DE2621083C2

DE2621083C2 - Differenzverstärker

Info

Publication number: DE2621083C2
Application number: DE19762621083
Authority: DE
Inventors: Carl Siegmund den Bedford Brinker
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1975-05-12
Filing date: 1976-05-12
Publication date: 1985-09-12
Also published as: JPS6113650B2; JPS51138371A; GB1549175A; DE2621083A1; NL7604143A; FR2311447A1; FR2311447B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Differenzverstärker gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus »Elektronik 1973, Heft 7, Band 22, Seiten 247, 248« ist ein Differenzverstärker bekannt, der zwei symmetrisch aufgebaute Zweige enthält, die untereinander verkoppelt sind. In den Zweigen sind als Verstärkerelemente oder als Konstantstromquellen Stromspiegel verwendet. Eine typische Eigenschaft des bekannten Verstärkers ist ein niederohmiger Ausgang, der jedoch für manche Anwendungsfälle unerwünscht ist, insbesondere bei Verwendung in einem aktiven Filter.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Differenzverstärker der eingangs angegebenen Art zu schaffen, der eine hohe Eingangsimpedanz für ein Spannungssignal und eine hohe Ausgangsimpedanz für ein Stromsignal aufweist

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Mitteln gelöst Der erfindungsgemäß ausgebildete Verstärker eignet sich gut für die Herstellung in Form einer integrierten Schaltung, was für seine Einsatzmöglichkeiten sehr günstig ist
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt Darin zeigt

F i g. 1 ein Prinzipblockschaltbild des erfindungsgemäßen Differenzverstärkers und

F i g. 2 ein Schaltbild einer Ausführungsform des Differenzverstärkers nach der Erfindung.

In F i g. 1 sind zwei Stromgeneratoren A und B dargestellt, denen aus einer Konstantstromquelle C gleiche Ströme zugeführt werden. An die Generatoren A und B sind Eingangsklemmen Π und T2 zum Anlegen erster bzw. zweiter Eingangsspannungen angeschlossen. Ausgangsströme der Generatoren A und B erscheinen an den Ausgangsklemmen T3 bzw. TA, und den an die Eingangsklemmen Ti und 7"2 angelegten Eingangs-Spannungen proportionale Spannungen erscheinen an den Stromsummierungspunkten T5 und T6, die an Stromwege in den Generatoren A und B angeschlossen sind. Zwischen Stromsummierungspunkten TS und 7"6 liegt ein Widerstand R 1. Zum Zuführen des Ausgangs-Stroms eines Generators zum jeweils anderen Generator sind Querverbindungen ^vorgesehen.

Zum Verständnis der Wirkungsweise der Schaltung von F i g. 1 sei nun die Wirkungsweise des Generators A betrachtet Dem Generator A wird aus der Konstant-Stromquelle C ein konstanter Strom zugeführt, und ein fester Anteil dieses Stroms fließt über einen Leiter innerhalb des Generators A; dieser Anteil wird von einer nicht dargestellten Schaltung bestimmt. Diese Schaltung dient auch dazu, die Eingangklemme Ti mit dem Stromsummierungspunkt T5 so zu koppeln, daß eine der an die Eingangsklemme Ti angelegten ersten Eingangsspannung proportionale Spannung am Stromsummierungspunkt T5 erscheint Der Stromsummierungspunkt TS ist auch an den Leiter angeschlossen, in dem der Anteil des konstanten Strom fließt. Eine ebensolche Schaltung ist im Generator B vorhanden, was zur Folge hat, daß an den Widerstand R1 eine der Differenz zwischen der ersten und der zweiten Eingangsspannung proportionale Spannungsdifferenz angelegt wird, so daß im Widerstand R 1 das Fließen eines Stroms hervorgerufen wird, der der Spannungsdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Eingangsspannung direkt proportional und seinem Widerstandswert umgekehrt proportional ist. Als Folge des Stroms durch den Widerstand R1 unterscheiden sich die aus den zwei Leitern in den Generatoren A und B fliessenden Ströme um einen Betrag, der der Differenz zwischen der ersten und der zweiten Eingangsspannung proportional ist; in einem einfachen Verstärker gemäß der Erfindung sind diese die unterschiedlichen Ströme führenden Leiter an die Ausgangsklemmen T3 und TA angeschlossen. Es ist daher zu erkennen, daß die Ausgangsströme der Generatoren A und B der ersten bzw. der zweiten Eingangsspannung vorbehalten einem festen Verschiebungswert proportional sind. Wenn die erste und die zweite Eingangsspannung tatsächlich von den zwei Klemmen eines symmetrischen Eingangssignals abgeleitet werden und die an die Ausgangsklemmen 7*3 und TA ange-

schlossenen Ausgangsstromleiter als die Leiter eines symmetrischen Ausgangsstroms aus dem Verstärker verwendet werden, dann ist offensichtlich, daß der Gegenwirkleitwert des Verstärkers, der gleich dem Quotienten aus dem Unterschied zwischen den Ausgangsströmen und der Differenz der Eingangsspannungen ist, dem Widerstandswert des Widerstandes R1 umgekehrt proportional ist

