DE3319091A1

DE3319091A1 - Differentialverstaerker

Info

Publication number: DE3319091A1
Application number: DE19833319091
Authority: DE
Inventors: David Jon San Jose Calif. Harris
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1982-05-26
Filing date: 1983-05-26
Publication date: 1983-12-01
Also published as: GB2120887B; GB8313801D0; GB2120887A; JPH0374529B2; JPS58213515A; US4479094A

Description

München, den 26, Mai 1983 /J Anwaltsaktenz.r 27 - Pat. 3 39

Raytheon Company, 141 Spring Street, Lexington, Mass. 02173 Vereinigte Staaten von Amerika

Differentialverstärker

Die Erfindung betrifft allgemein Differentialverstärkerschaltungen und insbesondere auch Vergleicherschaltungen, in denen derartige DifferentialVerstärkerschaltungen verwendet werden.

Wie allgemein bekannt, enthalten viele Vergleicherschaltungen eine Differentialverstärkerschaltung als Eingangsstufe. Um eine verhältnismäßig breitbandige Verstärkerschaltung vorzusehen, bei der eine gebräuchliche integrierte Schaltungstechnik eingesetzt wird, enthält eine derartige Differentialverstärkerschaltung im allgemeinen ein Paar von n-p-n-Transistoren, an deren Basiselektroden ein Eingangssignal angekoppelt werden kann, während die Emitterelektroden an eine gemeinsame Stromquelle angeschlossen sind. Um dem Eingangssignal einen verhältnismäßig hohen Verstärkungsgewinn mitzuteilen, ist es häufig wünschenswert, eine mehrstufige Vergleicherschaltung aufzubauen. Wenn n-p-n-Transistoren in einer derartigen mehrstufigen Vergleicherschaltung eingesetzt werden, so verschiebt sich jedoch der Gleichstrompegel des Eingangssignales in Richtung auf die positive Kollektorspeisespannung, welche beispielsweise als +V_cc bezeichnet wird. Folglich enthält eine derartige mehrstufige Vergleicherschaltung charakteristischerweise im Anschluß an die Verstärkerstufe eine Einrichtung zur Verschiebung des Spannungspegels zur Verschiebung

.5·

des Gleichstrompegel des verstärkten Signals in negative Richtung. Im allgemeinen enthält die Schaltung zur Verschiebung des Spannungspegels Zenerdioden. Eine.Maßnahme zur Verminderung des Einflusses einer herstellungsbedinqt schlechten Anpassung der Zenerdiode besteht in der Verwendung sogenannter überdeckter Zenerdioden nach der ersten Verstärkerstufe_r wie dies in der Veröffentlichung "A Fast, Latching Comparator for 12 Bit A/D Applications", von G. Erdi, IEEE Journal of Solidstate Circuits, Band SC-15, Nr. 6, Dezember-1980, beschrieben ist. Die Verwendung von überdeckten Zenerdioden erfordert jedoch ein Abgehen von der üblichen Herstellungstechnik integrierter Schaltungen.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, einen Differentialverstärker in solcher Weise auszubilden, daß der Ein-• fluß verarbeitungsbedingter Änderungen der Spannungen, welche von mit den Zenerdioden verbundenen Transistoren erzeugt werden, wie sie sich zum Eingang der in Kaskade geschalteten Verstärkerstufen reflektieren, durch den Gesamtverstärkungsgewinn einer Mehrzahl von in Kaskade geschalteten Stufen vermindert wird.

Diese Aufgabe wird durch die im anliegenden Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Es wird, also in einer Vergleicherschaltung eine Mehrzahl von in Kaskade geschalteten Verstärkerstufen eingangsseitig mit einem Eingangssignal beaufschlagt. Eine zur Verschiebung des Spannungspegels dienende Schaltung wird von der Mehrzahl von Verstärkerstufen gespeist und eine Ausgangsschaltung wird wiederum von der Schaltung zur Verschiebung des Spannungspegels beaufschlagt. Die Schaltung zur Verschiebung des Spannungspegels und die genannte Anzahl von Verstärkerstufen enthalten n-p-n-Transistoren, wobei diese Transistoren, soweit sie in der Schaltung zur Verschiebung des Spannungspegels vorgesehen sind, als Zenerdioden geschaltet sind.

Jede der Verstärkerstufen enthält ein Paar von Transistoren, deren Basiselektroden an einem ersten Verbindungspunkt zusammengeschaltet sind. Eine erste der Emitter- und Kollektorelektroden jedes Transistors eines Transistorpaares ist an eine Eingangssignalquelle· und eine Stromquelle angeschlossen und eine zweite der Emitter- und Kollektorelektroden jedes Transistors eines Transistorpaares ist mit einer gemeinsamen Spannungsquelle über einen jeweils entsprechenden Widerstand eines Widerstandspaares verbunden. Ein Paar von Dioden ist gegensinnig gepolt zwischen die jeweils zweiten der Elektroden des Transistorpaares geschaltet. Eine Vorspannungsschaltung befindet sich zwischen der gemeinsamen Spannungsquelle und dem ersten Verbindungspunkt, um eine Sättigung des Paares von Transistoren zu verhindern. Im einzelnen enthält die Vorspannungsschaltung einen ersten Widerstand und einen zweiten Widerstand sowie ein Bauelement mit einem p-n-übergang, wobei der zweite Widerstand und der p-n-übergang des genannten Bauteils in Serie zusammengeschaltet sind und der erste Widerstand zu der erwähnten Serienschaltung parallelliegt. Bei dieser Vorspannungsschaltung sind der erste und der zweite Widerstand an das Paar von Widerständen in der Verstärkerstufe angepaßt und das Bauelement mit dem p-n-übergang ist an jede Diode des Diodenpaares in der Verstärkerstufe angepaßt. Mit einer derartigen Anordnung wird-die Spannung, welche von der Vorspannungsschaltung an den gemeinsamen Basiselektroden des Transistorpaares erzeugt wird, daran gehindert, positiver zu werden als die Spannung an der Kollektorelektrode eines jeweils leitenden Transistors des Transistorpaares, so daß eine Sättigung dieses Transistors verhindert wird.'

