DE2905629A1

DE2905629A1 - Differenzstromverstaerker

Info

Publication number: DE2905629A1
Application number: DE19792905629
Authority: DE
Inventors: Kenji Kaneko; Minoru Nagata; Tohru Nakamura; Takahiro Okabe; Wasao Takasugi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-02-15
Filing date: 1979-02-14
Publication date: 1979-08-16
Also published as: US4258330A; DE2905629B2; DE2905629C3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stromvergleichs-Differenζverstärker und betrifft insbesondere einen Differenzverstärker mit Stromspiegelschaltungen, die aus im inversen Betrieb arbeitenden NPN-Transistoren (im folgenden einfach als "inverse NPN-Transistoren" bezeichnet), oder aus einer I L-Logik (integrated injection logic) aufgebaut sind.

Herkömmliche Differenzverstärker sind mit Spannungsvergleich arbeitende Schaltungen, die die Spannungsdifferenz zwischen zwei Eingangssignalen verstärken. Fig. 1A der Zeichnungen zeigt einen herkömmlichen Differenzverstärker.

Gemäß Fig. IA sind die Emitterelektroden eines Paars von Transistoren Q1 und Q2 miteinander verbunden und an eine Konstantstromquelle I angeschlossen. Da die Konstantstromquelle I eine sehr hohe Impedanz aufweist, arbeiten die Transistoren Q1 und Q2 jeweils als Emitterfolger, und ihre Eingangsimpedanzen werden sehr hoch. Werden die Transistoren Q1 und Q2 sowie die Lasten R1 und R2 jeweils identisch gemacht und handelt es sich bei den Eingangsspannungen VH und VI2 um gleiche Spannungen, so werden auch die durch die Transistoren Q1 und Q2 jeweils fließenden Ströme gleich. Ist die Eingangsspannung VH größer als die Eingangsspannung VI2, so wird der Strom des Transistors Q1 größer als der des Transistors Q2. Da die Emitterelektroden der beiden Transistoren miteinander verbunden und an die Konstantstromquelle angeschlossen sind, wird die Stromabnahme des Transistors Q2 gleich der Stromzunahme des Transistors Q1, und in der Ausgangsspannung VOUT tritt eine Spannungszunähme auf, die zur Stromabnahme des Transistors Q2 proportional ist.

Der herkömmliche Differenzverstärker ist also derart aufgebaut, daß wegen der sehr hohen Eingangsimpedanzen die Eingangsströme klein sind, so daß das Ausgangssignal durch

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Vergleich der Eingangsspannungen zustandekommt.

Bei dem herkömmlichen Differenzverstärker müssen jedoch in einer integrierten Schaltung die Transistoren und Widerstände jeweils isoliert hergestellt werden. Gewohnlich wird auch die Konstantstromquelle der Fig. 1A unter Verwendung eines NPN-Transistors ausgebildet. Fig. 1B zeigt ein Beispiel für die Anordnung bei der Ausbildung des Differenzverstärkers nach Fig. 1A in einer integrierten Schaltung. Gemäß Fig. 1B müssen die das Differenz-Paar bildenden Transistoren Q1 und Q2, der Transistor Q3 für die Konstantstromquelle und die Widerstände R1 und R2 jeweils in von einem Isolierbereich 10 umschlossenen Inselbereichen 11 ausgebildet werden. Der Flächenbedarf des Differenzverstärkers in einer integrierten Schaltung wird daher groß.

Wird als Beispiel für einen Anwendungsfall des Differenzverstärkers eine Photozelle am Eingangs des Spannungsvergleichs-Differenzverstärkers verwendet, so ergibt sich die in Fig. 1C gezeigte Schaltungsanordnung.

Die Eingänge (+) und (-) in Fig. 1C entsprechen dabei den Eingängen VH und VI2 in Fig. 1A. Mit D1 ist eine die Photozelle darstellenden Diode bezeichnet, die einen einer Lichtmenge proportionalen Strom liefert. D2 bezeichnet eine Diode zur Umwandlung des von der Diode D1 gelieferten Stroms in eine Spannung.

Ist das optische Eingangssignal schwach, so wird der Strom der Diode D1 naturgemäß sehr klein, gelegentlich nur ein bis mehrere hundert pA. Auch in einem solchen Fall soll der bei A angegebene Differenzverstärker jedoch eine genaue Verstärkung des Eingangssignals ausführen. Die Diode D1 liegt parallel zwischen dem Eingang des Differenzverstärkers und Erde. Fließt daher der von der Diode D1 gelieferte Strom auf die Eingangsseite des Differenzverstärkers, so wird eine genaue Verstärkung unmöglich. Aus diesem Grund muß die Impedanz des Differenzverstärkers einen sehr großen Wert haben, und der Eingangsstrom darf nur mehrere zehn pA oder weniger betragen.

