 wird der Betrieb der A/D-Konverter
schaltung 15 beschrieben. Die komplementären oder differentiellen
Eingabespannungen VA1 und VA2, die von dem in Fig. 1 gezeigten
Differentialverstärker 14 ausgegeben werden, werden an jeden der
Komparatoren 61 bis 6n angelegt. Zusätzlich empfängt jeder der
Komparatoren 61 bis 6n ein entsprechend der Referenzspannungspaare
VR1a und VR1b bis VRna und VRnb, die von der
Referenzspannungsgeneratorschaltung 5 erzeugt werden. Jeder der
Komparatoren 61 bis 6n führt eine vergleichbare Vergleichsverar
beitung durch, wie nachfolgend im Detail beschrieben wird, und ein
Thermometercode (durch Binärsignale B1 bis Bn definiert), der ein
Vergleichsergebnis anzeigt, wird an den Codierer 4 angelegt. Der
Codierer 4 codiert den angelegten Thermometercode und gibt
niederwertige Bits von konvertierten Daten von D1 bis Dm aus.
Jeder Komparator, beispielsweise der Komparator 61, vergleicht die
Differenz zwischen den analogen Eingabespannungen VA1 und VA2 mit
einer Differenz zwischen den angelegten Referenzspannungen VR1a
und VR1b. Wenn VA1-VA2 < VR1a-VR1b vorliegt, gibt der Komparator
61 ein Niedrigpegelsignal V1 aus. Wenn VA1-VA2 < VR1a-VR1b
vorliegt, gibt der Komparator 61 ein Hochpegelsignal B1 aus. Mit
anderen Worten, jeder der Komparatoren 61 bis 6n gibt binäre
Signale B1 bis Bn aus, die ein Vergleichsergebnis anzeigen, als
Reaktion auf eine Differenzspannung zwischen den analogen Einga
besignalen VA1 und VA2 sowie eine Differenzspannung zwischen
entsprechend angelegten gepaarten Referenzspannungen.
Der Komparator 61 gibt daher ein Niedrigpegel aus, wenn die Diffe
renzspannung VA1-VA2 zwischen den analogen Eingabesignalen VA1 und
VA2 kleiner als eine Differenzspannung -2VREF des entsprechenden
Referenzspannungspaares aus Fig. 2 ist, während der Komparator 61
ein Hochpegelsignal ausgibt, wenn die Differenzspannung größer als
selbige ist. Auf dieselbe Weise gibt der Komparator 62 ein
Niedrigpegelsignal B2 aus, wenn die Eingabedifferenzspannung VA1-VA2
kleiner als (-2VREF+2Vr) ist, während ein Komparator 62 ein
Hochpegelsignal B2 ausgibt, wenn die Differenzspannung größer als
selbige ist. Die anderen Komparatoren 63 bis 6n arbeiten auf
dieselbe Weise. Als Ergebnis wird die folgende Ausgabetabelle für
die Komparatoren 61 bis 6n erhalten, entsprechend einer Differenz
VA1-VA2 von analogen Eingabespannungen. In Tabelle 3 steht "H" für
ein Hochpegelausgabesignal, während "L" für ein
Niedrigausgabesignal steht.
Wie aus Tabelle 3 zu sehen, folgt auf eine Änderung der Differenz
spannung VA1-VA2 der analogen Eingangsspannungen eine Änderung
einer Thermometercodeausgabe von jedem der Komparatoren 61 bis 6n.
Das heißt, die Anzahl von Komparatoren, die ein Hochpegelsignal
ausgeben ("H") wird in der Reihenfolge jeweils um eins erhöht,
jedesmal, wenn die Differenzspannung VA1-VA2 der analogen
Eingangsspannungen um 2Vr erhöht wird. Der in Fig. 2 gezeigte
Codierer empfängt die in Tabelle 3 gelisteten Thermometercodes und
führt eine Codierungsverarbeitung durch. Mit anderen Worten, der
Codierer erkennt eine Grenzposition zwischen Komparatoren, die
Niedrigpegelsignale ausgeben, und Komparatoren, die Hochpe
gelsignale ausgeben, und gibt digital konvertierte Daten D1 bis Dm
entsprechend der Position der Grenze aus.
Fig. 4 ist ein Schaltbild eines in Fig. 2 gezeigten Komparators.
Der Komparator 61 ist beispielhaft gezeigt. Wie in Fig. 4 ge
zeigt, umfaßt der Komparator 61 eine Differenzverstärkerschaltung
400 sowie eine Binarisierungsschaltung 530. Die Differenzverstär
kerschaltung 400 umfaßt npn-Transistoren 301 bis 306, Widerstände
307, 308, 511 und 512 sowie eine Konstantspannungsquelle 309. Die
Ausgangsspannung der Konstantspannungsquelle wird an die Basen der
Transistoren 305 und 306 angelegt. Als Ergebnis fließt durch jeden
der Transistoren 305 und 306 ein Konstantstrom I0. Mit anderen
Worten, der Transistor 305 und der Widerstand 307 und die
Konstantstromquelle 309 bilden eine Konstantstromquelle, während
der Transistor 306, der Widerstand 308 und die Konstantstromquelle
309 eine weitere Konstantstromquelle bilden.
Die Emitter der Transistoren 301 und 302 sind miteinander mit dem
Kollektor des Transistors 305 verbunden. Die Emitter der
Transistoren 304 und 305 sind miteinander mit dem Kollektor des
Transistors 306 verbunden. Die Kollektoren der Transistoren 301
und 304 sind mit dem Widerstand 511 über einen Knoten 501
verbunden. Die Kollektoren der Transistoren 302 und 303 sind mit
dem Widerstand 512 über einen Knoten 502 verbunden. Eine
Differenzspannung wird an die Binarisierungsschaltung 530 über die
Knoten 501 und 502 angelegt.
Die Binarisierungsschaltung 530 wird durch npn-Transistoren 523
bis 528 gebildet, eine Konstantstromquelle 529 sowie Widerstände
521 und 522. Die Basis des Transistors 523 ist mit dem Knoten 501
der Differenzverstärkerschaltung 400 verbunden. Die Basis des
Transistors 524 ist mit dem Knoten 502 verbunden. Die Basen der
Transistoren 525 und 528 empfangen Schaltsignale Φ bzw. , die von
dem in Fig. 2 gezeigten Timingsignalgenerator 6 erzeugt werden.