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind im übrigen Gegenstand der anliegenden, dem Anspruch 1 nachgeordneten Ansprüche, deren Inhalt hierdurch ausdrücklich zum Bestandteil der Beschreibung gemacht wird, ohne an dieser Stelle den Wortlaut zu wiederholen. Nachfolgend wird ein Ausführungsbei-

spiel unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild einer Ver-

gleicherschaltüng mit einem Differentialverstärker der vorliegend angegebenen Art und

Fig. 2 ein Ersatzschaltbild einer Verstärkerstufe, wie sie in der Vergleicherschaltung nach Figur 1 enthalten ist.

In Figur 1 ist eine mehrstufige Vergleicherschaltung 10 dargestellt, welche eine Eingangsstufe 12 mit einem Paar von Ein gangsanschlüssen 14 und 16 sowie einem Paar von Ausgangsanschlüssen 18 und 20 aufweist. Der Ausgang der Eingangsstufe 12 ist mit. dem Eingang einer zweiten Stufe 22 verbunden, wie aus Figur 1 ersichtlich ist. Vorspannungen werden der Eingangsstufe· 12 und der zweiten Stufe 22 durch eine Vorspannungsschaltung 24 geliefert. Der Ausgang der zweiten Stufe hat die Gestalt eines Paares von Ausgangsklemmen 26 und 28, die mit einer Schaltung 30 zur Verschiebung des Spannungspegels verbunden sind. Die Eirigangsstufe 12 und die zweite Stufe 22 erzeugen also einen bestimmten'Verstärkungsgewinn an einem Signal, welches den Eingangsanschlüssen 14 und 16 aufgeprägt wird. Im vorliegenden Falle verwirklicht die Eingangsstufe 12 einen Verstärkungsfaktor von 20 und die zweite Stufe 2 2 verwirklicht einen Verstärkungsfaktor von 25, wodurch das Eingangssignal um den Faktor 500 verstärkt wird. Dieses verstärkte Signal erscheint an den Ausgangsanschlüssen 26 und 28 der zweiten Stufe 22. Es sei jedoch bemerkt} daß sich der Gleichspannungspegel des verstärkten Signales in Richtung auf die Speisespannung +V_cc von vorliegend fünf Volt verschoben hat. Aus diesem Grunde ist die Schaltung zur Verschiebung des Spannungspegels vorgesehen, um den Gleichspannungspegel des an den Ausgangsanschlüssen 26 und 28 auftretenden verstärkten Signales in negativer Richtung

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zu verschieben. Das in seinem. Pegel verschobene Signal erscheint an den Ausgangsanschlüssen 32 und 34 der Schaltung zur Verschiebung des Spannungspegels und wird einem Paar von Eingangsanschlüssen 36 und 38 einer Ausgangsstufe 40 in der gezeigten Weise aufgeprägt. Die Ausgangsstufe 40 enthält einen Ausgangstransistor Qqut (^vo^li^e<3^enc3 ein Schottky-Transistor), welcher in Abhängigkeit von dem Signal, das den beiden Eingangsanschlüssen 36 und 38 zugeführt wird, .entweder in den Leitungszustand oder den nichtleitenden Zustand getrieben wird. Im einzelnen ist festzustellen, daß dann, wenn die Spannung am Eingangsanschluß 14 stärker positiv ist als die Spannung am Eingangsanschluß 16, der Ausgangstransistor Qqot in den nichtleitenden Zustand getrieben wird und ein Signal entsprechend einer logischen 1 am Ausgang 31 der Vergleicherschaltung 10 auftritt, während dann, wenn die Spannung am Eingangsanschluß 16 stärker positiv ist als die Spannung am Eingangsanschluß 14, der Transistor Qqtjt ^ⁿ ^^en Leitungszustand gestellt wird und ein niedriger Signalwert oder ein Signal entsprechend einer logischen 0 am Ausgangsanschluß 31 der Vergleicherschaltung 10 erscheint. Die Ausgangsstufe 40 enthält auch eine Stromquelle 42 und einen Schalter 44, welcher, wie aus Figur- 1 ersichtlich ist, mit der Stromquelle 42 verbunden ist. In Abhängigkeit von dem den Eingangsanschlüssen 36 und 38 zugeführten Signal stellt der Schalter 44 eine elektrische Verbindung der Stromquelle 42 mit der Basiselektrode des Ausgangstransistors Qqut ^ner' wenn dieser Ausgangstransistor von dem Leitungszustand in den nichtleitenden Zustand getrieben wird, um eine aktive Stromableitung zur Entfernung einer Basisladung von dem Ausgangstransistor zu bewirken, wenn der Ausgangstransistor abgeschaltet wird.

Betrachtet man nun mehr ins einzelne gehend die Eingangsstufe 12,. so ist festzustellen, daß diese ein Paar emitterseitig zusammengeschalteter Transistoren Q^ und Q₂ aufweist, deren Basiselektroden mit den Eingangsanschlüssen 14 bzw. 16 verbunden sind, wie aus Figur 1 hervorgeht und deren Emitter-

elektroden'über eine Stromquelle 50, vorliegend eine 2,25 mA-Stromquelle; mit einer Speisespannung -V_EE verbunden sind, wobei diese Speisespannung vorliegend -5 bis -15 Volt beträgt. Die Kollektorelektroden der Transistoren Qi und Op sind an die Emitterelektroden einer Kaskadenschaltung von zwei Transistoren Qo und Q. angeschlossen, welchletztere mit ihrer Basis zusammengeschaltet sind. Schottky-Dioden S^ und S2 sind gegeneinander gepolt zwischen die Kollektorelektroden der Transistoren Q3 und Q| geschaltet, wie aus Figur 1 hervorgeht, um ein Spannungsausschwingen zwischen den Kollektorelektroden der Transistoren Q^ und Q^ zu begrenzen. Die Basiselektroden der Transistoren Qo und Q* sind an die Speisespannung von +V_c_ Volt über die Vorspannungsschaltung 24 angeschlossen. Die Kollektorelektroden der Transistoren Qo und Q* stehen mit einem Paar von Widerständen R-^ und R2 an. den Ausgangsanschlüssen bzw. 20 in der dargestellten Weise in Verbindung. Die Widerstände R^ und R2 sind an dem Anschluß 21 miteinander verbunden, der über die Vorspannungsschaltung 24 Verbindung mit-der +V^-Speisespannung hat. " .

