DE2633952A1

DE2633952A1 - Differenzverstaerker

Info

Publication number: DE2633952A1
Application number: DE19762633952
Authority: DE
Inventors: Yoshio Sakamoto; Masahiro Yamamura
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1975-07-30
Filing date: 1976-07-28
Publication date: 1977-02-24
Also published as: US4059808A; JPS5216950A; NL7608450A

Description

PATENTANWÄLTE

SCHIFF ν. FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBBINGHAUS

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

• DIPL. CHEM. DR. OTMAR DITTMANN (f1B7S)

KARL LUDWIG SCHIFF

DIPL. CHEM. DR. ALEXANDER V. FÜNER

DIPL. INS. PETER STREHL

DIPL. CHEM. DR. URSULA SCHÜBEL-HOPF

DIPL. INQ. DIETER EBBINQHAUS

TeLEFON (O80) 48 2OB* TELEX 5-S3S65 AURO D

: AUROMARCPAT München

Hitachi, Ltd. DA-12215 DE/A

28. Juli 1976

Differenzverstärker (Priorität: 30. Juli 1975, Japan, Nr. 91922/75)

Die Erfindung bezieht sich auf einen Differenzverstärker, insbesondere auf einen Differenzverstärker mit einer Eingangsstufe, die npn- und pnp-Seitentransistoren enthält.

Erfindung und Stand der Technik werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Schaltbild eines bevorzugten erfindungsgemäßen

Differenzverstärkers,
Fig. 2 das Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels

des erfindungsgemäßen Differenzverstärkers, Fig. J das Schaltbild eines gegenüber Fig. 2 abgewandelten Differenzverstärkers,

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Fig. 4 das Schaltbild eines die Erfindung verkörpernden Vorverstärkers und

Fig. 5 das Schaltbild eines herkömmlichen Differenzverstärkers .

Die Schaltung der Fig. 5 wird in dem Operationsverstärker /uA 741 der Fairchild Inc., USA verwendet. Sie ist als Eingangsschaltung für Operationsverstärker bekannt, die als monolithische integrierte Halbleiterschaltungen hergestellt werden (US-PS 3 586 987). Die Eingangsstufe dieser Schaltung besteht aus integrierten npn-Transistoren Q₁ und Q₂ mit einem hohen Stromverstärkungsfaktor und integrierten pnp-Seitentransstoren Q, und Q. mit niedrigem Stromverstärkungsfaktor, um den Vorstrom möglichst klein zu halten. Da die Durchbruchspannung BVg-gQ der Basis-Emitterstrecke der integrierten pnp-Seitentransistoren hoch ist, während die der npn-Transistoren verhältnismäßig schlecht ist, kann ein breiter Differenz-Eingangsspannungsbereich erzielt werden. Da die pnp-Seitentransistoren Q_ und Q. mit einem konstanten Vorstrom I^ beaufschlagt werden, werden die Kollektorströme durch die jeweiligen Elemente im wesentlichen gleich, wenn die Basis-Emitter-Spannung zwischen den beiden Differenztransjgtoren Q₁ und Q₂ und den als aktive Belastung derselben dienenden Transistoren Q„ und Q passend gewählt sind. Die hochohmigen aktiven Belastungen sind mit den Transistoren Q₇ und Q„ versehen, um eine hohe Verstärkung zu erzielen. Die Verwendung dieser aktiven Belastungen bei monolithischen Operationsverstärkungen ist beschrieben in R.J. Widlar "Design techniques for monolithic operational amplifiers", IEEE J, Solid-State Circuits SC-4, No. 4, S. 184, August 1969.

