DE2216409A1

DE2216409A1 - Differenzverstarkerschaltung

Info

Publication number: DE2216409A1
Application number: DE19722216409
Authority: DE
Inventors: Carl Franklin Somerset NJ Wheatley jun (VStA)
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Licensing Corp
Priority date: 1971-04-05
Filing date: 1972-04-05
Publication date: 1972-10-12
Also published as: MY7500032A; CA974610A; SE370477B; FR2136189A5; AU462921B2; IT951159B; DE2216409C2; GB1347182A; NL7204467A; NL187186C; AU4070272A; ES401276A1; DE2265734C1; JPS5147510B1; NL187186B; US3790897A

Description

7353-72/Dr,ν.B/Elf

RCA 63,628

US Ser.Nö. 130, 974

vom 5.April 1971

eingegangen am

RCA Corporation, New York, N.Y (V.St.Ä.)

Die vorliegende Erfindung betrifft

eine Differenzverstärkerschaltung, mit zwei Strorawegen, die mit einer ersten Stromquelle verbunden sind, deren Strom führen, und jeweils mit einer Steuerelektro· de versehen sind, die die Verteilung des Stroms auf die Stromwege mit Hilfe von zwischen den Steuerelektröden angelegten Gegentakt- oder Differenzsignalen zu steuern gestattet, ferner mit einer Anordnung zur Steuerung des Stromflusses in den beiden Stromstrecken mit zwei Transistoren, deren Emitter an eine Stromquelle angeschlossen sind und deren Basen jeweils mit der Steuerelektrode einer der Stromwege verbunden sind.

Eine Schaltungsanordnung dieses Typs ist in zwei Veröffentlichungen von Barrie Gilbert in der Zeitschrift"IEEE Journal of Solid-state Circuits" , Bd. SC-3, No.4, Dezember 1968, Seiten 353 - 373 beschrieben.

Solche Schaltungsanordnungen haben sich in vieler Hinsicht gut bewährt, bei sehr hohen Anforderungen an die Genauigkeit, wie sie z.B. bei Multiplizierschaltungen gestellt werden müssen,

209842/1109

w Ο«.

lassen sie jedoch zu wünschen übrig.

Die Eigenschaften einer Schaltungsanordnung gemäss dem Stand der Technik sollen im folgenden anhand der Figur 1 diskutiert werden. Die bekannte Schaltungsanordnung gemäss Figur 1 enthält eine Differenzverstärkerstufe mit Transistoren Ql und Q2, die mit ihren Emittern an eine Stromquelle I angeschlossen sind. Die Schaltungsanordnung enthält ferner zwei weitere Transistoren Q3 und Q4, die mit ihren Emittern an eine Konstantstromquelle I_A angeschlossen sind. Der Transistor Q3 ist mit seiner Basis und seinem Kollektor an die Basis des Transistors Ql angeschlossen. Mit diesem gemeinsamen Verbindungspunkt ist ferner eine Eingangsstromquelle I_1n verbunden. Der Transistor Q4 ist mit seiner Basis an seinem Kollektor an die Basis des Transistors Q2 angeschlossen. Letztere liegt an Masse.

Wenn der Eingangsstrom I_ im Betrieb der Schaltungsanordnung gemäss Figur 1 einen solchen Wert hat, daß die Transistoren Q3 und Q4 durchfliessenden Ströme gleich sind, sind auch die Basis-Emitter-Spannungsabfälle V_R„ dieser Transistoren gleich (die als gepaart vorausgesetzt werden) und die Potentialdifferenz zwischen den Basen der Transistoren Ql und Q2 ist null. Wenn der Eingangsstrom erhöht wird, überschreitet der Strom im Transistor Q3 den Strom im Transistor Q4 und der Basis-Emitter-Spannungsabfall V_ßF des Transistors Q3 nimmt zu während der des Transistors Q4 abnimmt. Diese Differenzspannung erscheint an den Basen der Transistoren Ql und Q2, so daß der Transistor Ql mehr und der Transistor Q2 weniger Strom führen.