Die Emitter der Transistoren 523 und 524 sind zusammen mit dem
Kollektor des Transistors 525 verbunden. Die Emitter der
Transistoren 526 und 527 sind zusammen mit dem Kollektor des
Transistors 528 verbunden. Die Emitter der Transistoren 525 und
528 sind zusammen mit der Konstantstromquelle 529 verbunden. Die
Basis des Transistors 526 ist mit dem Kollektor des Transistors
527 verbunden und die Basis des Transistors 527 ist mit dem
Kollektor des Transistors 526 verbunden.
Es folgt die Beschreibung einer Operation der in Fig. 4 gezeigten
Schaltung. Aus Gründen der Vereinfachung wird ein Stromver
stärkungsfaktor αF jedes Transistors in der folgenden Beschreibung
auf 1,0 angenommen (er liegt tatsächlich bei etwa 0,99). Eine
Summe eines Kollektorstroms I1 des Transistors 301 und eines
Kollektorstroms I2 des Transistors 302 ist gleich dem Kollektor
strom I0 des Transistors 305, der die Konstantstromquelle bildet.
Wenn daher die Basispotentiale der Transistoren 301 und 302, das
heißt die Eingabespannungen VA1 und VA2, einander gleich sind,
wird der Strom I0 gleichzeitig auf die Transistoren 301 und 302
aufgeteilt (geshunted), durch die Symmetrie der Schaltungsanord
nung. Wenn andererseits das Basispotential des Transistors 301
höher als das des Transistors 302 ist, wird die Basis-Emitterspan
nung VBE des Transistors 301 höher als die des Transistors 302.
Als Ergebnis wird der Kollektorstrom des Transistors 301 größer
als der des Transistors 302. Mit anderen Worten, eine vergrößerte
Menge des Stroms I0 fließt durch den Transistor 301, während eine
verminderte Menge des Stroms durch den Transistor 302 fließt.
Wenn die Eingabespannung VA1 leicht höher als die Eingabespannung
VA2 ist, wird der Strom I1, der durch den Transistor 301 fließt,
proportional zu der Eingabespannungsdifferenz VA1-VA2 erhöht.
Wenn andererseits die Eingabespannungsdifferenz VA1-VA2 hinrei
chend groß ist, fließt das meiste des Stroms I0 durch den Transi
stor 301.
Die Fig. 5 ist eine Grafik in einem Zusammenhang zwischen der
Eingabespannungsdifferenz VA1-VA2 und Shuntströmen I1 und I2. In
Fig. 5 stellt die Abszisse die Eingabespannungsdifferenz VA1-VA2
dar, während auf der Ordinate die Strommenge des Stroms I aufge
tragen ist. Die Kurve I1 zeigt eine Änderung eines Stroms, der
durch den Transistor 301 fließt, und die Kurve I2 zeigt eine
Änderung des Stroms, der durch den Transistor 302 fließt. Wie oben
beschrieben, wenn |VA1-VA2| klein ist, ändern sich die Ströme I1
und I2 proportional mit der Spannungsdifferenz VA1-VA2. Wenn
andererseits |VA1-VA2| groß ist, nähern sich beide Ströme I1 bzw.
I2 dem Stromwert I0. Es wird erwähnt, daß die Summe der Ströme I1
und I2 konstant gleich dem Strom I0 ist.
Im allgemeinen ist die Änderung des Kollektorstroms eines Transi
stors relativ groß als Reaktion auf eine Änderung der Basis-
Emitterspannung VBE. Wenn daher |VA1-VA2| klein ist, haben die
Kurven I1 und I2 eine große Steigung, und sonst ist die Steigung
allmählich vermindert. Es geht daher aus der in Fig. 5 gezeigten
Charakteristik hervor, daß die in Fig. 4 gezeigte Differenzver
stärkerschaltung 400 empfindlich auf eine kleine Eingabespan
nungsdifferenz ist, aber nicht auf eine große Eingabespannungs
differenz.
Wenn, wie oben beschrieben, die Eingabespannungsdifferenz VA1-VA2
vermindert wird, wird der Strom I1 vergrößert, während der Strom
I2 vermindert wird. Eine derartige Charakteristik wird in der
nachfolgenden Beschreibung als "Monotonie" beschrieben. Zusätzlich
wird die Summe der Ströme I1 und I2 gleich dem Strom I0 sein. Eine
derartige Charakteristik wird nachfolgend als "komplementär" be
zeichnet. Es wird auch darauf hingewiesen, daß die in Fig. 4
gezeigte Schaltung 400 symmetrisch bezüglich einer Schaltungscha
rakteristik in ihrem Schaltungsaufbau ist.
In der folgenden Beschreibung wird ferner angenommen, daß ein
Strom I3 durch den Transistor 303 fließt, und daß ein Strom I4
durch den Transistor 304 fließt. Der Transistor 306 arbeitet auch
als Konstantstromquelle, und durch ihn fließt der Strom I0 mit
demselben Wert wie durch den Transistor 305. Ein Zusammenhang
I3+I4=I0 stellt sich als Ergebnis ein.
Bezüglich I1 und I3 werden Funktionen f1 und f2 mit den folgenden
Zusammenhängen definiert.
I1 = I0/2 + f1 (VA1-VA2) (1)
I3 = I0/2 + f2 (VR1a-VR1b) (2)
Die Funktion f1 beschreibt eine Änderung des Stroms I1 vom mitt
leren Stromwert I0/2 entsprechend der Eingabespannungsdifferenz
VA1-VA2. Entsprechend beschreibt die Funktion f2 eine Änderung des
Stroms I3 vom Mittelwert I0/2 entsprechend der Eingabespan
nungsdifferenz VR1a-VR1b.
