DE2249859B2 - Integrierte Verstärkerschalung - Google Patents

Description

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tere Maßnahmen zu verkleinern, ohne daß dadurch lektor des Wandlerstufentransistors erfolgt Die Erfin-

die Frequenzstabilität und die Ansprecjigeschwindig- dung wird ferner dadurch weitergebildet, daß die

keit verschlechtert werden. Diese Schaltungsmaßnah- Eingangstransistoren PNP-Substrat-Transistoren und

rner» sollen nicht nur wie der Miller-Effekt bei inver- daß der Wandlerstufentransistor ein NPN-Substrattierenden, sondern auch bei nichtinvertierenden Ver- 5 Transistor ist

stärkein verwendet werden können. Die mit der Eingangsstufe in Serie geschaltete

Ausgehend von der eingangs erwähnten Verstärker- Spannungsverstärkungsstufe isi in vorteilhafter Weise schaltung wird diese Aufgabe erüudungsgemäß da- derart ausgebildet, daß die der Eingangsstufe nachdurch gelöst, daß in der Eingangsstufe zwei PNP- geschaltete Spannungsverstärkerstufe eine erste Emit-Transistoren mit Mehrfachkollektoren vorgesehen io terfolgerstufe, die von einer Konstantstromquelle sind, deren Emitter mit einer Konstantstromquelle gespeist wird, und eine sich anschließende Emitterverbunden sind, daß jeweils einer der Mehrfach- folgerstufe, die von einer weiteren Konstantstromkollektoren mit der Wandlerstufe für den unsymme- quelle gespeist wird, umfaßt, das eine ausgangsseitige irischen Signp^bgriff gekoppelt ist, daß die Basen ''Treiberstufe mit dem Ausgang der zweiten Emitterder Mehrfachkollektortransistoren mit den Emittern 15 folgerstufe und der einen Seite des Kompensationszweier PNP-Eingangstransistoren, deren Kollektoren kondensator verbunden ist und daß die andere Seite auf Massepotential liegen, gekoppelt sind, daß sich des Kcaipensationskondensators mit dem Eingang an den unsymmetrischen Signalabgriff die Spannungs- der ersten Emitterfolgerstufe gekoppelt ist.
verstärkerstufe anschließt und daß zur Verringerung Die Erfindung wird in besonders vorteilhafter des Kapazitätswertes und damit der Größe des Korn- so Weise in einem monolithisch integrierten Operationspensationskondensators die jeweils anderen der Mehr- verstärker verwirklicht, der eine Stromverstärkungsfachkollektoren entweder direkt oder über *1ie Ein- Eingangsstufe umfaßt, die eine Spannungsverstärgangstransistoren mit Masse verbunden sind. kungsstufe mit einem Gegenkopplungskondensator