Eine Analyse der Schaltungsanordnung zeigt, daß der Eingangsstrom I_TM gleich der Summe des Basisstromes I, des Transistors Ql zuzüglich des Kollektorstroms I_c3 und des Baässtroms I_b3 des Transistors Q3 ist, also

¹IN= ^Xbl ^{+ 1}C₃ ^{+ X}b3 '

209842/1-109

Der Kollektorstrom des einen von zwei Transistoren, die mit ihren Emittern an eine gemeinsame Quelle für einen Strom I₀ an geschlossen sind, ist I = α I f (V]₃), wobei α derjenige Teil des Emitterstromes, der den Kollektor erreicht und damit also gleich 3/(ß + 1) ist, β die gemeinsame Emitterflußstrom Verstärkung bedeutet

dabei sind V-,, und V_,_o die Potentiale an den Basen der Transistoren Ql und Q2, und h = kT/q. k ist die Boltzmanh^sche Konstante, T die absoi
Ladung des Elektrons.

Konstante, T die absolute Temperatur in ° Kelvin und q die

Der Kollektorstrom I . des Transistors Ql kann also wie folgt durch den Quellenstrom I ausgedrückt werden:

¹C₃ - «l ¹X ^f <^Vb>·

In entsprechender Weise kann der Kollektorstrom des Transistors Ql durch den Str<
gedrückt werden:

Ql durch den Ström I_A der Konstantstromquelle wie folgt aus-

a₃ I_Af (V_b)

Der Basisstrom des Transistors Q3 ist

I_b3 = («3 /ß3) I_A f (V_b)..

I₁ kann in JÜahängigkeit von I_A und Ι_χ wie folgt dargestellt werden: .

- ^{a5 ¹A ⁺ ^ ¹A⁺ ^ ¹X > ^f (V

209842/110

Ein Vergleich mit dem Kollektorstrom I .. , der gleich ΐ_ηττΓΤ, I_1n ist", ergibt:

¹OUT ₌ ^al ¹X (l)

¹IN ^a3 ¹A ⁺ ^3 ¹A ⁺ ^l ¹X

• B₃ B₁

Die Gleichung (1) kann wie folgt timgeschrieben werden:

ο, Ι_Λ α_ I. ,

"l ¹X «3 «1 ¹K h

Die Gleichung (2) kann wie folgt weiter vereinfacht werden:

¹OUT _
_

^{IN 1}A 1 1 ¹X

¹X ³I ³I ¹A

Im Idealfall soll I_0UT gleich I_1n (^/I_x)"¹ / mit anderen

Worten gesagt ,sollte ¹Q₁Jm gleich I_ multipliziert mit dem gewählten Verhältnis der Werte der Ströme I und I_Ä , also unabhängig von den Transistorparametern sein. Alle Glieder des zweiten Faktors im Nenner der Gleichung (3) mit Ausnahme der ι verursachen also Fehler. Der zur 1 hinzukommende Fehlerterm in der Gleichung (3) ist also

209042/1109

»ι ^{β 1}

Eine Betrachtung des Fehlerterms zeigt, daß er einen, statischen Fehler (1/ßj)· und einen Kreuzmodulationsfehler (1/S₁) ^χ/¹ der vom Verhältnis I_X/I_A abhängt, enthält. Der statische Fehler beruht auf dem von den Differenzverstärkertransistoren Ql und Q2 gezogenen Basisstrom. Der Eingangsstrom fliesst nämlich nicht ganz in den Transistor Q3, sondern zu einem Teil auch in den Transistor Ql (infolge von dessen englichem Beta-Wert) und der in den Transistor Ql fließende Stromanteil führt zu einem Fehler.

Der Kreuzmodulationsfehler hat seine Ursache ebenfalls in dem endlichen Beta-Wert der Transistoren und entspricht teilweise demjenigen Anteil des Emitterstromes, der sich nicht im Kollektorstrom niederschlägt. Die Transistoren Q3 und Q4 erzeugen beispielsweise bei einer Eingangssignaländerung eine Änderung der Basisspannungen am Differenzverstärker, die bezüglich der gewünschten Änderung der Basisspannungen falsch ist.

In Figur IO auf Seite 371 der obenerwähnten Arbeit ist ausserdem die Steuerung der bekannten Schaltungsanordnung durch Emitterverstärker dargestellt. Diese Emitterverstärker verringern die oben erwähnten Fehler jedoch nicht. Wenn an die Emitterverstärker eine Spannungsquelle angelegt wird, setzen sie die angelegte Signalspannung in einen Emitterstrom um, der den Eingangsstrom I_1n der Schaltungsanordnung gemäss Figur 1 liefert. Wenn das Eingangssignal der Emitterverstärker von einer Stromquelle kommt, ist der resultierende Ausgangsstrom der Transistoren ß-abhängig und der Ausgangsstrom ist deshalb ebenfalls ß-abhängig. Wenn einem Emitterverstärker also ein

1 1 OQ

Eingangssignalstrora zugeführt wird, ist die Schaltungsanordnung nicht unabhängig von ß. In der Praxis besteht sogar eine direkte Abhängigkeit vom ß'-Wert des zusätzlichen Transistors .