Mit Va1-VA2=x1 und VR1a-VR1b=x2 werden bezüglich der Funktionen f1
und f2 die folgenden Zusammenhänge beschrieben:
wenn x 1 < x 2, f1 (x1) < f1 (x2) (3a)
wenn x 1 < x 2, f1 (x1) < f1 (x2) (3b)
wenn x 2 < x 2, f2 (x1) < f2 (x2) (4a)
wenn x 2 < x 2, f2 (x1) < f2 (x2) (4b)
Zusätzlich ergeben sich die folgenden Zusammenhänge aus der oben
beschriebenen "Komplementarität":
I2 = I0-I1 = I0/2-f1 (VA1-VA2) (5)
I4 = I0-I3 = I0/2-f2 (VR1a-VR1b) (6)
Ferner ergeben sich auch der obigen "Komplementarität" und den
Gleichungen (5) und (6) die folgenden Zusammenhänge:
-f1 (VA2-VA1) = f1 (VA1-VA2) (7)
-f2 (VR1b-VR1a) = f2 (VR1a-VR1b) (8)
Die folgenden Gleichungen werden erhalten, indem VA1-VA2=0 und
VR1a-VR1b=0 für die Gleichungen (7) und (8) substituiert wird:
f1 (0) = 0 (9)
f2 (0) = 0 (10)
Wie oben beschrieben, ergibt sich durch die "Komplementarität" der
Differenzverstärkerschaltung 400 der folgende Zusammenhang auf der
Basis der Gleichungen (1), (2), (5) und (6):
I10-I20 = (I1 + I4) - (I2 + I3)
= 2 · f1 (VA1-VA2) -2 · f2 (VR1a-VR1b) (11)
Insbesondere, wenn eine durch die Transistoren 301 und 302 gebil
dete Schaltung und eine durch die Transistoren 303 und 304 gebil
dete Schaltung dieselbe Schaltungscharakteristik aufweist, gilt
f1=f2. Damit wird
I10-I20 = 2 · f1 (VA1-VA2)
-2 · f2 (VR1a-VR1b) (12)
Wenn I10<I20, dann gilt f1(VA1-VA2)<f1(VR1a-VR1b). Ferner gilt
(VA1-VA2)<(VR1a-VR1b) auf der Basis der Gleichung (3), die die
"Monotonie" zeigt. Als Ergebnis ergeben sich die folgenden Zusam
menhänge aus der "Monotonie", "Komplementarität" und Symmetrie der
Schaltungscharakteristiken der in Fig. 4 gezeigten Diffe
renzverstärkerschaltung 400:
wenn I10 < I20, (VA1-VA2) < (VR1a-VR1b) (13a)
wenn I10 < I20, (VA1-VA2) < (VR1a-VR1b) (13b)
Eine Modifikation der Ungleichungen (13a) und (13b) führt zu den
folgenden Zusammenhängen:
wenn I10 < I20, (VA1-VR1a) < (VA2-VA1b) (14a)
wenn I10 < I20, (VA1-VR1a) < (VA2-VR1b) (14b)
Aus den Ungleichungen (13a) und (13b) geht hervor, daß der Zusam
menhang zwischen den Strömen I10 und I20 geändert wird, entspre
chend einer Differenz zwischen der Eingabespannungsdifferenz VA1-VA2
und einer anderen Eingabespannungsdifferenz VR1a-VR1b. Es geht
auch aus den Ungleichungen (14a) und (14b) hervor, daß der
Zusammenhang zwischen den Strömen I10 und I20 ebenfalls entspre
chend einer Differenz zwischen der Eingabespannungsdifferenz VA1-VR1a
und der Eingabespannungsdifferenz VA2-VR1b geändert wird.
Es folgt die Beschreibung des Betriebs der in Fig. 4 gezeigten
Binarisierungsschaltung 530. Die Widerstände 521 und 522, die
Transistoren 523 bis 525 und die Konstantstromquelle 529 bilden
einen Differenzverstärker. Die Transistoren 526 bis 527 bilden eine
bistabile Schaltung (oder eine Verriegelungsschaltung). Der Diffe
renzverstärker und die bistabile Schaltung werden alternativ
aktiviert, als Reaktion auf die Aktivierungssignale Φ und . Die
Basen der Transistoren 523 und 524 empfangen die Spannungen der
Knoten 501 bzw. 502 der Differenzverstärkerschaltung 400. Die
Spannungen an den Knoten 501 und 502 werden entsprechend einer
Differenz zwischen den Eingabespannungsdifferenzen VA1-VA2 und
VR1a-VR1b geändert. Wenn ein Hochpegelaktivierungssignal an die
Basis des Transistors 525 angelegt wird, wird der Differenzver
stärker aktiviert. Dann übertragen die Transistoren 523 und 524
einen Kollektorstrom als Reaktion auf die Spannungen an den Knoten
501 und 502. Wenn die Widerstände 521 und 522 denselben Wider
standswert haben, wird eine Spannung, die auf einem Vergleichser
gebnis basiert, über die Knoten 503 und 504 an die bistabile
Schaltung (oder die Verriegelungsschaltung) angelegt, die aus den
Transistoren 526 und 527 gebildet wird. Die bistabile Schaltung
wird aktiviert, wenn ein Hochpegelaktivierungssignal angelegt
wird. Dann verriegelt die bistabile Schaltung eine angelegte
Spannung, die das Vergleichsergebnis anzeigt, und sie gibt ein
Binärsignal B1 (und/oder) aus.
Wie oben beschrieben ist die in Fig. 4 gezeigte Differenzver
stärkerschaltung 400 sehr empfindlich, wenn die Eingabespannungs
differenz |VA1-VA2| relativ klein ist, und sie wird weniger emp
findlich, wenn die Eingabespannungsdifferenz weniger gering ist.
Um eine hohe Empfindlichkeit in einem größeren Bereich der Einga
bespannungsdifferenz |VA1-VA2| zu realisieren, wird die in der
Fig. 6 vorgeschlagenen Differenzverstärkerschaltung
400b nachfolgend beschrieben.
Die Fig. 6 ist ein Schaltbild eines Komparators, auf den die Erfindung
anwendbar ist. Die Benutzung einer in Fig. 6 gezeigten Diffe
renzverstärkerschaltung 400c vergrößert ebenfalls einen zulässigen
Bereich der Eingabespannungsdifferenz VA1-VA2. Konstantstromquel
len 317 bis 320 jeweils mit einem Ausgabestrom von I0/2 sind je
weils zwischen den Emittern der npn-Transistoren 301 bis 304 und
Masse verbunden. Ein Widerstand 315 ist zwischen den Emittern der
Transistoren 301 und 302 verbunden. Ein Widerstand 316 ist zwi
schen den Emittern der Transistoren 303 und 304 verbunden. Der
verbleibende Teil der Schaltungsstruktur ist derselbe wie der der
Schaltung 400 aus Fig. 4, wobei dessen Beschreibung nicht erneut
wiederholt wird.
