DE2363624A1

DE2363624A1 - Schaltungsanordnung zur subtraktion eines vielfachen eines ersten eingangsstromes von einem zweiten eingangsstrom

Info

Publication number: DE2363624A1
Application number: DE2363624A
Authority: DE
Inventors: Steven Alan Steckler
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1972-12-29
Filing date: 1973-12-20
Publication date: 1974-07-04
Also published as: BR7310135D0; IT1001872B; NL7317540A; US3840819A; JPS4999456A; FR2212690A1; AU6397973A; FR2212690B1; BE809187A

Description

RCA 64,737 ,

US-Ser.No. 319,365

Filing Date: December 29,1972

RCA Corporation

New York N.Y. (V.St.A.)

Schaltungsanordnung zur Subtraktion eines Vielfachen eines ersten Eingangsstromes von einem zweiten Eingangs strom

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Subtraktion eines Vielfachen eines ersten Eingangsstromes von einem zweiten Eingangsstrom unter Erzeugung eines Ausgangs-.stromes, der von der resultierenden Differenz abhängig ist, mit einer Bezugsspannungsquelle und drei Transistoren gleichen Leitungstyps mit jeweils Basis-, Emitter- und Kollektorelektrode.

Sogenannte Stromspiegelverstärker, d.h. Stromverstärker mit einem Stromverstärkungsfaktor minus 1, sind bekannt. Bei solchen Verstärkern wird der Eingangsstrom dem Kollektor eines ersten Transistors zugeleitet, mit dessen Basis-Emitter-übergang ein als Diode geschalteter zweiter Transistor parallelgeschaltet ist. Der Ausgangsstrom wird vom Kollektor eines dritten Transistors abgenommen, dessen Basis-Emitter-übergang zwischen Kollektor und Basis des ersten Transistors geschaltet ist und der so eingerichtet bzw. vorgespannt ist, daß ein Ruhe-

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• ' - - -2-strom in Durchlaßrichtung fließt.

Ferner ist durch die USA-Patentschrift 3 614 645 eine Anordnung bekannt, bei der zwei solche Stromspiegelverstärker so zusammengeschaltet sind, daß eine gegenseitige Verbindung zwischen den Emittern der dritten Transistoren, der beiden Verstärker besteht, so daß diese dritten Transistoren als emittergekoppelter Differenzverstärker arbeitet. In der Emitterverbindung fließt dabei kein Strom für den Eingängen der beiden Stromspiegelverstärker zugeleitete Gleichtaktsignalströme. Dagegen bildet die Emitterverbindung für Eingangssignal-Differenzströme wegen der gegenseitigen Kompensation der Emitter-Signaldifferenzströme einen effektiven Schaltungsnullpunkt (Masse). An den Kollektoren dieser dritten Transistoren sind Ausgangssignalströme abnehmbar, die gleich sind der Differenz zwischen den Eingangssignalströmen multipliziert mit den Emitter-DurchlaSstromverstärküngsfaktoren " (Beta-Werten) der dritten Transistoren. Die ersten Transistoren setzen die Eingangswiderstände der Schaltungsanordnung für Gleichtaktsignale herab. Für Differenztaktsignale arbeiten die ersten und die zweiten Transistoren statisch, ohne die Differenzverstärkung in den emittergekoppelten dritten Transistoren su beeinflussen. Die ihren Basiselektroden zugeleiteten Differenzsignalströme werden daher entsprechend dem vollen Eitiitter-DurchlaßstromverstärkungsfaJctor der dritten Transistoren verstärkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe sugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Subtraktion eines Vielfachen eines ersten Eingangsstromes von einem zweiten Eingang^strom su schaffen, bei welcher der Differenz-Ausgangsstrom im wesentlichen unabhängig vom Emitter-Durchlaßstroxaverstärkungsfaktor der ersten, zweiten und dritten Transistoren ist.

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Eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß mit der Kollektorelektrode des ersten Transistors und der Basiselektrode des dritten Transistors eine erste Eingangsklemme zum Zuführen des ersten Eingangsstromes von einer ersten Eingangssignalqueile verbunden ist; daß mit den Basiselektroden des ersten und zweiten Transistors, der Kollektorelektrode des zweiten Transistors und der Emitterelektrode des dritten Transistors eine zweite Eingangsklemme zum Zuführen des zweiten Eingangsstromes von einer zweiten Eingangssignalquelle verbunden ist; daß mit der Bezugsspannungsquelle ein gemeinsamer Schaltungspunkt verbunden ist und mit diesem die Emitterelektroden des ersten und zweiten Transistors gleichstromgekoppelt sind; und daß mit der Kollektorelektrode des dritten Transistors eine Ausgangsklemme zum Anschluß eines einen Stromweg für den Ausgangsstrom enthaltenden Verbrauchers verbunden ist, wobei das Vielfache des ersten Eingangsstromes im wesentlichen unabhängig vom Stromverstärkungsfaktor der drei Transistoren ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Schaltschema einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung; und

Fig. 2 das Schaltschema einer Differenzverstärkerschaltüng mit einer derartigen Schaltungsanordnung.