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Wird der herkömmliche Differenzverstärker in Verbindung

2
mit einer I L-Logik verwendet, so sind die Signalpegel der beiden Schaltkreise unterschiedlich, so daß das Ausgangssignal des Differenzverstärkers auf den Signalpegel der

2
I L-Logik (oder umgekehrt) transformiert werden muß. Im allgemeinen hat das Ausgangssignal des Differenzverstärkers

2 einen höheren Spannungspegel als das der I L-Logik. Zur Pegeltransformation ist daher außer der Schaltung nach Fig. 1 ein Schaltkreis zur Pegelverschiebung erforderlich, so daß der Flächenbedarf noch größer wird.

Der Erfindung liegt die generelle Aufgabe zugrunde, Nachteile, wie sie bei vergeichbaren Differenzverstärkern nach dem Stand der Technik auftreten, mindestens teilweise zu beseitigen. Insbesondere sollen die oben beschriebenen Probleme vermieden werden. Eine speziellere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Differenzverstärker anzugeben, der einen einfachen Schaltungsaufbau auf einem integrierten Halbleiterplättchen (IC- oder LSI-Chip) aufweist.

Ferner soll ein Differenzverstärker geschaffen werden, der

2 bei Verwendung in Verbindung mit einer I L-Logik keine

Pegeltransformation für die I L-Logik erfordert. Zur Aufgabe der Erfindung gehört es weiterhin, einen Stromvergleicher-Differenzverstärker zu schaffen,der ausschließlich

2
aus einer I L-Logik aufgebaut sein kann.

Bei dem erfindungsgemäßen Differenzverstärker dienen mehrere Stromspiegelschaltungen als Stromquellen, wobei diese zur Summen- oder Differenzbildung von Strömen zusammengefaßt werden und eine Verstärkung erfolgt.

In einer speziellen Ausführung des erfindungsgemäßen Differenzverstärkers ist jeweils eine von mehreren Kollektorelektroden eines ersten, eines zweiten und eines dritten Inversen NPN-Transistors an die Basis des gleichen Transistors angeschlossen, während der andere Kollektor jedes dieser Transistoren mit einem PNP-Transistor verbunden ist.

Die genannten drei NPN-Transistoren dienen als Differenz-Eingangstransistoren, während der PNP-Transistor als Last-

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— Q —

istor an-

stromquelle dient. Über den an den zweiten Transisi geschlossenen dritten Transistor wird dabei ein Ausgangssignal abgenommen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1A bis 1C, auf die oben schon Bezug genommen wurde/ ein schematisches Schaltbild eines herkömmlichen Differenzverstärkers bzw. eine Anordnung dieses Differenzverstärkers für den Fall, daß er in integrierter Schaltkreistechnik gebildet wird, bzw. ein schematisches Schaltbild für den Fall, daß der Ausgangsstrom einer Photozelle als Eingangssignal des Differenzverstärkers dient; Fig. 2A ein schematisches Schaltbild eines Differenzverstärkers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2B ein Anordnungsmuster für den Transistor Q1 des Differenzverstärkers nach Fig. 2A, falls dieser in integrierter Schaltkreistechnik gebildet wird; Fig. 2C ein schematisches Schaltbild für den Fall, daß das Meßsignal einer Photozelle als Eingang des Differenzverstärkers nach Fig. 2A dient; Fig. 3 ein schematisches Schaltbild eines Differenz-Verstärkers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 4 ein schematisches Schaltbild für einen Differenzverstärker gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 5 ein schematisches Schaltbild eines Differenzverstärkers mit mehreren Eingängen und Ausgängen gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 6A ein schematisches Schaltbild eines in I L-Logik aufgebauten Differenzverstärkers gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung;

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BAD ORIGINAL

Fig. 6B ein Anordnungsmuster für den Fall, daß der Differenzverstärker nach Fig. 6A in integrierter Schaltkreistechnik ausgebildet wird; und Fig. 7A und 7B Anordnungsmuster für integrierte Schaltungen zur Erläuterung von Beispielen für

die Einstellung des Injektionsstromes Iinj2 in dem Differenzverstärker nach Fig. 6A. Ausführungsbeispiel 1

