DE1562218C

DE1562218C - Differential amplifier with balanced input and unbalanced output

Info

Publication number: DE1562218C
Authority: DE
Inventors: Paul Edward Fords N.J. Prozeller (V.St.A.)
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Publication date: 1972-04-27

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Differenzverstärker mit symmetrischem Eingang und unsymmetrischem Ausgang mit einem ersten Transistor und mit einem zweiten zum ersten komplementären Transistor, bei dem der Kollektor des ersten Transistors mit dem Emitter des zweiten über einen ersten Widerstand und der Kollektor des zweiten Transistors über einen zweiten Widerstand mit dem Emitter des ersten Transistors verbunden ist, wobei beide Widerstände im wesentlichen gleiche Werte aufweisen, bei dem ferner der Kollektor des zweiten Transistors mit dem Bezugspotential verbunden ist und bei dem eine Arbeitspunkteinstellung für beide Transistoren vorgesehen ist.The invention relates to a differential amplifier with a symmetrical input and an asymmetrical one Output with a first transistor and with a second transistor complementary to the first, where the collector of the first transistor connects to the emitter of the second via a first Resistor and the collector of the second transistor through a second resistor to the emitter of the first transistor is connected, both resistors having substantially the same values, at which also the collector of the second transistor is connected to the reference potential and in the one Operating point setting is provided for both transistors.

Bei einem bekannten Differenzverstärker dieser Art (NTZ 1966, S. 76 bis 78) erfolgt die .Arbeitspunkteinstellung der beiden Transistoren über einen weiteren Transistor, der als Konstantstromquelle für die beiden Transistoren dient, so daß maximale Verstärkung bei guter Gleichtaktunterdrückung möglich ist. Der unsymmetrische Ausgang liegt dabei zwischen Masse und dem einen durch den Kollektor dieses weiteren Transistors gebildeten Anschluß der Konstantstromquelle an die Verstärkerschaltung. Es ist daher wegen der grundsätzlich hochohmigen Natur einer jeden Konstantstromquelle nur möglich, den Ausgang mit einer hochohmigen Last zu belasten. Würde eine andere als hochohmige Last angeschlos^ sen werden, so könnte die Schaltung nicht mehr vernünftig arbeiten. Deshalb gelten die in der obigen Entgegenhaltung genannten technischen Kenngrößen für diesen Verstärker strenggenommen nur für den Leerlaufausgangsspannungsfall und haben allenfalls für nur sehr kleine Belastung noch Gültigkeit. Es muß daher bei der bekannten Verstärkerschaltung in jedem Fall eine Impedanzwandlerstufe nachgeschaltet werden, um den praxisnahen Bedürfnissen nach wechselnden Ausgangsbelastungen Rechnung tragen zu können, wie dies insbesondere bei Video-Übertragungssystemen mit symmetrischer Leitung der Fall ist.In a known differential amplifier of this type (NTZ 1966, pp. 76 to 78) the working point setting takes place of the two transistors via another transistor, which acts as a constant current source for the two transistors are used, so that maximum gain is possible with good common-mode rejection is. The unbalanced output is between ground and the one through the collector this further transistor formed connection of the constant current source to the amplifier circuit. It is therefore only possible due to the fundamentally high-resistance nature of each constant current source, load the output with a high-resistance load. If a load other than high resistance would be connected ^ sen, the circuit could no longer work properly. Therefore, those in the above apply The cited technical parameters for this amplifier are strictly speaking only for the No-load output voltage drop and are only valid for only a very small load. It must therefore, in the known amplifier circuit, an impedance converter stage is always connected downstream in order to take into account the practical needs for changing initial loads to be able to, as is particularly the case with video transmission systems with symmetrical lines Case is.

Bei solchen Übertragungssystemen wird die Information auf den entgegengesetzten Seiten der Leitung um 180° phasenverschoben übertragen. Rauschsignale, die auf entgegengesetzte Seiten solcher Übertragungsleitungen gelangen, haben im allgemeinen die Tendenz, in Phase, also in Gleichtakt zu sein. Daher sucht man solche Gleichtaktsignale zu unterdrücken, während die gewünschte Information (180° phasenverschoben) übertragen werden soll.In such transmission systems, the information is on opposite sides of the line transmitted out of phase by 180 °. Noise signals on opposite sides of such transmission lines generally have the tendency to be in phase, i.e. in common mode. Therefore one tries to suppress such common-mode signals while the desired information (180 ° out of phase) is to be transmitted.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen wesentlich einfacheren, nichtsdestoweniger mindestens aber ebenso wirksamen Differenzverstärker mit Gleichtaktunterdrückung der einleitend beschriebenen Art bereitzustellen, der insbesondere auch ohne Ein gangs- und Ausgangsübertrager auskommt, wie diese beispielsweise bei dem aus der USA.-Patentschrift 2 839 620 bekannten Differenzverstärker mit Gleichtaktunterdrückung vorgesehen sind. The object of the invention is therefore to provide a much simpler, but nevertheless at least equally effective differential amplifier with common-mode rejection of the type described in the introduction, which in particular also manages without input and output transformers, as is the case, for example, in the US Pat. No. 2,839,620 known differential amplifiers with common mode rejection are provided.