Das verstärkte Signal an den Ausgangsanschlüssen 18 und 20 wird in die zweite Stufe 22 eingegeben. Die zweite Stufe 22 enthält ein Paar von emitterseitig zusammengeschlossenen Transistoren Qc und Qg, deren Basiselektroden mit den Ausgangsanschlüssen 18 bzw. 20 der Eingangsstufe Verbindung haben. Die Emitterelektroden, sind über eine Stromquelle 52, vorliegend eine 2,0 mA-Stroinquelle, an die -Vgg-Speisespannung angeschlossen. Ein Paar von in Kaskade geschuldeten, mit ihrer Basis jeweils verbundenen Transistoren Q₇ und Og ist an die Kollektorelektroden der Transistoren Oc und Og in der dargestellten Weise angeschlossen, wobei die Basiselektroden der Transistoren Q₇ und Q_g außerdem mit. der Vorspannungsschaltung 24 verbunden sind. Schottky-Dioden S3 und S4 sind gegeneinander gepolt zwischen die Kollektorelektroden der Transistoren Q₇ und Qg gelegt, um das Spannungsausschwingen zwischen den Kollektorelektroden zu begrenzen. Die KoI-

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lektorelektroden der Transistoren Q₇ und Qg haben außerdem Verbindung mit den Ausgangsanschlüssen 26 bzw. 28, sowie über die Widerstände R^ bzw. R^ mit der Speisespannung +V_cC.

Die Vorspannungsschaltung 24 ist so ausgebildet, daß sie eine Spannung an die Basiselektroden der Transistoren Q₇ und Og liefert, welche der Speisespannung +V_cc so nahe wie möglich kommt, ohne die Transistoren Q₇ und Qg in die Sättigung zubringen. Die Spannung wird an die Basiselektroden der Transistoren Q₇ und Qg über die Serienschaltung eines Widerstandes R_a und einer Schottky-Diode S₅ in Parallelschaltung mit einem Widerstand R^ geliefert. Die Basiselektroden der Transistoren Q₇ und Qg sind an die Anode der Schottky-Diode Sg gelegt, deren Kathode über eine Stromquelle 57 mit der Speisespannung ~^VEE ^unc^ außerdem mit der Basis eines Transistors Q_a Verbindung hat, wie aus Figur 1 ohne weiteres erkennbar ist. Der Kollektor des Transistors Q_a ist an die Speisespannung +V_cc angeschlossen und der Emitter des geannten Transistors steht mit den Basiselektroden der Transistoren O3 und Q^ sowie über eine Stromquelle 59 mit der Speisespannung -V_EE in Verbindung. Um eine Sättigung der Transistoren Q₇ und Qg zu verhindern, . wird an den Basiselektroden dieser Transistoren eine Spannung in solcher Weise erzeugt, daß die Kollektorelektrode jedes der Transistoren Q₈ und Qg nicht mehr als V_ßE/2 Volt unter der (d.h. stärker negativ als die) Spannung an der Basiselektrode der Transistoren ist, wobei V_ßE den Spannungsabfall am Basis-/Emitterübergang von vorliegend 0,7 Volt bezeichnet. Das bedeutet, daß zur Vermeidung einer Sättigung der Basis-/ Kollektorübergang der Transistoren Qg und Qg daran gehindert wird, in Vorwärtsrichtung vorgespannt zu werden.

Zur Verbesserung des Verständnisses der Vorspannungsschaltung 24 sei zunächst Figur 2 näher betrachtet, welche ein Ersatzschaltbild der zweiten Stufe 22 wiedergibt, wenn einer der Transistoren Q₇ und Q_g (vorliegend der Transistor Og und damit der Transistor Qg) im wesentlichen den gesamten Strom

leitet, der durch die Stromquelle 52 bereitgestellt wird. Wie aus Figur 2 zu erkennen ist, ist die Stromquelle 52 mit der Speisespannung bzw. der Spannungsquelle +V_cC über eine Parallelschaltung 53 gekoppelt, welche in einem Schaltungszweig den Widerstand R^ und in dem anderen Schaltungszweig den Widerstand R₃ in .Serienschaltung mit der Schottky-Diode S^ aufweist. Wenn also der Transistor Qg leitet, so ist die Spannung an der Anode der Schottky-Diode S^ und damit an der Kollektorelektrode des Transistors Q₈, gegeben durch V_cc - V , worin Vp = (I₅2^R3~^vs4^^R4/^^R3^+R4^* ^VS4 *^st ^^{er s}P^annun9^sabfaH an der Schottky-Diode S* und I^ ist der Strom, welcher durch die Stromquelle 52 geliefert wird. Es sei nun wieder Figur 1 betrachtet. Eine Parallelschaltung 53' liegt zwischen der Speisespannung +V_cc und den Basiselektroden der Transistoren O7 und Qg. Die Parallelschaltung 53' enthält den Widerstand Rj₃, der zwischen der Speisespannung +ν^_ und den Basiselektroden der Transistoren Q^ und Qo zu der Serienschaltung aus dem Widerstand R_a und der Schottky-Diode S^ parallelliegt. Es sei bemerkt, daß die Parallelschaltung 53' mit der Speisespannung -V_EE über die Schottky-Diode Sg und .die Stromquelle 57 Verbindung hat. Vorliegend ist der von der Stromquelle 57 gelieferte Strom mit I₅₇ zu bezeichnen. Weiter sind die Stromquellen 52 und 57 auf ein und demselben Halbleiterkörper gebildet und in herkömmlicher Weise sowohl thermisch als auch herstellungsmäßig aufeinander abgestimmt. Weiterhin beträgt der Strom I₅₇ ein Viertel von dem Strom I52· Das bedeutet, daß vorliegend Ic₇ 0,5 mA beträgt. Hier sind die Widerstandswerte der Widerstände R_a und Rj₃ jeweils gleich das Vierfache