Der in Fig. 2A dargestellte Differenzverstärker besteht aus NPN-Transistoren Q1, Q2 und Q5, deren jeder mehrere Kollektorelektroden aufweist und im inversen Betrieb arbeitet (im folgenden einfach als "inverse NPN-Transistoren" bezeichnet) sowie PNP-Transistoren Q3 und Q4. Die ersten Kollektorelektroden C11, C21 und C51 der inversen NPN-Transistoren Q1, Q2 und Q5 sind jeweils mit den Basiselektroden derselben Transistoren verbunden und bilden zwischen diesen und den zweiten Kollektorelektroden C12, C22, bzw. C52 Stromspiegelschaltungen. Die NPN-Transistoren Q1 und Q2 bilden die Transistoren für die Differenzeingangssignale, während die PNP-Transistoren Q3 und Q4 als Last-Stromquellen dienen und an die zweiten Kollektorelektroden C12 und C22 der Transistoren Q1 bzw. Q2 angeschlossen sind. Auch die PNP-Transistoren Q3 und Q4 bilden eine Stromspiegelschaltung. Mit IN1 und IN2 sind Basisanschlüsse der NPN-Transistoren Q1 bzw. Q2 bezeichnet, die Eingangsklemmen bilden. Von einer an die zweite Kollektorelektrode C52 des NPN-Transistors Q5 angeschlossenen Klemme OUT wird ein Ausgangsstrom abgenommen, wobei die Basis des NPN-Transistors Q5 mit der zweiten Kollektorelektrode C22 des NPN-Transistors Q2 verbunden ist. Mit Vcc ist in Fig. 2A eine Energieversorgungsklemme bezeichnet.

In der Schaltung nach Fig. 2A sei angenommen, daß der Eingangsklemme IN1 ein Eingangsstrom Π und der Eingangsklemme IN2 ein Eingangsstrom 12 zugeführt wird. Ferner sei angenommen, daß bei den Transistoren Q1 und Q2 das Verhältnis eines Stromes, der durch den mit der Basis verbundenen ersten Kollektor fließt, zu einem durch den zweiten

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Kollektor fließenden Strom auf m eingestellt ist. Ferner sei für den Transistor Q5 das Verhältnis des Stromes, der durch den mit der Basis verbundenen ersten Kollektor fließt, ,zu dem durch den zweiten Kollektor fließenden Strom auf η eingestellt. In diesem Fall hat der Strom durch den mit dem Transistor Q3 verbundenen zweiten Kollektor C12 des Transistors Q1 den Wert m · 11. Da die Transistoren Q3 und Q4 eine Stromspiegelschaltung bilden, wird auch der Kollektorstrom des Transistors Q4 im wesentlichen gleich m · 11. Andererseits hat der Strom durch den mit dem Transistor Q4 verbundenen zweiten Kollektor C22 des Transistors Q2 den Wert m · 12. Infolgedessen erhält der in den Transistor Q5 fließende Strom den Wert m .(11 - 12). Der Ausgangsstrom IOUT des Transistors Q5 beträgt das η-fache des Stromes durch den mit der Basis verbundenen ersten Kollektor C51 und wird somit

IOUT = m . η ♦ (11 - 12). (1)

Demgemäß wird die Stromamplitude AI zu

-_T IOUT ,-,

AI = = m · n. (2)

Wie aus Gleichung (1) hervorgeht, tritt der Ausgangs- strom nur dann auf, wenn der Eingangsstrom 11 größer ist als der Eingangsstrom 12. Bei der vorliegenden Schaltung handelt es sich also um einen Differenzverstärker, der mit Stromvergleich arbeitet.

Die Werte m und η in Gleichung (2) lassen sich dadurch beliebig einstellen, daß bei dem Transistor Q1, Q2 oder Q3 das Verhältnis zwischen der Fläche des mit der Basis verbundenen ersten Kollektors und der Fläche des zweiten Kollektors geändert wird.