Im allgemeinen sind die Streuungen oder Ungleichmäßigkeiten in den Kennwerten von Seitentransistoren groß. Daher werden eine Diode Qc » bestehend aus einem pnp-Transistor, dessen Kollektor an seine Basis angeschlossen ist, und ein Transistor Q'g verwendet, um eine Stromrückkopplung zur Stabilisierung des Betriebs

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der Seitentransistoren Q, und Q. herbeizuführen. Die Diode QA, die praktisch aus einem als Diode geschalteten Transistor bestehen kann, mißt oder erfaßt den durch die Transistoren Q.. und Qp fließenden Strom und stellt den Kollektorstrom des Transistors Qg entsprechend hierzu ein. Da der Senkenstrom I₁₃ durch das Eingangssignal an der Basis eines npn-Transistors Qp gesteuert und konstant gehalten wird, und weil der Differenzstrom des Kollektorstroms des Transistors QA und der Senkenstrom I-D den Basisstrom der Transistoren Q_ und Q. steuern, steigen die VorStromstabilität und der Gleichtaktunterdrückungsfaktor ((3MRR) an. Außerdem können Schwingungen leicht verhindert •werden, indem ein Phasenkompensationskondensator zwischen die Basen der Transistoren Q₇ und Q_ft und den an den negativen Pol -V_EE der Spannungsquelle angeschlossenen Anschluß des Transistors Q₇ (Qg) als aktive Belastung geschaltet wird. Da aber bei dieser Schaltung der positive Pol +Vqq der Spannungsquelle zur Stromrückkopplung direkt an die Seitentransisoren QA und Qg angeschlossen ist (wenn die Diode QA aus einem als Diode geschalteten Transistor besteht), gelangt zwischen Basis und Substrat dieser Transistoren eine hohe Spannung, so daß die Durchbruchsparinung in Sperrichtung problematisch wird. Darüber hinaus bestehen Begrenzungen hinsichtlich der Abwandlung des Schaltungsaufbaues und die Schaltung kann kaum vereinfacht werden.

Durch die Erfindung sollen die beim Stand der Technik bestehenden Schwierigkeiten vermieden werden} insbesondere soll ein für integrierte¹ Halbleiterschaltungen geeigneter Differenzverstärker geschaffen werden, bei dem die den Seitentransistoren zugeführte Spannung bei gleichbleibend hohem Gleichtaktunterdrückungsfaktor, gleichbleibender Stabilität und gleichbleibend hoher Grenzfrequenz herabgesetzt ist. Weiter soll ein für integrierte Halbleiterschaltungen geeigneter Differenzverstärker geschaffen werden, der in verschiedenerlei Weise abgewandelt und vereinfacht werden kann.

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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält der Differenzverstärker zwei npn-Differenztransistoren mit einer als Eingang geschalteten Easis und einem Emitter, wenigstens einen pnp-Seitentransistor, dessen Emitter an den Emitter eines npn-Transistors angeschlossen ist und einem das Ausgangssignal führenden Kollektor, wobei die Emitterspannung des zweiten der beiden npn-Transistoren der Basis des pnp-Transistors über ein KonstantSpannungselement zugeführt und ein Strompfad zwischen der Basis des pnp-Transistors und dem negativen Pol der Spannungsquelle vorgesehen ist.

Der erfindungsgemäße Halbleiter-Differenzverstärker enthält also zwei npn-Differenztransistoren, deren Emitter an den Emitter der Seitentransistoren angeschlossen sind, wobei den Basen ein Eingangssignal zugeführt wird und die Kollektoren gemeinsam an einen Pol der Spannungsquelle angeschlossen sind, so daß das Ausgangssignal am Kollektor des Seitentransistors abgegriffen werden kann. Die Emitterspannung der beiden Differenzverstärker wird der gemeinsamen Basis der pnp-Seitentransistoren über ein Konstantspannungselement zugeführt, das aus einem Transistor oder einer Diode besteht. Daher wird die an Basis und Substrat des Seitentransistors angelegte Spannung vermindert. Damit wird die Toleranz der Durchbruchspannung in Sperrichtung erhöht und der Schaltungsaufbau kann vereinfacht werden. Da weiter zwischen der Basis des pnp-Seitentransistors und der zweiten Klemme der Spannungsquelle ein Senkenstrompfad vorgesehen ist, kann ein stabilisierter Vorstrom zum Differenzverstärker fließen.

Pig. 1 zeigt das Schaltbild eines bevorzugten erfindungsgemäßen Differenzverstärkers, der als integrierte Schaltung ausgeführt ist.