Die Vorteile einer nach den Maßnahmen der Er- als Milier-Kondenj.ator ansteuert. Die erforderliche findung gebauten integrierten Verstärkerschaltung 95 Kompensationskapazitat für einen stabilen Betrieb bestehen einmal in der Tatsache, daß eine stabile des Operationsverstärkers ist proportional der Strom-Arbeitsweise des Verstärkers mit einem kleinen verstärkung g_m der Eingangsstufe. Diese Stromver-Kompensationskondensator erreicht werden kann, Stärkung g_m wird durch Verwendimg lateraler PNP-der direkt mit auf das Halbleiterplättchen integriert Mehrfachkollektor-Transistoren in einer Differenzist. Ein weiterer Vorteil, besteht in der einzigartigen 30 schaltung mit gekoppelten Emittern verringert. Dabei Verbindung der PNP-Mehrfachkollektortransistoren fließt nur ein Teil des Emitterstromes über die entmit den Eingangstransistoren, wodurch es. möglich sprechenden Kollektoren der MehrfachkoUektorwird, daß der Gegentakt-Eingangsspannungsbereich Transistoren, die mit einer Wandler stufe für den auch die Nullspannung des Systems mit einschließt. unsymmetrischen Signalabgriff verbunden sind. Der Dies ist besonders wichtig in elektronischen Systemen 35 verbleibende Strom fließt über den zweiten Kollektor in Automobilen, wo es erwünscht wird, Stromversor- des jeweiligen Mehrfachkollektor-Transistors, der gungen mit <-isem Mittelspannungsabgriff vorzusehen. nicht mit dieser Wandlerstufe in Verbindung steht. Da die Ansprechgeschwindigkeit von PNP-Lateral- Damit wird ein Teil des Stromes über jeden Mehrtransistoren verhältnismäßig langsam ist, verglichen fachkollektor-Transistor an der Wandlerstufe vorbei mit der von NPN-Transistoren, die normalerweise in 40 nach Masse abgeleitet, womit eine Verringerung des den Eingangsstufen von Operationsverstärkern ver- Stromverstärkungsverhältnisses g_m der Eingangsschalwendet werden, ermöglicht das Vorhandensein der tung in Abhängigkeit von der relativen Größe des Mehrfachkollektor-Transistoren, bei denen ein Teil Kollektorb<"eiches des jeweiligen PNP-Mehrfachdes Stroms ati die Basis und von dort tür Masse des kollektor-Transistors bewirkt wird. Damit läßt sich Systems abgeleitet wird, die Verwendung einer Kon- 45 der Kompensationskondensator so weit verkleinern, stantstromquelle mit einem großen Strom. Dieses daß er auf dem Halbleiterplättchen nur einen minigewährleistet eine relativ schnelle Ansprechgeschwin- malen Flächenbereich beansprucht,
digkeit, da viel Ladestrom zur Verfugung steht, wäh- Die Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der rend an dem Teilkollektor, der das verstärkte Signal nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführt, nur ein wesentlich kleinerer Strom fließt. Somit 50 führungsform der Erfindung in Verbindung mit den wird die gewünschte Verringerung des Stromver- Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigt
hältnisses erreicht, ohne daß das Frequenzverhalten Fig. 1 das Schaltbild einer bevorzugten Ausfühverschlechtert wird. Ein weiterer Vorteil besteht auch rungsform mit einem intern kompensierten Verstärdarin, daß auf Grund der Verwendung von PNP- ker, dessen Eingangsstufe einen niedrigen Stromver-Substrat-Transistoren in der Eingangsstufe und in der 55 stärkungswert hat,

Wandlerstufe sowie in der Spannungsverstärkungs- F i g. 2 das Blockdiagramm eines intern kompen-

stufe die Halbleiterfläche besonders sparsam ausge- sierten Operationsverstärkers, dessen Spannungsver-

nutzt wird, was mit einer wesentlichen Kostensenkung stärkerstuffc von einer Eingangsstufe mit niedrigem

verbunden ist. Stromverstärkungswert angesteuert wird,

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist 60 Fig. 3a und 3b bekannte Verfahren zur Verrinvorgesehen, daß die Wandlerstufe für den unsymme- gerung des Stromverstärkungsfaktors der Eingangstrischen Signalabgriff aus einem Transistor und einer stufe von Operationsverstärkern,
Diode besteht, daß die Kathode der Diode und der F i g. 3 c die Eingangsstufe mit niedrigem Strom-Emitter des Transistors an Masse liegen, daß der verstärkungsfaktor gemäß der Erfindung.
Kollektor des Transistors mit dem einen und seine 65 In F i g. 2 ist ein Blockdiagramm eines Operations-Basis mit der Diodenanode und dem anderen der Verstärkers dargestellt, der eine Eingangsstufe 14 mit jeweils einen Mehrfachkollektoren verbunden sind einer Stromverstärkung g_m umfaßt, die eine invertie- und daß der unsymmetrische Signalabgriff am KoI- rende Spannungsverstärkungsstufe 52 ansteuert, deren