Fig. 2B zeigt ein Beispiel für das Anordnungsmuster des Transistors Q1. Bei dem inversen NPN-Transistor ist dann, wenn die Fläche der Basis 21 fest ist und die Flächen der Kollektoren 22 und 23 verändert werden, die Stromver-

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Stärkung im wesentlichen proportional zum zwischen Kollektorfläche und Basisfläche. Mit SC1 sei die Fläche des mit der Basis verbundenen Kollektors C11 in Fig. 2B bezeichnet (wobei eine Verbindung 24 an die Basis bei 25 angeschlossen ist) . Die Fläche des anderen Kollektors C12 betrage SC2 und die Basisfläche SB. Die Stromverstärkungen 3I und 32 der Kollektoren C11 bzw. C12 werden dann zu

31 = k ff¹ ; (3)

32 = k f§2 ; (4)

wobei k eine Proportionalitätskonstante ist. Werden der Basisstrom mit IB und die Ströme durch die Kollektorelektroden C11 und C12 mit IC1 bzw. IC2 bezeichnet, so ergibt sich

p
IC1 = 31 · IB = k ^- IB ; (5)

cc?
IC2 = 32 · IB = k |^ IB . (6)

Das Verhältnis aus den Strömen durch die Kollektoren C11 und C12 wird daher

IC2 _ SC2

^Zb id ~ sei " ^m·

Dieses Stromverhältnis ist proportional zum Verhältnis der Kollektorflächen. Der Wert m des Stromverhältnisses läßt sich daher durch Änderung der Kollektorflächen beliebig einstellen.

Wird in Verbindung mit dem Stromvergleichs-Differenzverstärker nach Fig. 2A eine Photozelle verwendet, so wird diese Photozelle D1 gemäß Fig. 2C in Serie mit dem Eingang gelegt. Der Eingang (+) des Differenzverstärkers A1 in Fig. 2C entspricht dem Eingang IN2 in Fig. 2A, während der Eingang (-) dem Eingang IN1 entspricht. Der Ausgang dieser

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Schaltung ist mit dem Eingang (-) verbunden, und diesem Knotenpunkt wird ein Bezugsstrom Iref zugeführt. Steigt nun das Signal am Eingang (+), d.h. am Eingang IN2, so nimmt der Ausgangsstrom zu. Falls die Photozelle gemäß Fig. 2C in Serie mit dem Eingang liegt, fließt der gesamte durch ein optisches Eingangssignal in der Photozelle D1 erzeugte Photostrom in den Verstärker und wird dort verstärkt. Daher braucht der Leckstrom, wie er in dem Spannungsvergleichs-Differenzverstärker nach Fig. 1C auftritt, nicht berücksichtigt zu werden.

In Kombination mit einer Photozelle arbeitet somit der Stromvergleichs-Differenzverstärker sehr effektiv. Ausführungsbeispiel 2

Das in Fig. 3 gezeigte zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung ist so geschaffen, daß die Stromspiegelschaltung aus PNP-Transistoren der Fig. 2A genau aufgebaut ist. Im allgemeinen weist ein PNP-Transistor geringe Stromverstärkung auf. Daher bildet sich eine Differenz zwischen den auf der Kollektorseite des Transistors Q3 und auf der Kollektorseite des Transistors Q4 fließenden Strömen. Um die Differenz gleich zu machen, ist zusätzlich ein Transistor Q6 vorgesehen. Wird die Basis des Transistors Q3 wie in dem ersten Ausführungsbeispiel mit seiinem Kollektor verbunden, so entspricht der Strom an diesem Punkt der Summe von Kollektor- und Basisströmen der Transistoren Q3 und Q4. Andererseits fließt auf der Kollektorseite des Transistors Q4 nur der Kollektorstrom. Daher besteht zwischen den Strömen auf der Kollektorseite der Transistoren Q3 und Q4 die der Basisstromkomponente entsprechende Differenz. ^wird gemäß dem vorliegenden zweiten Ausführungsbeispiel der Transistor Q6 zusätzlich vorgesehen, so bilden die Basisströme der Transistoren Q3 und Q4 den Emitterstrom des Transistors Q6, und der Strom auf der Koliektorseite des Transistors Q3 bildet die Summe aus dem Kollektorstrom des Transistors Q3 und dem Basisstrom des Transistors QG. Da der Basisstrom des Transistors

Q6 etwa !/(Stromverstärkung) des Emitterstroms beträgt, ist die Differenz der Ströme auf den Kollektorseiten der Transistoren Q3 und Q4 sehr klein. Ausführungsbeispiel 3
Das in Fig. 4 gezeigte dritte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Differenzverstärkers veranschaulicht eine Methode zur Anwendung einer negativen Rückkopplung. An dem NPN-Transistor Q5 der Fig. 2A ist dabei ein dritter Kollektor C53 vorgesehen, der zur Erzielung der negativen Rückkopplung oder Gegenkopplung an die Basis des NPN-Transistors Q1 angeschlossen ist. Bezeichnet man mit I das Verhältnis zwischen der Strömentnahmefähigkeit des mit der Basis des NPN-Transistors Q1 verbundenen dritten Kollektors C3 und der Stromentnahmefähigkeit des die Ausgangsklemme OUT bildenden zweiten Kollektors C52, so wird die Stromamplitude AI der vorliegenden Schaltung

