DE2061943C3

DE2061943C3 - Differenzverstärker

Info

Publication number: DE2061943C3
Application number: DE2061943A
Authority: DE
Inventors: James L. Wilmington Gundersen; Carroll R. Balboa Island Perkins; Everett L. Fountain Valley Shaffstall; Robert N. Huntington Beach Yoder
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1969-12-22
Filing date: 1970-12-16
Publication date: 1975-09-04
Also published as: GB1272372A; US3581226A; DE2061943A1; FR2074102A5; DE2061943B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Differenzverstärker mit zwei gleichen Signalkanälen, die mindestens |e zwei Feldeffekttransistoren mit je einer ersten und einer zweiten Elektrode und einer Steuerelektrode umfassen.

Ein solcher Differenzverstärker ist aus der US-PS 3 317850 bekannt. Bei dem bekannten Verstärker sind die beiden Feldeffekttransistoren jedes Kanals in Serie geschaltet, und es werden die Ausgangssignale jeweils an einem mit einer Elektrode des zweiten Transistors in Serie geschalteten Lastwiderstand abgenommen.

Es besteht der Bedarf an einem Differenzverstärker, bei dem die Ausgangsspannung, wenn er mit Signalen mit zueinander komplementären Wellenformen gespeist wird, symmetrische Ansüegs- und Abfallzeiten hat, um Signalverzerrungen durch unterschiedliche Ansüegs- und Abfallzeiten zu vermeiden. Der bekannte Verstärker genügt diesen Forderungen nicht. Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugründe, einen Verstärker der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß ein Kurvenverlauf der Ausgangsspannung mit symmetrischen Anstiegs- und Abfallzenen erzielt wird.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch

ao gelöst, daß dem zweiten Feldeffekttransistor jedes Signalkanals ein Signalausgangsglied nachgeschaltet ist, das zwei im Gegentakt zueinander arbeitende Feldeffekttransistoren mit je einer ersten und einer zweiten Elektrode sowie einer Steuerelektrode auf-

S5 weist, daß die erste Elektrode des jeweils ersten der beiden Feldeffekttransistoren mit dem einen Pol und die zweite Elektrode des jeweils zweiten Feldeffekttransistors mit dem anderen Pol einer Spannungsquelle verbunden ist. daß die zweite Elektrode jedes ersten Feldeffekttransistors mit der ersten Elektrode des zugeordneten zweiten Feldeffekttransistors verbunden ist. daß die Steuerelektrode des jeweils ersten Feldeffekttransistors mit der zweiten Elektrode des zweiten Feldeffekttransistors des jeweils anderen Signalkanals und die Steuerelektrode des jeweils zweiten Feldeffekttransistors mit der zweiten Elektrode des zweiten Feldeffekttransistors des jeweils gleichen Signalkanals gekoppelt ist, und daß jeweils eine Ausgangsklemme mit der zweiten biektrode des jeweils ersten Feldeffekttransistors verbunden ist.

Durch die vorstehend beschriebene Ausbildung des Differenzverstärkers wird die gewünschte Symmetrierung des Ausgangssignals des Differenzverstärkers auf einfache und zuverlässige Weise erreicht.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung an Hand des in der Zeichnung dargestellten Schaltbildes eines Differenzverstärkers nach der Erfindung näher beschrieben und erläutert wird.

Der in der Zeichnung dargestellte Differenzverstärker weist zwei gleiche Signalkanäle 100 und 200 auf. Da die verschiedenen Bauelemente jedes Signalkanals mit den entsprechenden Bauelementen des anderen Signalkanals übereinstimmen. sinJ einander entsprechende Bauelemente in den beiden letzten Stellen der Bezugsziffern gleich bezeichnet, und die Bauelemente des Signalkanals 100 zeigen an erster Stelle eine »1«, während die Bauelemente des Signalkanals 200 an erster Stelle mit einer »2« bezeichnet sind.