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der Widerstandswerte der Widerstande R₃ und R^, so daß gilt»R_a = Rj₃ = 4R₃ = 4R₄. Die Fläche der Schottky-Diode S₅ ist ein Viertel der Fläche jeder der Schottky-Dioden S3 und S₄, so daß Vg₃ = Vg₄ = Vg^. Weiter, ist darauf hinzuweisen, daß sämtliche Widerstände R_a, Rj₃, R₃ und R₄ sowie die Dioden S₃, S₄ und S₅ sämtlich auf demselben Halbleiterchip gefertigt sind und daher auch thermisch aneinander angepaßt sind. Es folgt somit, daß die Vorspannung an der Anode der Schottky-

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Diode Sg und damit an der Basis der Transistoren Q₇ und Qg, sich mit V₀C^-Vp¹ angeben läßt, worin V ' dem Ausdruck

₃+!^) gleich ist und worin wiederum V₅₅ der Spannungsabfall an der Schottky-Diode S₅ ist. Nachdem I₅₇ = (I₅₂/4) und R_a=R_b= 4R₃ = 4R₄ und V₅₄ = V₅₅, folgt, daß Vp¹ = V-. Da nun die Parallelschaltung 53' so aufgebaut und ausgebildet ist, daß sie eine Vorspannung an den Basiselektroden der Transistoren Q₇ und Qg erzeugt, welche im wesentlichen gleich der Spannung an der Anode der jeweils leitenden der Schottky-Dioden S₃ und S₄ ist (d. h. gleich der Spannung an der Kollektorelektrode des jeweils leitenden der Transistoren Q₇ und Qg), werden die Transistoren Q₇ und Og daran gehindert, in den Sättigungszustand zu gehen. Änderungen in den Charakteristiken der Widerstände R₃ und R₄ und der Dioden S₃ und S₄ aufgrund von Änderungen bei der Herstellung sind in Übereinstimmung mit den Verhältnissen bei den Widerständen R₃, Rj₃ und der Diode S₅ gebracht, so daß die Spannungsänderungen, welche zwischen der Speisespannung +V_cc und den Kollektoren der Transistoren Q₇ und Qg aufgrund von Änderungen der Charakteristiken der Widerstände R₃, R₄ und der Dioden S₃ und S₄ erzeugt werden, eine Kompensation aufgrund entsprechender Änderungen der Charakteristiken der Widerstände R₃ und R_b sowie der Diode S₅ erfahren. Dies hat zum Ergebnis, daß die Vorspannung an der Basis der Transistoren Q₇ und Og relativ zur Spannung der Kollektorelektrode des leitenden der Transistoren Q₇ und Qg unabhängig von Änderungen der Charakteristiken der Widerstände R₃, R₄ und der Schottky-Dioden S₃ und S₄ konstant bleibt. Anders ausgedrückt bedeutet dies, daß die Parallelschaltung 53' (Figur 1) die äquivalente Parallelschaltung 53 (Figur 2) des Paares von Transistoren O₇ und Og nachbildet, wenn einer der beiden Transistoren sich vollständig im Leitungszustand befindet, so daß die Vorspannung an den Basiselektroden der Transistoren Q₇ und Qg im wesentlichen gleich der Vorspannung an der Kollektorelektrode des jeweils leitenden der Transistoren Q₇ und Qg unabhängig von herstellungsbedingten Änderungen bei der Erzeugung der Wider-

stände R₃ und R^ sowie der Dioden S3 und S^ ist. Auf diese Weise w.ird verhindert, daß der Kollektor-/Basisübergang dieser Transistoren in Vorwärtsrichtung vorgespannt wird·und die Transistoren Q^ und Q_g werden auf diese Weise an der Sättigung gehindert? auch wenn die genannten herstellungsbedingten Änderungen auftreten. Im Hinblick auf Vorstehendes wird die Vorspannung an den Basiselektroden der Transistoren O7 und Oq soweit, wie möglich der Spannung +V__ angenähert, ohne daß eine Sättigung der Transistoren Q₇ und Qg zugelassen wird, so daß der dynamische Betriebsbereich oder der allgemeine Betriebsmodus der Stufe maximal wird, da eine präzise Vorspannungsschaltung 53' innerhalb .der Schaltung 24 zwischen der Speisespannung +V_cc und den Basiselektroden der Transistoren Q-j und Q₈ liegt.

Während die Parallelschaltung 53' dazu dient, eine Sättigung der Transistoren Q₇ und Qg zu verhindern, haben die Dioden D^ und Sg.die Aufgabe, die Sättigung der Transistoren O₅ und Qg zu verhindern. Da also die Emitterelektrode des jeweils leitenden der Transistoren Q-, und Qg (und damit die Kollektorelektrode des jeweils leitenden der Transistoren Q5 und Qg) um ein Vg_E tiefer als die zugehörige Basiselektrode ist, ist es notwendig, die Vorspannung an der Basiselektrode der Transistoren Q₅ und Q₆ auf (V_CC~V '~V_ßE) zu begrenzen, um die Sättigung .zu verhindern. Es sei der Fall betrachtet, daß einer der Transistoren Q-, und Q* sich im Leitungszustand befindet. Beispielsweise sei angenommen, daß der Transistor Q4 leitet. Der Strom fließt somit durch die Diode D^, die Schottky-Diode Sg, den Widerstand R₂ und auch durch den Widerstand R-^ sowie die in Serie dazu geschaltete .Schottky-Diode S₂- Der Widerstandswert des Widerstandes R-^ ist so qewählt, daß der Spannungsabfall an dem Widerstand R^ gleich dem Spannungsabfall an dem Widerstand R_a der Parallelschaltung 53' ist und der Spannungsabfall an der Schottky-Diode S₆ gleich groß ist wie der Spannungsabfall an der Schottky-Diode S5. Um weiter einen zusätzlichen V_ßE-Spannungsabfall

