DE3688486T2 - Differenzverstärker mit Stromsteuerung zum Erhöhen der Ausgangssignalsteigung. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen Differenzverstärker zur Verstärkung einer Eingangsspannung VI, um ein Paar Schaltungsströme zu erzeugen, deren Differenz repräsentativ für die Eingangsspannung VI ist, wobei der Verstärker folgendes umfaßt: Versorgungsmittel zur Bereitstellung eines Stroms an einem Steuerpunkt, einen ersten und zweiten Verstärker gleicher Konfiguration, jeweils mit einer ersten Flußelektrode, einer zweiten Flußelektrode und einer Steuerelektrode zur Regelung der Stromübertragung zwischen den Flußelektroden, wobei die Eingangsspannung VI den Steuerelektroden differentiell zugeführt wird, die ersten Elektroden über den Steuerpunkt miteinander gekoppelt sind, die zweiten Elektroden jeweils die Schaltungsströme liefern, der zweite Verstärker weitgehend sperrt, wenn die Eingangsspannung VI auf eine erste Spannung VTH größer als Null ansteigt, und der erste Verstärker weitgehend sperrt, wenn die Eingangsspannung VI auf eine zweite Spannung VTL kleiner als Null abfällt.
• Solche Differenzverstärker eignen sich für integrierte Halbleiterschaltkreise.
• Die Eingangsstufe eines Operationsverstärkers wird normalerweise als Differenzverstärker ausgeführt. Fig. 1 zeigt ein Modell eines Operationsverstärkers, in dem eine herkömmliche differentielle Eingangsstufe eine Eingangssignalspannung VI verstärkt, um ein Paar Schaltungströme I&sub1; und I&sub2; zu erzeugen, deren Differenz repräsentativ für die Spannung VI ist (solange VI nicht zu groß wird). Die Eingangsspannung VI wird den Basisanschlüssen der NPN-Eingangstransistoren Q1 und Q2, deren Emitteranschlüsse über einen Steuerpunkt CP miteinander verbunden sind, differentiell zugeführt. Eine Konstantstromquelle 7, die zwischen den Punkt CP und eine Spannungsquelle für eine niedrige Versorgungsspannung VLL geschaltet ist, versorgt die Transistoren Q1 und Q2 mit einem Versorgungsstrom IT. Die Kollektoren der Transistoren leiten die Ströme I&sub1; bzw. I&sub2; an eine Subtrahierschaltung 8 weiter, die mit einer Hochspannungsquelle VHH verbunden ist. Die Schaltung 8 generiert einen Signalstrom ID, der im wesentlichen gleich K(I&sub1;-I&sub2;) ist, wobei K eine Proportionalitätskonstante ist.
• Zum besseren Verständnis veranschaulicht Fig. 2 die Wirkungsweise dieses Differenzverstärkers. Sie zeigt, wie der Strom ID mit der Spannung VI variiert (wenn K = 1 ist). Wenn die Eingangsspannung VI gleich Null ist, ist auch der Strom ID gleich Null, da I&sub1; = I&sub2; = IT/2. Wenn VI zunimmt, steigt I&sub1; in Richtung IT an, da der Transistor Q1 allmählich immer stärker durchschaltet. I&sub2; nimmt gleichzeitig ab, da der Transistor Q2 immer weniger leitet. Er sperrt ganz, wenn VI ca. 80 Millivolt erreicht. Eine weitere Zunahme von VI hat keine weitere Verstärkungsänderung zur Folge. Das Umgekehrte ist der Fall, wenn VI abnimmt. Transistor Q1 wird langsam weniger leitend und sperrt nahezu vollständig, wenn VI ca. -80 Millivolt erreicht.
• Der Strom ID vom Differenzverstärker wird normalerweise einer Stufe zugeführt, die den Strom ID kapazitiv integriert, um eine Ausgangsspannung VO zu erzeugen. Die Integrierstufe ist in Fig. 1 als ein zu einem invertierenden Verstärker 9 mit hoher Verstärkung parallelgeschalteter Kondensator CO dargestellt. Der Kondensator CO sorgt für eine Frequenzkompensation der beiden Stufen, um eine stabile Kombination für eine Rückkopplung mit der Verstärkung Eins zu erhalten. Der Wert C&sub0; des Kondensators CO beträgt etwa gm/2 π f&sub0;, wobei gm die Transkonduktanz der Differenzstufe ist und f&sub0; die Frequenz, bei der die Vorwärtsverstärkung der beiden Stufen zu Eins wird.
• Die Anstiegsrate S ist die maximale Geschwindigkeit, mit der sich die Spannung V&sub0; aufgrund eines großen Sprunges der Spannung V&sub1; ändert. In Fig. 1 wird die Änderungsgeschwindigkeit von V&sub0; durch die Geschwindigkeit begrenzt, mit der der Strom ID den Kondensator CO lädt. Da der Maximalwert von ID gleich IT ist, ist S etwa IT/C&sub0;. Die Anstiegsrate läßt sich dann ausdrücken als
• S 2 π f&sub0; IT/gm (1)
• Die Frequenz f&sub0; für eine Verstärkung gleich Eins beträgt typisch 1 Megahertz. S ist dann ca. 0,3 Volt/Mikrosekunde. Dies ist häufig zu wenig.
• Eine Möglichkeit zum Erhöhen der Anstiegsrate bei einem bestimmten Wert von f&sub0; besteht darin, die Transkonduktanz zu reduzieren, indem man die in Fig. 1 gestrichelt dargestellten Emitter-Gegenkopplungswiderstände RE1 und RE2 an den jeweiligen Emittern der Transistoren Q1 und Q2 einsetzt. Die Transkonduktanz fällt auf etwa gm/(1 + gmRE), wobei RE der Nennwert des Widerstandes RE1 oder RE2 ist. Die Anstiegsrate wird um den Wert von gmRE erhöht, der typisch bei 10 liegt. Leider führt eine Widerstand/Transistor-Fehlanpassung zu einer Zunahme der Eingangs-Offsetspannung. Sie verschlechtert sich normalerweise in dem gleichen Maße, wie sich die Anstiegsrate verbessert. Dies ist nicht akzeptabel.