Eine Summe des Stroms I1, der durch den Transistor 301 fließt und
des Stroms I2, der durch den Transistor 302 fließt, ist gleich I0.
Wenn die Eingabespannungsdifferenz VA1-VA2 0 ist, sind die Poten
tiale an den Emittern der Transistoren 301 und 302 zueinander
gleich, so daß kein Strom durch den Widerstand 315 fließt. Daher
fließen Ströme I1 und I2, wobei der Zusammenhang I1=I2=I0/2
besteht.
Wenn, wie oben beschrieben, eine Kollektorstromänderung nicht zu
groß ist, ändert sich eine Basis-Emitterspannung VBE nicht so
deutlich. Die Basis-Emitterspannungen VBE der Transistoren 301 und
302 sind im wesentlichen zueinander gleich, in einem Bereich, wo
die Eingabespannungsdifferenz |VA1-VA2| klein ist. Eine über dem
Widerstand 315 angelegte Spannung ist daher gleich der
Eingabespannungsdifferenz VA1-VA2.
Unter der Annahme, daß der Widerstandswert des Widerstands 315
durch 2·REE bezeichnet wird und die Eingabespannungsdifferenz
VA1-VA2 durch ΔV bezeichnet wird, wird der durch den Widerstand 315
fließende Strom durch ΔV/2·REE ausgedrückt. Als Ergebnis
beträgt der Strom I1=IEE/2 + ΔV/2·REE. Andererseits beträgt der
Strom I2=IEE/2-ΔV/2·REE. Die Differenz I1-I2 erreicht daher
ΔV/REE.
Es wird deutlich, daß die Stromdifferenz I1-I2 proportional zu der
Eingabespannungsdifferenz VA1-VA2 geändert wird. Da allerdings die
Summe der Ströme I1 und I2 gleich I0 ist, nähert sich der Strom I1
dem Strom I0 in einem Bereich an, wo das meiste des Stroms I0 als
Strom I0 fließt, beispielsweise in einem Bereich, wo die
Spannungsdifferenz Va1-Va2 groß ist. Daher wird die durch die
Kurven I1′ und I2′ in Fig. 5 gezeigte Beziehung ebenfalls bei
dieser Ausführungsform erhalten. Auch werden bei der in Fig. 6
gezeigte Differenzverstärkerschaltung 400b die Steigungen der
Kurven I1′ und I2′ vermindert, wenn der Widerstandswert REE ver
größert ist, wodurch die Empfindlichkeit vermindert wird. Ande
rerseits wird eine zulässige Eingabespannungsdifferenz |VA1-VA2|
vergrößert.
Fig. 7 zeigt ein Schaltbild eines Komparators, auf den die Erfindung
anwendbar ist. Wie in Fig. 7 gezeigt, unterscheidet
sich eine Differenzverstärkerschaltung 400c, von der in Fig. 4
gezeigten Schaltung 400 dadurch, daß sie Schaltelemente 309 und
310 zum Vermeiden unnötigen Stromverbrauchs aufweist. Mit anderen
Worten, das Schaltelement 309 ist zwischen den Emittern der Tran
sistoren 301 und 302 und dem Kollektor des Transistors 305 ver
bunden. Das Schaltelement 310 ist zwischen den Emittern der Tran
sistoren 301 und 304 und dem Kollektor des Transistors 306 ver
bunden. Die Schaltelemente 309 und 310 werden als Reaktion auf ein
Schaltsteuersignal SC1 gesteuert (das beispielsweise von dem in
Fig. 2 gezeigten Timingsignalgenerator 6 erzeugt wird). Der
verbleibende Teil des Schaltungsaufbaus ist derselbe wie der der
in Fig. 4 gezeigten Schaltung 400, wobei die Beschreibung nicht
erneut durchgeführt wird.
Während des Betriebs der Differenzverstärkerschaltung 400c werden
die Schaltelemente 309 und 310 mit dem Anschluß A als Reaktion auf
ein Schaltsteuersignal SC1 verbunden. Als Ergebnis wird dieselbe
Schaltung wie die in Fig. 4 gezeigte Schaltung 400 gebildet und
führt dieselbe Operation durch. Wenn anderseits die Differenz
verstärkerschaltung 400c nicht betrieben wird, werden die Schalt
elemente 309 und 310 mit B als Reaktion auf das Signal SC1 verbun
den. Als Ergebnis kann ein Ausgabestrom jeder Konstantstromquelle
an die anderen Schaltungen (nicht gezeigt) angelegt werden. Mit
anderen Worten, die Schaltelemente 309 und 310 verhindern eine
Verschwendung von verbrauchtem Strom in der Differenzverstärker
schaltung 400c, wobei die Konstantstromquellen nutzbar eingesetzt
werden.
Obwohl die Differenzverstärkerschaltungen der obigen Ausführungs
formen bezüglich ihrer Schaltungscharakteristiken symmetrisch
sind, ist eine derartige Eigenschaft nicht immer nötig, wie aus
der obigen Beschreibung hervorgeht. Außerdem gilt dies auch für
den Fall der oben beschriebenen "Monotonie". Es ist ausreichend,
"Monotonie" in dem Bereich von VA1-VA2 zum Vergleichen zu erhal
ten. Es wird daher darauf hingewiesen, daß die vorliegende Erfin
dung auf einen Fall anwendbar ist, bei dem beispielsweise npn-
Transistoren, die eine Differenzverstärkerschaltung bilden,
Emitter von verschiedenen Größen aufweisen, und wobei benutzte
Konstantstromquellen verschiedene ausgegebene Stromwerte aufwei
sen. Im folgenden wird eine Differenzverstärkerschaltung, die in
ihrer Schaltungscharakteristik nicht "symmetrisch" ist, beschrie
ben.
Es wird ein Fall betrachtet, bei dem beispielsweise eine Span
nungsdifferenz VA1-VA2 oder VR1a-VR1b, die zu vergleichen sind,
nicht voll verstärkt wird. Ein lineares Ausdehnen der Funktionen
f1(x) und f2(x) der Gleichung (11), wobei x etwa bei 0 liegt,
führt zum folgenden Zusammenhang:
I10-I20 = 2 · f1 (0) + 2 · Gm1 (VA1-VA2)
-2 · f2 (0) -2 · Gm2 (VR1a-VR1b) (15)
Hierbei sind Gm1 und Gm2 Differentialkoeffizienten der Funktionen
f1(x) und f2(x) für x gleich 0, das heißt, sie geben die Shunt-
Empfindlichkeit an.
