DE2508363A1

DE2508363A1 - Circuit to improve loading capability of operational amplifiers - has transistor emitter-base path inserted in amplifier supply line

Info

Publication number: DE2508363A1
Application number: DE19752508363
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Ing Spiesberger
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1975-02-26
Filing date: 1975-02-26
Publication date: 1976-09-02

Abstract

The circuit, for improving the laoding capabilities of the operational amplifier (OV) uses an amplifying transistor (T1) which has its collector connected to the output of the amplifier. The emitter-base path of the transistor (T1) is connected in parallel with a resistor (R) which is inserted in the supply line to the amplifier (OV), and the value of the resistor (R) is chosen such that a supply current (Is + IA) above the load criteria gives a voltage drop across the resistor (R), causing the transistor (T1) to become conductive. The second supply line for the operational amplifier (OV) may incorporate a second resistor (R') and a similarly connected amplifying transistor (T1).

Description

Schaltungsanordnung zur Verbesserung der Belastbarkeit von Operationsverstärkern Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Verbesserung der Belastbarkeit von Operationsverstärkern. Neuerdings werden integrierte Operationsverstärker wegen ihrer Vielsei- gke-t und Preiswürdigkeit in großen Stückzahlen eingesetzt. In einer Vielzahl von Verwendungsfällen reicht die Belastbarkeit der integrierten Operationsverstärker mit Stromstärken von einigen dilliampere aus. Es glbt jedoch auch eir.e wachsende Anzahl von Er, dungsfällen, die einen höheren Bedarf an Leistung e;^lo.der.. und für die keine entsnrechend ausgelegten Operationsverstärker zur Verfügung stehen. Kann in Anwendungsfällen mit höherem Leistungsbedarf nicht auf die bekannten Vorteile des Operationsverstärkers verzichtet werden, so stellt das Nachschalten einer getrennten Endstule hinter den Ausgang des Operationsverstärkers eine Lösung dar, die jedoch mindestens einen Teil der Vorteile des integrierten Operationsverstärkers wieder in Frage stellt. Es seien dazu nur stichwortartig Probleme des Ruhestrombedarfs, der Schwingfreiheit, der Temperaturkompensation des Ruhestroms und der oberen Grenzfrequenz erazähnt.Circuit arrangement to improve the resilience of operational amplifiers The invention relates to a circuit arrangement for improving the load capacity of operational amplifiers. Lately integrated operational amplifiers are due Their versatility and value for money are used in large numbers. In a The load capacity of the integrated operational amplifier is sufficient for a large number of applications with currents of a few dilliamps. However, it is also growing Number of connection cases that have a higher demand for power e; ^ lo.der .. and for which no appropriately designed operational amplifiers are available. Cannot make use of the known advantages in applications with higher power requirements of the operational amplifier are dispensed with, the subsequent connection of a separate Endstule behind the output of the operational amplifier is a solution, however at least some of the advantages of the integrated operational amplifier questions. There are only brief problems of the quiescent power requirement, the freedom from vibration, the temperature compensation of the quiescent current and the upper limit frequency guessed.

Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Verbesserung der Belastbarkeit von Operationsverstärkern anzugeben, mit der bei minimalem Schaltungsaufwand die Mehrzahl der Probleme einer nachgeschalteten Endstufe entfallen. Sie beruht auf der Erkenntnis, daß eine Zunahme des Ausgangsstromes eines Operationsverstärkers auch eine Zunahme seines Speisestromes zur Folge hat.The present invention was based on the object of a circuit arrangement specify to improve the resilience of operational amplifiers, with the with minimal circuit complexity the majority of the problems of a downstream No output stage. It is based on the knowledge that an increase in the output current of an operational amplifier also results in an increase in its supply current.

Gemaß der Erfindung ist die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Ausgang des Operationsverstärkers mit der Ausgangselektrode mindestens eines Verstärkertransistors verbunden ist und ein Widerstand in einer Speisezuleitung für den Oparationsverstärker der Steuerstreckr des TransIstors parallelgeschaltet ist und der Widerstand derart bemessen Ist, daß bei einem belastungsbed nOt erhöhten Spelsestrom der Spannungsabfall am Widerstand den Transistor vom gesperrten in den leitenden Zustand steuert.According to the invention, the object is achieved in that the output of the operational amplifier with the output electrode of at least one amplifier transistor connected and a resistor in a feed line for the The operational amplifier of the control section of the TransIstor is connected in parallel and the resistance is dimensioned in such a way that in the event of a load-related nOt increased spel current the voltage drop across the resistor moves the transistor from blocked to conductive State controls.