IOUT m · η · £ AI =

11-12 1 + m · η "

Auf diese Weise läßt sich in der erfindungsgemäßen Differenzverstärkerschaltung die Größe der Gegenkopplung durch Verändern der Kollektorflächen des NPN-Transistors beliebig einstellen.
Ausführungsbeispiel 4

Das in Fig. 5 gezeigte vierte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Differenzverstärkers bezieht sich auf eine Anordnung mit mehreren Eingängen und Ausgängen. Zu dem in Fig. 2A gezeigten Differentialverstärker sind dabei zusätzliche NPN-Transistoren Q2', Q2", Q5' und Q5" sowie PNP-Transistoren Q4¹ und Q4" vorgesehen. Dabei werden ein Eingangsstrom an der Eingangsklemme IN1 sowie Eingangsströme an den Eingangsklemmen IN2, IN3 und IN4 verglichen, und ar. Ausgangsklemmen 0UT1 , 0UT2 und 0UT3 werden Ausgangsströme abgenommen.

'•i 3 ? 3 /

Ausfuhrungsbeispiel 5

Bei dem in Fig. 6A gezeigten fünften Ausführungsbeispiel

des erfindungsgemäßen Differenzverstärkers ist ein Aufbau

2
in I L-Logik-Bauweise gezeigt. In Fig. 6A sind mit Q21 ,

Q22, Q23 und Q24 PNP-Lateraltransistoren der I²L-Logikkreise bezeichnet, die in Basisschaltung betrieben werden.

Mit Q11, Q12, Q13 und Q14 sind inverse NPN-Transistoren

der I L-Logikkreise bezeichnet, die als Stromspiegel gebaut sind. Die Transistoren Q11 und Q23, die Transistoren Q13 und Q22, die Transistoren Q12 und Q24 und die Transistoren

2 Q14 und Q21 bilden dabei jeweils eine I L-Logik.

Der in Fig. 6A gezeigte Differenzverstärker verstärkt einen Strom, der proportional ist zur Differenz zwischen einem Eingangssignal, das an einer den Basisanschluß des inversen NPN-Transistors Q11 bildenden Eingangsklemme IN1 liegt (wobei der Strom 11 aus der Basis des Transistors Ql1 gezogen wird), und einem Eingangssignal, das an einer den Basisanschluß des inversen NPN-Transistors Q12 bildenden Eingangsklemme IN2 liegt (wobei der Strom 12 aus der Basis des Transistors Q12 gezogen wird). Der verstärkte Strom wird an einer den zweiten Kollektoranschluß C132 des inversen NPN-Transistors Q13 bildenden Ausgangsklemme OUT zur Verfügung gestellt. Angenommen, die Flächen des ersten und des zweiten Kollektors der jeweiligen Transistoren Q11, Q12, Q13 und Q14 sind gleich und der Injektionsstrom Iinji = Iinj3, so ist der vom zweiten Kollektor C142 des inversen NPN-Transistors Q14 gezogene Strom gleich dem Strom 11, der vom zweiten Kollektor C122 des inversen NPN-Transistors Q12 gleich (Iinj4 - 12), und die Summe dieser beiden Ströme gleich (Iinj4 - 12 + H). Am Knotenpunkt M werden der Injektionsstrom Iinj2 und der genannte Summenstrom (Einj4 - 12 + H) verglichen. Die Differenz dieser beiden Ströme {Iinj2 - (Iinj4 - 12 + 11)} fließt in die Basis des Inversen NPN-Transistors Q13 und steht an der Ausgangsklemme OUT zur Verfügung. Nimmt man nun an, daß der Injektionsstrom Iinj4 gleich dem Injektionsstrom Iinj2 ist, so wird der Ausgangsstrom zu 12 - 11.

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In der vorliegenden Schaltung läßt sich die Stromamplitude dadurch erhöhen, daß der Injektionsstrom Iinj2 groß gemacht wird oder daß die Flächen der zweiten Kollektoren C112, C122, C132, und C142 der Transistoren Q11 , Q12, Q13 und Q14 größer gemacht werden als die Flächen der ersten Kollektoren C111, C121, C131 und C141.