Die Transistoren 1 und 2 in Fig. 1 sind Transistoren mit gleichartigen Durchlaßstromve^-rstärkungseigenschaften, die im wesentlichen die gleichen thermischen Umgebungseinflüssen ausgesetzt sind, beispielsweise Transistoren mit effektiven Flächen im Verhältnis l:m, die dicht beieinander

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auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet und mittels des gleichen DiffusionsVerfahrens hergestellt sind. Die effektiven Emitter-Widerstände 3 und 4 der Transistoren 1 bzw. 2 sind im Verhältnis m:1. Die Widerstände 3 und 4 können durch lediglich die Emitterinnenwiderstände der Transistoren 1 und 2, die aufgrund ihrer Geometrie und der dargestellten Anschlüsse ein Verhältnis von im wesentlichen m:1 aufweisen, oder durch diese Emitterinnenwiderstände mit Ergänzung durch zusätzliche Außenwiderstände im Verhältnis von m:l gebildet werden.

Die Transistoren 1 und 2 sind mit der gleichen Basisspannung beaufschlag, und da die effektiven Emitterwiderstände 3 und 4 das Verhältnis von mrl aufweisen, stehen die Emitterströme der Transistoren 1 und 2 im Verhältnis von lim zueinander. Da die Transistoren gleiche Durchlaßstromverstärkungseigenschaften aufweisen, stehen ihre Basisströme ebenfalls im Verhältnis von lim zueinander. Folglich stehen auch die Kollektorströme der Transistoren 1 und 2 im Verhältnis von lim zueinander.

Durch die Emitterfolgerwirkung eines mit seinem Emitter an den Kollektor des Transistors 2 angeschalteten Transistors 5 ergibt sich eine Gegenkopplung (negative Rückkopplung) zwischen Kollektor und Basis des Transistors 1, wodurch der Kollektorstrom I.J des Transistors 1 so geregelt wird, daß der im wesentlichen gleich dem von einer ersten Stromquelle 6 gelieferten Strom ist. Der Innenwiderstand der Stromquelle 6 ist erheblidl· größer als der Kollektorwiderstand des Transistors 1, damit diese Regelung wirksam werden kann. Der KoI-. lektorwiderstand ist im wesentlichen gleich der Summe zweier Widerstände, deren erster gleich dem Doppelten Reziprokwert der Steilheit (Transkonduktanz) des Transistors 1 und deren zweiter der Emitterwiderstand 3 ist. Die Steilheit (Transkonduktanz) eines Transistors ist das Verhältnis seines Ausgangsstromes zur Eingangsspannung.

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Wenn der Kollektorstrom des Transistors 1 in bezug auf den Strom I^ und der Stromquelle 6 sich erniedrigt, so muß der überschüssige Strom als Basisstrom im Transistor 5 fließen. Dieser Überschuß-Basisstrom hat zur Folge, daß ±m Transistor 5 ein erhöhter Emitterstrom fließt (wobei die Erhöhung gleich dem Kollektor-Stromverstärkungsfaktor des Transistors 5 mal dem Oberschuß-Basisstrom ist). Dieser erhöhte Emitterstrom wird den Basiselektroden der Transistoren 1 und 2 zugeleitet, so daß sich deren Basisströme erhöhen. Diese Basisstromerhöhung wird mit dem Emitter-Verstärkungsfaktor des Transistors 1 multipliziert, so daß sich dessen Kollektorstrom entsprechend erhöht und dadurch sein Defizit korrigiert oder kompensiert wird. Umgekehrt wird durch einen überschüssigen Kollektorstrom im Transistor 1 der Basisstrom des Transistors 5 gedrosselt, so daß sich der Basisstrom des Transistors 1 vom Emitter des Transistors 5 und dadurch der Kollektorstrom des Transistors 1 verringert.

Da der Kollektorstrom des Transistors 2 zum Kollektorstrom des Transistors 1 im Verhältnis lim stehen muß, wird der Kollektorstrom des Transistors 2 auch durch die aufgrund der Emitterfolgerwirkung des Transistors 5 gegebene Gegenkopplung reguliert.