Unter der Annahme, daß eine Differenzverstärkerschaltung
"Komplementarität" und "Symmetrie" aufweist, gelten die Gleichun
gen (9) und (10) und führen zum folgenden Zusammenhang:
I10-I20 = 2 Gm1 · {(VA1-VA2) - (Gm2/Gm1)
· (VR1a-VR1b)} (16)
Daher wird eine Differenz zwischen den Strömen I10 und I20 be
stimmt, entsprechend einer Differenz zwischen der Eingabespan
nungsdifferenz VA1-VA2 und einem Wert Gm2/Gm1, multipliziert mit
der Eingabespannungsdifferenz VR1a-VR1b. Selbst wenn die Schaltung
bezüglich ihrer Schaltungscharakteristik "Symmetrie" nicht
aufweist, kann die Schaltung so aufgebaut sein, daß f1(0) und
f2(0) aus der Gleichung (15) entfernt wird. Ein entsprechendes
Beispiel ist in Fig. 10 gezeigt.
Fig. 8 ist ein Schaltbild einer Differenzverstärkerschaltung,
wie sie für die Erfindung verwendbar ist. Wie in Fig. 8
gezeigt, umfaßt eine Differenzverstärkerschaltung 400e eine
ursprüngliche Differenzverstärkerschaltung 401 sowie eine zusätz
liche Differenzverstärkerschaltung 402, welche dieselben Schal
tungscharakteristiken wie die der Schaltung 401 aufweist. Wie die
in Fig. 4 gezeigte Schaltung 400 empfängt die Differenzverstär
kerschaltung 401 komplementäre oder differentielle Eingangsspan
nung VA1 und VA2 sowie Referenzspannungen VR1a und VR1b. Als
Ergebnis wird derselbe Zusammenhang wie in Gleichung (15) herge
stellt:
I10-I20 = 2 · f1 (0) + 2 · Gm1 (VA1-VA2)
-2 · f2 (0) -2 · Gm2 (VR1a-VR1b) (17)
Andererseits sind bei der Differenzverstärkerschaltung 402 die
Basen von Transistoren 301′ und 302′ miteinander verbunden, und
die Basen von Transistoren 303′ und 304′ sind miteinander verbun
den, wodurch sich der folgende Zusammenhang ergibt:
I10-I20 = 2 · f1(0)-2 · f2(0) (18)
Bezüglich der jeweiligen Ausgabeanschlüsse der Differenzverstär
kerschaltungen 401 und 402, die miteinander wie in Fig. 10
gezeigt verbunden sind, kann eine Differenz zwischen Ausgangs
strömen I10 und I20 der Differenzverstärkerschaltung 400e durch
die folgende Gleichung erhalten werden:
I10-I20 = (I10a + I20b) - (I20a + I10b)
= (I10a-I20b) - (I10b +I20b) (19)
Es wird deutlich, daß dasselbe Ergebnis wie aus Gleichung (16)
sich aus den Gleichungen (17), (18) und (19) ergibt. Daher ist
"Symmetrie" nicht immer bei einem zu benutzenden Differenzver
stärker nötig. Zusätzlich ist "Monotonie" nicht für gesamten
Schaltungscharakteristiken der Differenzverstärkerschaltung
notwendig. "Monotonie" im Bereich einer zu vergleichenden Einga
bespannungsdifferenz ist ausreichend.
Die Fig. 9 ist ein Schaltbild mit einem Komparator entsprechend
einer Ausführungsform der Erfindung. Die in Fig. 9 gezeigte Schaltung
weist dieselbe Schaltungsstruktur auf wie die aus Fig. 4,
allerdings unterscheidet sie sich durch die Art und Weise des
Anlegens der komplementären oder differentiellen Eingangsschal
tungen VA1 und VA2 sowie der Referenzspannungen VR1a und VR1b. Mit
anderen Worten, die differentielle Eingabespannung VA1 wird an die
Basis des Transistors 301 angelegt, während die differentielle
Eingabespannung VA2 an die Basis des Transistors 303 angelegt
wird. Die Referenzspannung VR1a wird an die Basis des Transistors 302
angelegt, und die Referenzspannung VR1b wird an die Basis des
Transistors 304 angelegt.
Während der in Fig. 4 gezeigte Komparator eine hohe Empfindlich
keit realisiert, wie durch die Kurven I1 und I2 aus Fig. 5
gezeigt, ist hier nur ein schmaler Bereich der Eingabespannungs
differenz VA1-VA2 gestattet. Die Benutzung des in Fig. 9 ge
zeigten Komparators kann eine zulässige Eingabespannungsdifferenz
|VA1-VA2| ausdehnen (expandieren). Es wird beispielsweise angenom
men, daß ein auf den in Fig. 4 gezeigten Komparator anwendbarer
Bereich der Eingabespannungsdifferenz VA1-VA2 +/-30 mV beträgt, und
daß 1 V, 0 V, 0,99 V und 0,01 V jeweils an die Basen der Transistoren
301 bis 304 angelegt werden. Da der für den in Fig. 4 gezeigten
Komparator anwendbare Bereich +/-30 mV beträgt, bewirkt das Anlegen
der Spannung in dem obigen Beispiel, daß die Ein
gangsspannungsdifferenz außerhalb des Bereichs liegt. Ein Anlegen
der Eingangsschaltung, wie in Fig. 9 gezeigt, gestattet aller
dings, daß die Differenz innerhalb des dortigen Bereichs liegt.
Mit anderen Worten, eine Spannungsdifferenz von 10 mV wird an die
Schaltung angelegt, die durch die Transistoren 301 und 302 gebil
det wird, und eine Spannungsdifferenz von -10 mV wird an die
Schaltung angelegt, die durch die Transistoren 303 und 304 gebil
det wird. Es wird deutlich, daß der in Fig. 9 gezeigte Kompara
tor wirksam ist, wenn die Eingabespannungsdifferenz VA1-VA2 und
die Referenzspannungsdifferenz VR1a-VR1b groß sind.