Das Anordnungsmuster des I L-Differenzverstärkers nach Fig. 6A in einer integrierten Schaltung ist in Fig. 6B dargestellt. Dieses Muster entspricht einem Fall, bei dem in der Schaltung nach Fig. 6A sämtliche Injektionsströme Iinji = Iinj2 = Iinj3 = Iinj4 gleich sind und die Flächen der jeweiligen Kollektorelektroden der NPN-Transistoren Q11, Q12, Q13 und Q14 fest sind, d.h. m = η = 1. In Fig. 6B ist mit 60 ein N-leitender Halbleiterkörper (beispielsweise aus Silicium) bezeichnet, mit 61 ein Injektionsbereich (ein P-leitender Bereich, der als Emitterelektroden der PNP-Lateraltransistoren dient), und mit 62 und 62' P-leitende Bereiche, die sowohl als Kollektorelektroden der PNP-Lateraltransistoren wie auch als inverse NPN-Transistoren dienen. Mit 63 sind ferner N-leitende Bereiche bezeichnet, die als Kollektorelektroden inversen NPN-Transistoren dienen. Die gestrichelten Linien bezeichnen Elektrodenverbindungen, wobei mit χ Kontaktlöcher in den jeweiligen Bereichen dargestellt sind.

in Fig. 6A und 6B können die Injektionsströme Iinji, Iinj2, Iinj3 und Iinj4, d.h. die Emitterströme der PNP-Lateraltransistoren Q21, Q22, Q23 und Q24 durch Bestimmung der Länge, mit der diese dem Injektionsbereich gegenüberstehen, willkürlich eingestellt werden.

Fig. 7a zeigt ein Anordnungsmuster für den Fall, daß die Ströme dadurch eingestellt werden, daß die Länge L1, über die die Basisbereiche 6 2 der Transistoren Q11, Q12 und Q14 dem Injektionsbereich 61 zugewandt sind, und die Länge L2, über die der Basisbereich 62' des Transistors Q13 dem Injektionsbereich 61 zugewandt ist, verschieden gemacht werden. Im Fall der Fig. 7A beträgt die Länge L2

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das 1,5-fache der Länge L1. Diesem Verhältnis entsprechen der Injektionsstrom Iinj2 einerseits und die Injektionsströme Iinji, Iinj3 und Iinj4 andererseits.

Gemäß Fig. 7B ist es auch möglich, die Injektionsströme dadurch einzustellen, daß die Abstände M1 und M2, um die die Basisbereiche der Transistoren QI1, Q12 und Q14 sowie der Basisbereich des Transistors QI3 vom Injektionsbereich entfernt sind, ungleich gemacht werden. Auf diese Weise kann wiederum der Injektionsstrom Iinj2 größer gemacht werden als die Injektionsströme Iinji, Iinj3 und Iinj4.

2
Die I L-Logik ist beispielsweise in folgenden Aufsätzen

beschrieben:

(1) K. Hart und A. Slob: "Integrated Injection Logic - A new Approach to LSI" in IEEE J. of SSC, sc-7, 5_, Seiten 346 bis 351 (Oktober 1972);

(2) H. H. Berger und S. K. Wiedmann: "Merged Transistor Logic - A Low-Cost Bipolar Logic Concept" in IEEE J. of SSC, sc-7, 5, Seiten 340 bis 346 (Oktober 1972). Ausführungsbeispiel 6

Ferner möglich ist eine Schaltungsanordnung, bei der in dem obigen Ausführungsbeispiel die Kollektorelektroden der in Basisschaltung liegenden PNP-Transistoren an die Eingangsklemmen IN1, IN2, ... angeschlossen sind und die Emitterelektroden dieser PNP-Transistoren als Eingänge verwendet werden. In diesem Fall wird der Vorteil erreicht, daß sich wegen der Basisschaltung der PNP-Transistoren die Eingangsimpedanz verringern läßt. Die PNP-Transistoren können dabei in gleicher Weise wie die PNP-Lateraltran-

2
sistoren der I L-Logik hergestellt werden.

Im folgenden sollen die Vorteile des erfindungsgemäßen Differenzverstärkers zusammengefaßt werden.

(1) Bei dem erfindungsgemäßen Differenzverstärker handelt es sich um eine mit Stromvergleich arbeitende Differenzverstärkerschaltung, wie sie in Fig. 2A dargestellt ist.