Der bei zusätzlicher Belastung des Operationsverstärkers wachsende Speisestrom wird also dazu benutzt, einen oder mehrere Transistoren anzusteuern, deren Ausgangs strom den Ausgangsstrom des Operationsverstärkers stützt. Beim normalen Betrieb, also bei einer Belastung, die der Nennbelastung des Operationsverstärkers entspricht, ist der zusätzliche Transistor gesperrt.The one that increases with additional load on the operational amplifier Supply current is used to control one or more transistors, whose output current supports the output current of the operational amplifier. With normal Operation, i.e. at a load that corresponds to the nominal load of the operational amplifier corresponds, the additional transistor is blocked.

Dies zeigt deutlich, daß es sich bei der vorgeschlagenen Maßnahme um etwas wesentlich anderes handelt als um eine vom Ausgang des Transistors gesteuerte zusätzliche Endstufe.This clearly shows that the proposed measure is something essentially different than one controlled by the output of the transistor additional power amplifier.

Operationsverstärker weisen im allgemeinen zwei Speisezuleitungen verschiedener Polarität auf. Zweckrnäßig sind in beiden Speisezuleitungen des Operationsverstärkers Widerstände eingefügt, deren Spannungsabfälle zwei Transistoren umgekehrten Leitfähigkeitstyps aus steuern, deren Ausgänge mit dem Ausgang des Operationsverstärkers verbunden sind. Als Steuerstrecke der Transistoren wird ihre Basis-Emitter-Strecke verjendet. Ausgang der Transistoren, der mit dem Ausgang des Operationsverstärkers verbunden ist, ist dann jeweils ihre Kollektorelektrode.Operational amplifiers generally have two feed lines different polarity. Both feed lines of the operational amplifier are useful Resistors inserted whose voltage drops are two transistors of opposite conductivity type out control whose outputs are connected to the output of the operational amplifier are. Their base-emitter path is used as the control path for the transistors. Output of the transistors connected to the output of the operational amplifier is then its respective collector electrode.

Die "einseitige" Anwendung der Erfindung, also ein Widerstand in einer der Speisezuleitungen und ein vom Spannungsabfall an diesem Widerstand gesteuerter Transistor, ist dann ausreichend, wenn eine höhere Belastung nur für eine Richtung des Ausgangsstromes des Operationsverstärkers zu erwarten ist.The "one-sided" application of the invention, so a resistor in one of the supply lines and one controlled by the voltage drop across this resistor Transistor, is sufficient if a higher load only applies to one direction of the output current of the operational amplifier is to be expected.

Eine Weiterbildung der Erfindung dient dem Zweck, neben der erhöhten Belastbarkeit auch eine Kurzschlußstrombegrenzung auf einen vorbestimmten Wert zu erreichen. Dazu führen die den Ausgangsstrom stützenden Transistoren einen Widerstand in ihrer Emitterzuleitung. Unmittelbar an den Emittern der Transistoren sind Basiselektroden weiterer Transistoren angeschlossen, deren Emitter-Kollektor-Strecken parallel zu den Widerständen in den Speisezuleitungen des Operationsverstärkers geschaltet sind. Dr Kurzschlußstrom der gesamten Anordnung wird dabei auf einen Wert begrenzt, bei dem der Spannungsabfall an den Emitterwiderständen die den Widerständen In den Speisezuleitungen parallelgeschalteten Transistoren in den leitenden Zustand steuert.A further development of the invention serves the purpose, in addition to the increased Load capacity also a short-circuit current limitation to a predetermined value reach. For this purpose, the transistors supporting the output current lead a resistor in their emitter lead. Directly at the emitters of the transistors are base electrodes further transistors connected, their emitter-collector paths parallel to the resistances in the Feed lines of the operational amplifier are switched. The short-circuit current of the entire arrangement is thereby on a The value at which the voltage drop across the emitter resistors corresponds to the resistors Transistors connected in parallel in the supply lines switch to the conductive state controls.