• Eine andere Methode zur Verbesserung der Anstiegsrate wird in der US- Patentschrift 3.668.538 beschrieben, in der die Kleinsignal-Transkonduktanz in Fig. 1 etwa gleich gm ist. Der maximale Strom zum Laden von dem durch Hearns beschriebenen Kompensationskondensator wird erheblich durch das Vorhandensein von Ersatzstrompfaden gesteigert, die bei hoher Eingangsspannung wirksam werden. Hearn kann eine Anstiegsrate von 30-40 Volt/Mikrosekunde erreichen, wenn f&sub0; ca. 1 Megahertz beträgt. Die Widerstände in den Ersatzstrompfaden müssen jedoch hohe Werte haben, um diese Anstiegsrate zu erreichen. Die normale Widerstands-Fehlanpassung verstärkt die Offsetspannung und das Rauschen. Außerdem verschlechtert die Verwendung von Nebentransistoren mit zu den Eingangstransistoren entgegengesetzter Polarität das Hochfrequenzverhalten der Schaltung von Hearn.
• Die US-Patentschrift 4.002.993 beschreibt ein Verfahren zum Erhöhen der Anstiegsrate, bei dem ein Teil des von einer Emitter-Stromquelle stammenden Stroms von den Eingangstransistoren weg umgeleitet wird, wenn die Eingangsspannung klein ist. Eine Sensorschaltung läßt den umgeleiteten Strom kleiner werden, wenn die Eingangsspannung groß wird, um den Strom für die Eingangstransistoren zu erhöhen. Hierdurch wird die Anstiegsrate erhöht. Obwohl die Offsetspannung kein Problem darstellt, ist die Gleichtaktunterdrückung begrenzt, da die Sensorschaltung empfindlich auf Schwankungen der Bauelementparameter reagiert.
• Die Erfindung hat zur Aufgabe, die Anstiegsrate in einem Differenzverstärker zu erhöhen, ohne die Eingangs-Offsetspannung zu vergrößern und zwar so, daß die Empfindlichkeit gegenüber Schwankungen der Bauelementparameter reduziert wird.
• Erfindungsgemäß ist der Verstärker dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsvorrichtung folgendes umfaßt:
• eine erste und zweite Stromquelle zur Bereitstellung des ersten und zweiten Versorgungsstroms, wobei die Summe des ersten und des zweiten Versorgungsstroms auf den ersten und den zweiten Verstärker aufgeteilt wird, wenn die Eingangsspannung VI zwischen der ersten Spannung VTH und der zweiten Spannung VTL liegt, und
• Steuerungsmittel zur progressiven Steuerung eines wachsenden Anteils des zweiten Versorgungsstroms durch den ersten Verstärker, wenn die Eingangsspannung VI auf eine höhere dritte Spannung VH oberhalb der ersten Spannung VTH ansteigt, und
• zur progressiven Steuerung eines wachsenden Anteils des ersten Versorgungsstroms durch den zweiten Verstärker, wenn die Eingangsspannung V&sub1; auf eine niedrigere vierte Spannung VL unterhalb der zweiten Spannung VTL abfällt.
• Die Steuerungsmittel lassen den Absolutwert des Schaltungsstroms an der zweiten Elektrode des ersten Verstärkers progressiv ansteigen, wenn die Eingangsspannung von der ersten Spannung VTH auf die dritte Spannung VH ansteigt, so daß der Absolutwert des Signalstroms gleichermaßen zunimmt. In ähnlicher Weise lassen die Steuerungsmittel den Absolutwert des Signalstroms progressiv ansteigen, wenn die Eingangsspannung von der zweiten Spannung VTL auf die vierte Spannung VL abfällt. Durch den höheren Signalstrom, der zur Verfügung steht, wenn die Eingangsspannung auf VL oder VH liegt, kann die Ausgangsspannung schneller steigen.
• Die Steuerungsmittel sind vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, daß sie folgendes enthalten:
• einen ersten und zweiten Widerstand sowie einen dritten und vierten Steuerungsverstärker gleicher Konfiguration, jeweils mit einer ersten Flußelektrode, einer zweiten Flußelektrode und einer Steuerelektrode zur Regelung der Stromübertragung zwischen den Flußelektroden dieses Verstärkers, wobei die Steuerelektroden des dritten bzw. vierten Verstärkers mit den Steuerelektroden des ersten bzw. zweiten Verstärkers gekoppelt sind, die erste Flußelektrode des dritten Verstärkers mit der ersten Stromquelle und über den ersten Widerstand mit dem Steuerpunkt gekoppelt ist und die erste Flußelektrode des vierten Verstärkers mit der zweiten Stromquelle und über den zweiten Widerstand mit dem Steuerpunkt gekoppelt ist.
• Die vier Verstärker enthalten möglichst vier Bipolartansistoren gleicher Polarität. Durch eine geeignete Einstellung der physikalischen Eigenschaften der verschiedenen Transistoren und Widerstände kann erreicht werden, daß der Signalstrom in qualitativ unterschiedlicher Art in Abhängigkeit von der Eingangsspannung variiert. Dadurch ist es möglich, den Differenzverstärker für bestimmte Anwendungen zu optimieren. Die Erfindung wird in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
• Fig. 1 ein Schaltbild eines Operationsverstärkers nach dem derzeitigen Stand der Technik mit einer Differenzeingangsstufe,
• Fig. 2 eine Kurve des Signalstroms als Funktion der Eingangsspannung für die Differenzeingangsstufe aus Fig. 1,
• Fig. 3 ein Blockdiagramm eines Differenzverstärkers und des zugehörigen Integriergliedes nach der Erfindung,
• Fig. 4a und 4b die Stromänderung in Abhängigkeit von der Eingangsspannung für die Differenzverstärker aus den Fig. 3, 5 und 6,
• Fig. 5 und 6 Schaltbilder von spezielleren Ausführungsbeispielen des Differenzverstärkers aus Fig. 3, und
• Fig. 7 ein Schaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Teils eines Operationsverstärkers mit dem Differenzverstärker aus Fig. 6.
• Gleiche oder sehr ähnliche Teile haben in der Zeichnung und in der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele die gleichen Bezugszeichen.
• Bei den Fig. 3 und 5, die im folgenden erläutert werden, werden für die Erfindung verschiedene gleich-konfigurierte Verstärker mit drei Elektroden eingesetzt. Jeder hat eine erste Flußelektrode (E1), eine zweite Flußelektrode (E2) und eine Steuerelektrode (CE) zur Regelung des Stromflusses zwischen den Flußelektroden (E1 und E2). Der Strom (falls vorhanden) in der Steuerelektrode ist normalerweise viel kleiner als der Strom, der sonst zwischen den Flußelektroden fließt. Daher kann der Strom durch die Steuerelektrode im Vergleich zu dem Strom durch die Flußelektroden vernachlässigt werden.