Die Verstärkung des Verstärkers kann mit Hilfe der Querverbindungen X verbessert werden, von denen jede dazu dkut, den Ausgangsstrom eines Generators zu invertieren und zum Ausgangsstrom des anderen Generators so zu addieren, daß an jeder der Ausgangsklemmen T3 und TA die Differenz der Ausgangsströme jeweils mit entgegengesetzter Polarität erscheint, wobei der Beitrag des Vorstroms aus der Konstantstromquelle C eliminiert wird.

Fig.2 zeigt das genaue Schaltbild eines Differenzverstärkers, der gemäß der Beschreibung zu F i g. 1 arbeitet und der in Form einer integrierten Schaltung aufgebaut werden kann. In Fig.2 ist die Schaltung des Stromgenerators A mit einer gestrichelten Umrißlinie angegeben; sie enthält die Transistoren 18 und 19, die als Darlington-Paar geschaltet sind, wobei die Basis des Transistors IE mit der Eingangsklemme Ti verbunden ist. Der Emitter des Transistors 18 ist mit einem Leiter C verbunden, und der gemeinsame Kollektor der Transistoren 18 und 19 ist mit dem Kollektor eines PNP-Transistors 1 verbunden; die Transistoren 18 und 19 sind NPN-Transistoren. Der gemeinsame Kollektor ist auch an die Basis eines PNP-Transistors 4 angeschlossen, dessen Emitter mit dem Kollektor und mit der Basis eines PNP-Transistors 2 und mit der Basis des Transistors 1 verbunden ist Die Emitter der Transistoren 1 und 2 sind mit dem an eine Klemme T9 angeschlossenen positiven Versorgungsleiter F verbunden. Zwischen den Basiselektroden der Transistoren 1 und 2 und der Basis eines Transistors 3 im Generator B ist eine Verbindung vorgesehen; der Zweck dieser Querverbindung wird noch genauer erläutert.

Die Transistoren 1, 2 und 4 bilden einen Wilson-Stromspiegel, wie auf den Seiten.343 und 344 des IEEE Journal of Solid State Circuits, Band Sc-3 No. 4, Dezember 1968 beschrieben ist. Dieser Wilson-Stromspiegel arbeitet so, daß der dem Kollektor des Transistors 1 über die Transistoren 18 und 19 zugeführte Strom am Kollektor des Transistors 4 reproduziert wird, wobei er im vorliegenden Fall jedoch um einen konstanten Faktor vergrößert ist, da die Fläche des Emitter-Basis-Übergangs des Transistors 2 größer als die Fläche des Emitter-Basis-Übergangs des Transistors 1 ist; diese größere Fläche ist durch die verdickte Verbindung zum Emitter des Transistors 2 angegeben. Der Kollektor des Transistors ist so angeschlossen, daß er einem weiteren Wilson-Stromspiegel einen Eingangsstrom zuführt, die von den Transistoren 16, 20 und 21 gebildet ist. Auch dieser Stromspiegel erzeugt eine feste Stromverstärkung auf Grund der Tatsache, daß die Fläche des Emitter-Basis-Über#?ings des Transistors 21 größer als die entsprechende fläche des Transistors 20 ist. Die Emitter der Transistoren 20 und 21 sind mit dem Leiter G verbunden. Der Si^romsummierungspunkt Γ5 ist mit dem Kollektor und ^er Basis des Transistors 20 verbunden. Die Transistor^ 18, 19, 1, 2, 4, 20 und 16 arbeiten zusammen so, dal' eine an die Eingangsklemme Π angelegte Spannunj^änderung eine ebensolche Spannungsänderung am SCornsummierungspunkt 5 hervorruft.