Wegen der oben beschriebenen Regelwirkung kann der von einer zweiten Stromquelle 7 an die zusammengeschalteten Basiselektroden der Transistoren 1 und 2 gelieferte Strom I₂ die Werte der Basisströme der Transistoren 1, 2 oder des Kollektorstromes des Transistors 2 nicht wesentlich beeinflussen. Der Strom I₂ ist darauf beschränkt, einen Teil des Kollektorstromes ml., des" Transistors 2 zu liefern. Der restliche Teil des Kollektorstromes des Transistors 2, gleich ml- - I₂ bei vernachlässigbaren Basisströmen, muß vom Emitter des Transistors 5 geliefert werden. Ein entsprechender Kollektorstrom, wiederum vernachlässigbare Basisströme vorausgesetzt, kann,

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mit entsprechender Vorzeichenumkehr unter Berücksichtigung einer Umkehr der angenommenen Flußrichtung, als Ausgangsstrom (I₂ -ml-) für den Verbraucher 8 angesehen werden. Die Größe dieses Ausgangsstromes (I₂ ~ m]L·) ist im wesentlichen unabhängig von den Stromverstärkungsfaktoren der Transistoren.

Von besonderem Interesse ist der Falls m = 1. Dies ist dann der Fall, wenn die Transistoren 1, 2 in ihrem Aufbau im wesentlichen gleich sind und die Emitterwiderstände. 3 und 4 den gleichen Wert haben. Der Ausgangsstrom ist in diesem Fall (I₃-I₁). Das heißt, der Äusgangsstrom ist gleich der Differenz zwischen den zugeleiteten Eingangsströmen.

Fig. 2 seigt eine Verstärkerschaltung unter Verwendung einer Subtraktions-Sehaltungsanordnung 10., von der in Fig.' 1 gezeigten Art mit m = 1. Die Schaltungselemente 11, Ί2, 13, 14, 15 in Fig. 2 entsprechen den Schaltungselementen 1, 2, 3, 4, 5 in Fig. 1. Die Schaltungsanordnung 10 bildet eine aktive Kollektorlast für eine Differenzverstärker-Eingangsstufe 20 mit eiaittergekoppelten Transistoren 21, 22, die an ihren Basiselektroden von"-Signalquellen 23 baw. 24 auf Masse- oder" Nullbezugspotential bezogen© Eingangssignal® empfangen. Die durch die--Schaltungsanordnung 10 gebildete aktive "Kollektorlast benötigt lediglich swei Basis-Emitter-Spannungsabfallaateile (2V_DtJ der von den Betriehsspannungsquellen 16,"17 gelieferten Speisespannung, so daß die gegebenenfalls am Ausgang 40 erscheinenden Signalausschwingungen oder -amplituden nur wenig herabgedrückt oder verringert werden»

Eine Mahrstromversorgungsscaaltung- 30 von herkömmlicher Ausbildung liefert am Kollektor eines Transistors 34 einen negativen Ausgangsstrom als Betriebsstrom für .den Differenzverstärker .20, der den gekoppelten Emittern der Transistoren 21, 22 zugeleitet wird= Die Gleichstromkomponente dieses Betriebsstroms wird su gleichen Teilen zwischen den Transisto-

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mm Π mm

ren 21, 22 aufgeteilt. Die resultierenden gleichgroßen Gleichstromkomponenten der Kollektorströme der Transistoren 21, 22 werden der Schaltungsanordnung 10 zugeleitet und voneinander subtrahiert, so daß der Ausgang 40 gleichstrommäßig auf diese Kollektorströme im wesentlichen nicht anspricht. Den Basiselektroden der Transistoren 21, 22 zugeleitete Gleichtaktsignale können die Kollektorströme dieser Transistoren infolge einer Beeinflussung des Kollektorstroms des Transistors 34 beeinflussen. Etwaige solche KoIlektorstromschwankungen werden ebenfalls in der Schaltungsanordnung 10 voneinander subtrahiert, so daß sie sich am Ausgang 40 nicht auswirken. Den Basiselektroden der Transistoren 21, 22 zugeleitete Differenzsignale bewirken entsprechende differenzbezogene oder D.ifferenz-Kollektorströme in den Transistoren 21, 22, die beim Subtrahieren voneinander den Kollektorstrom des Transistors 15 durch konstruktive Addition entsprechend verändern.

Um diese Kollektorstromänderung aufgrund der genannten konstruktiven Addition zu ermöglichen, sollten die Transistoren 11, 12, 15 mit normaler Transistorvorspannung, d.h. mit durchlaßgespannten Basis-Emitter-Übergängen iind sperrgespannten Kollektor-Bas is -über gängerv, betrieben werden. Für einen solchen normalen Transistorvorspannbetrieb wird von der ümkehreingangsschaltung der Schaltungsanordnung 10 ein Hilfsvorstrom entnommen, um den Kollektorstrombedarf des Transistors 36 zu erfüllen. Dieser zusätzliche negative Eingangsgleichstrom, der als Hilfsvorstrom der Ümkehreingangsschaltung der Schaltungsanordnung 10 zugeleitet wird, bewirkt, daß am Kollektor des Transistors 15 ein positiver Ausgangsgleichstrom gleicher Amplitude auftritt.