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zwischen der Kollektorelektrode des Transistors Q₅ und dessen Basiselektrode vorzusehen, um eine Anpassung an den Spannungsabfall zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors Q₇ (oder des Transistors Qg) zu erzielen, ist die Diode D^ vorgesehen. Das bedeutet, daß der Spannungsabfall an dem Basis-/Emitterübergang des Transistors Q₇ .durch die Diode D₁ verfolgt wird, was zum Ergebnis hat, daß die Spannung an der Basiselektrode des Transistors Q₅ um ein Vo^ tiefer als die Vorspannung an der Basiselektrode des Transistors Q₇ ist und folglich ist die Vorspannung an der Basiselektrode des Transistors Q₅ (oder des Transistors Qg) gleich dem Ausdruck (V_cc-V *-Vg_E), d. h. gleich der Spannung am Kollektor des Transistors Q₅, wodurch der Transistor Q₅ an. der Sättigung gehindert wird. In entsprechender Weise wird der Transistor Qg dadurch an der Sättigung gehindert, daß der Widerstand R₂ gleich dem Widerstand R₁ gewählt wird und der Spannungsabfall an der Diode·S₁ gleich dem Spannungsabfall an der Diode S₂ gemacht ist.

Die Diode Sg und der p-n-übergang des Transistors Q_a haben die Aufgabe, die Sättigung der Transistoren Q₃ und Q₄ zu verhindern. Demgemäß wird der Gesamtspannungsabfall an der Schottky-Diode S_Q und dem p-n-überganq des Transistors Q_a gleich, dem Gesamtspannungsabfall a'n der Diode D₁ und der Schottky-Diode Sg gemacht, was bewirkt, daß die Vorspannung an den Basiselektroden der Transistoren Q₃ und Q₄ gleich groß wie oder etwas negativer als die Vorspannung an dem Kollektor des jeweils leitenden der Transistoren Q₃ bzw. Q₄ ist und die Sättigung dieser Transistoren verhindert wird. Vorliegend ist die Spannung an dem. Verbindungspunkt 21 um 1,2 Volt niedriger als die Speisespannung V_cc. Die Spannung zwischen den Basiselektroden Q₇ und Og und den Basiselektroden der Transistoren Q₃ und Q₄ ist vorliegend 1,2 Volt. Die Spannung an der Basis der Transistoren Q₇ und Qg ist (V _c-0,9 Volt).

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Die Schaltung 30 zur Verschiebung des Spannungspegels verschiebt den Gleichspannungspegel des .an den Anschlüssen 26 und 28 dargebotenen Signales in negativer Richtung um vorliegend 7,0 Volt. Die Schaltung 30 zur Verschiebung des Spannungspegels enthält hierzu ein Paar·von Transistoren 0_Q und Q₁Q, deren Basiselektroden jeweils mit den Anschlüssen 26 und 28 in der dargestellten Weise verbunden sind und deren Kollektorelektroden an der Speisespannung +V_cc liegen, wie aus Figur 1 erkennbar ist. Die Emitterelektroden der Transistoren Qn und Q₁Q sind mit den Emitterelektroden von Transistoren Q₁₁ und Q₁₂ jeweils zusammengeschaltet, wie. ebenfalls aus Figur" 1 hervorgeht. Die.Kollektorelektroden der Transistoren Q₁₁ und Q₁₂ sind miteinander verbunden pnd an die Speisespannung +V_cc gelegt. Die Basiselektroden der Transistoren Q₁₁ und Q₁₂ sind mit Ausgangsanschlüssen 32 bzw. 34 verbunden. Die Ausgangsanschlüsse 32 und ·34 sind über eine Stromquelle 60 und über ein Paar von Widerständen Rr bzw. Rg in der dargestellten Weise an die Spannung -Vgg gelegt, wobei die Widerstände vorliegend 1,5 Kiloohm aufweisen. Die Transistoren Q₁₁ und Q₁₀ sind als Zenerdioden geschaltet und liefern einen konstanten, vorbestimmten Spannungsabfall von vorliegend 6,3 Volt an ihren Emitter-/Basis-Übergängen. Berücksichtigt man einen 0,7-Volt-Spannungsabfall an dem Basis-/Emitterübergang, der Transistoren O_n und Q]O' so ergibt sich, daß der Gleichspanhungspegel des Signals an den Ausgangsanschlüssen 26 und 28 in negativer Richtung um einen feststehenden Spannungsbetrag von •7,0 Volt verschoben wird. Es sei bemerkt, daß wegen des endlichen Widerstandes, der von den als 2enerdioden geschalteten Transistoren. Q₁₁ und Q₁₂ verwirklicht wird, ein Spannungsteilereffekt hervorgerufen.wird, welcher auf den erwähnten Widerständen der Transistoren und auf den Widerständen Rc und R₆ beruht, mit dem Ergebnis, daß hier eine Art Verstärkungsfaktor von 0,85 durch die Schaltung 30 zur Verschiebung des Spannungspegels eingeführt wird.