• Ein Drei-Elektroden-Verstärker kann aus einem einzigen Transistor bestehen. Bei einem Bipolartransistor stellen der Emitter, der Kollektor und die Basis die erste, die zweite und die Steuerelektrode dar. Bei einem Feldeffekttransistor (FET) sowohl des Isolierschicht-Typs als auch des Sperrschicht-Typs sind dies Source, Drain und Gate.
• Ein Drei-Elektroden-Verstärker könnte jedoch aus mehr als nur einem einzigen Transistor bestehen. Bin Beispiel hierfür ist eine bipolare Darlington-Schaltung, in der der Emitter eines Eingangstransistors die Basis eines Emitterfolger-Transistors ansteuert. In diesem Beispiel ist die Steuerelektrode (an) die Basis des Eingangstransistors (angeschlossen), während die erste und die zweite Flußelektrode (mit dem) Emitter und (dem) Kollektor des Emitterfolgers (verbunden) sind.
• Wie bei der Beschreibung bestimmter Drei-Elektroden-Verstärker bedeutet "gleich-konfiguriert", daß die entsprechenden Elemente auf die gleiche Weise verbunden sind und daß jede Gruppe übereinstimmender Elemente die gleiche Halbleiter-Polarität hat. Zwei Drei-Elektroden-Verstärker zum Beispiel wären im allgemeinen "gleich-konfiguriert", wenn es sich bei beiden um NPN-Transistoren handelt (selbst wenn die Emitterflächen anders sind), aber nicht, wenn sie komplementäre Transistoren sind. Entsprechend sind zwei Darlington-Schaltungen "gleich-konfiguriert", wenn die Eingangstransistoren die gleiche Polarität haben und die Emitterfolger ebenfalls die gleiche Polarität haben (selbst wenn sie von der der Eingangstransistoren abweicht).
• Fig. 3 zeigt einen Differenzverstärker, bei dem Stromsteuerung benutzt wird, um eine hohe Anstiegsrate zu erreichen. Dieser Differenzverstärker, der als Eingangsstufe eines Operationsverstärkers eingesetzt werden kann, verfügt über zwei weitgehend identische gleich-konfigurierte Drei-Elektroden-Eingangsverstärker A1 und A2. Die Eingangsspannung VI wird deren Steuerelektroden differentiell zugeführt. Ihre ersten Elektroden sind über den Steuerpunkt CP miteinander verbunden. Die Schaltungsströme I&sub1; und I&sub2;, deren Differenz repräsentativ für die Eingangsspannung VI ist (solange VI nicht zu groß wird), werden jeweils von den zweiten Elektroden der Verstärker A1 und A2 geliefert.
• Eine aus einer Steuerschaltung und den Konstantstromquellen 11 und 12 bestehende Stromversorgung liefert den Versorgungsstrom für die Verstärker A1 und A2 am Steuerpunkt CP. Die Steuerschaltung 10, die mit der VHH-Versorgung verbunden ist, steuert den am Punkt CP zur Verfügung stehenden Strom in Abhängigkeit von der Eingangsspannung VI. Die Stromquellen 11 und 12 sind zwischen die Schaltung 10 und die VLL-Versorgung geschaltet, um die jeweiligen Versorgungsströme IZ1 und IZ2 zu liefern.
• Der Differenzverstärker enthält auch eine Subtrahierschaltung 13, die mit der VHH-Versorgung verbunden ist. Die Schaltung 13 liefert den Signalstrom ID, der im wesentlichen gleich K(I&sub1;-I&sub2;) ist.
• Ein Integrator 14 integriert den Strom ID kapazitiv und erzeugt die Spannung VO. Die Schaltung 14 kann zum Beispiel aus einem Kondensator bestehen, der parallel zu einem invertierenden Verstärker mit hoher Verstärkung geschaltet ist, wie in Fig. 1 dargestellt. Alternativ kann der Integrator 14 auch einfach aus der parasitären Kapazität der Leitung bestehen, durch die der Strom ID fließt. Der Integrator 14 kann auch ein Kondensator sein, der zwischen die ID-Leitung und die VLL-Versorgung geschaltet ist. In jedem Fall entspricht die Kombination aus dem Integrator 14 und dem Differenzverstärker der Forderung, daß die Kapazität gleich gm/2 π f&sub0; ist.
• Die Fig. 4a und 4b veranschaulichen die Stromsteuerung im Differenzverstärker aus Fig. 3. Wenn K gleich 1 ist, ist ID = I&sub1;-I&sub2;. Fig. 4a zeigt, wie die Ströme I&sub1;, I&sub2; und ID in Abhängigkeit von der Spannung VI für den Idealfall W variieren. In Fig. 4b ist dargestellt, wie sich I&sub1; und ID mit VI in den beiden anderen Fällen X und Y verändern. Die schraffierten Bereiche unter den Kurven von I&sub1; geben den Anteil des Stroms I&sub1; an, der sicher von der Stromquelle (C.S.) 12 stammt. Die schraffierten Bereiche unter der Kurve von 12 geben den Anteil des Stroms 12 an, der sicher von der Stromquelle (C.S.) 11 stammt. Die gepunkteten Bereiche unter den Kurven I&sub1; und I&sub2; geben den Strom an, der von den beiden Stromquellen 11 und 12 gemeinsam stammt, aber nicht sicher einer der beiden Stromquellen 11 oder 12 zugeordnet werden kann. IZ ist die Größe von IZ1 oder IZ2.
• Der Betrieb des Differenzverstärkers läßt sich in mehrere, qualitativ unterschiedliche Bereiche aufteilen. Die Spannung VI liegt im "Kleinsignal"-Bereich, wenn VI zwischen VTL und VTH liegt. Da VTL etwa der Spannung VTH entspricht, die typisch ca. 80 Millivolt beträgt, befindet sich der Differenzverstärker im Kleinsignal- Zustand, wenn VI kleiner ist als VTH.
• Der "Großsignal"-Bereich bedeutet, daß VI größer ist als VTH. Da VL etwa VH entspricht, kann der Großsignal-Bereich in einen niedrigeren Unterbereich, in dem VTH < VI < VH ist, und einen höheren Unterbereich aufgeteilt werden, in dem VI > VH ist.
