DE2226471C3 - Differential verstärker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Differentialverstärker mit einem ersten und einem zweiten Stromversorgungsanschluß, bei dem die Emitter der Eingangs-Transistoren über eine Konstantstiomquelle mit dem ersten Versorgungsaiischluß verbunden sind und das Eingangssignal mindestens der Basis des einen Eingangstransistors des Differentialverstärkers zugeführt wird.

Bei Anwendung von inbesondere monolithischen, integrierten Schaltkreisen werden Dilferentialverstärker häufig verwendet, um Differential-Ausgangsströme zu liefern, die den Verstärkern zugeführte Differential-Eingangssignale (siehe z. B. die USA.-Patentschrift 3 522 248) repräsentieren. Es ist oft notwendig, zwei oder mehr Stufen kaskadenartig anzuordnen (siehe z. B. USA.-Patentschrift 3 622 903), um die gewünschte Verstärkung zu erhalten, doch ergibt sich bei derartigen vielstufigen Differential-Verstärkern der Nachteil, daß für jeden einzelnen Differential-Verstärker eine getrennte Stromquelle verwendet werden müßte. Die Spannungsanforderungen dieses Schaltkreises steigen dann mit einem vom Spannungsabfall in der Stromquelle abhängigen Faktor an. Außerdem mußte eine Vorspannung für jede Stromquelle vorgesehen werden. Daher war die Schaffung eines Differential-Stromverstärkers für einen integrierten Schaltkreis wünschenswert, der ohne die bisher benötigten Stromquellen und daher mit niedrigeren Spannungsanforderungen arbeiten kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines kaskadenartig geschalteten Differential-

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Stromverstärkers, insbesondere von monolithischer, daß das feste Spannungspotential durch einen Spanintegrierter Bauart, der keine zusätzliche Stromquelle nungsteiler zwischen den Stromversorgungsanschlüsbenötigt. sen gebildet wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge- Gleiches gilt für eine Weiterbildung, bei der die löst, daß eine dritte, zweiteilige Tn.nsistoranordnung 5 Konstantstromquelle aus einem Transistor besteht, mit erstem und zweitem Kollektor und mit minde- dessen Leitfähigkeitstyp dem der Ejjngangtransistostens einer Basis und einem Emitter, durch eine vierte ren entspricht und dessen Basis über einen Spar. Transistoranordnung mit mindestens einem Kollek- nungstei..: zwischen den Stromversorgungsanschlüstor, mindestens einer Basis und mindestens einem sen auf festem Potential gehalten wird.
Emitter; durch eine Verbindung zwischen Gen Emit- ίο Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten tern dei dritten und vierten Transistoranordnung mit der Erfindung ergeben sich aus der Darstellung eines dem zweiten Stromversorgungsanschluß; durch eine Ausfiihrungsbeispicls sowie aus der folgenden BeVerbindung zwischen dem Kollektor des ersten Ein- Schreibung,
gangstransistors mit der Basis der dritten Transistor- Es zeigt

anordnung au einem ersten Verbindungspunkt und 15 F i g. 1 ein schematisches Diagramm einer Aus-

durch eine Verbindung zwischen dem Kollektor des führungsform der Erfindung und

zweiten Eingdügstransistors und der Basis der vierten F i g. 2 ein schematisches Diagramm einer anderen

TransistoranorOi^ng an einem zweiten Verbindungs- Ausführungsform der Erfindung,

punkt durch eine Zusammenführunj des ersten KoI- In den F i g. 1 und 2 sind die Teile der Schaltung,

lektors der dritten Transistoranordnung und dem »o die in einem monolithischen, integrierten Schaltkreis

einen Kollektor der vierten Transistoranordnung an aufgebaut werden können, durch gestrichelte Linien

einem dritten Verbinaungspunkt, der über Rück- umschlossen. Die von den gestrichelten Linien um-

koppelungsimpedanzen mit dem ersten und dem schlossenen Schaltkreiskomponenten können als unab-

zweiten Verbindungspunkt verbunden ist, und durch hängige integrierte Schaltkreis-Chips hergestellt wer-

einen Ausgang, der mit dem zweiten Kollektor der 25 den, oder sie können Teile eines größeren Chips dar-

dritten Transistoranordnung verbunden ist. stellen, auf denen noch andere Schaltkreiskompo-