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(2) Der erfindungsgemäße Differenzverstärker weist einen einfachen Schaltungsaufbau auf. Insbesondere läßt sich die in Fig. 6A gezeigte Schaltung ausschließlich

2
als I L-Logik aufbauen, so daß der Platzbedarf der Schaltung sehr klein wird.

(3) Der erfindungsgemäße Differenzverstärker arbeitet 2

mit in I L-Logikkreisen verwendeten inversen NPN-Transistoren und PNP-Transistoren in Basisschaltung und kann mit ge-

2
wohnlichen I L-Logikkreisen zur Ausführung logischer Operationen direkt verbunden werden.

(4) Bei dem erfindungsgemäßen Differenzverstärker handelt es sich um eine Stromvergleichsschaltung. Bei Verwendung in Verbindung mit einer Photozelle, wie dies in Fig. 2C gezeigt ist, kann die Photozelle in Serie mit dem Eingang vorgesehen werden. Anders als bei herkömmlichen Schaltungen braucht die erfindungsgemäße Schaltung daher keine hohe Eingangsimpedanz.

(5) Die Schaltungen nach Fig. 2A, 4, 5 und 6A können mit einer Versorgungsspannung Vcc von etwa 0,7 V arbeiten, der Verstärker nach Fig. 3 mit einer Versorgungsspannung Vcc von etwa 1,4 V.

(6) Werden mehrere Ein- und Ausgänge vorgesehen, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist, so können Vergleiche mit Strömen unterschiedlicher Pegel durchgeführt werden.

Dies kann als Analog/Digital-Umsetzer mit Parallelvergleich ausgenutzt werden.

(7) Die Größe der Gegenkopplung kann durch Ändern der Kollektorflächen eines inversen NPN-Transistors willkürlich eingestellt werden.

Schließlich sollen noch die wesentlichen baulichen Merkmale des erfindungstemäßen Differenzverstärkers zusammengestellt werden:

(1) Es werden mehrere Stromquellen kombiniert, und die Summe oder Differenz der Ströme wird gebildet und verstärkt.

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(2) Als Stromquellen werden Stromspiegelschaltungen verwendet.

(3) Als Stromspiegelschaltung wird eine Schaltung verwendet, bei der ein Kollektor eines inversen PNP-Transistors mit dessen Basis verbunden ist.

(4) Als Konstantstromquelle dient der Injektionsbereich einer I L-Logik.

(5) In einer Stromspiegelschaltung werden die Flächen der Kollektorelektroden eines inversen NPN-Transistors ungleich gemacht, um die Stromentnahmefähigkeiten der Kollektorelektroden verschieden zu machen.

(6) Die Längen, über die die Basiselektroden der inversen NPN-Transistoren den Injektorbereichen gegenüberstehen, werden ungleich gemacht, um die Stromwerte der Stromquellen ungleich zu machen.

(7) An den Differenz-Eingangsseiten werden PNP-Transistoren in Basisschaltung vorgesehen, deren Emitterelektroden als Eingänge verwendet werden.

PS/CW

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Claims

PATENTANWÄLTE

SCHIFF ν. FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBBINGHAUS FINCK

MARIAHILFPLATZ 2 & 3, MÖNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH 95 OI 6O, D-8OOO MÜNCHEN 95

Hitachi, Ltd.

DEA-5 829 14. Februar 19 79

Differenzstromverstärker

Differenzstromverstärker, gekennzeichnet durch

(a) einen ersten inversen NPN-Transistor (Q1) mit

zwei Kollektorelektroden, wobei der erste Kollektor (C11) mit der Basis verbunden und der Emitter elektrisch ge- -> erdet ist,

(b) einen zweiten inversen NPN-Transistor (Q2) mit

zwei Kollektorelektroden, wobei der erste Kollektor (C21) mit der Basis verbunden und der Emitter geerdet ist,

(c) einen dritten inversen NPN-Transistor (Q5) mit

zwei Kollektorelektroden, wobei der erste Kollektor (C51) mit der Basis verbunden und der Emitter geerdet ist,

(d) eine erste Eingangsklemme (IN1), die von der Basis des ersten NPN-Transistors (Q1) gebildet ist,

(3) eine zweite Eingangsklemme (IN2), die von der Basis des zweiten NPN-Transistors (Q2) gebildet ist,

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ORiGiNAL INSPECTED

(f) eine Ausgangsklemme (OUT), die vom zweiten Kollektor (C52) des dritten NPN-Transistors (Q5) gebildet ist, und