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Die Ausgangsstufe 40 enthält ein Paar von emitterseitia zusammengeschalteten Transistoren 0^3 und Q]^, deren Basiselektroden mit den Eingangsanschlüssen 36 bzw. 38 in Verbindung stehen. Die Emitterelektroden der Transistoren 0^3 und Q-JL4 sind über eine Stromquelle 70 von vorliegend 3 mA an die Speisespannung -V_EE angeschlossen. Die Kollektorelektroden der Transistoren Q^ ^und Q14 sind mit einem Paar von in Kaskade geschalteten, basisseitig geerdeten Transistoren Q-^₅ und Q-^g verbunden, wie aus Figur 1 erkennbar ist, und haben außerdem Verbindung mit einem Schalter 44. Die Kollektorelektroden der Transistoren Q^₅ und Q-^₆ sind über Anschlußpunkte 72 bzw. 74 mit einem Paar von Widerständen R7 und R_g verbunden. Die Widerstände R^ und Rg wiederum haben über die ieweilige Emitter-/Kollektorstrecke von Transistoren Q?q bzw. Q2^ Verbindung mit der Speisespannung +V . Die Basiselektroden der Transistoren Q20 und" Q21 sind an eine geeignete Vorspannungsschaltung 25 angeschlossen, welche der Ausgangsstufe zugeordnet ist und welche eine Stromquelle 76, Widerstände R^.1' R-^2' ^R13' ^R14' ^R25' ^R43 ^sowi^e Transistoren Q₂2 ^un<3 Q23 ^ent~ hält, welche in der aus der Zeichnung ersichtlichen Art und Weise geschaltet sind, so daß sie eine konstante Spannung von vorliegend 2,0 Volt an die Emitterelektrode des Transistors C>2Q sowie eine weitere konstante Spannung von vorliegend 3,4 Volt an die Emitterelektrode des Transistors Q21 abgeben können. Der Anschluß 72 ist mit der Basiselektrode des Emitterfolgetransistors Q-^ verbunden, dessen Kollektorelektrode an die Speisespannung +V_„ gelegt ist, während die Emitterelektrode Verbindung zur Basiselektrode des Ausgangstransistors Qqut ük^er den Widerstand Rg von vorliegend 300 Ohm sowie über den Schaltungspunkt 76 hat. Der Anschluß 74 ist mit der Basiselektrode eines pull-up-Transistors Q-^g verbunden, welcher mit seinem Kollektor an die Speisespannung +V_1n,- gelegt ist, während der Emitter Verbindung zu dem KoI-lektor des Transistors Qqut ^un(^ ^zu ^^ern Ausgangsanschluß 31 hat. Es ist ferner festzustellen, daß die Basiselektrode des Transistors Qqut* an einen Emitter, eines Emitterfolgetran-

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sistors Q₅₇ über eine Schottky-Diode S-^_n angeschlossen ist. Der Emitter des Transistors Qg₇ ist über einen Widerstand R^Q außerdem in. der dargestellten Weise geerdet. Die Basiselektrode des Transistors Qg₇ ist an die Vorspannungsschaltung 75 angeschlossen und. der Kollektor des Transistors Qg₇ liegt an der Speisespannung +V_cc. Vorliegend erzeugt die Vorspannungsschaltung 75 eine feststehende Spannung von 0,7 Volt am Emitter des Transistors Qg₇.

Der Schalter 44 enthält ein Paar emitterseitig zusammengeschalteter Transistoren Ogg und Qgg· Die Basiselektrode des Transistors Qgg ist an die Kollektorelektrode des Transistors Q-^3 angeschlossen und die Basiselektrode des Transistors Qgg hat Verbindung sowohl zur Kollektorelektrode des Transistors Qgg als auch zur Kollektorelektrode des Transistors 0^4. Die Kollektorelektrode des Transistors Qgg ist mit der Basiselektrode des Transistors Qqut über den Schaltungspunkt 76 verbunden und die Emitterelektroden der Transistoren Q₆₈ und Qgg liegen über eine Stromquelle 42 an der Speisespannung -V_EE.

Für die Untersuchung des Verstärkungsverhaltens der Ausgangsstufe 40 für kleine Signale sei angenommen, daß- die beiden Transistoren Q₁^ und Q-j^ sich in einem Zustand befinden,· bei dem jeweils eine Hälfte des von der.Stromquelle 70 erzeugten Stromes I^ über die Kollektorelektrode des einen bzw.. des anderen Transistors 0-^ bzw. 0-^ fließt, d.h. jeder Kollektor übernimmt einen Strom von 1-^/2. Während also der Verstärkungsgewinn, welcher einer an den Eingangsahschlüssen 36 und 38 eingegebenen Spannung durch die emitterseitig zusammengeschalteten Transistoren 0^3 und Q-j^ mitgeteilt wird, annähernd Eins ist, kann der Verstärkungsfaktor, welcher durch den in Kaskade geschalteten Transistor Q-jr zwischen dem Eingangsanschluß 36 und dem Schaltungspunkt 72 hervorgerufen wird, folgendermaßen angeschrieben werden:

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worin g ι r der Durchgriff des Transistors 0^5 ist und Rj den Widerstandswert des Widerstandes R^ bedeutet. In entsprechender Weise kann der Verstärkungsgewinn, der durch den in Kaskade geschalteten Transistor Q-^g zwischen dem Schaltungspunkt 74 und dem Eingangsanschluß 38 hervorgerufen wird, folgendermaßen angeschrieben werden.

worin g_m^g der Durchgriff des Transistors Q-^g ist und Rg den Widerstandswert des Widerstandes Rg bedeutet. Weiter ist der Verstärkungsgewinn, der durch den Transistor Ogg zwischen dem Schaltungspunkt 76 und dem Anschluß 36 verursacht wird, folgendermaßen anzugeben*

worin g_mg9 der Durchgriff des Transistors Q₆₉ ist und R₉ den Widerstandswert des. Widerstandes Rg bedeutet. Nachdem der Gesamtverstärkungsgewinn der Ausgangsstufe sich als alqebraische Summe der Verstärkungsgewinne darstellt, welche den zwischen der Basis und dem Kollektor des Ausgangstransistors Qq_üt fließenden Signalen mitgeteilt werden, läßt sich der Gesamtverstärkungsgewinn folgendermaßen anschreiben:

|jml5^R7 ⁺

Da der Durchgriff oder die Steilheit eines Transistors durch den Ausdruck (I/Vm) angegeben werden kann, worin I der Emitterstrom des Transistors und V_T = KT/q, worin wiederum K die Boltzmann-Konstante, T die absolute Temperatur und q die Ladung eines Elektrons bedeuten, ergibt sich, daß der Gesamtverstärkungsgewinn für kleine Signale folgendermaßen ausgedrückt werden kann;