Das hat den Vorteil, daß durch Verwendung von nenten und Funktionen vorhanden sind.
Transistoren entgegengesetzter Leitfähigkeit in bei- In F i g. 1 ist ein Betriebs-Gleichspannungsden Stufen und durch Rückkoppelungswiderslände Potential (B + ) an einen Anschluß 10 geführt, der hohe Verstärkung bei nur einer einzigen Stromquelle 30 wiederum mit einem Verbindungsstück 11 auf dem erreicht werden kann. integrierten Schaltkreis-Chip verbunden ist. Ein Besonders geeignet für monolithische Bauweisen Spannungsteiler mit einer Diode 12 und zwei Widerist eine Ausführungsform, bei der der Verstärker ein ständen 13 und 15 ist zwischen dem Anschlußstück monolithisch integrierter Schaltkreis ist, daß die 11 und einem geerdeten Anschlußstück 16 verbundritte und vierte Transistoranordnung Lateral-PNP- 35 den, um Betriebs-Vorspannungs-Potentiale für den Transistoren sind, wobei der dritte Transistor ein Schaltkreis zu liefern. Der Stromverstärker enthält Dual-Kollektor-Transistor ist, der einen Emitter, eine einen Eingangs-Differential-Verstärke·-17, der aus Basis und zwei Kollektoren besitzt. zwei L ateral-PNP-Transistoren 19 und 20 besteht, Sind zwei Ausgänge erforderlich, kann gemäß deren Emitter mit dem Kollektor eines Lateraleiner weiteren Ausführungsform der Differential- 4° PNP-Transistors 21 verbunden ist, der einen konstanverstärker so aufgebaut werden, daß die vierte Tran- ten Betriebsstrom an den DiTerential-Verstärker 17 sistoranordnung wie die dritte Transistoranordnung liefert. Der Emitter des Stromquellen-Transistors 21 einen ersten und zweiten Kollektor aufweist, wobei ist über einen Emitter-Widerstand 22 mit dem Verdie zweiten Kollektoren Differentialausgänge bilden. bindungsstück 11 verbunden, und die Basis des Tran-Soll ein monolithischer Aufbau gewählt werden, 45 sistors 21 ist mit der Verbindung zwischen der Diode ist es zweckmäßig, wenn die vierte Transistoranord- 12 und dem Widerstand 13 verbunden, so daß die nung ein Dual-Kollektor-Lateral-Transistor mil Diode 12 ein Betriebs-Vorspannungs-Potential und einem Emitter, einer Basis und zwei Kollektoren ist. eine Temperaturkompensation für den Stromquellen-Günstig ist es auch, wenn gemäß einer anderen transistor 21 liefert.