Die Fig. 10 ist ein Signalpulsdiagramm zum Verdeutlichen des Be
triebs des in Fig. 9 gezeigten Komparators. In Fig. 9 ist auf
der Abszisse der Zeitverlauf aufgetragen, und auf der Ordinate
eine Änderung der Spannung (V) oder eines Stroms (I). Fig. 10 (A)
zeigt Änderungen der komplementären oder differentiellen
Eingabespannungen VA1 und VA2 sowie von Referenzspannungen VR1a
und VR1b. Fig. 10 (B) zeigt Änderungen der Kollektorströme I1 bis
I4, die durch die Transistoren 301 bis 304 fließen. Wenn der Pegel
der Eingabespannung VA1 mit dem der Referenzspannung VR1a
übereinstimmt, ist der Pegel des Stroms I1 gleich mit dem von I2.
Entsprechend, wenn der Pegel der Eingangsspannung VA2 mit dem der
Referenzspannung VR1b übereinstimmt, ist der Pegel des Stroms I3
gleich mit dem von I4. Die Ströme I1 und I2 werden addiert, und
der gemeinsame Strom fließt zum Widerstand 511. Als Ergebnis
ändert sich die Spannung V501 am Ausgabeknoten 501 der Differenz
verstärkerschaltung 400, wie in Fig. 10 (C) gezeigt. Entsprechend
werden die Ströme I3 und I4 addiert, und der gemeinsame Strom
fließt zum Widerstand 512. Als Ergebnis ändert sich die Spannung
V502 am Ausgabeknoten 502, wie in Fig. 10 (C) gezeigt.
Es wird angenommen, daß die Signale Φ und wie in Fig. 10 (D)
gezeigt, als Aktivierungssignale Φ und für die Binarisierungs
schaltung 530 angelegt werden, und Binärsignale B1 und , wie in
Fig. 10 (E) gezeigt, werden aus der Binarisierungsschaltung 530
ausgegeben. Wenn das Aktivierungssignal Φ auf hohem Pegel steht,
fließt der Ausgabestrom der Konstantstromquelle 529 zu den Tran
sistoren 523 und 524. Als Ergebnis wird eine Differenz zwischen
Ausgabespannung V501 und V502 verstärkt und führt zu den ausgege
benen Binarisierungssignalen B1 und , wie in Fig. 10 (E)
gezeigt. Wenn andererseits das Aktivierungssignal auf hohem
Pegel steht, fließt der Ausgabestrom der Konstantstromquelle 529
zu den Transistoren 526 und 527. In den über Kreuz gekoppelten
Transistoren 526 und 527 werden die Binarisierungssignale B1 und
gehalten. Dieser Zustand wird aufrechterhalten, bis das Signal
niedrigen Pegel erreicht.
Die Fig. 11 ist ein Schaltbild mit einem Beispiel einer Eingabe
treiberschaltung, die auf die Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung anwendbar ist. Wie in Fig. 11 gezeigt, sind Eingabe
treiberschaltungen 711 und 712 als Schaltungen vorgesehen, die der
Differenzverstärkerschaltung 400 voranstehen. Die Eingabetreiber
schaltung 711 umfaßt npn-Transistoren 601 und 602 sowie Konstant
stromquellen 603 und 604. Die Basis des Transistors 601 empfängt
eine Eingangsspannung VA1. Der Emitter des Transistors 601 ist mit
dem Ausgang der Konstantstromquelle 603 verbunden, wodurch eine
Emitterfolgeschaltung gebildet wird. Der Emitter des Transistors
601 ist mit der Basis des Transistors 301 in der Differenzverstär
kerschaltung 400 verbunden. Die Basis des Transistors 602 empfängt
eine Eingabespannung VA2. Der Emitter des Transistors 602 ist mit
dem Ausgang der Konstantstromquelle 604 verbunden, wodurch eine
Emitterfolgeschaltung gebildet wird. Der Emitter des Transistors
602 ist mit der Basis des Transistors 302 verbunden. Die
Eingabetreiberschaltung 712 empfängt Referenzspannung VR1a und VR1b.
Die Eingabetreiberschaltung 712 weist denselben Schaltungsaufbau
wie den der Schaltung 711 auf, und daher wird keine erneute Be
schreibung vorgenommen.
Im allgemeinen wird eine Basis-Emitterspannung VBE eines Transi
stors im wesentlichen konstant gehalten, mit einem festen Emitter
strom. Da die Konstantstromquellen 603 und 604 vorgesehen sind,
wird die Eingangsspannungsdifferenz VA1-VA2 als Spannungsdifferenz
zwischen den Baden der Transistoren 301 und 302 an die Differenz
verstärkerschaltung 400 angelegt. Die Benutzung der Eingabetrei
berschaltungen 711 und 712 führt zu einer Stromversorgung, die zum
Treiben der Differenzverstärkerschaltung ausreichend ist. Obwohl
die Eingangstreiberschaltungen 711 und 712, in Fig. 11 gezeigt,
die aus Bipolartransistoren 601 und 602 gebildet sind, wird dar
aufhingewiesen, daß eine entsprechende Schaltung durch eine
Source-Folgeschaltung, beispielsweise mit einem Feldeffekttransi
stor gebildet werden kann.
Die Fig. 12 ist ein Schaltbild mit einem weiteren Beispiel der
Eingangstreiberschaltung, die auf die Aufführungsformen der vor
liegenden Erfindung anwendbar ist. Wie in Fig. 12 gezeigt, umfaßt
eine Eingabetreiberschaltung 713 Differenzverstärker 610 und 611.
Der Differenzverstärker 610 weist einen invertierten Eingang (-)
auf, der mit seinem Ausgang verbunden ist, sowie einen nicht-in
vertierten Eingang (+) zum Empfangen einer Eingangsspannung VA1.
Der Differenzverstärker 611 weist einen invertierten Eingang (-)
auf, der mit seinem Ausgang verbunden ist, sowie einen nicht-in
vertierten Eingang (+) zum Empfangen einer Eingangsspannung VA2.
Die Ausgänge der Differenzverstärker 610 und 611 sind mit den
Basen der Transistoren 301 bzw. 302, in Fig. 11 gezeigt, verbun
den.
Wenn der invertierte Eingang (-) von jedem der Differenzverstärker
610 und 611 mit dem entsprechenden Ausgang verbunden ist, stimmen
die entsprechenden Eingabespannungen und die Ausgabespannungen
miteinander überein. Als Ergebnis wird die Eingabespannungsdiffe
renz VA1-VA2 als eine Basis-Basisspannung der Transistoren 301 und
302 angelegt. Die Benutzung der in Fig. 12 gezeigten
Eingabetreiberschaltung 713 sorgt für eine sehr genaue und hohe Stromtreiber
fähigkeit.