Der AusgangSstrom am Kollektor des Transistors 16, der der Ausgangsstrom des Stiomspiegels aus den Transistoren 16,20 und 21 ist, wird einer kombination aus fünf Transistoren 5, 6,10,11 und 14 zugeführt die zusammen zwei Wilson-Stromspiegel bilden, von denen eine aus den Transistoren 5,10 und 11 besteht und einen Ausgangsstrom am Kollektor des Transistors 10 erzeugt während die andere aus den Transistoren 5,6,11 und 14 besteht Dieser zuletzt erwähnte Stromspiegel ist durch Hinzufügen des Transistors 6 komplizierter, der dazu verwendet wird, den Strom zu erzeugen, der dem Emitter des Transistors 14 und nicht dem Emitter des Transistors 5 zugeführt wird, weil der Transistor 5 bereits zur Stromzufuhr zum Emitter des Transistors 10 verwendet wird. Da die Flächen der Emitter-Basis-Obergänge der Transistoren 5 und 10 größer als die Flächen der Emitter-Basis-Übergänge der Transistoren 6 und 11 sind, unterliegt auch der Ausgangsstrom des Transistors 10 einer vom Verhältnis der Flächen bestimmten Verstärkung. Der Ausgangsstrom des Transistors 14 wird von keinem solchen Faktor beeinflußt, so daß er gleich dem Kollektorstrom des Transistors 16 ist. Die Transistoren 30,31 und 32 bilden einen weiteren Wilson-Stromspiegel, der als Eingangssignal den Ausgangsstrom eines Transistors 15 des anderen Stromgenerators B empfängt; der Funktion nach entspricht der Transistor 15 dem Transistor 14 des soeben beschriebenen Generators A. Da auch hier die Fläche des Emitter-Basis-Übergangs des Transistors 31 größer als die Fläche des Emitter-Basis-Übergangs des Transistors 32 ist, hat der Stromspiegel aus den Transistoren 30,31 und 32 eine vom Verhältnis dieser Flächen bestimmte Stromverstärkung. Die Kollektoren der Transistoren 30 und 10 sind an eine Ausgangsklemme Γ3 angeschlossen. Es ist zu erkennen, daß der Strom aus dem Kollektor des Transistors 10 positiv ist, während der aus dem Kollektor des Transistors 30 negativ ist, da die Emitter der Transistoren 31 und 32 an einen Leiter fangeschlossen sind, der der negative Versorgungsleiter ist. Wenn diese Ströme, von denen einer positiv und einer negativ ist, miteinander addiert werden, dann ist der Ausgangsstrom an der Ausgangsklemme 7"3 gleich der Differenz zwischen diesen Strömen.

Der Aufbau des Generators B stimmt mit dem Aufbau des eben beschriebenen Generators A mit Ausnahme der Verbindung der Basis des Transistors 3 mit der Basis des Transistors 2 überein.

Die Transistoren 26,27,28 und 29 bilden einen weiteren Wilson-Stromspiegel, der an den Leitern G und H gleiche konstante Ströme erzeugt; der Leiter G ist bereits im Zusammenhang mit dem Generator A erwähnt worden, und der Leiter H ist zum gleichen Zweck mit dem Generator B verbunden. Die Größe der Ströme in den Leitern G und //wird von dem Strom bestimmt, der an eine mit dem Kolltektor des Transistors 26 verbundene Klemme Tl aber einen Widerstand R 2 zwischen dem Leiter Fund der Klemme Tl angelegt wird.

Wie in F i g. 1 sind die Stromsummierungspunkte T5 und Γ6 durch den Widerstand R 1 miteinander verbunden.

Beim Betrieb der Schaltung von F i g. 2 wird der im Leiter G fließende Strom vom Widerstand R 2 und von dem Stromspiegel 26, 27, 28 und 29 festgelegt. Dieser Strom wird von den Stromspiegeln, die den Generator A bilden, mit Ausnahme des Stromspiegels aus den Transistoren 30, 31 und 32 mit dem Ergebnis unterteilt, daß ein vorbestimmter Strom über die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 16 fließt. Jedoch wird der mit dem Emitter des Transistors 16 verbundene Strom-

summierungspunkt TS gemäß der obigen Beschreibung auf einem Potential gehalten, das gleich dem an die Eingangsklemme 7Ί angelegten Potential ist, was zur Folge hat, daß über den Stromsummierungspunkt TS und den Widerstand R 1 ein Strom fließt, der von der Potentialdifferenz zwischen den Siromsummierungspunkten TS und Γ6 abhängt, und der Emitter-Kollektor-Strom des Transistors 16 wird gegenüber dem vorbestimmten Wert abgeändert. Die Unterschiede zwischen den Ausgangsströmen der Generatoren A und B sind jetzt eingestellt. Diese unterschiedlichen Ströme werden dann von den verschiedenen Stromspiegeln reproduziert und so zusammengefaßt, daß der Unterschied zwischen den Strömen im entgegengesetzten Sinn an den Ausgangklemmen Γ3 und TA erscheint, wobei die Anteile des Vorstroms durch die von den Wilson-Quellen aus den Transistoren 30, 31 und 32 sowie den Transistoren 33,34 und 35 durchgeführte Inversion und Summierung aufgehoben werden.