Eine erste Eingangsspannung v_t„ (gemessen gegenüber einer Bezugsspannung, die als Erdpotential dargestellt ist) wird einer E,ingahgsklemme 102 des Signalkanals 100 zugeführt, während eine zweite Eingangsspannung V_ia, deren Wellenform gegenüber dem der Eingangsspannung V_1n einen komplementären Verlauf hat, an eine Eragangsklemme 202 des Signalkanals 200 angelegt wird. Mit dem Ausdruck »korn-

plementärer Verlauf der Wellenform« ist gemeint, daß dann, wenn die Wellenform der Spannung v_m sich in positiver Richtung ändert, sich die Wellenform der Spannung Vj₈ in gleichem Maße in negativer Richtung ändert, und umgekehrt. Die Eingangsspannungen v_te und v_ia können beliebige Wellenformen aufweisen, ζ. B. rechteckige, sinusförmige, sägezahnartige usw. Da jedoch eine Amplitudenbegrenzung eintreten kann, wenn die EingangssigualampUtude

Um einen KurvenveiJauf der Ausgangsspannung mit symmetrischen Anstiegs- und Abfallzeilen zu erzeugen, ist bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel jedem •Signalkanal eine Gegsnkontaktanonlnung zugeordnet, die zwei in Serie geschaltete Feldeffekttransistoren umfaßt. Im einzelnen ist im Signalkanal 100 ein Feldeffekttransistor 130, zweckmäßigerweise ein MOSFET, mit seiner Kollektor-Elektrode mit der Spannungsversorgungsklemme 126 und mit seiner

genügend groß ist, ist die Schaltungsanordnung be- ίο Emitter-Elektrode mit der Kollektor-Elektrode eines

sonders zur Verstärkung von Spannungen mit kleiner weiteren Feldeffekttransistors 132, ebenfalls zweck-

Amplitude geeignet. mäßigerweise ein MOSFET, verbunden, dessen

Die Eingangsklemme 102 ist mit der Gateelek- Emitter-Elektrode mit Masse verbunden ist. Die

trode eines Feldeffekttransistors (FET) 104 verbun- Gate-Elektrode des FET 130 ist mit der Kolüektor-

den. der vorzugsweise als Metalloxid-Halbleiter- 15 Elektrode des FET 126 im Signalkanal 100 verbunden.

Feldeffekttransistor (MOSFET) ausgebildet ist. Seine während die Gate-Elektrode des FET 132 mit der

Emitterelektrode ist mit der Emitterelektrode eines Kollektor-Elektrode eines Feldeffekttransistors 226

en»sprechenden FET 204 im Signalkanal 200 ver- im Signalkanal 200 verbunden ist. Die Aus-gangs-

bunden. Ein im wesentlichen konstanter Strom wird spannung v_oat des Signalkanals 100 kann an einer

an die FETs 104 und 204 von einem als Strom- so Ausgangsklemme 134 abgenommen werden, die mit

quelle dienenden Feldeffekttransistor 10 abgegeben, den miteinander verbundenen Emitter- und Kollekder zweckmäßigenveise ebenfalls ein MOSFET ist.
Die Kollektor-Emitter-Strecke des FETlO ist zwischen die miteinander verbundenen Emitter-Elektro-

tor-Elektroden der FETs 130 und 132 verbunden ist. Wie oben bemerkt, ist die Anordnung der Bauelemente im Signalkanal 200 die gleiche wie die im

den der FETs 104 und 204 und Erdpotential ge- 25 Signalkanal 100; daher wird der Signalkanal 200 schaltet. Der FET 10 ist vorzugsweise so vorgespannt. nicht in Einzelheiten beschrieben. Es muß jedoch bemerkt werden, daß die Gate-Elektrode des zur Gegentaktanordnung gehörenden FET 232 des Signal-

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daß er sich leitend im Sättigungszustand befindet, indem eine passend bemessene Spannung — V_c, die an der Spannungsversorgungsklemme 12 ansteht, an die

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kanals 200 mit der Kollektor-Elektrode des FET 126

Gate-Elektrode des FET 10 angelegt wird. Die Span- 30 im Signalkanal 100 verbunden ist. Die Ausgangs-

nung V_ς kann beispielsweise — 7 V betragen.

Die Kollektor-Elektrode des FET 104 ist über einen Widerstand 106 mit einer weiteren Spannungsversorgungsklemme 108 verbunden, die eine Spannung - V_(l(i von z. B. - 26 V führt. Die Kollektor-Elektrode des FET 104 ist außerdem durch einen Gleichstrom allblockenden Kondensator 110 mit der Gate-Elektrode eines weiteren Feldeffekttransistors (FET) 112 verbunden, der zweckmäßigerweise eben-

spannung des Signalkanals 200 ist mit v_ou, bezeichnet und hat eine Wellenform, die komplementär zu der Wellenform der Ausgangsspannung v_out des Signalkana!s 100 ist.