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[(I₁R₇/2V_T + (I₁+^ JR₈^₁J₁ + (I₂R₉)Z^V₁] /2

wobei I2 der Strom ist, welcher durch- die Stromquelle 42 erzeugt wird. Es sei bemerkt, daß die Stromquelle 42 den Verstärkungsgewinn für kleine Signale um folgenden Ausdruck erhöht: ■ ■ ·

Zur Untersuchung der Wirkungsweise der Schaltung 10 seien zunächst die Wirkungsweise der E.ingangsstufe. 12, der zweiten Stufe 22 und der Schaltung 30 zur Verschiebung des Spannungs pegels näher betrachtet. Wenn die Spannung am Eingangsanschluß 14 stärker positiv als die Spannung am Eingangsanschluß 16 ist, so leitet der Transistor Q-^, während der Tran sistor Q₂ sich im nichtleitenden Zustand befindet. Die Spannung an dem Anschluß 20 wird daher stärker positiv als die Spannung- an dem Anschluß 18. Aufgrund des Auftretens dieser Spannungen an den Anschlüssen 18 und 20 wird der Transistor Q5 in den nichtleitenden Zustand und der Transistor Og in den leitenden Zustand gestellt, so daß die Spannung an dem Anschluß 26 stärker positiv ist als.die Spannung an den Anschluß 28. Die Gleichspannungspegel der an den Anschlüssen 26 und 28 auftretenden Spannungen sind durch die Schaltung 30 zur Verschiebung des Spannungspegels in negativer Richtung in der oben erwähnten Art und Weise verschoben, doch ist die Spannung an dem Schaltungspunkt 32 und damit an dem Anschluß 36 immer noch stärker positiv als' die Spannung an dem Schaltungspunkt 34 .und damit an dem Anschluß 38. Es ergibt sich somit, daß der Anschluß 36 stärker positiv als der Anschluß 38 ist. Andererseits ergibt sich dann, wenn die Spannung.am Eingangsanschluß 16 stärker positiv ist, als die Spannung an dem Eingangsanschluß 14, daß die Transistoren Q₂ und Q₅ leiten, während die Transistoren Q-^ und Og nichtleitend sind, so daß die Spannung an dem Schaltungspunkt- 34 und damit an dem Anschluß 38 stärker positiv als

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die Spannung an dem Schaltungspunkt 3 2 und damit an dem Anschluß 36 ist.

Es sei nun die Ausgangsstufe 40 näher betrachtet. Wenn die Spannung an dem Anschluß 36 stärker positiv als die Spannung an dem Anschluß 38 ist, so führt der Transistor Q^₃ nahezu sämtlichen Strom I^_r der von der Stromquelle 70 erzeugt wird, nämlich vorliegend 3 mA. Der Strom 1·^ fließt such die KoI-lektor-/Emitterstrecke des Transistors Qi5 und bewirkt einen verhältnismäßig großen Unterschied der an der Basis-/Emitterstrecke liegenden Spannung zwischen den Transistoren 0-^ und Qig mit dem Ergebnis, daß der Transistor Qgg nahezu den gesamten Strom I2 von vorliegend 2 mA führt, welcher durch die Stromquelle 42 bereitgestellt wird. Die Basis des Transistors C>17 wird auf eine Spannung von nahezu gleich IiR^ heruntergezogen, worin R7 der Widerstandswert des Widerstandes R7 ist, so daß die die Basis beaufschlagende Stromquelle des Ausgangstransistors Q₀^rp ausgeschaltet wird. Die in der Basis des Ausgangstransistors Qqut ^vornan^^ene Ladung wird rasch über die Stromquelle 42 abgeführt. D.h. der Schalter 44 verbindet die Stromquelle 42 mit der Basiselektrode des Transistors Qqut' ^{um θ}^^ηΘ aktive Ladungsabführung von der Basis des Ausgangstransistors QquT ^zu bewirken. Nachdem die Basis des Ausgangstransistors Qqut entladen ist, fließt der Strom I2 der Stromquelle 42 von der Speisespannungsquelle +V_cc über die Schottky-Diode S-^q und den Transistor Qg^ und außerdem über den Widerstand Rg und die Kollektor-/Emitterstrecke des Transistors Q2.7 · Die Diode S-^g bewirkt eine Begrenzung entsprechend einem Schottky-Spannungsabfall (etwa 0,5 Volt) bezüglich des Ausschwingens der Spannung an der Basiselektrode des Ausgangstransistors Qqut* ®^-^e Spannung an dem Ausgangsanschluß 31 steigt somit in positiver Richtung zur Spannung +V _c wegen des Nachzieheffektes des Transistors Q-^o an und die Basiselektrode des Transistors Q-^g geht auf 3,4 Volt.