Weiterbildung die Rückkopplungsimpedanzen Wider- 5» Die Basis des Transistors 19 ist mit einem Bezugsständc von gleichem Wert sind. spanniings-Potential versehen, das von der Verbin-Für nichtmonolithische Bauweisen ist es zweck- dung zwischen den Widerständen 13 und 15 hermäßig, wenn die dritte und vierte Transistoranord- geleitet wird, und Eingangssignale werden der Basis nung jeweils zwei Transistoren umfaßt, deren Emitter des Transistors 20 auf einem Anschlußstück 24 zumit dem zweiten Stromversorgungsanschluß ver- 55 geführt, so daß die relative Zuleitung der Transistobunden sind, wobei die Basen der jeweils zwei Tran- ren 19 und 20 abhängig ist von der relativen Größe sistoren miteinander verbunden sind, um den ersten der den Basen dieser Transistoren zugeführten bzw. zweiten Verbindungspunkt zu bilden, und daß Potentiale. Wenn das Eingangs-Potcntia! an dem Andie Kollektoren von jeweils einem Transistor der schlußstück 24 gleich ist zu dem Potential an der Transistorpaare miteinander verbunden sind, um den ^6o Basis des Transistors 19, sind die Transistoren 19 dritten Verbindungspunkt zu bilden, und daß die und 20 gleich leitend und teilen den Strom gleich Ausgänge auch den Kollektoren verbleibenden Tran- auf, der von der Stromquelle 21 geliefert wird. Wenn sistoren angeschlossen sind. das dem Eingangs-Verbindungsstück 24 zuueführte Ist nur ein Eingangssignal vorhanden, kann gemäß Potential positiver ist als das Bezugs-Potenti?! an der einer anderen günstigen Weiterbildung die Basis des ⁶5 Basis des Transistors 19, leitet der Transistor 19 mehr zweiten Eingangs-Transistors auf einem festen Span- Strom als der Transistor 20. und umgekehrt.
nungspotenti«] gehalten werden. Um einen zusätzlichen Gewinn für die Differen-Besonders einfach wird die Schaltung dadurch, tial-Ströme zu erhalten, die an den Kollektoren der

Transistoren 19 und 20 erscheinen, ist eine Ausgangs- Die Ausgangsströme an den Kollektoren der Tran-

Stufe vorgesehen, die aus vier NPN-Transistoren 25. sistoren 25 und 28 werden an zwei Ausgangs-An-26, 27 und 28 bestehen. Der Kollektor des Tran- schlußstücke 35 und 36 angelegt bzw. als Ausgangssistors 19 ist gemeinsam an die Basen der Transisto- ströme an zwei Ausgangsanschlüsse A und Ii. Die ren 25 und 26 angeschlossen, und über einen Wider- 5 absoluten Größen dieser Ausgangsströme und die stand 29 ebenfalls mit dem Kollektor des Transistors DifTerenzkomponenie zwischen diesen Strömen kann 26. In ähnlicher Weise ist der Kollektor des Tran- höher oder niedriger gelegt weiden durch Verändesistors 20 gemeinsam mit den Basen der Transistoren rung der relativen Emitierflächen der Transistoren 27 und 28 verbunden, und über einen Widerstand 30 25 und 26 und der Transistoren 28 und 27. Aus mit dem Kollektor des Transistors 27, und die Wider- io einem Studium der F i g. 1 ist zu erkennen, daß die stände 29 und 30 besitzen gleiche Widerstandswerte. Eingangsströme, die der Ausgangsstufe 25, 26, 27, 28 Die Emitter aller Transistoren 25, 26, 27 und 28 von den Transistoren 19 und 20 zugeführt werden, sind gemeinsam mit dem geerdeten Verbindungs- beide über einem Diodenübergang in der Form des stück 16 verbunden. Um den Differential-Betrieb der Emitter-Basis-Überganges der Transistoren 26 bzw. Ausgangsstufe aufrechtzuerhalten, sind die Kollek- _I5 27 abfallen, so daß die Spannung, die benötigt wird, toren der Transistoren 26 und 27 miteinander ver- um den Teil der Schaltung zu betreiben, der mit den bunden. Daher sind die Widerstände 29 und 30 wirk- Kollektoren der Transistoren 19 und 20 verbunden sam über die Kollektoren der Transistoren 19 und 20 ist, ungefähr 0,7 Volt beträgt (1 Φ).
verbunden, wobei die Verbindung zwischen den Die gegenseitige Verbindung der Kollektoren der