Beim Betrieb der Schaltungsanordnung wird die Eingangsspannung v_/n durch den FET 104 verstärkt. Die Gleichspannungskomponente der Spannung an der Kollektor-Elektrode des FET 104, die wegen der Spannung V_u„ am Widerstand 106 entsteht, wird

falls ein MOSFET ist und dessen Emitter-Elektrode 40 durch den Kondensator 110 abgeblockt. Die Gleichmit Masse veibunden ist. Zwischen der Gate-Elek- Spannungskomponente der Spannung an der Gatetrode und der Emitter-Elektrode des FET 112 ist eine Elektrode des FET 112 wird durch die Klemmdiode Yitende Verbindung mit Richtwirkung in Form einer 114 im wesentlichen auf Erdpotential festgeklemmt, , .!emmdiode 114 vorhanden, deren Anode mit der wodurch sichergestellt wird, daß die Wechselspan-Gate-Elektrode und deren Kathode m der Emitter- 45 nungskomponente dieser Spannung gegenüber Erd-Elektrode des FET 112 verbunden ist. Ein die Vor- potential negativ ist. Die Spannung an der Gatespannung bestimmender Widerstand 116 ist zwischen Elektrode des FET 112 wird durch den FET 112 die Gate- und die Kollektor-Elektrode des FET 112 verstärkt, und es erfolgt eine weitere Verstärkung eingeschaltet, während die Kollektor-Elektrode dieses durch die FETs 122 und 126. Wenn die Amplitude FET über einen Lastwiderstand 118 mit einer weite- 50 der Eingangsspannung v_ln so groß ist, daß der Abren Spannungsversorgungsklemme 120 verbunden ist, Mand von Spannungsspitze zu Spannungsspitze an an der eine Spannung V_0n von z. B. - 13 V ansteht.

Die Kollektor-Elektrode des FET 112 ist weiterhin

mit der Gate-Elektrode eines weiteren Feldeffekt- 55 zwischen dem leitenden und dem nichtleitenden Zu-

transistors 122 verbunden, der zweckmäßigerweise stand hin- und hergeschaltet. Wenn der FET^ 112

der Gate-Elektrode des FET 112 größer ist als die Schwellenspannung V_th für den FET 112, wird der FET 112 beim Überqueren der Schwellenspannung

ebenfalls ein MOSFET ist Die Emitter-Elektrode des FET 122 liegt an Masse, wogegen die Kollektor-Elektrode über einen weiteren Widerstand 124 mit der Spannungsversorgungsklemme 120 verbunden ist. Die Kollektor-Elektrode des FET 122 ist außerdem mit der Gate-Elektrode eines weiteren Feldeffekttransistors 126 verbunden, der wiederum zweckmäßigerweise ein MOSFET ist. Die Emitter-Elektrode

Strom in genügendem Maße leitet, ist der FET 122 nichtleitend und der FET 126 leitend, und umgekehrt, wenn der FET 112 nichtleitend ist.

Die Eingangsspannung v_/n wird im Signalkanal 200 in der gleichen Weise verarbeitet, wie es oben für die Verarbeitung der Eingangsspannung v_(n im Signalkanal 100 beschrieben worden ist, und es wird an der Kollektor-Elektrode des FET 226 eine Spannung V₁

des FET 126 ist an Masse gelegt, während die KoI- 65 erzeugt, deren Wellenform komplementär zu der lektor-Elektrode über einen weiteren Widerstand 128 Wellenform der Spannung V₁ ist, die an derKollekloimit der Spannungsversorgungsklemnie 108 verbun- Elektrode des FET 126 im Signalkanal 100 ansteht, den ist. Wenn die Spannung V₁ sich in positiver Richtung

ändert, nimmt der Stromfluß durch den FET 130 ab und die Spannung über dem FET 130 wird vergrößert. Da sich jedoch die Spannung V₁ zu diesem Zeitpunkt in negativer Richtung ändert, nimmt der Stromfluß durch den FET 132 zu und es nimmt die Spannung über dem FET 132 ab. Als Ergebnis nimmt die Größe der Eingangsspannung v_out an der Ausgangsklemme 134 ab. Weiterhin vermindert eine Änderung der Spannung V₁ in positiver Richtung den Stromfluß durch den FET 232 und erhöht die Spannung über dem FET 132, wogegen die zugehörige Änderung der Spannung V₁ in negativer Richtung den Stromfluß durch den FET 230 erhöht, wodurch die Spannung^über dem FET 230 vermindert wird. Daher nimmt die Größe der Spannung v_om an der Ausgangsklemme 234 zu. Veränderungen der Spannungen V₁ und V₁, die entgegengesetzt zu den eben beschriebenen verlaufen, rufen entsprechend entgegengesetzte Veränderungen bei den Ausgangsspannungen v_Bor und v_oiI/ hervor.