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λ' ό a « · λ ti ο « λ

Wenn andererseits die Spannung an dem Anschluß 38 stärker positiv als die Spannung an dem Anschluß 36 ist, so fließt der Strom I₁ der Stromquelle 70 durch die Transistoren Q₁^ und Q₁₆. Unter diesen Umständen, verbindet der Schalter 44 die Stromquelle 42 elektrisch mit dem Emitter des Transistors Q₁₆ und trennt die Stromquelle 42 elektrisch von dem Schaltungspunkt 76 ab. Der Strom I2 fließt somit auch durch die Emitter-/Kollektorstrecke des Transistors Q₁₆..Aus diesem Grunde ist der Gesamtstrom durch den Widerstand Rg gleich dem Wert I₁ + I2. Die Basiselektrode des Transistors Q₁-^ wird mit ihrer Spannung auf die Spannung am Schaltungspunkt 72 hingezogen.. Der Transistor Q₁^ lädt die Basis deö Ausgangstransistors Qqut über den Strombegrenzungswiderstand Rg auf (es sei bemerkt, daß die Kollektor-/Emitterstrecke des Transistors Q₆Q in einer offenen Schaltung liegt)» Der Ausgangstransistor Qqut ^w^^r<^ ^ⁿ die Sättigung getrieben und seine Kollektorspannung fällt auf Erdpotential bis der Ausgangstransistor durch die interne Schottky-Diodenfunktion seiner Basis-ZKollektorstrecke festgehalten wird. Es ist festzustellen, daß der Strom (J₁ + Io) durch den Transistor Q₁₆ und den Widerstand Rg die Anstiegsgeschw.indigkeit an der Basis des Transistors Q^ erhöht·, was die Ausgangsspannung am Ausgangsanschluß 31 herabsetzt. Nachdem weiter über den Widerstand Rg ein verhältnismäßig großer Strom, nämlich der Strom I₁ + Ij, fließt, kann der Widerstandswert herabgesetzt werden, um die richtige Spannung an der Basiselektrode des Transistors Q-^g bereitzustellen und daher wird die Zeitkonstante der Schaltung (welche durch den. genannten Widerstand und die· innere Kapazität des pull-up-Transistors Q-jq gebildet ist) vermindert.

Leerseite

Claims

Patentansprüche

Differentialverstärker mit einem Paar von Transistoren (Q-7f Qg)' welche mit je einer entsprechenden Elektrode zusammengeschlossen sind und mit Schaltungsmitteln (R3, R^) zur Kopplung von jeweiligen Ausgangselektroden der Transistoren des Transistorpaares mit einem Anschluß, an den eine Spannungsquelle (+V_„) anlegbar ist, gekennzeichnet durch ein Paar von Dioden (S3, S^), welche gegeneinandergepolt zwischen die Ausgangselektroden des Transistorpaares geschaltet sind sowie durch eine Vorspannungsschaltung (24), welche zwischen den genannten Anschlußpunkt und die zusammengeschalteten Elektroden d.er Transistoren (Q7, Q₈) des Transistorpaares gelegt ist und eine Impedanz aufweist, welche zu der Impedanz zwischen dem genannten Anschlußpunkt und der Ausgangselektrode eines Transistors des Transistorpaares in Beziehung steht.
2.. Differentialverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsmittel zur Verbindung der jeweiligen Ausgangselektroden der Transistoren (O7, Qg) des Transistorpaares mit dem genannten Anschlußpunkt die Gestalt von Widerständen (R3, R^) haben und daß die Vorspannungsschaltung (24) einen ersten Widerstand (Rj₀) enthält, der zwischen den genannten Anschlußpunkt und die zusammengeschalteten Elektroden der Transistoren (Q7, Qg) des Transistorpaares gelegt ist und zu der Reihenschaltung eines zweiten Widerstandes (R_a) und einer Diode (S^) parallelliegt.
3. Differentialverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannungsschaltung (24) Einrichtungen zur Erzeugung einer Spannung- zwischen dem genannten Schaltungspunkt und den zusammengeschalteten Elektroden der Transistoren (07, Qg) des Transistorpaares in Abhängigkeit

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von der Spannung zwischen dem genannten Anschlußpunkt und der Ausgangselektrode eines Transistors des Transistorpaares enthält!
4. Differentialverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (Q₇, Q₈) mit ihren Basiselektroden zusammengeschaltet sind, daß die Kollektorelektroden der Transistoren (Q₇, Qg) über die genannten Schaltungsmittel bzw. über die Widerstände {Rjr R4) Verbindung zu dem gemeinsamen Anschlußpunkt haben und daß die Vorspannung.sschaltung (24) zwischen die Spannungsquelle (+V_cc) und die Basiselektroden der Transistoren gelegt ist, um deren Sättigung zu verhindern.
5. Differentialverstärker nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Erzeugung einer Spannung zwischen dem genannten Anschlußpunkt und den zusammengeschalteten Transistorelektroden diese Spannung an die Parallelschaltung des genannten ersten Widerstandes (R]₃) mit der Reihenschaltung des zweiten Widerstandes (R_a) mit der Diode (S^) erzeugen.
6. Differentialverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannungsschaltung (24) eine Stromquelle (57) enthält, welche mit den Transistoren (Q₇/ Q3) des Transistorpaares gekoppelt ist.
7. Differentialverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch ein weiteres Paar von emitterseitig zusammengeschlossenen und mit einer Stromquelle (52) verbundenen Transistoren (05/ Qg)/ deren Kollektorelektroden an die freien Elektroden bzw. an die Emitterelektroden der Transistoren (Q₇, Qg) des erstgenannten Transistorpaares angeschlossen sind und daß die Vorspannungsschaltung (24) dazu dient, die Sättigung der Transistoren des erstgenannten Transistorpaares zu verhindern. '

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8. Differentialverstärker nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß er die zweite Stufe (22) einer Differentialverstärkerschaltung (12, 22) bildet, welcher eine gleich oder entsprechend, ausgebildete erste Stufe (12) in der Weise vorgeschaltet ist, daß die Kollektorelektroden der Transistoren (Q3, Q4). des ersten Transistorpaares der ersten Stufe (12) mit je einer Basiselektrode der Transistoren (Qr, Qg) des weiteren. Transistorpaares der zweiten Stufe (22) verbunden sind und daß die insbesondere für beide Stufen (12-, 22) gemeinsam vorgesehene Vorspannungsschaltung (24) die Reihenschaltung einer Diode (Dv) und eines p-n-überganges (Sg) enthält, über welche der genannte Anschlußpunkt (21) der ersten Stufe (12) an die bzw. eine Spannungsquelle (+V__) angeschlossen ist.