Spannungsverstärkung « beträgt. Ein Gegenkopp- pensationskondensators nicht zu dem gewünschten lungskondensator 72 liegt zwischen dem Ausgang der Ziel führt. Eine weitere Ausführungsform zur Ver-Spannungsverstärkerstufe 52 und deren Eingang und ringerung des Stromverhältnisses ist in F i g. 3 b darbewirkt damit eine interne Kompensation für den gestellt. Hierbei werden Dioden 15 und 17 über die Operationsverstärker 8. Ein Schaltbild einer bevor- 5 Basis-Emitter-Strecke der PNP-Transistoren 20 und zugten Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 1 22 geschaltet, so daß ein Teil des von der konstanten dargestellt, wobei die Eingangsstufe 14 eine Differenz- Stromquelle 16 gelieferten Stromes von dem Basisschaltung 19 umfaßt, die an einer konstanten Strom- Emitter-Übergang abgeleitet wird. Damit läßt sich quelle 16 liegt. Diese Differenzschaltung besitzt zwei ebenfalls eine Verringerung des Stromverhältnisses g_m laterale PNP-Transistoren 20 und 22 mit Mehrfach- io der Eingangsstufe 14 erzielen. Dieses Verfahren hat kollektoren. Die Transistoren 20 und 22 sind emitter- den Nachteil, daß die Dioden 15 und 17 ebenfalls gekoppelt. Ferner sind PNP Substrat Eingangstran- einen beträchtlichen Flächenbereich des Halbleitersistoren 36 und 38 vorgesehen, deren Basis mit dem plättchens benötigen. Außerdem wird, obwohl der jeweils zugeordneten Eingang 40 bzw. 42 verbunden von der konstanten Stromquelle 16 gelieferte Strom ist. Die Eingangsstufe 14 umfaßt ebenfalls eine Schal- 15 sehr leicht verringert werden kann, damit ein Nachtung 44 mit einem unsymmetrischen Ausgang, be- teil in Kauf genommen, da der geringere Vorstrom stehend aus einer Diode 48 sowie einem NPN-Tran- für die Transistoren 20 und 22 auch eine Verschlechsistor 46. Die Spannungsverstärkerstute 52 umfaßt terung des Ubertragungsfrequenzganges bewirkt und eine eingangsseitige Pufferstufe 61 mit komplemen- somit auch der Übertragungsfrequenzgang der Eintären Emitterfolgertransistoren 64 und 66 und einer 20 gangsstufe 14 verschlechtert wird. Daraus ergibt sich, konstanten Stromquelle 54. Der Ausgang 50 der Ein- daß eine Verzögerung des Kompensationskondengangsstufe 14 ist mit der Basis des Transistors 64 sators 72 erforderlich ist, um diese Verschlechterung verbunden. Die Ausgangsseite tier Spannungsverstär- des Ubertragungsfrequenzganges zu kompensieren. In kerstufe 52 umfaßt einen Transistor 68, eine kon- Fig. 3c ist das Verfahren zur Verringerung des stante Stromquelle 70 und in Kaskade geschaltete 25 Stromverhältnisses g_m der Eingangsstufe 14 gemäß Emitterfolgertransistoren 74 sowie 78. Ferner ist ein der Erfindung dargestellt. Die beiden Transistoren Strombegrenzungswiderstand 80, ein Transistor 76 20 und 22 mit einem Mehrfachkollektor werden in und ein PNP-Substrat-Transistor 82 vorgesehen. Ein einer Differenzschaltung betrieben. Die Kollektoren Kompensationskondensator 72 ist zwischen den KoI- des Transistors 20 und entsprechend die Kolleklektor des Transistors 68 und den Anschluß 50 ge- 30 toren des Transistors 22 haben einen Bereich A und schaltet, der gleichzeitig den Eingang der Spannungs- nA und nehmen entsprechend den abgegebenen verstärkerstufe 52 darstellt. Strom auf. Das Stromverhältnis g_m der Eingangs-Es ist bekannt, daß die Gesamtversliirkung eines stufe gemäß Fig. 3c wird somit um den Faktor Operationsverstärkers gemäß F i g. 2 bei hohen Fre- ⁿ +" 1 verringert. Da der von der konstanten Stromquenzen vom Produkt der Stromverstärkung g_m der 35 quelle 16 gelieferte Strom dabei nicht verringert wird, Eingangsstufe 14 und der Spannungsverstärkung UsC wird auch der Ruhestrom über die Emitter der Trander Spannungsverstärkerstufe 52 abhängt, wobei C sistoren 20 und 22 nicht verringert, so daß sich keine der WertdesKompensationskondensatui_S72 ist. Da- Benachteiligung und Verschlechterung des Überher ist die Kreisfrequenz ω der Verstärkungseinheit tragungsfrequenzganges für die Eingangsstufe ergleich dem Ausdruck gJC, so daß, um die Größe 40 gibt.