• Die Verstärker A1 und A2 sind beide leitend, wenn sich VI im Kleinsignal-Bereich befindet. Verstärker A1 sperrt weitgehend, wenn VI unter VTL fällt. Gleichermaßen sperrt Verstärker A2 weitgehend, wenn VI über VTH ansteigt.
• Die Schaltung 10 sorgt für die Stromsteuerung, wenn VI klein ist, wie in den Fig. 4a und 4b dargestellt. Die Summe der Ströme I&sub1; und I&sub2; liegt jedoch konstant bei einem Wert IT. Obwohl ID geringfügig größer ist als IT,wenn VI gleich VTH ist, weicht das Nettoergebnis für die Kleinsignal-Bedingung nicht wesentlich von dem von Fig. 1 ab, in der keine Emitter-Gegenkopplung vorliegt.
• Eine große Differenz tritt auf, wenn die Eingangsspannung VI in den Großsignal-Bereich eintritt. Wenn VI über VTH ansteigt, steuert die Schaltung 10 progressiv mehr Versorgungsstrom IZ2 durch den Verstärker A1. Wie durch den gepunkteten Bereich zwischen VTH und VH für den Fall X in Fig. 4b dargestellt, kann ein Teil des Stroms, der von den Stromquellen 11 und 12 gemeinsam stammt, ebenfalls durch den Verstärker A1 fließen. Wenn dies der Fall ist, nimmt der gemeinsam gelieferte Strom progressiv ab, wenn VI sich VH annähert. Der Strom I&sub1; erreicht ein Maximum gleich IZ, wenn VI VH erreicht. Eine weitere Zunahme von VI hat keine Änderungen im Differenzverstärker zur Folge. Die Schaltung 10 steuert einfach den gesamten Strom IZ2 durch den Verstärker Al. Die Schaltung 10 "absorbiert" auch den Versorgungsstrom so daß kein Teil dieses Stroms durch den Verstärker A1 oder den sperrenden Verstärker A2 fließt.
• Genauer gesagt, wird der Strom IZ1 zu der Versorgung VHH umgeleitet.
• Das Umgekehrte ist der Fall, wenn die Spannung V&sub1; unter VTL fällt. Die Schaltung 10 steuert progressiv einen größeren Teil des Stroms IZ1 durch den Verstärker A2, bis VI VL erreicht. Wenn VI weiter abfällt, treten keine weiteren Änderungen mehr auf. Die Schaltung 10 "absorbiert" den Strom IZ2, so daß kein Teil dieses Stroms durch den Verstärker A2 fließt.
• Der Maximalwert von ID ist also IZ. Unter der Voraussetzung, daß die Schaltung 10 keine große Abweichung der Großsignal-Transkonduktanz des Differenzverstärkers von der Kleinsignal-Transkonduktanz gm verursacht, beträgt die Anstiegsrate S für die in Fig. 3 dargestellte Schaltung:
• S 2 &pi; f&sub0; IZ/gm (2)
• Wenn f&sub0; iind gin in Fig. 3 die gleichen Werte haben wie in Fig. 1, wird die Anstiegsrate für die vorliegende Schaltung etwa um den Faktor IZ/IT erhöht. Dieser Faktor kann leicht 10 und mehr betragen. Die obere Grenze für IZ/IT wird durch den maximal zulässigen Strom in der Schaltung bestimmt.
• Fig. 5 zeigt eine allgemeine Implementierung der Steuerschaltung 10 in den vorliegenden Differenzverstärker. Die Hauptkomponenten von Schaltung 10 sind zwei weitgehend identische, gleich-konfigurierte Drei-Elektroden-Steuerungsverstärker A3 und A4 sowie ein Paar gleichwertige Widerstände Rl und R2. Die Steuerelektroden der Verstärker A3 und A4 sind jeweils mit den Steuerelektroden der Verstärker A1 und A2 verbunden, um die Eingangsspannung VI zu erhalten. Die zweiten Elektroden der Verstärker A3 und A4 sind mit der Versorgung VHH verbunden. Ihre ersten Elektroden sind über die Knotenpunkte N1 bzw. N2 mit den Stromquellen 11 bzw. 12 verbunden. Die Widerstände R1 und R2 sind zwischen den Punkt CP auf der einen Seite und die Knotenpunkte N1 bzw. N2 auf der anderen Seite geschaltet.
• Zwischen den Knotenpunkt N1 und die erste Elektrode von A3 kann eine Impedanz 15 geschaltet werden. Eine im wesentlichen identische Impedanz 16 kann zwischen den Knotenpunkt N2 und die erste Elektrode von A4 geschaltet werden. Wenn vorhanden, handelt es sich bei den Impedanzen 15 und 16 normalerweise um Widerstände.
• In den Fig. 4a und 4b sind die Verstärker A3 und A4 beide leitend, wenn VI zwischen VL und VH liegt. Wenn V&sub1; Null ist, fließt ein großer Teil des Stroms IZ1 durch den Verstärker A3. Ein großer Teil des Stroms IZ2 fließt auch durch den Verstärker A4. Wenn VI erhöht wird, nimmt der Anteil des Strom IZ1 durch den Verstärker A3 weiter zu und erreicht IZ an oder vor dem Punkt, an dem VI VH erreicht. Gleichzeitig fließt ein immer kleinerer Anteil des Stroms IZ2 durch den Verstärker A4, und die Abfallgeschwindigkeit wird größer, wenn VI VTH passiert. Der Verstärker A4 sperrt weitgehend, wenn VI VH überschreitet. Das Umgekehrte tritt ein, wenn die Spannung VI herabgesetzt wird. Es fließt ein immer kleinerer Anteil des Stroms IZ1 durch den Verstärker A3, der weitgehend sperrt, wenn VI unter VL absinkt. Der Anteil des Stroms IZ2 durch den Verstärker A4 nimmt weiter zu und erreicht IZ vor oder an dem Punkt, an dem VI VL passiert.
• Fig. 6 zeigt ein bipolares Ausführungsbeispiel des Differenzverstärkers von Fig. 5, in dem die Verstärker A1 bis A4 die NPN-Transistoren Q1, Q2, Q3 bzw. Q4 sind. Anhand von Fig. 6 kann die Wirkungsweise ausführlicher erläutert werden. Die Schaltung 10 beeinflußt die Transistoren Q1 und Q2 nicht wesentlich, wenn VI klein ist. Die Stromsteuerung nimmt an Bedeutung zu, wenn VI ansteigt. Es wird angenommen, daß VI über VTH ansteigt, wobei ID etwas größer ist als ¹T. Der Transistor Q2 sperrt. Der Transistor Q3 leitet den gesamten oder fast den gesamten Strom IZ1 weiter, so daß der Strom durch Rl recht klein ist. Das Ergebnis ist, daß Transistor Q3, Widerstand R1 und Stromquelle 11 sehr wenig Einfluß auf den Signalstrom ID haben.