Bei noch höheren Anforderungen an den Ausgangsstrom der Schaltungsanordnung sind die vom Spannungsabfall an den Widerständen in den Speisezuleitungen des Operationsverstärkers angesteuerten Einzeltransistoren durch Kaskadenschaltungen von Transistoren, beispielsweise einer Komplementär-Darlington-Schaltung, zu ersetzen.With even higher demands on the output current of the circuit arrangement are those of the voltage drop across the resistors in the supply leads of the operational amplifier controlled individual transistors by cascading transistors, for example a complementary Darlington pair.

Selbstverständlich können die oben angegebenen Varianten der Erfindung auch miteinander kombiniert werden, sie können z, B. alle einseitig oder doppelseitig verwendet werden. Die Darlington-Schaltung kann z. B. auch zusätzlich mit der für die einfache Schaltung beschriebenen Strombegrenzung versehen werden. Es ist auch möglich, mehrere Kaskadenschaltungen hintereinander anzuordnen.Of course, the above-mentioned variants of the invention can also be combined with one another, they can, for example, all be one-sided or double-sided be used. The Darlington pair can, for. B. also with the for the simple circuit described can be provided with current limitation. It is also possible to arrange several cascade connections one behind the other.

Die Erfindung wird an vier Ausführungsbeispielen erläutert, die in Figuren 1 bis 4 dargestellt sind.The invention is explained using four exemplary embodiments, which are shown in FIG Figures 1 to 4 are shown.

Figur 1 stellt ein Schaltungsbeispiel dar, bei dem der Ausgangsstrom eines Operationsverstärkers nur in einer Stromrichtung gestützt ist.Figure 1 shows a circuit example in which the output current of an operational amplifier is only supported in one current direction.

Figur 2 stellt eine entsprechende Schaltung für eine Erhöhung der Belastbarkeit des Ausgangs eines Operationsverstärkers in beiden Richtungen dar.Figure 2 shows a corresponding circuit for increasing the Load capacity of the output of an operational amplifier in both directions.

Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel entsprechend der Figur 2, bei dem zusätzlich eine Strombegrenzerschaltung eingeführt ist.Figure 3 shows an embodiment according to Figure 2, at a current limiter circuit is also introduced.

In Figur 4 ist eine Schaltung gezeigt, die anstelle einzelner Verstärkertransistoren Kaskadenschaltungen von Verstärkern, im Beispiel Darlington-Schaltungen komplementärer Transistorpaare, aufweist.In Figure 4, a circuit is shown that instead of individual amplifier transistors Cascade circuits of amplifiers, in the example Darlington circuits complementary Transistor pairs.

In Figur 1 ist ein Operationsverstärker OV mit dem üblichen Symbolzeichen dargestellt. Zwei Eingangsklemmen des Operationsverstärkers OV können beispielsweise zwei Spannungen zugeführt werden, deren Differenz einen Ausgangsstrom IA des Operationsverstärkers OV steuert. Der Operationsverstärker hat zwei weitere Eingänge, an die zwei verschieden gepolte Betriebsspannungen UB+ bzw. Ug ~ angelegt sind, die den Operationsverstärker OV mit einem Speise strom IS speisen. Bei Belastung des Ausgangs des Operationsverstärkers erhöht sich der Speisestrom um den Ausgangsstrom 1A In der Speisestromzuleitung, die an die positive Betriebsspannung UB+ angelegt ist, liegt ein Widerstand R. Der Kollektor eines Transistors T1 ist mit dem Ausgang des Operationsverstärkers OV verbunden. Der Emitter des Transistors T1 liegt an der positiven Betriebsspannung U3+. Die Basiselektrode des Transistors T1 ist unmittelbar mit dem Speisestromeingang des Operationsverstärkers OV verbunden. Die Steuerstrecke des Transistors T1, die Emitter-Basis-Strecke, liegt also parallel zum Widerstand R und wird vom Spannungsabfall UBE an diesem Widerstand angesteuert.In Figure 1 is an operational amplifier OV with the usual symbol shown. Two input terminals of the operational amplifier OV can, for example two voltages are supplied, the difference of which results in an output current IA of the operational amplifier OV controls. The operational amplifier has two further inputs, two of which are different polarized operating voltages UB + or Ug ~ are applied to the operational amplifier Feed OV with a feed current IS. When the output of the operational amplifier is loaded the supply current increases by the output current 1A in the supply current line, which is applied to the positive operating voltage UB +, is a resistor R. The The collector of a transistor T1 is connected to the output of the operational amplifier OV tied together. The emitter of the transistor T1 is connected to the positive operating voltage U3 +. The base electrode of the transistor T1 is directly connected to the supply current input of the operational amplifier OV connected. The control path of the transistor T1, the Emitter-base path, so it is parallel to the resistor R and is controlled by the voltage drop UBE controlled at this resistor.