Aus den obigen Erläuterungen ist erkennbar, daß das Fließen gleicher Ströme in den Generatoren A und B erwünscht ist; zu diesem Zweck ist die Basis des Transistors 2 mit der Basis des Transistors 3 verbunden. Obgleich die Schaltung aus den Transistoren 1, 2 und 4 ebenso einen Stromspiegel bildet, wie die Schaltung aus den Transistoren 3,2 und 9, ist offensichtlich erkennbar, daß die Verwendung des gleichen Transistors, nämlich des Transistors 2, zur Erzeugung der den Emittern der Transistoren 4 und 9 zugeführten Ströme dazu dient, die Gleichheit der Stromverstärkung der zwei Stromspiegel aus den Transistoren 1,2 und 4 sowie den Transistoren 3, 2 und 9 zu gewährleisten, und folglich zum Ausgleich der Ströme in den zwei Generatoren beiträgt

Ebenso ist zu erkennen, daß zur Erzielung einer zufriedenstellenden Arbeitsweise der oben beschriebenen Schaltung die über die Leiter G und H zugeführten Ströme größer als irgendein Strom sein sollten, der im Widerstand R 1 erforderlich sein kann, so daß <*c erwünscht ist, den Widerstand R 2 unter Berücksichtigung dieses Kriteriums auszuwählen.

Die Schaltung von F i g. 2 eignet sich besonders gut für die Herstellung in Form einer integrierten Schaltung, da sie voUständig aus Transistoren gebildet werden kann, wobei externe Anschlußklemmen 7"3, T6, Tl und T9 für die Widerstände R 1 und R 2 vorgesehen werden.

Anstelle der Wilson-Stromspiegel können auch andere Formen von Stromgeneratoren verwendet werden, falls die bestimmten Anforderungen an die Spannungen und die Ströme in der Schaltung eingehalten werden. Außerdem könnten die zur Erzielung der Anfangsverstärkung der Eingangsspannungen verwendeten Darlington-Paare durch andere und möglicherweise kompliziertere Verstärker ersetzt werden.

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Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Differenzverstärker mit zwei Eingangsklemmen für den Empfang von zwei Eingangsspannungen, zwei Ausgangsklemmen für die Abgabe von zwei Ausgangsströmen, zwei Schaltungszweigen mit jeweils einem an einen gemeinsamen Widerstand angeschlossenen Stromsunimierungspunkt, zwei lineare Spannungsverstärker, von denen jeweils einer an eine Eingangsklemme angeschlossen ist, für die Abgabe einer Eingangsspannung an jeweils einem Stromsummierungspunkt und einer Konstantstromquelle, die an jeden der zwei Schaltungszweige angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schaltungszweig einen ersten Stromspiegel (1,2,4; 2,3,9) mit einem über einen der linearen Spannungsverstärker (18, 19; 24, 25) an die Konstantstromquelle (C) angeschlossenen Eingang und einem an den Eingang eines mit der Konstantstromquelle (C) verbundenen zweiten Stromspiegels (20, 21,16; 23,22,17) angeschlossenen Ausgang enthält, der einen Ausgangsstrom an den Stromsummierungspunkt (TS, T6) sowie an die Eingänge eines dritten Stromspiegels (10,11, 5; 13,12, 8) und eines vierten Stromspiegels (11,5,6,14; 12,8,7,15) liefert, daß die Ausgangsklemme (T3; TA) in jedem Schaltungszweig mit dem Ausgang des dritten Stromspiegels (10,11,5; 13,12,8) und mit dem Ausgang eines fünften Stromspiegels (30,31,32; 33,34,35) verbunden ist und daß der Ausgang des vierten Stromspiegels (11,5,6,14; 12,8,7,15) jedes Schaltungszweigs jeweils mit dem Eingang des fünten Stromspiegels (30, 31, 32; 33, 34, 35) des jeweils anderen Schaltungszweigs verbunden ist.

2. Differenzverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Stromspiegel (1,2,4; 2,3, 9) der zwei Schaltungszweige einen Transistor (2) gemeinsam haben.

3. Differenzverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungsfaktor der Stromspiegel größer als 1 ist.

4. Differenzverstärker nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Widerstand (R 2) zum Steuern des von der Konstantstromquelle fQ gelieferten Stroms.

5. Differenzverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die linearen Spannungsverstärker (18, 19; 24, 25) Darlington-Verstärker sind.