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, die obenerwähnten Mangel zu beseitigen und sowohl die Genauigkeit einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu erhöhen als auch die Vorspannung und/oder Verstärkung einer solchen Schaltung zu steuern.

Diese Aufgabe wird gemäss einem bevorzugten Ausf iihrungsbeispiel der Erfindung durch eine elektrische Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art gelöst, die gekennzeichnet ist durch einen dritten Transistor, dessen Basis mit dem Kollektor des ersten Transistors an eine erste Eingangsklemme der Schaltungsanordnung angeschlossen ist und dessen Emitter mit der Basis des ersten Transistors und der Steuerelektrode des ersten Stromweges gekoppelt ist und durch einen vierten Transistor, dessen Basis mit dem Kollektor des zweiten Transistors an eine zweite Eingangsklemme angeschlossen ist und dessen Emitter mit der Basis des zweiten Transistors und der Steuerelektrode des zweiten Stromweges gekoppelt ist.

Bei dieser Anordnung der vier Transistoren wird die Aufteilung des Stromes auf die beiden Stromwege in Abhängigkeit von der Signaldifferenz zwischen den beiden Eingangsklemmen exakt und Stabil gesteuert.

Der Erfindungsgedanke wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert, es zeigen:

1 ÖS

Figur 1 die oben schon diskutierte bekannte Schaltungsanordnung; . ' ■

Figur 2 ein Schaltbild einer Verstärkerstufe gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Figur 3 ein Schaltbild einer Multiplizierschaltung, die Verstärkerstufen gemäss Ausführungsbeispielen der Erfindung enthält.

Die in Figur 2 als Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellte Differenzverstärkerstufe enthält zwei Transistoren und 2, deren Emitter miteinander und mit einer Klemme einer Stromquelle 3O verbunden sind, deren andere Klemme 22 auf einer Spannung von -V Volt liegt. Die Kollektoren der Transistoren 1 und 2 sind über Impedanzen Rl bzw. R2 an eine Klemme angeschlossen, die auf einem Potential von +V Volt liegt. Zwei weitere Transistoren 3 und 4 sind mit ihren Emitterelektroden an die eine Klemme einer Stromquelle 36 angeschlossen, deren andere Klemme mit der Klemme 22 verbunden ist. Mit dem Kollektor des Transistors 3 ist eine Eingangsklemme 21 und die Basis eines Transistors 5 verbunden, dessen Emitter an die Basen der Transistoren 1 und 3 angeschlossen ist. Der Kollektor des Transistors 4 ist mit der Basis eines Transistors 6 an eine auf Masse liegende Klemme 20 angeschlossen. Der Emitter des Transistors 6 ist mit den Sasen der Transistoren 2 und 4 verbunden. Die Kollektoren der Transistoren 5 und 6 sind mit der Klemme 24 verbunden.

Zwischen den Klemmen 21 und 22 ist eine Stromquelle 42 geschaltet, die einen Eingangssignalstrom I_1n liefert.

Bei einer Schaltungsanordnung gemäss Figur 2 ist die Summe

20Ö8A2/11ÖÖ

2216408

der durch die Emitter der Transistoren 1 und 2 fliessenden Ströme gleich dem von der Stromquelle 30 gelieferten Strom I und die Summe der durch die Emitter der Transistoren 3 und 4 fliessenden Ströme ist gleich dem von der Konstantstromguelle gelieferten Strom 1^. Wenn man annimmt, daß die durch die Transistoren 3 und 4 fliessenden Ströme gleich sind und daß die Transistoren gepaart sind, sind die Basisemitterspannungsabfälle V_ßE der Transistoren 3 und 4 gleich. Die Basisspannungen der Transistoren 1 und 3 sind daher gleich dem der Transistoren 2 und 4 und wenn die Transistoren 1 und 2 gepaart sind, sind die in diesen Transistoren fliessenden Ströme einander gleich und gleich der Hälfte von I .