Fig. 13 ist ein Schaltbild mit einem weiteren Beispiel einer
Eingabetreiberschaltung, die auf die Ausführungsformen der vorlie
genden Erfindung anwendbar ist. Wie in Fig. 10 gezeigt, umfaßt
eine Eingangstreiberschaltung 714 einen Differenzverstärker 620
vom komplementären Ausgabetyp. Der Differenzverstärker 620 emp
fängt Eingabespannungen VA1-VA2 über einen positiven Eingang (+)
bzw. einen negativen Eingang (-). Der Differenzverstärker 620
umfaßt einen positiven Ausgang (+) sowie einen negativen Ausgang
(-), die mit den Basen der Transistoren 301 bzw. 302, in Fig. 11
gezeigt, verbunden sind.
Während des Betriebs verstärkt der Differenzverstärker vom komple
mentären Ausgabetyp 620 die Eingangsspannungsdifferenz VA1-VA2 und
legt die verstärkte Spannungsdifferenz an die Basen der Transisto
ren 301 und 302 an. Daher gestattet die Benutzung der Eingabetrei
berschaltung 714 aus Fig. 13 das Anlegen einer verstärkten Span
nung mit hohem Verstärkungsgewinn an die Differenzverstärkerschal
tung 400.
Eine beliebige der oben beschriebenen Differenzverstärkerschaltun
gen oder beliebige Komparatoren sind als Komparatoren 61-6n bei
der in Fig. 2 gezeigten A/D-Konverterschaltung 15 einsetzbar. Da
bei der in Fig. 14 gezeigten herkömmlichen A/D-Konverterschaltung
900 zu konvertierende analoge Eingabespannungen VA1 und VA2 an die
Komparatoren 908a bis 908f über die Widerstandskaskadenschaltung
901 angelegt werden, wird eine Zeitverzögerung bei der Übertragung
der analogen Eingangsspannungen VA1 und VA2 bewirkt. Demgegenüber
empfangen bei der vorliegenden Erfindung die Komparatoren 61 bis
6n direkt die analogen Eingabespannungen VA1 und VA2, die zu kon
vertieren sind, wobei diese über keine Widerstandselemente oder
Komponenten laufen. Hierdurch wird eine Verzögerung in der Änderung
der analogen Eingabespannungen VA1 und VA2 vermieden, die zu
den jeweiligen Komparatoren 61 bis 6n zu übertragen sind.
Obwohl bei den obigen Ausführungsformen die Differenzverstärker
schaltungen durch Benutzung von Bipolartransistoren realisiert
wurden, sei darauf hingewiesen, daß eine Differenzverstärkerschal
tung mit einem entsprechenden Schaltungsaufbau durch die Benutzung
von Feldeffekttransistoren realisiert werden kann.
Claims (10)
1. Differenzverstärkerschaltung
- - bestehend aus mindestens zwei Differenzverstärkerstufen (301, 302; 303, 304),
- - mit jeweils mindestens zwei spannungsgesteuerten Stromquellen (301, 302, 303, 304), von denen jeweils die eine (301; 303) mit einem analogen Eingangssignal (VA1, VA2) und die andere (302; 304) mit einer Referenzspannung (VR1a, VR1b) beaufschlagt wird und die Summe (I0, I0) der beiden Ausgangsströme (I1, I2; I3, I4) jeder Differenzverstärkerstufe konstant gehalten wird,
- - und die ausgangsseitig derart verbunden sind, daß jeweils die analog gesteuerte Stromquelle (301; 303) der einen Differenzverstärkerstufe mit der referenzspannungsgesteuerten Stromquelle (304; 302) der anderen Differenzverstärkerstufe in eine jeweils gemeinsame Last (511, 512) arbeiten.
2. Differenzverstärkerschaltung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die analogen Eingangssignale eine erste (VA1) und eine zweite (VA2) differentielle Eingangsspannung aufweisen,
eine erste der Stromquellen (301) auf eine erste der differentiellen Eingangsspannungen (VA1) reagiert zum Anlegen eines Stroms (I1) an eine erste Konstantstromquelle (305, 307, 309), der proportional zu der ersten differentiellen Eingangsspannung (VA1) ist, und
eine dritte der Stromquellen (303) auf eine zweite der differentiellen Eingangsspannungen (VA2) reagiert, zum Anlegen eines Stromes (I3) an eine zweite Konstantstromquelle (306, 308, 309), der proportional zu der zweiten differentiellen Eingangsspannung (VA2) ist.
daß die analogen Eingangssignale eine erste (VA1) und eine zweite (VA2) differentielle Eingangsspannung aufweisen,
eine erste der Stromquellen (301) auf eine erste der differentiellen Eingangsspannungen (VA1) reagiert zum Anlegen eines Stroms (I1) an eine erste Konstantstromquelle (305, 307, 309), der proportional zu der ersten differentiellen Eingangsspannung (VA1) ist, und
eine dritte der Stromquellen (303) auf eine zweite der differentiellen Eingangsspannungen (VA2) reagiert, zum Anlegen eines Stromes (I3) an eine zweite Konstantstromquelle (306, 308, 309), der proportional zu der zweiten differentiellen Eingangsspannung (VA2) ist.
3. Differenzverstärkerschaltung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Stromquelle einen ersten Transistor (301) aufweist, der zwischen einem ersten Anschluß einer ersten (511) der Lasten und dem Ausgabeknoten der ersten Konstantstromquelle (305, 307, 309) verbunden ist, wobei die Steuerelektrode des ersten Transistors (301) zum Empfangen der ersten differentiellen Eingangsspannung (VA1) geschaltet ist, und
die dritte Stromquelle einen dritten Transistor (303) aufweist, der zwischen einem ersten Anschluß einer zweiten der Lasten (512) und dem Ausgabeknoten der zweiten Konstantstromquelle (306, 308, 309) verbunden ist, wobei die Steuerelektrode des dritten Transistors (303) zum Empfangen der zweiten differentiellen Eingangsspannung (VA2) geschaltet ist.
daß die erste Stromquelle einen ersten Transistor (301) aufweist, der zwischen einem ersten Anschluß einer ersten (511) der Lasten und dem Ausgabeknoten der ersten Konstantstromquelle (305, 307, 309) verbunden ist, wobei die Steuerelektrode des ersten Transistors (301) zum Empfangen der ersten differentiellen Eingangsspannung (VA1) geschaltet ist, und
die dritte Stromquelle einen dritten Transistor (303) aufweist, der zwischen einem ersten Anschluß einer zweiten der Lasten (512) und dem Ausgabeknoten der zweiten Konstantstromquelle (306, 308, 309) verbunden ist, wobei die Steuerelektrode des dritten Transistors (303) zum Empfangen der zweiten differentiellen Eingangsspannung (VA2) geschaltet ist.