• Im wesentlichen steuern die Transistoren Q1 und Q4, der Widerstand R2 und die Stromquelle 12 den Strom ID. Diese Elemente wirken wie ein Differenzverstärker, dessen Transkonduktanz etwa 1/R beträgt, wobei R der Widerstandswert des Widerstandes R2 (oder R1) ist. Wenn VI weiterhin in Richtung VH steigt, wird der Transistor Q4 immer weniger leitend. Ein größerer Teil des Stroms IZ2 wird durch den Transistor Q1 gesteuert. Schließlich sperrt Transistor Q4, so daß der gesamte Strom IZ2 durch Transistor Q1 fließen muß. Der Strom ID steigt auf IZ an, so daß sich die Anstiegsrate erhöht.
• Im Kleinsignal-Bereich ist gm ungefähr IT/2VT, wobei VT bei Raumtemperatur ca. 25 Millivolt beträgt. gm sollte nicht stark von der Großsignal-Transkonduktanz abweichen, da dies Schwierigkeiten bei der Hochfrequenz-Stabilisierung zur Folge hat. Der in Fig. 6 dargestellte Differenzverstärker wurde daher optimiert, indem RIT/- 2VT etwa gleich Eins eingestellt wurden. IT kann für jeden Satz von Parameterwerten von IZ abgeleitet werden.
• Die Eingangs-Offsetspannung für den Differenzverstärker wird durch die Anpassung der Transistoren Q1 und Q2 und die Anpassung der Bauelemente in der Subtrahierschaltung 10 bestimmt. Die Transistoren Q3 und Q4 müssen nicht genau abgeglichen sein, da nur immer einer von ihnen die Großsignal-Wirkungsweise signifikant beeinflußt. Ebenso beeinflußt auch immer nur einer der Widerstände R1 und R2 die Großsignal-Wirkungsweise, so daß sie ebenfalls nicht genau abgeglichen werden müssen. Ihre Anpassung beeinflußt nur die Linearität der Funktion ID, wenn VI > VTH ist. Die Verwendung der Steuerschaltung 10 aus Fig. 6 (und Fig. 5) hat daher keine wesentliche Erhöhung der Offsetspannung zur Folge.
• Die speziellen Fälle aus den Fig. 4a und 4b hängen von der Größe der Transistoren Q3 und Q4 in bezug auf die Transistoren Q1 und Q2 ab. p sei das Verhältnis der Emitterfläche von Transistor Q3 oder Q4 zu der Emitterfläche des Transistors Q1 und Q2. Fall W wurde für p = 7 erreicht. Wird p unter 7 (z. B. auf 4) gesenkt, tritt Fall X ein. Steigt p über 7 an (z. B. auf 14), ergibt sich Fall Y. In diesen drei Fällen war R 250 Ohm, und IZ lag bei 1 Milliampere.
• Fig. 7 zeigt ein bevorzugtes Ausfülrrungsbeispiel der ersten beiden Stufen eines Operationsverstärkers, in dem die Eingangsstufe aus einem Paar Differenzverstärkern 17A und 17B des in Fig. 6 dargestellten Typs besteht. Die Indices "A" und "B" wurden zu den Bezugszeichen für den Differenzverstärker aus Fig. 6 hinzugefügt, um die entsprechenden Elemente der Differenzverstärker 17A und 17B in Fig. 7 zu kennzeichnen.
• Die Eingangsspannungen VIA und VIB werden den Differenzverstärkern 17A bzw. 17B zugeführt. Die Subtrahierschaltung 13 verarbeitet jedoch immer nur die Schaltungsströme von nur einem der beiden Verstärker. Dies wird erreicht, indem die mit den Steuerschaltungen 10A und 10B verbundenen Stromquellen entsprechend geschaltet werden. Wie in Fig. 7 dargestellt, bestehen die Stromquellen 11A und 12A jeweils aus NPN-Transistoren Q5A und Q6A, deren Basisanschlüsse eine Spannung VA erhalten und deren Emitter über einen NPN-Transistor Q7 mit der VLL-Versorgung verbunden sind. Die Stromquellen 11B und 12B bestehen jeweils aus NPN-Transistoren Q5B und Q6B, deren Basisanschlüsse eine Spannung VB erhalten und deren Emitter auch über den Transistor Q7 mit der VLL-Versorgung verbunden sind. Die Spannungen VA und VB sind komplementär. Wenn die Spannung VA hoch ist, so daß die Spannung VB niedrig ist, wird der Differenzverstärker 17A gewählt und der Differenzverstärker 17B gesperrt. Schaltung 13 verarbeitet dann die Ströme I1A und I2A. Das Umgekehrte ist der Fall, wenn die Spannung VB hoch ist.
• Die Schaltung 13 besteht aus gleichwertigen Widerständen R3 und R4, einem Differenzeingangs-/Differenzausgangs-Verstärker 18, einer Subtrahierschaltung 19 und einem Kondensator C1, die so, wie Fig. 7 dargestellt, angeordnet sind. Die Widerstände R3 und R4 fungieren als Stromquellen. Der Kondensator C1 ist ein vorwärtsgekoppeltes frequenzkompensierendes Bauelement. Durch die Verwendung des Verstärkers 18 kann die Proportionalitätskonstante K für den Strom ID größer als Eins sein. Der Integrator 14 besteht aus einem offenen Gegentaktverstärker 20, zu dem ein Kondensator C2 und ein Widerstand R5 parallelgeschaltet sind.
• In Fig. 7 betragen VHH und VLL vorzugsweise 5 Volt und -5 Volt. Die Widerstandswerte von R1A/R2A/R1B/R2B, R3/R4 und R5 betragen 1500, 2000 bzw. 44 Ohm. IZ liegt bei 1 Milliampere. Die Kondensatoren C1 und C2 haben beide eine Kapazität von 2,5 Picofarad.
• Die Verfahren zur Herstellung der verschiedenen Elemente der vorliegenden Erfindung sind in der Halbleitertechnik durchaus bekannt. Die verschiedenen Verstärkungsschaltungen werden vorzugsweise als monolithische integrierte Schaltungen mit PN-Isolation zur Trennung der aktiven Zonen in einer Halbleiterscheibe hergestellt.
• Obwohl die Erfindung anhand von bestimmten Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, dient die Beschreibung ausschließlich der Veranschaulichung und beschränkt nicht den Anwendungsbereich der nachfolgenden Ansprüche. So können zum Beispiel Halbleiter-Bauelemente mit entgegengesetzter Polarität als bei den oben beschriebenen Bauelementen verwendet werden, um die gleichen Ergebnisse zu erzielen. Der Fachkundige kann also verschiedene Modifikationen, Änderungen und Applikationen im Rahmen der Erfindung vornehmen, die von den folgenden Ansprüchen eingeschlossen werden.