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Die Eingangsstufe des Differenzverstärkers enthält komplementäre Elemente, nämlich zwei npn-Differenztransistoren Q^ und Q₂ mit hohem Stromverstärkungsfaktor und pnp-Seitentransistören Q-, und Q. mit niedrigem Stromverstärkungsfaktor und Widerstände R. und R₇, die jeweils zwischen die Emitter der npn- und der pnp-Transistoren geschaltet sind. Weitere npn^Transistoren Q₇ und Q₈ sind an den Kollektor der npn-Seitentransistoren Q, bzw. Q. als aktive Belastungen angeschlossen. Kollektor und Basis des Tran-* sistors Q₇ sind miteinander und mit der Basis des Transistors Qq verbunden, so daß die Transistoren Q₇ und Q„ mit konstantem Storn gespeist werden. Die Emitter der Transistoren Q₇ und Q_Q sind über einen Widerstand R^ bzw. R„ an den negativen Pol -V-gg der Spannungsquelle angeschlossen. Die Vorspannung für die pnp-Seitentransistoren Q_ und Q/ wird durch pnp-Seitentransistoren Qj- und Qg gesteuert. Die Emitter der Transistoren Q₁- und Qg sind über Emitterwiderstände R₅ und Rg an die Emitter der npn-Transistoren Q. und Q^ angeschlossen; die Basen der Transistoren Q_ und Qg sind auf die Basen der pnp-Transistoren Q, und Q.. geschaltet und die Kollektoren mit der gemeinsamen Basis und dem Kollektor eines Transistors Q_g verbunden. Der Transistor Qq bildet eine Schaltung zur Vorgabe eines konstanten Senkenstroms; mit ihm wird der Vor* strom des Differenzverstärkers eingestellt. Die Vorströmsteuerung an der Basis des Transistors Qq kann wirksam ausgenutzt werden. Das Eingangssignal wird dem Differenzverstärker an den Basen der beiden npn-Differenztransistoren Q^ und Q₂ zugeführt. Das Ausgangssignal wird vom Kollektor eines der beiden Seitentransistoren (L (oder Q,) abgegriffen* Vorzugsweise ist, wie durch gestrichelte Linien angedeutet, ein Kondensator C, zwischen die Basen der Transistoren Qr* und Q_Q und den negativen Pol -V₁.^ der Spannungsquelle geschältet, um Schwingungen zu verhindern.

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Bei der vorstehend beschriebenen Differenzverstärkerschaltung wird die Emitterspannung des npn-Transistors Q.. (oder Qp) der Basis des pnp-Seitentransistors Q^ (oder Q.) zugeführt, der eine Eingangsstufe mit dem npn-Transistor Q.. (oder Qp) bildet, und zwar über die Emitter-Basisstrecke des Seitentransistors

Q₁. (oder Q<-), der als Konstant Spannungselement dient. Daher ρ ο

wird der Basis des pnp-Seitentransistors Q, (oder Q.) von der Basisspannung des Transistors Q₁ (oder Qp) eine konstante Vorspannung zugeführt, die durch die konstante Basis-Emitterspannung des Transistors Q^ (oder Q^) und des Transistors Q₁ (oder Qp) vorgegeben wird. Weiter kann, weil die Transistoren Qc und Q,- mit einem konstanten Senkenstrom gespeist werden, der über den Transistor Qq zugeführt wird, ein stabilisierter Vorstrom durch den Differenzverstärker fließen. Da die Emitter-Basis-Strecken der Transistoren Q,- und Qg jeweils parallelgeschaltet sind den Emitter-Basis-Strecken der Transistoren Q~ und Q., wird eine hervorragende Stabilität des Vorstroms für die Seitentransistoren Q, und Q. der Eingangsstufe gegenüber Änderungen der Umgebungstemperatur oder Änderungen der elektrischen Eigenschaften der pnp-Transistoren erzielt.