Die erfindungjgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht für den Verstärker der einleitend beschriebenen Art nur darin, daß die Arbeitspunkteinstellung mittels zweier Widerstände im Basiskreis der Transistoren erfolgt und daß an den Kollektor des ersten Transistors der Emitter eines dritten Transistors angeschlossen ist, dessen Basis mit dem anderen Bezugspotential verbunden ist (bzw. geerdet ist) und dessen Kollektor den Ausgang des Verstärkers bildet.The solution of this object according to the invention consists for the amplifier as described in the introduction Kind only in the fact that the operating point is set by means of two resistors in the base circuit of the transistors and that the emitter of a third transistor is connected to the collector of the first transistor, the base of which is connected to the other reference potential (or grounded) and its Collector forms the output of the amplifier.

Die erfindungsgemäße Anordnung hat zahlreiche Vorteile. So ist der unsymmetrische Verstärkerausgang niederohmig; es können daher auch wechselnde Ausgangsbelastungen ohne jede zusätzliche Maßnähme unmittelbar angeschlossen werden. Dieser dritte Transistor hat insoweit Doppelfunktion, als er zugleich die Stromversorgung der Verstärkerschaltung besorgt, jedoch aber im Unterschied zum bekannten nicht als Konstantstromquelle, sondern alsThe arrangement according to the invention has numerous advantages. So is the unbalanced amplifier output low resistance; there can therefore also be changing initial stresses without any additional measures can be connected directly. This third transistor has a double function in that it at the same time the power supply of the amplifier circuit concerned, but in contrast to the known not as a constant current source, but as a

ίο Konstantspannungsquelle, da das Basispotential dieses Transistors festgebunden ist und der Spannungsabfall am in Durchlaßrichtung vorgespannten Basis-Emitterübergang vernachlässigbar ist. Infolge der konstanten Betriebsspannung für die eigentliche Ver-Stärkerschaltung läßt diese wesentlich leichter linearisieren und abgleichen, so daß auch bei wechselnden Ausgangsbelastungsbedingungen stets maximale Verstärkungen von Differenzsignalen bei maximaler Unterdrückung von Gleichtaktsignalen gewährleistet ist.ίο constant voltage source, since the base potential of this Transistor is tied and the voltage drop across the forward-biased base-emitter junction is negligible. As a result of the constant operating voltage for the actual amplifier circuit allows these to be linearized and adjusted much more easily, so that even with changing Output load conditions always maximum amplifications of differential signals with maximum suppression of common mode signals is guaranteed.

Schließlich ist der erfindungsgemäße Verstärker von einfacherem Aufbau insofern, als er bereits mit drei Transistoren einen niederohmigen Ausgangsstromkreis besitzt, während bei dem bekannten Verstärker mindestens noch eine vierte Transistorstufe zum Erhalt eines niederohmigen Ausgangs erforderlich ist.Finally, the amplifier according to the invention is of a simpler construction in that it already has three Transistors has a low-resistance output circuit, while in the known amplifier at least a fourth transistor stage is required to obtain a low-resistance output.

Schließlich kann der Verstärker als integrierteFinally, the amplifier can be used as an integrated

Schaltung und/oder Dünnfilmschaltung ausgeführt sein, da keinerlei Induktivitäten benötigt werden. Die Größe des Verstärkers kann daher außerordentlich klein gemacht werden.Circuit and / or thin-film circuit, since no inductances are required. the The size of the amplifier can therefore be made extremely small.

Nachstehend ist die Erfindung an Hand einer in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform im einzelnen erläutert.The invention is based on an embodiment shown in the drawing in individually explained.