des Kompensationskondensators 72 zu verringern. In F i g. 1 ist eine modifizierte Ausführungsform auch die Stromverstärkung g_m der Eingangsstufe ver- der Eingangsstufe 14 gemäß Fig. 3c dargestellt, in ringen werden muß, um einen stabilen Verstärker welcher PNP-Substrat-Eingangstransistoren 36 und bei einer nicht invertierenden Verstärkerschaltung zu 38 zusätzlich Verwendung finden. Daraus ergibt sich gewährleisten. Verschiedene bekannte Möglichkeiten, 45 ^e'^ne Spannungsniveauverschiebung, durch welche die um die Stromverstärkung einer emittergekoppelten Verwendung der Spannung Null, d. h. der durch das Differenzschaltung als Eingangsstufe zu verringern, Massepotential festgelegten Spannung in den Gegensind in den F i g. 3 a und 3 b dargestellt. Bei der takt-Spannungsbereich der Ansteuerung mit aufge-Ausführungsform gemäß F i g. 3 a werden Emitter- nommen werden kann, wobei gleichzeitig der Einwiderstände 11 und 13 mit einem Wert R* verwendet. 50 gangsstrom sowohl an der Klemme 48 als auch an Dieser Wert R_E kann groß genug gemacht werden, der Klemme 42 weiter verringert werden kann. Die am eine Gegenkopplung der Transistoren für einen Kollektoren 26 und 32 der Lateraltransistoren 20 verbesserten Frequenzgang zu ergeben und gleich- und 22 haben jeweils einen Bereich nA und sind zeitig einen kleinen Wert für die Stromverstärkung g_m mit den Emittern der zugeordneten Transistoren 36 zu schaffen. Unglücklicherweise wird hierfür ein 55 bzw. 38 verbunden. Dadurch erhalten diese einen Widerstandswert erforderlich, der bei einer ausrei- Vorstrom und liegen nicht an Masse, wie dies bei chend kleinen Stromverstärkung den Wert von der Ausführungsform gemäß Fig. 3c der Fall ist. lOOk-Ohm übersteigt. Wenn Widerstände in dieser Der unsymmetrische Ausgang der Eingangsstufe 44 Größe als diffundierte Widerstände ausgebildet wer- wird von den beiden verbleibenden Kollektoren 24 den sollen, so wird hierfür ein sehr großer Bereich 60 und 30 abgegriffen und eliminiert die Notwendigkeit des Halbleiterplättchens benötigt, insbesondere, wenn einer Gegentaktschleife, um die Ströme der Eingangssie gut aneinander angepaßt sein sollen, damit größere stufe festzulegen. Der Ausgang dieser Eingangsstufe Abweichungen der Eingangsspannung vermieden wer- ist der Verbindungspunkt 50 und liegt an einer den. Diese Notwendigkeit eines sehr voluminösen Pufferstufe aus Emitterfolgertransistoren 64 und 66. Widerstandes macht jedoch die Verringerung des 65 Diese Transistoren haben entgegengesetzte Polarität, Flächenbedarfs für den Kondensator zunichte, so so daß die Polaritätsumkehr fan wesentlichen ausdaß dieses Verfahren zur Verringerung des Strom- geglichen wird. Die Ansteuerung der Emitterfolgerverhältnisses bei gleichzeitiger Verringerung des Korn- stufe ist auf einen Wert von etwa /. der StromaaeUe