Der Signalstrom I ist gleich dem Kollektorstrom I ., des Transistors 3 zuzüglich des Basisstromes I_b5 des Transistors 5. Der Basisstrom I, r ergibt einen Emitterstrom I_E5r von dem ein Teil in die Basis des Transistors 1 und ein Teil in die Basis des Transistors 3 f Hessen (I„₅ = I, ₃ + I. .) . Ij₃₃ und I - ergeben zusammen den Emitterstrom I_E3· Wenn I„_ grosser als die Hälfte von I- ist, also grosser als I_A/₂' ^so *-^{st der vora} Transistor 4 gelieferte Emitterstrom um denjenigen Betrag kleiner als die Hälfte von I. um den I„₃ den Wert Iw₂ überschreitet. Die Summe dieser beiden Ströme ist also immer gleich I,. .

Die Bas is-Emitter-Spannung V_,_ eines Transistors ist eine Funktion des den Transistor durchfliessenden Stromes. Wenn I _ grosser als 1„. ist, ist der Basis-Emitter-Spannungsabfall V_ßE des Transistors 3 grosser als der Basis-Emitter-Spannungsabfall V_ßE4 des Transistors 4. Umgekehrt ist V_ßE3 kleiner als ^VBE4 ^{wenn 1}ES ^{kleiner als x}e4 ^ist*

Die die Transistoren 3 und 4 durchfliessenden Ströme bestimmen die zwischen den Basen der Transistoren 1 und 2 auftretende Differenzspannung und steuern dadurch die diese Transistoren durchfliessenden Ströme.

209842/1109

2216 401

Bei der Schaltungsanordnung gemäss Figur 2 ist der In den Transistor 5 oder 6 fliessende Basisstrom offensichtlich ein wesentlich kleinerer Teil des Eingangsstroms als bei der bekannten Schaltung. Ferner werden Störungen der Eingangsschaltung durch Schwankungen I„ um das Produkt der JJtromverstärkungsfaktoren der Transistoren 1 und 5 verringert.

Welche Vorteile bei der Schaltungsanordnung gemäss der Erfindung im speziellen erreicht werden, lässt sich am besten anhand einer quantitativen Analyse einsehen, bei der ¹C₁(¹OUT^ ⁱⁿ hängigkeit von I__N ausgedrückt wird und die Ergebnisse mit dem Stand der Technik verglichen werden. -

Der Kollektorstrom I , des Transistors 1 des Differenzverstärkers

el

kann in Abhängigkeit vom Strom I , der von der gemeinsamen Emit-

¹X

terstromquelle geliefert wird (wie oben beschrieben) wie folgt ausgedrückt werden: " .

¹Cl - °VV^f <^Vb>

Der Basisstrom I, . ist gleich dem Köllektorstrom geteilt durch Beta:

I - -Si (5) ■ ■ ■

^bl " ^ßl

Der Kollektorstrom I₃ des Transistors 3 kann als Funktion des Stromes I der Stromquelle 36 wie folgt ausgedrückt werden;

I „ = a_o.I_A.f (VJ (6)

C* Λ ΛΑ ΓΙ

Der Basisstrom I,-. des Transistors 3 lässt.sich dann wie folgt schreiben:

ο λ ο Q /. o y i 1 π

if · ¹A · ^f <V

Der Emitterstrom I_E5 des Transistors 5 ist gleich I_fa_ + I_b und der Basisstrom I. ,. ist gleich dem Emitterstrom geteilt durch (ß₅ + 1) dieses Transistors:

τ - ¹JJl * ^Jb3 (8)

¹V^{+ x}

Der Eingangsstrom Ij_n/ der in den Schaltungsknotenpunkt 21 fliesst ist gleich dem Kollektorstrom I _ des Transistors und dem Basisstrom I, _c des Transistors 5:

ob

¹IN

Durch Substitution der Gleichungen 5, 6, 7 und 8 in die Gleichungen 9. erhält man:

«3 ¹A ⁺ ¹A ⁺ ppr I ^{f tv}b>

Für die Abhängigkeit von I . =1 von I „ erhält man:

¹OUT ₌ ^x

¹IN (11)

«3 I_A + ix

(ß₅ + ι) a H₁ (e₅ + i)

o y 1 1 π

Teilt man Zähler und Nenner der Gleichung (11) durch I , so ergibt sich: .

.■■■"■ (12) ¹OUT _ . 1 .

^a3 ¹A ₊ «3 \₊ 1 ·

¹X ^al *3 <*5 ^{+ X) 1}X

Setzt man für den ersten Term "3Za₁ in Gleichung (12) den Ausdruck

U■ .