In Figur 2 ist eine Schaltung gezeigt, die nichts weiter als eine Verdoppelung der Schaltung nach Figur 1 darstellt. Bei ihr liegt auch in der Zuleitung von der negativen Betriebsspannungsquelle UB ein Widerstand R',und ein Transistor T1' ist entsprechend dem Transistor T1 geschaltet. Die beiden Transistoren T1 und T1' sind Transistoren verschiedenen Leitfähigkeitstyps.In Figure 2 a circuit is shown which is nothing more than a Represents duplication of the circuit according to FIG. Her also lies in the supply line a resistor R 'and a transistor from the negative operating voltage source UB T1 'is connected in accordance with transistor T1. The two transistors T1 and T1 'are transistors of different conductivity types.

Die Wirkungsweise der Schaltungen nach Figur 1 und Figur 2 wird im folgenden erläutert. Der Widerstand R bzw. R' ist so gewählt, daß im Ruhezustand, also bei IA = 0, die an ihm vom Speisestrom IS hervorgerufene Spannung kleiner ist als die für den Zustand der Leitfähigkeit des Transistors T1 erforderliche minimale Basis-Emitter-Spannung UBEmin. In diesem Zustand ist der Transistor demnach gesperrt. Wird der Operationsverstärker nun über seine Eingangsklemmen angesteuert, so beginnt bei ausgangsseitiger Belastung des Operationsverstärkers OV ein Strom IA zu fließen.The operation of the circuits according to Figure 1 and Figure 2 is in explained below. The resistance R or R 'is chosen so that in the idle state, so with IA = 0, the voltage caused by the supply current IS is lower than the minimum required for the state of conductivity of the transistor T1 Base-emitter voltage UBEmin. In this state, the transistor is blocked. If the operational amplifier is now controlled via its input terminals, it begins a current IA to flow when the operational amplifier OV is loaded on the output side.

Damit wächst der Spannungsabfall am Widerstand R. Der Transistor T1 bzw. T1 wird vom Sperrzustand in den leitfähigen Zustand gesteuert, es beginnt ein Kollektorstrom zu fließen. Spätestens dann, wenn der Ausgangsstrom IA des Operationsverstärkers OV sein zulässiges Maximum erreicht hat bzw. wenn die Strombegrenzung eintritt, muß der Transistor T1 bzw. T1' im leitenden Zustand sein. Diese Betrachtungen können formelmäßig wie folgt dargestellt werden: Dabei bedeuten für den gesamten Temperaturbereich, in dem die Schaltung betrieben werden soll: UBEmin die Basis-Emitter-Spannung, bei der der Transistor sicher sperrt.This increases the voltage drop across the resistor R. The transistor T1 or T1 is switched from the blocking state to the conductive state, and a collector current begins to flow. At the latest when the output current IA of the operational amplifier OV has reached its permissible maximum or when the current limit occurs, the transistor T1 or T1 'must be in the conductive state. These considerations can be represented by a formula as follows: The following mean for the entire temperature range in which the circuit is to be operated: UBEmin is the base-emitter voltage at which the transistor reliably blocks.

UBEmax ist die Basis-Emitter-Spannung, die höchstens erforderlich ist, damit der Transistor den zur Stützung erforderlichen Kollektorstrom liefern kann.UBEmax is the base-emitter voltage that is required at most is so that the transistor can supply the collector current required for backup can.