Widerständen 29 und 30 gemeinsam mit den Kollek- 20 Transistoren 26 und 27 in dem Schaltkreis eintoren der Transistoren 26 und 27 verbunden sind. schließlich der Rückkopplungswiderstände 29 und 30 Diese Verbindung der Widerstände 29 und 30 mit bewirkt, daß die Ausgangsstufe einschließlich der den Transistoren 26 und 27 liefert ein Rückkopp- Transistoren 25 bis 28 einen vergrößerten Differenzlungsschaltkreis, der bewirkt, daß die den Transisto- stromgewinn liefert, obwohl eine zusätzliche Ausren 26 und 27 von den Transistoren 19 und 20 zu- 25 gangsstromquelle nicht für die Emitter der Transigeführten Ströme gezwungen werden, in die Kollek- stören 26 und 27 vorgesehen ist. Durch Beseitigung toren der Transistoren 26 und 27 zu fließen. Wenn dieser zusätzlichen Stromquelle, die normalerweise daher die an den Kollektoren der Transistoren 19 über eine zusätzliche Kaskadenstufe in einem viel- und 20 auftretenden Eingangsströme verschieden stufigen Differential-Stromverstärker verwendet wird, sind, wird eine Differential-Spannung über den 30 ist es möglich, den Schaltkreis über ein geringeres Widerständen 29 und 30 erzeugt, und diese erscheint Potential zu betreiben, als ts möglich ist, wenn zwischen den Basen der Transistoren 26 und 27. eine derartige zusätzliche Stromquelle verwendet Diese Differential-Spannung bewirkt einen unter- wird.

schiedlichen Stromfluß in den Transistoren26und27. Obwohl die in Fig. 1 gezeigte Schaltung eine

Bei kleinen Differential-Strömen, die an den Kollek- 35 Gleichtaktverstärkung von 1 für die Ausgangsstufe 25 toren 19 und 20 auftreten, wird der Differential- bis 28 aufweist, kann ein wesentlich vergrößerter Strom A i_d zwischen den Transistoren 26 und 27 durch Differential-Gewinn durch die Verwendung der die folgende Gleichung gegeben, wobei angenommen Rückführungswiderstände 29 und 30 erzielt werden, wird, daß die Transistoren 26 und 27 aufeinander so daß die Nachteile des Verlustes der Gleichtaktangepaßt sind: 40 unterdrückung in der Ausgangsstufe im wesentlichen

ausgeglichen werden durch die Vorteile des Differential-Gewinns, der ohne die Notwendigkeit einer .. zusätzlichen Stromquelle erreicht wird.

^ ' In F i g. 2 ist eine andere Variation der in F i g. 1

45 gezeigten Schaltung gezeigt, bei der eine PNP-T ransistor-Ausgangsstufe gezeigt ist, die als monolithi-In der Gleichung bedeutet R die Summe des Wider- scher, integrierter Schaltkreis unter der Verwendung Standes der Widerstände 29 und 30. von zwei Dual-Kollektor-Lateral-PNP-Transistoren

.M₁ den Eingangs-Differential-Strom, der von den aufgebaut ist. Bei Betrachtung der Fig. 1 ist zu Kollektoren der Transistoren 19 und 20 erhalten 50 erkennen, daß die Basen der Transistoren 25 und 26 wird, und K, T und q ihre gewöhnlichen Bedeutun- und deren Emitter jeweils beide an gemeinsame gen. Anschlüsse geführt sind, wie auch die vergleichbaren

Wenn die Transistoren 25 und 28 so ausgewählt Elektroden der Transistoren 27 und 28, wobei nur werden, daß sie an die Transistoren 26 und 27 jeweils die Kollektor-Elektrode dieser vier Transistoren von angepaßt sind, ist der Ausgangs-Differential-Strom/₀ 55 Fig. 1 an verschiedene Punkte in dem Schaltkreis gleich dem Differential-Strom zwischen den Tran- angeschlossen sind. Daher ist es möglich, den in sistoren 26 und 27: F i g. 1 gezeigten Schaltkreis durch die Verwendung

von Dual-Kollektor-Transistoren aufzubauen, die entweder NPN- oder PNP-Transistoren sein können, (2) 60 wie es in F i g. 2 gezeigt ist.