O₁ O₁ ß₃ O₁ B₃

der sich zu . 1 - α3

reduzieren lässt, so erhält man :

__; TT₊ _L _ J 4. -■ + *■ __■ X

¹X ^ßl ⁸I ^e3 ^{αι ß3 (ß}5 ⁺ ^1] ^ßl^(ß5^{+ 1):I}A

Vereinigt man den zweiten unddritten Term im Nenner der Gleichung (13) so ergibt sich:

_T ' (14)

OUT _ __;

¹IN ¹A ^ß3 _ ßl «3 ι χ .

Jl T+) ⁺ «Ϊ 3₃(ß5+l) ⁺ ßl

Eine Betrachtung der Gleichung (14) zeigt, daß wie beim Stand der Technik ein statischer Fehler und ein Kreuzmodulationsfeh-

2098A2/1109

ler vorhanden sind. Im Gegensatz zu der bekannten Schaltungsanordnung sind diese Fehler hier jedoch wesentlich kleiner. Der statische Fehler besteht aus zwei Terraen

und

erste Term (ß₃ _ B₁) /G₁ (ß₃ ¹J, zeigt, daß die Differenz der Beta-Werte der Transistoren 1 und 3 zu einem Fehler führen. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist dieser Fehler jedoch gleich der Differenz (B₃ — P₁) zweier nahezu gleicher Grossen geteilt durch etwas mehr als das Produkt {ßi (ßa+ij } der

a₃

beiden Terme. Der zweite Term - : kann durch

^al P3(P5 + ^L)

den Ausdruck l/ß₃ (ß₅ + i) angenähert werden. Dieser zweite Term ist normalerweise wesentlich kleiner als der erste Term und um den Faktor JB kleiner als beim Stand der Technik. Dieser Fehlerterm beruht auf dem Teil des Eingangsstromes I__N der in die Basis des Transistors 5 , nicht jedoch in den Kollektor des Transistors 3 fliesst. Der resultierende Wert des statischen Fehlers ist also wesentlich kleiner als bei der bekannten Schaltungsanordnung.

Der Kreuzmodulationsfehler

ß! (ß₅ + 1) I_Ä

ist um den Faktor ((J₅ + 1) kleiner als beim Stand der Technik. Der wesentlichste Fehler wird also erheblich herabgesetzt. Wie unten noch genauer erläutert wird, ist es im Falle daß I ein zeitlich veränderliches Signal ist und ebenfalls ein Eingangssignal sein kann, sehr wünschenswert, daß sich die Schwankungen dieses Signals nicht im Stromkreis des Eingangssignals I_TM auswirken, sonst muss nämlich das der Eingangs-

209842/1 109

2216A09

klemme 21 zugeführte Eingangssignal den an der Klemme 21 auftretenden Teil von I liefern, was einen Fehler verursacht. Wegen der Verringerung des Kreuzmodulationsterms ist es offensichtlich, daß die Basisströme der Transistoren 5 und 6 durch änderungen der Stromquellensignale weniger beeinflusst werden als bei der bekannten Schaltungsanordnung.

Figur 3 zeigt eine Multiplizierschaltung, die Differenzverstärkerstufen gemäss Ausführungsbeispielen der Erfindung enthält. Die Schaltung enthält einen ersten Verstärker I mit Transistoren IA und 2A in Differenzschaltung, die mit ihren Emittern zusammen an einen Transistor 3OA, insbesondere dessen Kollektor, angeschlossen sind, der durch einen einer Klemme 3 zugeführten Strom Ij₁J₃- so vorgespannt ist, daß ein konstanter Strom in die Emitter fliesst. Die Basen der Tran^ sistoren IA und 2A sind mit den Basen von Transistoren 3A bzw. 4A verbunden. Die Emitter der Transistoren 3A und 4ä sind zusammen an den Kollektor eines Transistors 36A angeschlossen, der so vorgespannt ist, daß ein konstanter Strom in die Emitter fliesst. Der Kollektor des Transistors 3A ist mit der Basis eines Transistors 4A und einer Eingangsklemme 2 verbunden, der ein Eingangsstromsignal I zugeführt wird. Die Kollektoren der Transistoren 4A und 5A und der Kollektor sowie die Basis eines Transistors 6A sind mit einem Bezugspotential , bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel Masse, verbunden. Der Emitter des Transistors 5A ist über zwei zur Spannungspegel_ verschiebung dienende in Flußrichtung vorgespannte Dioden D und D_TO an die Basen der Transistoren IA und 3Ά angeschlossen. Der Emitter des Transistors 6A ist in entsprechender Weise über Dioden D„,. und D„_T:. an die Basen der Transistoren 2A und 4A angeschlossen. Die beiden Dioden in den jeweiligen Emitterzweiggn ergeben einen Spannungsabfall, der ausreicht , um einen Betrieb der Differenzverstärker trans Lstoren IA und 2A iia Sätti-'■jungsbereich zu verhindern.