Claims (8)

1. Differenzverstärker zur Verstärkung einer Eingangsspannung (VI) um ein Paar Schaltungsströme (I&sub1;, I&sub2;) zu erzeugen, deren Differenz repräsentativ für die Eingangsspannung (VI) ist, wobei der Verstärker folgendes umfaßt Versorgungsmittel (10, 11, 12) zur Bereitstellung eines Stroms an einem Steuerpunkt (CP), einen ersten (A1) und zweiten Verstärker (A2) gleicher Konfiguration, jeweils mit einer ersten Flußelektrode (E1), einer zweiten Flußelektrode (E2) und einer Steuerelektrode (CE) zur Regelung der Stromübertragung zwischen den Flußelektroden (E1, E2), wobei die Eingangsspannung (VI) den Steuerelektroden (CE) differentiell zugeführt wird, die ersten Elektroden (E1) über den Steuerpunkt (CP) miteinander gekoppelt sind, die zweiten Elektroden (E2) jeweils die Schaltungsströme (I&sub1;, I&sub2;) liefern, der zweite Verstärker (A2) weitgehend sperrt, wenn die Eingangsspannung (VI) auf eine erste Spannung (VTH) größer als Null ansteigt, und der erste Verstärker (A1) weitgehend sperrt, wenn die Eingangsspannung (VI) auf eine zweite Spannung (VTL) kleiner als Null abfällt, dadurch gekennzeichnet, daß das Versorgungsmittel folgendes umfaßt:

eine erste (11) und zweite (12) Stromquelle zur Bereitstellung des ersten (IZ1) und zweiten (IZ2) Versorgungsstroms, wobei die Summe des ersten (IZ1) und des

zweiten (IZ2) Versorgungsstroms auf den ersten (A1) und den zweiten (A2) Verstärker aufgeteilt wird, wenn die Eingangsspannung (VI) zwischen der ersten Spannung (VTH) und der zweiten Spannung (VTL) liegt, und

Steuerungsmittel (10) zur progressiven Steuerung eines wachsenden Anteils des zweiten Versorgungsstroms (IZ2 durch den ersten Verstärker (A1), wenn die Eingangsspannung (VI) auf eine höhere dritte Spannung (VH) oberhalb der ersten Spannung (VTH) ansteigt, und zur progressiven Steuerung eines wachsenden Anteils des ersten Versorgungsstroms (IZ1) durch den zweiten Verstärker (A2), wenn die Eingangsspannung (VI) auf eine niedrigere vierte Spannung (VL) unterhalb der zweiten Spannung (VTL) abfällt.

2. Differenzverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerungsmittel (10) nahezu den gesamten zweiten Versorgungsstrom (IZ2) durch den ersten Verstärker (A1) steuert, wenn die Eingangsspannung (VI) größer ist als die dritte Spannung (VH), und nahezu den gesamten ersten Versorgungsstrom (IZ1) durch den zweiten Verstärker (A2) steuert, wenn die Eingangsspannung (VI) kleiner ist als die vierte Spannung (VL).

3. Differenzverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerungsmittel folgendes umfaßt:

einen ersten (R1) und zweiten (R2) Widerstand sowie einen dritten (A3) und vierten (A4) Steuerungsverstärker gleicher Konfiguration, jeweils mit einer ersten Flußelektrode (E1), einer zweiten Flußelektrode (E2) und einer Steuerelektrode (CE) zur Regelung der Stromübertragung zwischen den Flußelektroden dieses Verstärkers, wobei

die Steuerelektroden (CE) des dritten (A3) bzw. vierten (A4) Verstärkers mit den Steuerelektroden (CE) des ersten (A1) bzw. zweiten (A2) Verstärkers gekoppelt sind, die erste Flußelektrode (E1) des dritten Verstärkers (A3) mit der ersten Stromquelle (11)

und über den ersten Widerstand (R1) mit dem Steuerpunkt (CP) gekoppelt ist und die

erste Flußelektrode (E1) des vierten Verstärkers (A4) mit der zweiten Stromquelle (12) und über den zweiten Widerstand (R2) mit dem Steuerpunkt (CP) gekoppelt ist.

4. Differenzverstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß nahezu der gesamte erste Versorgungsstrom (IZ1) durch den dritten Verstärker (A3) fließt, wenn die Eingangsspannung (Vi) größer ist als die dritte Spannung VH, und daß nahezu der gesamte zweite Versorgungsstrom (IZ2) durch den vierten Verstärker (A4) fließt, wenn die Eingangsspannung VI kleiner ist als die vierte Spannung (Vi).

5. Differenzverstärker nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (A1), zweite (A2), dritte (A3) und vierte (A4) Verstärker jeweils einen ersten (Q1), zweiten (Q2), dritten (Q3) und vierten (Q4) bipolaren Transistor gleicher Polarität umfaßt, deren Emitter, Kollektor bzw. Basis jeweils mit der ersten Flußelektrode, der zweiten Flußelektrode bzw. der Steuerelektrode ihres jeweiligen Verstärkers gekoppelt sind.

6. Differenzverstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte (Q3) und der vierte ((?4) Transistor eine größere Emitterfläche haben als der erste (Q1) und der zweite (Q2) Transistor.

7. Differenzverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung weiterhin enthält:

Mittel (13) zur Erzeugung eines Signalstroms (ID), der der Differenz zwischen den Schaltungsströmen (I&sub1;, I&sub2;) weitgehend proportional ist; Mittel (14) zur kapazitiven Integration des Signalstroms, um eine Ausgangsspannung (VO zu erzeugen.

8. Operationsverstärker, gekennzeichnet durch mehrere Differenzverstärker (17A, 17B) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6;

Schaltmittel (Q5A, Q6A, Q5B, Q6B) zum Ausschalten der Stromquellen für alle Schaltungen bis auf eine gewählte Schaltung;

Mittel (R3, R4, 18, 19) zur Erzeugung eines Signalstroms (ID), der der Differenz zwischen den Schaltungsströmen für jede gewählte Schaltung weitgehend proportional ist; und

Mittel (R5, C2, 20) zur kapazitiven Integration des Signalstroms (ID), um eine Ausgangsspannung (VO) zu erzeugen.