ISmax bzw. 1Smin sind die für den verwendeten Operationsverstärkertyp garantierten Maximal- bzw. Minimalwerte des Speisestromes.ISmax and 1Smin are those for the type of operational amplifier used guaranteed maximum and minimum values of the supply current.

IAmin ist der vom Operationsverstärker mindestens lieferbare Strom bzw. der Strom, bei dem frühestens die Strombegrenzung einzutreten hat.IAmin is the minimum current that can be supplied by the operational amplifier or the current for which the current limitation has to occur at the earliest.

Die Vorteile der Schaltungen nach den Figuren 1 und 2 liegen im minimalen Aufwand und in der gegenüber einer Endstufe wegfallenden Ruhestromeinstellung. Weiterhin ist keine Temperaturkompensation erforderlich; es tritt keine höhere Ruhestromaufnahme ein, und die Grenzfrequenz ist bei Verwendung genügend schneller Transistoren gegenüber der Grenzfrequenz des Operationsverstärkers selber nicht erniedrigt. Die Leerlaufverstärkung des Operationsverstärkers wird durch die vorgeschlagenen Maßnahmen ebenfalls nicht vermindert, und ebensowenig ist der Spannungshub, bei dem der Operationsverstärker arbeitet, begrenzt.The advantages of the circuits according to Figures 1 and 2 are minimal Effort and in the quiescent current setting, which is omitted compared to an output stage. Farther no temperature compensation is required; there is no higher quiescent current consumption one, and the cutoff frequency is opposite when using sufficiently faster transistors the cut-off frequency of the operational amplifier itself is not lowered. The idle gain of the operational amplifier is also not due to the proposed measures decreased, and just as little is the voltage swing at which the operational amplifier works, limited.

In der Figur 3 wird eine Variante der Schaltung nach Figur 2 vorgestellt, die mit einer Ausgangsstrombegrenzung ausgestattet ist.In FIG. 3, a variant of the circuit according to FIG. 2 is presented, which is equipped with an output current limiter.

Die Schaltung nach der Figur 3 entspricht im wesentlichen der Schaltung nach Figur 2. Die in beiden Schaltungen übereinstimmenden Teile sind auch mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen.The circuit according to FIG. 3 essentially corresponds to the circuit according to Figure 2. The matching parts in both circuits are also matching Provided with reference numerals.

Zusätzlich zu der Schaltung nach Figur 2 ist in der Schaltung nach Figur 3 in die Emitterzuleitung der Transistoren T1 bzw. T1' ein Widerstand Rk bzw. Rk' eingefügt. Den Widerständen R bzw. R' sind Kollektor-Emitter-Strecken von Transistoren T2 bzw. T2' parallelgeschaltet. Die Basiselektroden der zusätzlichen Transistoren liegen an den Emittern der Transistoren T1 bzw. T1'.In addition to the circuit according to FIG. 2, the circuit according to FIG Figure 3 in the emitter lead of the transistors T1 and T1 'a resistor Rk or Rk 'inserted. The resistors R and R 'are collector-emitter paths of transistors T2 or T2 'connected in parallel. The base electrodes of the additional transistors are at the emitters of the transistors T1 and T1 '.