Die in F i g. 2 gezeigte Schaltung arbeitet im wesentlichen in der gleichen Weise, wie die in F i g. 1 daher ist der Differential-Gewinn dieses Systems: gezeigte Schaltung, mit der Ausnahme, daß der Ein-

Σϊ R gangs-Differenzverstärker 117 in der Form eines

65 Paares von NPN-Transistoren 119 und 120 aufge-

4 KT_ (3) baut ist, die von einem Stromquellen-Transistor 121

g mit Strom versorgt werden, dessen Emitter mit einem

geerdeten Anschlußstück 116 über einen Emitter-

Widerstand 122 verbunden ist. Eingangssignale werden der Basis des Transistors 120 auf einem Anschlußstüek 124 zugeführt, und die vorspannenden Potentiale zur Schaffung der Gleichspannungs-Bezugspegel für den Betrieb des Schaltkreises werden von einem Spannungsteiler in der Form eines Paares von Widerständen 113 und 115 erhalten, die in Serie mit einer Diode 112 zwischen einem ß ^J--Eingangs-Anschlußstück 111 und dem geerdeten Anschlußstück 116 angeschlossen sind. Die Wirkung dieses Teils des Schaltkreises ist die gleiche, wie die Wirkung des in F i g. 1 gezeigten Schaltkreises.

Die Ausgangs-Transistorstufen von F i g. 2 bestehen aus zwei Lateralen-PNP-Dual-Kollektor-Transistoren 126 bzw. 127, wobei die Basis des Transistors 126 Strom von dem Kollektor des Transistors 119 erhält, und die Basis des Transistors 126 Strom von dem Kollektor des Transistors 120 erhält. Der erste Kollektor 126a des Transistors 126 ist mit seiner Basis über einen Rückführwiderstand 129 verbunden. Ein vergleichbarer Kollektor 127 a des Transistors 127 ist über einen Rückführwiderstand 130 mit seiner Basis verbunden. Ein zweiter Kollektor 126b des Transistors 126 liefert einen ersten Ausgangstrom an ein Ausgangsverbindungsstück 135, und der zweite Kollektor 127 b des Transistors 127 liefert einen zweiten Ausgangsstrom an ein Ausgangsverbindungsstück 136. Diese Ausgangsströme, die von den Transistorkollektoren 126 ft und 127 b geliefert werden, sind vergleichbar mit den Strömen, die von den Kollektoren der Transistoren 25 und 28 der F i g. 1 geliefert werden.

Durch Veränderung der relativen Flächen der Kollektoren 126a und 126b und der relativen Flächen der Kollektoren 127a und 127b ist es möglieh, den Größenfaktor zwischen den Eingangsstellen der Transistoren 126 und 127 und den Ausgangsteilen in der gleichen Weise zu verändern, wie auch eine Anpassung gemacht werden kann bei den vier separaten Transistoren, die in F i g. 1 gezeigt sind.

Wenn nur ein einzelner Ausgang der Ausgänge A oder B gewünscht wird, könnte der zusätzliche Kollektor, der mit dem Ausgang verbunden ist, beseitigt werden. Der Rest des Schaltkreises bleibt der gleiche, um einen einzigen Ausgang zu schaffen, der die Veränderungen des Differenzstromes darstellt, der von den Transistoren 119 und 120 geleitet wird. Die Rückführungsschaltung in der Form der Widerstände 129 und 130 wirkt, in der gleichen Weise in F i g. 2, wie die vergleichbare Rückführschaltung einschließlich der Widerstände 29 und 30 der in Fig. 1 gezeigten Schaltung

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (9)

Patentansprüche:

1. Difterentialverstärker mit einem ersten und einem zweiten Stromversorgungsanschluß, bei dem die Emitter der Eingangs-Transistoren über eine Konstantstromquelle mit dem ersten Versorgungsanschluß verbunden sind und das Eingangssignal mindestens der Basis des einen Eingangstransistors des Differentialverstärkers zugeführt wird, gekennzeichnet durch eine dritte, zweiteilige Transistoranordnung (25/26;