(g) eine Konstantstromschaltung (Q3, Q4) , die an den zweiten Kollektor (C12) des ersten NPN-Transistors (Q1) , den zweiten Kollektor (C22) des zweiten NPN-Transistors (Q2) und die Basis des dritten NPN-Transistors (Q5) angeschlossen ist,

(h) wobei die Differenz der Eingangsströme an den beiden Eingangsklemmen (IN1, IN2) verstärkt als Ausgangsstrom an dem die Ausgangsklemme (OUT) bildenden zweiten Kollektor (C52) des dritten NPN-Transistors (Q5) auftritt. (Fig. 2A)
2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstantstromschaltung einen ersten PNP-Transistor (Q3) umfaßt, dessen Kollektor und Basis an den zweiten Kollektor (C12) des ersten NPN-Transistors (Q1) und dessen Emitter an eine Energiequelle (Vcc) angeschlossen sind, sowie einen zweiten PNP-Transistor (Q4), dessen Kollektor an den zweiten Kollektor (C22) des zweiten NPN-Transistors (Q2), dessen Basis an die Basis des ersten PNP-Transistors (Q3) und dessen Emitter an die Energiequelle (Vcc) angeschlossen sind. (Fig. 2A)
3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte NPN-Transistor (Q5) einen dritten Kollektor (C53) aufweist, der mit der Basis des ersten NPN-Transistors (QD verbunden ist. (Fig. 4)

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4. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Kollektor und Basis des ersten PNP-Transistors (Q3) über die Basis-Emitter-Strecke eines dritten PNP-Transistors (Q6) verbunden sind, dessen Kollektor geerdet ist. (Fig. 3)
5. Verstärker nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen vierten inversen NPN-Transistor (Q14) mit zwei Kollektorelektroden, bei dem der erste Kollektor (C141) und die Basis an den zweiten Kollektor (C112) des ersten NPN-Transistors (Q11) angeschlossen ist, bei dem der Emitter geerdet ist, und bei dem der zweite Kollektor (C142) mit der Konstantstromschaltung (Q21...Q24) verbunden ist. (Fig. 6A)
6. Verstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

daß die Konstantstromschaltung vier PNP-Transistoren (C21... Q24) umfaßt, deren Emitterelektroden an eine Energiequelle (Vcc) angeschlossen und deren Basiselektroden geerdet sind, und wobei der Kollektor des ersten PNP-Transistors (Q21) mit dem zweiten Kollektor (C112) des ersten NPN-Transistors (QH)/ der Kollektor des zweiten PNP-Transistors (Q24) mit den zweiten Kollektorelektroden (C122, C142) des zweiten und des vierten NPN-Transistors (Q12, Q14), der Kollektor des dritten PNP-Transistors (Q23) mit der Basis des ersten NPN-Transistors (Q11) und der Kollektor des vierten PNP-Transistors (Q24) mit der Basis des zweiten

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NPN-Transistors (Q12) verbunden ist. (Fig. 6A)
7. Verstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste NPN-Transistor (Q11) mit dem dritten PNP-Transistor (Q23) eine erste I L-Logik bildet, der zweite NPN-Transistor (Q12) mit dem vierten PNP-Transistor (Q24)

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eine zweite I L-Logik, der dritte NPN-Transistor (Q13)

mit dem zweiten PNP-Transistor (Q22) eine dritte I L-Logik und der vierte NPN-Transistor (Q14) mit dem dritten

PNP-Transistor (Q21) eine vierte I L-Logik. (Fig. 6A)
8. Verstärker nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

daß die Injektionsströme der ersten und der vierten I L-Logik (Q11, Q23; Q14, Q21) gleich sind.
9. Verstärker nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet,

daß die Injektionsströme der dritten I L-Logik (Q13, Q22)

nicht kleiner ist als der Injektionsstrom der zweiten I L-Logik (Q12, Q24).
10. Verstärker nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei mindestens einem der vier NPN-Transistoren (Q11...Q14) die Fläche des ersten Kollektors (C111, C121, C131, C141) größer ist als die des zweiten Kollektors (C112, C122, C132, C142).

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11. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß bei mindestens einem der
drei NPN-Transistoren (Q1, Q2, Q5) die Fläche des ersten
Kollektors (C11, C21, C51) größer ist als die des zweiten

Kollektors (C12, C22, C52).
12. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorelektroden
eines fünften und eines sechsten in Basisschaltung liegenden PNP-Transistors, deren Emitterelektroden weitere Eingangsklemmen bilden, an die erste und die zweite Eingangskleinme angeschlossen sind.

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