Zur Erklärung der Wirkungsweise dieser Schaltung wird davon ausgegangen, daß bei einem Operationsverstärker mit Ausgangsstrombegrenzung durch die Maßnahmen nach Figur 1 und 2 auch der Ausgangsstrom der gesamten Schaltung auf etwa das B-fache des Kurz schlußstromes des Operationsverstärkers begrenzt wird, wobei mit B der Stromverstärkungsfaktor des Transistors T7 bezeichnet ist. Dieser Wert kann zu hoch sein. Außerdem ist der Stromverstärkungsfaktor B von Transistorexemplar zu -exemplar verschieden. Um diesen Mangel abzustellen, wurde die Schaltung nach Figur 3 geschaffen, mit der eine Kurzschlußstrombegrenzung auf einen vorbestimmten Wert durchgeführt werden kann. Der Kurzschlußstrom wird auf einen Wert begrenzt, bei dem der Spannungsabfall am Widerstand Rk den Transistor T2 durchsteuert. Der dazu notwendige Strom IK errechnet sich zu Der aus den bisher vorgestellten Schaltungen entnehmbare Ausgangsstrom hängt wesentlich von dem Stromverstärkungsfaktor B des Transistors T1 ab. Es gilt dazu folgende Beziehung: Aus dieser Beziehung kann entnommen werden, daß es zur Erzielung eines hohen Ausgangsstromes günstig ist, den Widerstand R möglichst in den oberen Bereich des durch die Formel (1) definierten Spielraumes zu legen. Wird ein noch höherer Ausgangs strom gefordert, dann kann der Stromverstärkungsfaktor leicht durch Einsatz einer Kaskadenschaltung anstelle eines Einzeltransistors erhöht werden.To explain how this circuit works, it is assumed that in an operational amplifier with output current limitation, the measures according to FIGS Transistor T7 is designated. This value can be too high. In addition, the current amplification factor B differs from one transistor to another. In order to remedy this deficiency, the circuit according to FIG. 3 was created, with which a short-circuit current limitation to a predetermined value can be carried out. The short-circuit current is limited to a value at which the voltage drop across the resistor Rk controls the transistor T2. The current IK required for this is calculated as follows The output current that can be taken from the circuits presented so far depends essentially on the current amplification factor B of the transistor T1. The following relationship applies: From this relationship it can be seen that, in order to achieve a high output current, it is beneficial to place the resistor R as close as possible to the upper range of the range defined by formula (1). If an even higher output current is required, the current amplification factor can easily be increased by using a cascade connection instead of a single transistor.

Ein Schaltungsbeispiel, das diesen Zweck erfüllt, ist in Figur 4 dargestellt. Auch in der Figur 4 sind die gleichen Zwecken dienenden Einzelelemente mit den schon in den Figuren 1 bis 3 verwendeten Bezugszeichen gekennzeichnet. An die Stelle der Transistoren T1 bzw. T1' treten jedoch aus komplementären Transistorpaaren T3, T4 bzw. T3', T4' bestehende Darlington-Schaltungen.A circuit example that fulfills this purpose is shown in FIG. Also in Figure 4 are the same purposes serving individual elements with those already in Figures 1 to 3 used reference numerals. In place of the However, transistors T1 and T1 'come from complementary transistor pairs T3, T4 or T3 ', T4' existing Darlington circuits.

Damit wird der resultierende Stromverstärkungsfaktor etwa gleich dem Produkt der Stromverstärkungsfaktoren der Einzeltransistoren T3, T4.The resulting current amplification factor is thus approximately equal to that Product of the current amplification factors of the individual transistors T3, T4.

6 Patentansprüche 4 Figuren6 claims 4 figures

Claims

Claims 11./ Circuit arrangement to improve the load capacity of operational amplifiers, characterized in that the output of the operational amplifier (OV) connected to the output electrode of at least one amplifier transistor (T1) and a resistor (R) in a feed line for the operational amplifier (OV) of the control path of the transistor (T1) is connected in parallel and the resistor (R) is dimensioned in such a way that with a load-related increased feed current (IS + IA) the voltage drop across the resistor (R) the transistor (T1) from the locked in controls the conductive state.

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that in a second feed line of the operational amplifier (OV) also a resistor (R ') with the parallel-connected control path of a further transistor (T1') of the opposite conductivity type compared to the first-mentioned transistor (T1) and the output of this transistor (T1 ') also to the output of the operational amplifier (OV) is connected.

3. Circuit arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that that the base-emitter path serves as the control path of the transistors (T1, T1 ') and its collector is connected to the output of the operational amplifier (OV).

4. Circuit arrangement according to claim 1, 2 or 3, characterized in that that cascade connections of several transistors are used instead of individual transistors are.

5. Circuit arrangement according to claim 4, characterized in that the cascade circuits Darlington circuits of complementary pairs of transistors are.

6. Circuit arrangement according to claim 1 or one of the preceding Claims, characterized in that the transistors (T1, T1 ') or cascade circuits a resistor (Rk, bk ') lead in their emitter lead and directly at the emitters of the transistors (T1, T11) base electrodes further Transistors (T2, T2 ') are connected, their emitter-collector paths in parallel to the resistors (R, R ') in the supply lines of the operational amplifier (OV) are switched.

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