Dieser positive Gleichstrom gelangt nicht zum Ausgang 40, sondern wird für die Deckung des Kollektorstrombedarfs des Transistors 38 verwendet. Damit dieser Strombedarf gleich dem gelieferten positiven Gleichstrom ist, macht man die

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-S-

Transistoren 36, 38 sowie die Emitterwiderstände 37, 39 gleich, Das heißt, der Kollektorstrom des Transistors 38 wird dem als Kollektorstrom des Transistors 36 fließenden Hilfsvorstfom gleichgemacht.

Die am Ausgang 40 aufgrund der konstruktiv addierten Differenz-Kollektorstromschwankungen der Transistoren 2.1* 22 erscheinenden Stromschwankungen können auf Null- oder Massepotential bezogen werden, wenn das Impedanzelement 45 einen durchgehenden Gleichstromweg aufweist. Die Schaltung nach Fig. 2 kann auch als Integrator verwendet werden, wobei das Impedanzelement 45 ein Kondensator ist.

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit der vorliegenden Schaltungsanordnung in steuerbaren Oszillatoren ist in einer gleichzeitig eingereichten USA-Patentanmeldung der gleichen Anmelderin (RCA 66 434) mit der Bezeichnung "Controlled Oscillator" beschrieben.

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Claims

Patentansprüche

(J.y Schaltungsanordnung zur Subtraktion eines Vielfachen eines ersten Eingangsstromes von einem zweiten Eingangsstrom unter Erzeugung eines Ausg_>angsstromes, der von der resultierenden Differenz abhängig ist, mit einer BezugsSpannungsquelle und drei Transistoren Äleichen Leitungstyps mit jeweils Basis-_/Emitter- und Kollektorelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Kollektorelektrode des ersten Transistors (1) und der Basiselektrode des dritten Transistors (5) eine erste Eingangsklemme zum Zuführen des ersten Eingangsstromes von einer ersten Eingangssignalquelle

(6) verbunden ist; daß mit den Basiselektroden des ersten und zweiten Transistors (1 bzw. 2), der Kollektorelektrode des zweiten Transistors (2) und der Emitterelektrode des dritten Transistors (5) eine zweite Eingangsklemme zum Zuführen des zweiten Eingangsstromes von einer zweiten Eingangssignalquelle

(7) verbunden ist; daß mit der Bezugsspannungsquelle ein gemeinsamer Schaltungspunkt verbunden ist und mit diesem die Emitterelektroden des ersten und zweiten Transistors (1 bzw.2) gleichstromgekoppelt sind; und daß mit der Kollektorelektrode des dritten Transistors (5) eine Ausgangsklemme zum Anschluß eines einen Stromweg für den Ausgangsstrom enthaltenden Verbra_^uchers (8) verbunden ist, wobei das Vielfache des ersten Eingangsstromes im wesentlichen unabhängig vom Stromverstärkungsfaktor der drei.Transistoren ist.

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2. Schaltungeanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Innenwiderstand der beiden Stromquellen (6, 7) jeweils größer als das Doppelte des Reziprokwertes der Steilheit (Transkonduktanz) des in der angegebenen Weise geschalteten ersten Transistors (1) ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrstrom-Versorgungsschaltung (30) vorgesehen ist; daß die erste Stromquelle einen vierten Transistor (21) und die zweite Stromquelle einen fünften Transistor (22) mit jeweils Basis-, Emitter- und Kollektorelektrode enthalten, wobei der vierte und der fünfte Transistor mit ihren Kollektorelektroden an die erste bzw. zweite Eingangsklemme und mit ihren Emitterelektroden an die MehrstromVersorgungsschaltung angeschlossen sind; daß eine Anordnung (23, 24) zum Anlegen von auf die Bezugsspannung bezogenen Eingangssignalen zwischen die Basiselektroden des vierten und des fünften Transistors vorgesehen ist; und daß. eine die zweite Eingangsklemme mit der Mehrstrom-Versorgungsschaltung koppelnde Anordnung (36) für die Bereitstellung eines Hilfsvorstromes vorgesehen ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine die Ausgangsklemme (40) mit der Mehrstrom-Versorgungsschaltung koppelnde Anordnung (38), die bewirkt, daß zwischen der Mehrstrom-Versorgungsschaltung und der Ausgangsklemme ein im wesentlichen dem Hilfsvorstrom gleicher Strom fließt.

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