4. Differenzverstärkerschaltung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Transistor (301) ein erster Bipolartransistor ist, eine Basis-Emitterspannung des ersten Bipolartransistors als Reaktion auf die erste differentielle Eingangsspannung (VA1) geändert wird, und
der dritte Transistor (303) ein dritter Bipolartransistor ist, eine Basis-Emitterspannung des dritten Bipolartransistors als Reaktion auf die zweite differentielle Eingangsspannung (VA2) geändert wird.
daß der erste Transistor (301) ein erster Bipolartransistor ist, eine Basis-Emitterspannung des ersten Bipolartransistors als Reaktion auf die erste differentielle Eingangsspannung (VA1) geändert wird, und
der dritte Transistor (303) ein dritter Bipolartransistor ist, eine Basis-Emitterspannung des dritten Bipolartransistors als Reaktion auf die zweite differentielle Eingangsspannung (VA2) geändert wird.
5. Differenzverstärkerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine zweite der Stromquellen (302) auf eine erste der Referenzspannungen (VR1a) reagiert zum Anlegen eines Stroms (I2) an die erste Konstantstromquelle (305, 307, 309), der proportional zur ersten angelegten Referenzspannung (VR1a) ist, und
eine vierte der Stromquellen (304) auf eine zweite der Referenzspannungen (VR1b) reagiert zum Anlegen eines Stroms (I4) an die zweite Konstantstromquelle (306, 308, 309), der proportional zur zweiten angelegten Referenzspannung (VR1b) ist.
daß eine zweite der Stromquellen (302) auf eine erste der Referenzspannungen (VR1a) reagiert zum Anlegen eines Stroms (I2) an die erste Konstantstromquelle (305, 307, 309), der proportional zur ersten angelegten Referenzspannung (VR1a) ist, und
eine vierte der Stromquellen (304) auf eine zweite der Referenzspannungen (VR1b) reagiert zum Anlegen eines Stroms (I4) an die zweite Konstantstromquelle (306, 308, 309), der proportional zur zweiten angelegten Referenzspannung (VR1b) ist.
6. Differenzverstärkerschaltung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Stromquelle einen zweiten Transistor (302) aufweist, der zwischen dem ersten Anschluß der ersten Last (511) und dem Ausgabeknoten der ersten Konstantstromquelle (305, 307, 309) verbunden ist, wobei der zweite Transistor (302) eine Steuerelektrode aufweist, die zum Empfangen der ersten angelegten Referenzspannung (VR1a) geschaltet ist, und
die vierte Stromquelle einen vierten Transistor (304) aufweist, der zwischen dem ersten Anschluß der zweiten Last (512) und dem Ausgangsknoten der zweiten Konstantstromquelle (306, 308, 309) verbunden ist, wobei der vierte Transistor (304) eine Steuerelektrode aufweist, die zum Empfangen der zweiten angelegten Referenzspannung (VR1b) geschaltet ist.
daß die zweite Stromquelle einen zweiten Transistor (302) aufweist, der zwischen dem ersten Anschluß der ersten Last (511) und dem Ausgabeknoten der ersten Konstantstromquelle (305, 307, 309) verbunden ist, wobei der zweite Transistor (302) eine Steuerelektrode aufweist, die zum Empfangen der ersten angelegten Referenzspannung (VR1a) geschaltet ist, und
die vierte Stromquelle einen vierten Transistor (304) aufweist, der zwischen dem ersten Anschluß der zweiten Last (512) und dem Ausgangsknoten der zweiten Konstantstromquelle (306, 308, 309) verbunden ist, wobei der vierte Transistor (304) eine Steuerelektrode aufweist, die zum Empfangen der zweiten angelegten Referenzspannung (VR1b) geschaltet ist.
7. Differenzverstärkerschaltung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Transistor ein zweiter Bipolartransistor (302) ist, dessen Basis-Emitterspannung durch die erste angelegte Referenzspannung (VR1a) bestimmt wird, und
der vierte Transistor ein vierter Bipolartransistor (304) ist, dessen Basis-Emitterspannung durch die zweite angelegte Referenzspannung (VR1b) bestimmt wird.
daß der zweite Transistor ein zweiter Bipolartransistor (302) ist, dessen Basis-Emitterspannung durch die erste angelegte Referenzspannung (VR1a) bestimmt wird, und
der vierte Transistor ein vierter Bipolartransistor (304) ist, dessen Basis-Emitterspannung durch die zweite angelegte Referenzspannung (VR1b) bestimmt wird.
8. Differenzverstärkerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine erste Widerstandsvorrichtung (311, 313) zwischen einer ersten der Stromquellen und einem Ausgabeknoten einer ersten Konstantstromquelle geschaltet ist, und
eine zweite Widerstandsvorrichtung (312, 314) zwischen einer zweiten der Stromquellen und dem Ausgabeknoten der ersten Konstantstromquelle geschaltet ist.
daß eine erste Widerstandsvorrichtung (311, 313) zwischen einer ersten der Stromquellen und einem Ausgabeknoten einer ersten Konstantstromquelle geschaltet ist, und
eine zweite Widerstandsvorrichtung (312, 314) zwischen einer zweiten der Stromquellen und dem Ausgabeknoten der ersten Konstantstromquelle geschaltet ist.
9. Differenzverstärkerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Widerstandsvorrichtung
(315, 316) zwischen den Ausgabeknoten einer ersten und einer
zweiten Konstantstromquelle geschaltet ist.
10. Differenzverstärkerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis
9,
gekennzeichnet durch eine erste und eine zweite Schaltvorrichtung
(305, 306), die zwischen jeweils zwei Stromquellen und jeweils
einer Konstantstromquelle geschaltet sind und als Reaktion auf
ein angelegtes Steuersignal betreibbar sind.
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