126) mit erstem und zweitem Kollektor und mindestens einer Basis und einem Emitter, durch eine vierte Transistoranordnung (27/28; 127) mit mindestens einem Kollektor, mindestens einer Basis und mindestens einem Emitter; durch eine Verbindung zwischen den Emittern der dritten und vierten Transistoranordnung (25/26; 126 bzw. 27/28; 127) mit dem zweiten Stromversor- ao gungsanschluß (16, 116); durch eine Verbindung zwischen dem Kollektor des ersten Eingangstransistors (19; 119) mit der Basis der dritten Transistoranordnung (25, 26; 126) an einem ersten Verbindungspunkt und durch eine Verbindung zwischen dem Kollektor des zweiten Eingangstransistors (20; 120) und der Basis der vierten Transistoranordnung (27, 28; 127) an einem zweiten Verbindungspunkt durch eine Zusammenführung des ersten Kollektors (126 a) der dritten Transistoranordnung (25, 26; 126) und dem einen Kollektor (127a) der vierten Transistoraüordnung (27, 28; 127) an einem dritten Verbindungspunkt, der über Rückkoppel ungsimpedanzen (29, 30 bzw. 129, 130) mit dem ersten und dem zweiten Verbindungspunkt verbunden ist, und durch einen Ausgang (35), der mit dem zweiten Kollektor (Kollektor von 25 bzw. Kollektor 126 b von 126) der dritten Transistoranordnung verbunden ist

2. Differentialverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker ein monolithischer, integrierter Schaltkreis ist, daß die dritte und vierte Transistoranordnung (126,

127) Lateral-PNP-Transistoren sind, wobei der dritte Transistor (126) ein Dual-Kollektor-Transistor ist, der einen Emitter, eine Basis und zwei Kollektoren (126 a, 126 ft) besitzt.

3. Differentialverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Transistoranordnung (27, 28; 127) wie die dritte Transistoranordnung (25, 26; 126) einen ersten und zweiten Kollektor (127 β, 127 b) aufweist, wobei die zweiten Kollektoren (126 ύ, 1276) Differentialausgänge bilden.

4. Differentialverstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Transistoranordnung (127) ein Dual-Kollektor-Lateral-Transistor mit einem Emitter, einer Basis und zwei Kollektoren (127 a, 127 ft) ist.

5. Differentialverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkoppelungsimpedanzen (29 oder 129 bzw. 30 oder 130) Widerstände von gleichem Wert sind.

6. Differentialverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte und vierte Transistoranordnung jeweils zwei Transistoren (25, 26 bzw. 27, 28) umfaßt, deren Emitter mit dem zweiten Stromversorgungsanschluß (16) verbunden sind, wobei die Basen der jeweils zwei Transistoren (25, 26 bzw. 27, 28) miteinander verbunden sind, um den ersten bzw. zweiten Verbindungspunkt zu bilden, und daß die Kollektoren von jeweils einem Transistor (26 bzw. 27) der Transistorenpaare (25, 26 bzw. 27, 28) miteinander verbunden sind, um den dritten Verbindungspunkt zu bilden, und daß die Ausgänge auch den Kollektoren verbleibenden Transistoren (25, 28) angeschlossen sind.

7. Differentialverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des zweiten Eingangs-Transistors (19; 119) auf einem festen Spannungspotential gehalten wird.

8. Differentialverstärker nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das feste Spannungspotential durch einen Spannungsteiler (12,13,15; 112, 113, 115) zwischen den Stromversorgungsanschlüssen (11,16; 111,116) gebildet wird.

9. Differentialverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstantstromquelle aus einem Transistor (21; 121) besteht, dessen Leiitähigkeitstyp dem der Eingangstransistoren entspricht und dessen Basis über einen Spannungsteiler (12, 13, 15; 112, 113, 115) zwischen den Stromversorgungsanschlüssen (11, 16; 111, 116) auf festem Potential gehalten wird.