54 begrenzt. An dem Ausgang 84 des Operationsverstärkers hängt ein nicht dargestellter externer Lastwiderstand, über den das Ausgangssignal nach Masse geführt wird. Wenn der Operationsverstärker in dieser Weise betrieben wird, wirkt er als A-Verstärker. Die Emitterfolgertransistoren 74 und 78 erhöhen die ausgangsseitige Stromkapazität und verbessern die Entkopplung bezüglich des Lastwiderstandes. Da der Transistor 68 ausreicht, um die Transistoren 74 und 78 abzuschalten, ist es möglich, über den externen Lastwiderstand die Ausgangsklemme des Ausgangs 84 auf Masse zu bringen. Damit kann sowohl am Eingang wie am Ausgang ein Spannungsbereich erfaßt werden, der Massepotential mit umfaßt. Eine Kurzschlußstrombegrenzung wird durch die Beseitigung der Ansteuerung vom Transistor 74 über den Transistor 76 erreicht, wenn der Strom über den Widerstand 80 den Emitterübergang des Transistors 76 in Durchlaßrichtung vorspannt. Zusätzlich bewirkt der PNP-Substrat-Transistor 82 ίο bei großen Signalansteuerungen eine verbesserte ausgangsseitige Absenkung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1. l 2

   sationskondensator zur inneren Frequenzgangkom-Patentansprüche: pensation.

   Bekannte Operationsverstärker (US-PS 3 649 846)