Alle Bauelemente eines erfindungsgemäßen DTfTerenzverstärkers, also die Feldeffekttransistoren, Widerstände, Kondensatoren, Dioden und leitenden Verbindungen können auf einem einzigen Halbleitersubstrat unter Anwendung der MOS-(Metalloxid-Halbleiter-)Technik hergestellt werden. Die vorliegende Erfindung ist daher in der Lage, einen Differenzverstärker von außerordentlich geringer Größe und niedrigem Gewicht zu schaffen, der in hohem

ίο Maße mit integrierten elektronischen Schaltungsanordnungen kompatibel ist

Im Ausführungsbeispiel ist die Schaltungsanordnung als mit negativen Versorgungsspannungen arbeitend dargestellt, wie sie für jP-Kanal-Feldeffekttransistören benötigt werden, d.h. für Bauelemente mit Emitter- und Kollektorgebieten vom P-Typ in einem Halbleitersubstrat vom N-Typ. Es versteht sich, daß N-Kanal-Feldeffekttransistoren jedoch ebenfalls verwendbar sind und in diesem Fall wären positive Ver-

ao sorgungsspannungen anzuwenden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Differenzverstärker mit zwei gleichen Signalkanälen, die mindestens je zwei Feldeffekttransistoren mit je einer ersten und einer zweiten Elektrode und einer Steuerelektrode umfassen, dadurch gekennzeichnet, daß dem zweiten Feldeffekttransistor (112 bzw. 212) jedes Signalkanals ein Signalausgangsglied nachgeschaltet ist, das zwei im Gegentakt zueinander arbeitende Feldeffekttransistoren (132 und 130 bzw. 232 und 230) mit je einer ersten und einer zweiten Elektrode sowie einer Steuerelektrode aufweist, daß die erste Elektrode des jeweils ersten der beiden Feldeffekttransistoren (132 bzw. 232) mit dem einen Pol und die zweite Elek*tode des jeweils zweiten Feldeffekttransistors (130 bzw. 230) mit dem anderen Pol einer Spannungsquelle verbunden ist, daß die zweite Elektrode jedes ersten Feldeffekttransistors (132 bzw. 232) mit der ersten Elektrode des zugeordneten zweiten Feldeffekttransistors (130 bzw. 230) verbunden ist, daß die Steuerelektrode des jeweils ersten Fddeffekttransistors (132 bzw. 232) mil der zweiten Elektrode des zweiten Feldeffekttransistors (212 bzw. 112) des jeweils anderen Signalkanals (200 bzw. Ii00) und die Steuerelektrode des jeweils zweiten Feldeffekttransistors (130 bzw. 230) mit der zweiten Elektrode des zweiten Feldeffekttransistors (112 bzw. 212) des jeweils gleichen Signalkanals (100 bzw. 200) gekoppelt ist, und daß jeweils eine Ausgangsklemme (134 bzw. 234) mit der zweiten Elektrode des jeweils ersten Feldeffekttransistors (132 bzw. 232) verbunden ist

2. Differenzverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Signalkanal (100 bzw. 200) zwei weitere Feldeffekttransistoren (122 und 126 bzw. 222 und 226) vorgesehen und miteinander und mit den übrigen Teilen des ,Differenzverstärkers in der Weise verbunden sind, daß die Steuerelektrode des jeweils eisten der beiden Feldeffekttransistoren (122 bzw. 222) mit der zweiten Elektrode des jeweils zweiten Feldeffekttransistors (112 bzw. 212) des Sipnalkanals (100 bzw. 200) verbunden ist, daß die zweite Elektrode des jeweils ersten der beiden Feldeffekttransistoren (122 bzw. 222) mit uer Steuerelektrode des jeweils zweiten der beiden Feldeffekttransistoren (126 bzw. 226) verbunden ist, und daß die zweite Elektrode des jeweils zweiten der beiden Feldeffekttransistoren (126 bzw. 226) mit der Steuerelektrode des zweiten zum Signalausgangsglied des jeweils gleichen Signalkunals (100 bzw. 200) gehörenden FeIdeffeV'ransistors (130 bzw. 230) und mit der Steuerelektrode des ersten zum Signalausgangsglied des jeweils anderen Signalkanals (200 bzw. 100) gehörenden Feldeffekttransistors (232 bzw. 132) verbunden ist.