Da die Eingangsstufe aus komplementären bipolaren Transistoren mit npn- und pnp-Transistoren besteht, wird ein weiter Bereich der Eingangs-Differenzspannung erzielt. Weiter kann in einfacher Weise eine Phasenkompensation erreicht werden, indem der Kondensator C. zugeschaltet wird, und es kann ein großer G-egentaktjinterdrückungsfaktor erreicht werden. Da die pnp-Seitentransistoren Q und Qg nicht direkt an den positiven Pol + V_c~ der Spannungsquelle angeschlossen sind, kann die Basis-Substrat-Spannung auf etwa die Hälfte des herkömmlichen Werts abgesenkt werden. Statt eines Transistors als Belastung der pnp-Transistoren Q- und Q. kann auch eine passive Einrichtung, beispielsweise ein Widerstand anstelle einer solchen aktiven Belastung verwendet werden.·

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Weiter kann, wie aus den folgenden Erläuterungen noch deutlicher hervorgeht, die erfindungsgemäße Schaltung in verschiedener Weise abgewandelt und vereinfacht werden.

Fig. 2 zeigt das Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Differenzverstärkers. Bei dieser Schaltung ist der Emitter eines pnp-Seitentransistors Q, an den Emitter eines der beiden npn-Differenztransistoren Q., und Qp, im vorliegenden Falle Qp, angeschlossen, während seine Basis mit dem Emitter des anderen npn-Transistors über ein Konstantspannungselement, nämlich eine Diode Q₁- verbunden ist, die aus einem Seitentransistor bestehen kann, dessen Basis und Kollektor miteinander verbunden sind. Der Kollektor des Transistors Q. ist an eine Konstant-Spannungs-Belastungsschaltung Iqp angeschlossen, während seine Basis mit einer Konstantspannungsschaltung I_Q, zur Einstellung des Vorstroms verbunden ist. Diese Schaltung kann als vereinfachte Version der Schaltung der Fig. 1 ohne die Transistoren Q, und Qg betrachtet werden.

Bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich zwischen die Basis und den Emitter des Transistors Q. eine Diode Qg geschaltet, wodurch das Gleichgewicht des Differenzverstärkers der Fig. 2 verbessert wird. Beträgt bei dieser Schaltung der Gleichstrom durch die Kollektoren der Transistoren Q.J und Q₂ jeweils zwei Teile, so kann der konstante Senkenstrom Ι'λ-4 drei Teile und der Strom I'_np ein Teil betragen.

In Fig. 1 können die Emitterwiderstände R. bis R„ weggelassen werden, wenn die Arbeitspunkte der aktiven Elemente in geeigneter Weise gewählt werden.

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Pig. 4 zeigt das Schaltbild eines Audio-Vorverstärkers, der eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Differenzverstärkers enthält. Die Schaltung ist in einem Halbleiterplättchen in integrierter Bauart untergebracht. Die erste Stufe besteht aus einem erfindungsgemäßen Differenzverstärker und die Ausgangsstufe aus einer Gegentaktschaltung mit einem npn-Transistor Q₁J. und einem pnp-Transistor CL _g. Transitoren CL „und Q,, und ein Widerstand R. bilden eine gemeinsame Vorspannungsleitung; der Transistor (L , spannt die erste Verstärkerstufe und der Transistor CL q die Ausgangsstufe des Verstärkers vor. Die Ausgangs-G-leichspannung ist negativ auf die Basis des Transistors Qp rückgekoppelt, um die Verlagerungsspannung zu verringern. Transistoren CL , und Q. . dienen als Treiber für die G-egentaktschaltung.

Die erfindungsgemäße Schaltung kann in breitem Maße als Differenzverstärker angewendet werden, und zwar in Operationsverstärkern hoher Leistung und auf anderen Anwendungsgebieten.

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Claims

-r-

P A $.E KTAK S PR tr O H E

t. Differenzverstärker mit zwei einander entgegengeschalteten - npn-Transistoren (Q₁, Q₀), deren Basen jeweils ein Eingangssignal zugeführt wird, mit wenigstens einem pnp-Seitentransistor (Q.-, Q*) * dessen Emitter mit dem Emitter eines der beiden npn-Transistoren verbunden ist, wobei das Ausgangssignal am Kollektor des wenigstens einen pnp-Transistors abgegriffen wird, gekennzeichnet durch ein Konstantspannungselement (Qe, Qg) > das zwischen die Basis des pnp-Transistors (Q ,, Q) und den Emitter des anderen npn-Transistors geschaltet ist, so daß die Emitterspannung des anderen npn-Transistors (Qp., Q.) der Basis des pnp-Transistors (Q., Q-); zugeführt wird, und durch einen zwischen die Basis des pnp-Transistors (Q,,, Qj und dem negativen Pol (-V,™) einer Spannungsetuelle geschalteten Strompfad (Q«,).