Bei dem dargestellten Schaltbild des erfindungsgemaß ausgebildeten Differenzverstärkers mit symmetrischen Eingang und unsymmetrischen Ausgang wird das symmetrische Eingangssignal den Eingangsanschlüssen 10 und 11 zugeführt. Ein Widerstand 12 und ein Kondensator sind mit dem Eingangsanschluß 10 verbunden und bilden das eingangsseitige Netzwerk für das am Eingangsanschluß 10 empfangene Signal. Die andere Seite des Kondensators 18 ist mit Vorspannuneswiderständen 13 und 14 und mit der Basis eines NPN-Transistors 20 verbunden. Die Widerstände 12 und 13 sind anderen Endes miteinander und mit einem Bezugspotential oder der Systemerde verbunden. Mit dem anderen Eingangsanschluß 11 sind ein Widerstand 15 und ein Kondensator 19 verbunden. Der Widerstand 15 und der Kondensator 19 bilden das eingangsseitige Netzwerk für das am Eingangsanschluß 11 empfangene Signal. Die andere Seite des Kondensators 19 ist mit Vorspannungswiderständen 16 und 17 und mit der Basis eines NPN-Transistors 21 verbunden. Die Transistoren 20 und 21 sind daher zueinander komplementär. An dern Endes sind die Widerstände 15 und 16 miteinander und mit dem Bezugspotential (Systemerde) verbunden. Die anderen Seiten der Vorspannungswiderstände 14 und 17 sind mit dem Verbindungs- In the illustrated circuit diagram of the differential amplifier designed according to the invention with a symmetrical input and an asymmetrical output, the symmetrical input signal is fed to the input connections 10 and 11. A resistor 12 and a capacitor are connected to the input connection 10 and form the network on the input side for the signal received at the input connection 10. The other side of capacitor 18 is connected to bias resistors 13 and 14 and to the base of an NPN transistor 20. The resistors 12 and 13 are connected at the other end to one another and to a reference potential or the system earth. A resistor 15 and a capacitor 19 are connected to the other input terminal 11. The resistor 15 and the capacitor 19 form the input-side network for the signal received at the input terminal 11. The other side of the capacitor 19 is connected to bias resistors 16 and 17 and to the base of an NPN transistor 21. The transistors 20 and 21 are therefore complementary to one another. At the other end , the resistors 15 and 16 are connected to each other and to the reference potential (system earth). The other sides of the bias resistors 14 and 17 are connected to the connection

βο punkt 28 verbunden, an welchem noch eine negative Bezugspotentialauelle, der Emitter des Transistors 20 über einen Emitterwiderstand 22 und ein .Sperrkondensator 24 liegen. Die andere Seite des Kondensators 24 liegt an Systemerde.βο point 28 connected, at which a negative Reference potentials, the emitter of the transistor 20 via an emitter resistor 22 and a blocking capacitor 24 are located. The other side of capacitor 24 is system ground.

Der Ausgangsstromkreis, der unmittelbar das unsymmetrische Ausgangssignal liefert, hat folgenden Aufbau: Der Kollektor des Transistors 20 ist über einen Emitterwiderstand 23 mit dem Emitter desThe output circuit that directly supplies the unbalanced output signal has the following Construction: The collector of the transistor 20 is connected to the emitter of the via an emitter resistor 23

Transistors 21 verbunden, der als Stromverstärker dient. Der Kollektor des Transistors 21 liegt am Anschlußpunkt 28 für die Widerstände 14,17 und 22 und den Kondensator 24. Das unsymmetrische Ausgangssignal wird unmittelbar zum Verdingungspunkt 29 geliefert, der zum Emitter eines Transistors 25 führt. Der Transistor 25 ist in Basisschaltung geschaltet, die für niedrige Eingangsimpedanz am Emitter des Transistors 25 sorgt. Die Basis des Transistors 25 ist mit der Systemerde verbunden, während der Kollektor über den Lastwiderstand 26 mit einer positiven Bezugspotentialquelle verbunden ist. An den Kollektor des Transistors 25 kann bei Bedarf zur weiteren Verstärkung ein nachfolgender Verstärker 27 angeschlossen werden.Connected transistor 21, which serves as a current amplifier. The collector of transistor 21 is at the connection point 28 for the resistors 14, 17 and 22 and the capacitor 24. The unbalanced output signal is delivered directly to the contracting point 29, which is the emitter of a transistor 25 leads. The transistor 25 is connected in common base, which is used for low input impedance Emitter of transistor 25 provides. The base of transistor 25 is connected to system ground, while the collector is connected to a positive reference potential source via the load resistor 26 is. If necessary, a subsequent one can be connected to the collector of transistor 25 for further amplification Amplifier 27 can be connected.