2 0 9 8 4 2/1100

Die Arbeitsweise der Schaltungsanordnungen mit den Pegelverschiebung sdioden ist immer noch ähnlich der der Schaltungsanordnung gemäss Figur 2, die Potentiale an den Basen der Transistoren IA und 3A bzw. 2A und 4A liegen jedoch um drei Basis-Emitter-Spannungsabfälle (3 χ V__) unter dem Potential

BL·

an der Eingangsklemme 2 bzw. Masse. Hierdurch wird eine Sättigung der Transistoren IA und 2A verhindert, da ihr Kollektorpotential um zwei V -Spannungsabfälle unter Massepotential gehalten wird.

Der Kollektor des Transistors IA ist mit einer zweiten Differenzverstärkerstufe 2 verbunden, während der Kollektor des Transistors 2A an eine dritte Verstärkerstufe III angeschlossen ist. Diese Verstärkerstufe ähneln der Schaltungsanordnung gemäss Figur 2. Die Differenzverstärkerstufe II enthält Transistoren IB und 2B, deren Emitter zusammen an den Kollektor des Transistors IA angeschlossen sind, während die Verstärkerstufe I Transistoren IC und 2C enthält, die zusammen an dem Kollektor des Transistors 2A angeschlossen sind. Die Basen der Transistoren IB und IC sind zusammen an die Basis eines Transistors 3B und den Emitter eines Transistors 5B angeschlossen. Die Basis des Transistors 5B ist mit dem Kollektor des Transistors 3B an der Klemme 13 verbunden, der ein Stromsignal I zugeführt wird. Die Basen der Transistoren 2B und 2C sind über Widerstände

R,, bzw. R,c mit der Basis des Transistors 4B und dem Emitter 14 ίο

des Transfetors 6B verbunden. Der Kollektor des Transistors 4B ist mit dem Kollektor und der Basis des Transistors 6B verbunden, die an Masse liegen. Die Emitter der Transistoren 3B und 4B sind zusammen an den Kollektor eines Transistors 36B angeschlossen, der in Flußrichtung vorgespannt ist und einen konstanten Strom an die Emitter liefert.

Die Kollektoren der Transistoren 2B und IC sind zusammen an den Kollektor eines pnp-Transistors 40 und die Basis eines

4 "i/ 1109

pnp-Transistors 41 angeschlossen* die einen Teil eines ersten Stromspiegels bilden. Der Emitter und die Basis eines Transistors 4IA bzw. 4OA sind an die Kathode einer Diode 42A angeschlossen. Der Emitter des Transistors 4OA und die Anode der Diode 42A sind über Stromausgleichs- oder Symmetriewiderstände an eine +V Volt führende Klemme angeschlossen. Die Kollektoren der Transistoren IB und 2B sind zEtsanBiien an den Kollektor eines Transistors 4OB und die Basis eines Transistors 4IB angeschlossen, die Teile eines zweiten Stromspiegels bilden. Die Basis des Transistors 40B ist zusammen mit dem Emitter des Transistors 41B an die Kathode einer Diode 42B angeschlossen. Der Emitter des Transistors 40B und die Anode der Diode 42B sind über Strombegrenzungswiderstände an die Klemme 12 angeschlossen. Man beachte, daß die in Figur 3 dargestellten Dioden aus Transistoren bestehen, bei denen Basis- und Kollektor kurzgeschlossen sind.