* Differenzverstärker nach Anspruch ΐ, dadurch gekennzeichnet , daß das Konstantspannungselement aus einem pnp-Transistor (Qc» Qg) besteht, dessen Emitter an den Emitter des einen npn-Transistors (Q₁ , Q₀) angeschlossen und dessen Basis und Kollektor gemeinsam mit dem Strompfad (Qw) verbunden sind.

5* Differenzverstärker nach Anspruch 1, dadurch g e k e ή η ζ e i c h η e t , daß; das Konstantspannungselement aus einer Diode CQc) besteht, deren Anode an den Emitter des zweiten npB-Transistors (CL) und deren Kathode an die Basis des pnps-Seitentransistors (Q^) angeschlossen ist (Fig* 2_# 3)*

4. Differenzverstärker nach Anspruch 5,gekenn ζ eich η e t durch eine zweite Diode (Qg)* deren Kathode und Anode an die Basis bzw* den Emitter des pnp-Seitentransistois CQ*) angeschlossen ist (Pig« 5)·

5. Differenzverstärker mit einer Eingangsverstärkerstufe mit einem ersten Paar von npn-Transistoren, die an eineSpannungsquelle angeschlossen sind urn deren Basis je einen Eingang des Differenzverstärkers bildet, und mit einem zweiten Paar pnp-Seitentransistoren, die je an einen Emitter eines der Transistoren des ersten Transistorenpaars angeschlossen sind, gekennzeichnet durch eine Vorspanneinrichtung (Q[T, Qg)', die je zwischen die Emitter der ersten und die Basis der zweiten pnp-Transistoren geschaltet sind, so daß den Basen des zweiten Transistorpaars entsprechend denen an den Emittern des ersten Transistorpaars Spannungen als Vorspannungen für das zweite Transistorpaar zugeführt werden, durch ein drittes Paar von Transistoren (Q^, Qo)* die als aktive Belastung je an einen Kollektor des zweiten Transistorpaares (Q,* Q₄) angeschlossen sind, durch eine an die Vorspanneinrichtung (Q₁-, Qg) angeschlossene Einrichtung (Qq) zur Erzeugung eines konstanten Senkenstroms als Vorstrom für den Differenzverstärker, und durch eineian den Kollektor eines Transistors (Q.) des zweiten Transistorpaares angeschlossenen Ausgang, an dem das Ausgangssignal des Differenverstärkers abgreifbar ist.

6. Differenzverstärker nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet , daß die Vorspanneinrichtung ein viertes Paar von pnp-Seitentransistoren (Q^, Qg) enthält, deren Emitter jeweils an den Emitter eines Transistors des ersten Transistorpaares (Q. ,Q2)umdderen Kollektoren gemeinsam an die Vorstrom-Erzeugungseinrichtung (Qq) angeschlossen und deren Basen miteinander verbunden sind*

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7. Differenzverstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Transistoren des ersten Transistorpaares (Q₁, Q₂) je über einen Widerstand (R., Rp., Rg, R₇) mit dem zweiten (Q,, Q-) und dem vierten Transistorpaar (Q-. Q_r) verbunden sind.

8. Differenzverstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorstromerzeugungseinrichtung einen npn-Transistor (Qq) enthält, dessen Basis ein Vorstrom-Steuersignal empfängt und dessen Kollektor mit der Vorspanneinrichtung (Qc, Qg) verbunden ist.

9. Differenzverstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß ein Kondensator (C.) an die miteinander verbundenen Basen des dritten Transistorpaares (Q₇, Qg) angeschlossen ist, so daß am Ausgang ein phasenkompensiertes Ausgangs signal ent st eht.

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