   ■_: 1. integrierte Verstärkerschaltung mit einer benötigen große Kompensationskondensatoren, um Eingangs-Differentialstufe, einer Wandlsrstufe für s die notwendige Kompensation für einen stabilen Verunsymmetrischen Signalabgriff, einer Spannungs- stärkerbetrieb bei einer nicht invertierenden Einheit yerstärkerstufe mit einem Kompensationskonden- zu gewährleisten. Dies führt bei integrierten Scbaltunsator zur inneren Frequenzgangkompensation, gen zu der Notwendigkeit, zusätzliche Anschlußklcmdadurch gekennzeichnet, daß in der men vorzusehen, um externe Kondensatoren anschlie-Eingangsstufe (14) zwei PNP-Transistoren (20, io ßen zu können. Damit ist die Anzahl der Operations-22) mit Mehrfachkollektoren (24, 26; 30, 32) verstärker, die auf einem einzigen Halbleiterplättchen vorgesehen sind, deren Emitter (18) mit einer angeordnet sein können, stark beschränkt. Wenn je-Konstantstromquelle (16) verbunden and, daß doch Operationsverstärker geschaffen werden sollen, jeweils einer (24, 30) der Mehrfachkoüektoren die nur besonders geringe Kosten verursachen dürfen, mit der Wandlerstufe (44) für den unsymmetri- 15 ist es erforderlich, möglichst viele Operationsverstärschen Signalabgriff gekoppelt ist, daß die Basen ker auf einem einzigen Halbleiterplättchen anordnen (28, 34) der Mehrfachkollektortransistoren (20, zu können, das in einem zweckmäßigen GeMuse mit 22) mit den Emittern zweier PNP-Eingangstran- möglichts wenigen Anschlußleitungen untergebracht sistoren (36, 38), deren Kollektoren auf Masse- werden kann. Derartige Operationsverstärker sind potential (12) liegen, gekoppelt sind, daß sich an ao z. B. für die Anwendung in der Autoelektronik vorden unsymmetrischen Signalabgriff (50) die Span- gesehen. Ein solcher Operationsverstärker soll ferner nungsverstärkerstufe (52) anschließt und daß zur von einer einzigen Stromquell·; aus wirtschaftlich zu Verringerung des Kapazitätswertes und damit der betreiben sein. Ferner soll der Betrieb des Operations-Größe des Kompensationskondensators (72) die Verstärkers eine Ansteuerung im Gegentakt einjeweils anderen (26, 32) der Mehrfachkollektoren as schließlhJi des Nulldurchganges umfassen, wobei entweder direkt oder über die Eingangstransisto- dieser Nulldurchgang dem Potentialwert des Masseren (36, 38) mit Masse (12) verbunden sind. anschlusses entspricht. Es ist auch bereits die Ver-
2. 2. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, da- Wendung eines Kompensationskondensators zwischen durch gekennzeichnet, daß die Wandlerstufe (44) zwei Stufen eines Operationsverstärkers bekannt, um für den unsymmetrischen Signalabgriff aus einem 30 Stabilität zu erreichen. Der Wert der Kompensations-Transistor (46) und einer Diode (48) besteht, daß kapazität kann sehr groß sein, deshalb wird der Komdie Kathode der Diode (48) und der Emitter des pensationskondensator so angeordnet, daß der soge-Transistors (46) an Masse (12) liegen, daß der nannte Miller-Effekt ausgenutzt werden kann. Dabei Kollektor des Transistor; (46) mit dem einen (30) kann der Wert des Kompensationskondensators um und seine Basis mit der Diodenanode und dem 35 den Wert der Leerlaufverstärkung der kompensierten anderen (24) der jeweils einen Mehrfachkollek- Stufe verringert werden. Diese Art der Kompensation toren verbunden ist und daß der unsymmetrische ist nur bei invertierenden Verstärkern verwendbar, Signalabgriff (50) am Kollektor des Wandler- und außerdem sind die Kapazitätswerte immer noch Stufentransistors erfolgt. zu grcÖ, um auf dem Halbleiterplättchen in inte-
3. 3. Verstärkerschaltung nach Anspruch ! oder 2, 40 grierter Technik untergebracht werden zu können,
   dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangstransi- Es ist auch bereits eine Schaltung bekannt (US-PS stören (36, 38) PNP-Substrat-Transistoren und 3 673 508), die die Verwendung von Emitterfolgerdaß der Wandlerstufentransistor (46) ein NPN- transistoren mit sehr geringer Kollektor-Emitter-Substrat-Transistor ist. spannung ermöglicht. Dadurch können sogenannte
4. 4. Verstärkerschaltung nach den Ansprüchen 1 45 Super-Beta-Transistoren mit sehr hoher Spannungsbis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die der Ein- verstärkung verwendet werden, so daß auch der Eingangsstufe (14) nachgeschaltete Spannungsverstär- gangswiderstand extrem hoch wird. Die bei solchen kerstufe (52) eine erste Emitterfolgersiufe (64, Schaltungen verwendeten PNP-Transistoren mit Zwei-66), die von einer Konstantstromquelle (54) ge- fachkollektoren dienen der Verstärkungsstabilisiespeist wird, und eine sich anschließende Emitter- 50 rung, wobei der auf die Basis zurückgekoppelte eine folgerstufe (74, 78), die von einer weiteren Kon- Kollektor eine scheinbare Stromverstärkung bewirkt, stantstromquelle (70) gespeist wird, umfaßt, daß die gleich dem Verhältnis der Flächen der jeweiligen eine ausgangsseitige Treiberstufe (68) mit dem Kollektorabschnitte ist. Da die scheinbare Stromver-Ausgang der zweiten Emitterfolgerstufe (74, 78) Stärkung von den Kollektorflächen abhängt, ist sie und der einen Seite des Kompensationskonden- 55 völlig unabhängig von Temperatur und Strom, so daß sators (72) verbunden ist und daß die andere die Verstärkung der Differentialverstärkerstufen in Seite des Kompensationskondensators (72) mit diesen Schaltungen in bezug auf Temperatur und dem Eingang der ersten Emitterfolgerstufe (64, Schaltungsparameter extrem stabil sind. Dieser be-66) gekoppelt ist. kannte Stand der Technik enthält keinerlei Hinweise

   60 darauf, wie das Stromverhältnis der Eingangsstufe zu verringern ist, um den in der folgenden Schaltungs-

   stufe verwendeten Kompensationskondensator wesentlich verkleinern zu können.

   Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die

   Die Erfindung betrifft eine integrierte Verstärker- 65 Größe des Kompensationskondensators in Operationsschaltung mit einer Eingangs-Differenzstufe, einer verstärkern, die eine Differenz-Eingangsstufe, eine Wandlerstufe für unsymmetrischen Signalabgriff, Wandlerstufe mit unsymmetrischem Signalabsriff und einer Spannungsverstärkerstufe mit einem Kompen- einer Spannungsverstärkerstufe aufweisen, durch wei-