Der Kollektor des Transistors 4IA ist mit der Basis eines Transistors 50 verbunden, der einen Teil eines dritten Stromspiegels bildet. Die Kollektoren der Transistoren- 41 und 50 sind zusammen an eine AusgangskleHKRe IO angeschlossen, an der das Produkt der Eingangssignale I und I verfügbar is±. Die Kollektor-Basis-Strecke eines Transistors 51 ist der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 5O parallelgeschaltet. Emitter und Basis der Transistoren 50 bzw. 51 sind an. die Anode eines als Diode geschalteten Transistors 52 angeschlossen. Der Emitter des Transistors 51 und die Kathode der Diode 52 sowie die Emitter der Transistoren 3OA, 36ä vmd 36B sind über strombestimmende Widerstände mit einer Klemme 4 verbunden, an der eine Spannung von -V Volt liegt. -

Die Ruheströme für die Multiplizierschaltung werden durch einen Stromquellentransistor 64 und den die Transistoren 60,61,62 und 63 enthaltenden Stromspiegel geliefert. Der Transistor 6 4

209842/1109

ist in derselben Weise in Flußrichtung vorgespannt, wie die anderen Stromquellen (3OA_f 36A, 36B) und sein Kollektor ist mit dem Kollektor des Transistors 60 sowie den Basen der Transistoren 61 und 62 verbunden. Die Kollektoren der Transistoren 61 und 62 sind mit den Basen der Transistoren 5A bzw. 5B verbunden. Die Kollektorströme der Transistoren 61 und 62 bestimmen die Ruhestrombedingungen, wenn die Eingangssignale null sind. Die Emitter der Transistoren 61 und 62 sind über Stromausgangswiderstände mit der Basis des Transistors 16 und der Kathode des als Diode geschalteten Transistors 63 verbunden. Der Emitter des Transistors 60 und die Anode des Transistors sind über strombestimmende Widerstände mit der Klemme 12 verbunden.

Eine Betrachtung der Arbeitsweise der Multiplizierschaltung gemäss Figur 3 lässt die Vorteile erkennen, die sich durch die Verwendung von Schaltungsanordnungen höherer Genauigkeit ergeben.

Angenommen der Transistor 3OA erzeuge einen konstanten Strom I_30Ä und im symmetrischen Zustand (I = 0) sei der Strom durch den Transistor IA gleich dem Strom durch den Transistor 2A und damit gleich Ι-,-,ρ . Nimmt man nun an, daß I zunimmt und den Kollektorstrom des Transistors IA um einen bestimmten Betrag anwachsen lässt, während der Kollektorstrom des Transistors 2A um denselben Betrag abnimmt. Die Änderung des KollektorStroms ist, wie oben erläutert wurde, ungefähr gleich ΔΙ multipliziert mit dem Verhältnis von I₃^ zu I₃^ {Δ i_clA ^ ΔΙ_χ.Ι_30Α }

(wobei Ι·3_6Α der von der Konstantstromquelle 36A gelieferte Strom ist). Als Folge davon ist der dem Verstärker II mit den Transistoren IB und 2B zugeführte Emitterstrom grosser als der vom Verstärker III mit den Transistoren IC und 2C zugeführte Strom.

209842/ 1109

Es sei nun angenommen, daß der der Klemme 13 zugeführte Signalstrom I grosser als O sei» Der Strom durch die Transfetoren IB und IC nimmt dann zu, während die Ströme durch die Transistoren 2B und 2C abnehmen. Der Kollektorstrom des Transistors IB wird mit dem Kollektorstrom des Transistors 2B zum Strom I_x., summiert. und in entsprechender Weise wird der Kollektorstrom des Transistors 2B mit dem Kollektorstrom des Transistors ic zum Strom I_K2 summiert. Die Summierung der Ströme von den komplementären Seiten der Differenzverstärker gewährleistet/ daß wenn I oder I null sind, daß die Ausgangsströme gleich, die Differenz zwischen den beiden Strömen null und das an der Ausgangsklemme 10 der Multiplizierschaltung erzeugte Ausgangssignal ebenfalls null ist.

Wenn I jedoch grosser als null ist, leitet die Differenzstufe mit den Transistoren IB und 2B 4es Verstärkers II mehr Ruhestrom als. die Differenzstufe mit den Transistoren IC und 2C des Verstärkers 3» während der Basisstrom (in den Transistoren 3B und 4B) für beide Verstärker II und III gleich ist. Als Folge davon wird die Signalverstärkung des Verstärkers II grosser sein als die des Verstärkers III. Es resultiert ein Differenzstrom , der mit Hilfe der drei Stromspiegel einen Ausgangsstrom an der Klemme 10 erzeugt, der das Produkt von Ι_χ und I ist. ■

Man beachte, daß das Signal I zuerst durch den Verstärker I verarbeitet wird und daß das Ausgangssignal des Verstärkers I zusammen mit dem Signal I durch die Verstärker II und III verarbeitet wird. Die Ausgangssignale der Verstärker II und III werden dann summiert und die Gleichstrom- oder Ruhekomponenten werden subtrahiert, bevor an der Ausgangsklemme 10 ein Nettoausgangssignal erzeugt wird.