Die Arbeitsweise der Schaltung kann einfach beschrieben werden, indem man annimmt, daß das eine Eingangssignal zwischen der Basis und dem Transistor 20 und dem Bezugspotentialpunkt 28 zugeführt wird, während das andere Eingangssignal zwischen der Basis des Transistors 21 und dem Bezugspotentialpunkt 28 zugeführt wird. Die Vorspannungswiderstände werden so gewählt, daß bei den zugeführten Signalen die Transistoren 20 und 21 im linearen Bereich arbeiten. Da der Transistor 25 in Basis- «5 Schaltung geschaltet ist, ist seine Eingangsimpedanz an seinem Emitter sehr gering, sie soll als Null angenommen werden. Wenn man ferner annimmt, daß die Beta-Werte, d. h. die Stromverstärkungsfaktoren der Transistoren 20 und 21 in Emitterschaltung un- 3" endlich sind und daß R₂₂=R₂₃=R ist, dann istThe operation of the circuit can be described simply by assuming that one input signal is supplied between the base and the transistor 20 and the reference potential point 28, while the other input signal is supplied between the base of the transistor 21 and the reference potential point 28. The bias resistors are chosen so that the transistors 20 and 21 operate in the linear range for the signals supplied. Since the transistor 25 is connected in a base circuit, its input impedance at its emitter is very low; it should be assumed to be zero. If one also assumes that the beta values, ie the current amplification factors of the transistors 20 and 21 in the emitter circuit, are infinite and that R ₂₂ = R ₂₃ = R , then

sowohl die gewünschte Komponente als auch eine Gleichtaktkomponente aufweist, an den Eingangsanschlüssen 10 und 11 empfangen wird. Der Ausgangsanschlußweg liefert ein unsymmetrisches Signal am Verbindungspunkt 29 unmittelbar an die nachfolgende Verstärkerstufe, ohne daß Übertrager notwendig sind, die im Video-Bereich nicht ausführbar sind.has both the desired component and a common mode component at the input terminals 10 and 11 is received. The output connection path provides an unbalanced signal at connection point 29 directly to the following amplifier stage, without a transformer are necessary that cannot be carried out in the video area.

In der Praxis sind selbstverständlich die Beta-Werte nicht unendlich, so daß die tatsächliche Gleichtaktunterdrückung bestimmt werden kann, indem die tatsächlichen Beta-Werte und die Emitterwiderstandswerte 22 und 23 verwendet werden. Es kann gezeigt werden, daß die Gleichtaktunterdrükkung gegeben ist durchIn practice, of course, the beta values are not infinite, so that the actual Common mode rejection can be determined by taking the actual beta values and the emitter resistance values 22 and 23 can be used. It can be shown that the common mode rejection is given by

11 ++ 1-1- I- AoI-Ao -#23- # 23 20 log-20 log 1010 •#23• # 23 ■#22■ # 22 -1-1

^V22 ^V 22

Zi =Zi =

U =U =

ing.ing.

3535

Z₃ = Z₁ +Z₂ .Z ₃ = Z ₁ + Z ₂ .

Um die Unterdrückung von Gleichtaktsignalen zu veranschaulichen, sei angenommen, daß das Eingangssignal V_Eing_ aus zwei in Phase befindlichen Signalen mit gleichem Wert besteht. Hier sind die Ströme Z₁ und i₂ gleich, haben jedoch entgegengesetzte Polarität, so daßIn order to illustrate the suppression of common-mode signals, it is assumed that the input signal V _{in_} consists of two signals in phase with the same value. Here the currents Z ₁ and i _{2 are the} same, but have opposite polarity, so that

'3 ='3 =

— z₂ =- z ₂ =

'Eing.'Ent.

inging

¹ =0. ¹ = 0.

Daraus folgt, daß die in Fig. 1 dargestellte Ausführung das gewünschte Signal (Eingangsspannung gleich und um 180° phasenverschoben) durchläßt, aber Gleichtaktsignale (Eingangsspannungen gleich und in Phase) dämpft, wenn ein Eingangssignal, das Wie dargestellt, kann die Schaltung allein mit Hilfe von Kondensatoren, Widerständen und Halbleitern aufgebaut werden, sie kann daher auch unter Verwendung der Technologie der integrierten Schaltungen und Dünnschichtschaltungen sehr kompakt aufgebaut werden.It follows that the embodiment shown in Fig. 1 provides the desired signal (input voltage equal and 180 ° out of phase), but common mode signals (input voltages equal and in phase) attenuates when an input signal that As shown, the circuit can alone with With the help of capacitors, resistors and semiconductors, it can therefore also be built under Using the technology of integrated circuits and thin film circuits very compact being constructed.

Claims

Claim:

Differential amplifier with balanced input and balanced output with one first transistor and with a second transistor complementary to the first, in which the Collector of the first transistor to the emitter of the second via a first resistor and the collector of the second transistor through a second resistor to the emitter of the first Transistor is connected, both resistors have essentially the same values, in which the collector of the second transistor is also connected to the reference potential and in which an operating point setting is provided for both transistors, thereby characterized in that the operating point setting by means of two resistors (14,17) im Base circle of the transistors (20, 21) takes place and that to the collector of the first transistor (20) the emitter of a third transistor (25) is connected, the base of which is connected to the other reference potential is connected (or grounded) and its collector is the output of the amplifier forms.

1 sheet of drawings