Fehler, die bei der Verstärkung des Signales entstehen, werden also durch die Stufen multipliziert und wenn grosse Zahlen von-

209 84 271 10

22T64Q9

einander subtrahiert werden, nimmt die Fehlerwahrscheinlichkeit zu. Es ist daher von grossem Vorteil, wenn man Stufen verwendet, bei denen die Fehler um eine Grössenordnung oder mehr kleiner sind als bisher.

Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen enthalten die Verstärker bipolare npn-Transistoren. Selbstverständlich könnte man auch pnp-Transistören oder andere bekannte Typen von Transistoren verwenden.

Es war angenommen worden, daß die Stromquelle 36A und 36B konstant sei. Diese Stromquellen könnten mit dem Transistor 64 jedoch ebenfalls geändert werden, um das Multiplikatorverhältnis stetig oder digital zu variieren.

Die dargestellten Verstärker sind Stufen mit unsymmetrischem Eingang, bei denen der einen Seite ein Stromsignal zugeführt wird, während die andere Seite an Masse liegt. Selbstverständlich kann die an Masse geschaltete Seite der dargestellten Verstärker auch statt an Masse an eine Spannungsquelle angeschlossen werden, die eine von Massepotential verschiedene, gegebenenfalls sogar zeitlich veränderliche Spannung liefert.

2098A 2 / 1 10$

Claims

eingegongen om ...;.i£:i:2i -19- , Patentansprüche

1.) Differenzverstärkerschaltung _mi_{t zwe}i Stromwegen, die mit einer ersten Stromquelle verbunden sind» deren Strom führen und jeweils mit einer Steuerelektrode versehen sind, welche die Verteilung des Stromes auf die Stromwege mit Hilfe von zwischen den Steuerelektroden angelegten Differenzsignalen zu steuern gestattet, und einer Anordnung zur Steuerung des ¹HrOmflusses in den beiden Stromwegen mit zwei Transistoren, deren Emitter an eine zweite Stromquelle angeschlossen sind, und deren Basen jeweils mit der Steuerelektrode einer der Str©mw@ge verbunden sind, gekennzeichnet durch einen dritten Transistor (5), dessen Basis mit dem Kollektor des ersten Transistors (3) an eine erste Eingangsklemme (21) angeschlossen ist und dessen Emitter mit der Basis des ersten Transistors (3) und der Steuerelektrode des ersten Stromweges (1) gekoppelt ist, und durch einen vierten Transistor (6), dessen Basis mit dem Kollektor des zweiten Transistors (4) an eine zweite Eingangsklemme (20) angeschlossen ist und dessen Emitter mit der Basis des zweiten Transistors und der Steuerelektrode des zweiten Stromweges (2) gekoppelt ist«

2«) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch g e kenn ze i ohne t, daß die beiden Stromwege jeweils einen Transistors (Ii2) enthalten, dessen Basis die Steuerelektrode bildet und dessen Emitter mit der ersten Stromquelle (30) verbunden ist.

3.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2_f dadurch gekennzeichnet , daß der einen Eingangsklemme (21) ein Eingangssignal strom (I-r«) zugeführt ist und daß die andere Eingangsklemme (20) mit einem auf Bezugspotential liegenden Schaltungspunkt verbunden ist.

2 09 8 Uli 1-109.

4.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 3,dadurch g e kennzeichnet , daß die erste Stromquelle einen ver-? änderlichen Strom und die zweite Stromquelle einen konstanten Strom liefert.

5.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η ζ ei c h η e t , daß beide Stromquellen veränderliche Ströme liefern.

6.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, 4 oder 5, d a d u r ch gekennzeichnet, daß mindestens eine in Flußrichtung vorgespannte Diode (DlA) zwischen den Emitter des dritten Transistors (5A) und die Basis des ersten Transistors (3A) geschaltet ist und daß mindestens eine in Flußrichtung vorgespannte
Diode (D2A) zwischen den Emitter des vierten Transistors (6A)
und die Basis des zweiten Transistors (4A) geschaltet ist
(Figur 3) .

209842/1109

L e e r s e i J· e