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Dokumentenidentifikation DE69228450T2 22.07.1999
EP-Veröffentlichungsnummer 0518673
Titel Schnelle Pufferschaltung
Anmelder STMicroelectronics, Inc., Carrollton, Tex., US
Erfinder Bien, David Edward, Sunnyvale, California 94086, US
Vertreter Samson & Partner, Patentanwälte, 80538 München
DE-Aktenzeichen 69228450
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 11.06.1992
EP-Aktenzeichen 923053805
EP-Offenlegungsdatum 16.12.1992
EP date of grant 24.02.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.07.1999
IPC-Hauptklasse H03F 3/30
IPC-Nebenklasse H03F 3/50   

Beschreibung[de]

Diese Erfindung betrifft Verbesserungen bei Pufferschaltungen, und spezieller Verbesserungen bei Pufferschaltungen vom Typ eines Emitterfolgers ohne Rückführung, und eines Operations- oder Differenzverstärkers.

Pufferverstärker haben zahlreiche Anwendungen, zum Beispiel, Trennen von Signalpfaden, Sicherstellen korrekter Signalpegel von einer Stufe zur anderen, und so fort. Eine häufig verwendete Pufferschaltung 5 ist in Fig. 1 gezeigt. Die Schaltung 5 von Fig. 1 ist eine sogenannte Pufferschaltung in "Diamantanordnung" ("diamond configuration" buffer circuit), und weist zwei Emitterfolgeeingangsstufen 10 und 11, und eine Ausgangsverstärkerstufe 12 auf. Die erste Emitterfolgeemitterstufe 10 weist einen NPN Transistor 15, und eine Stromquelle 16 in Serie mit seinem Emitter auf. Ebenso weist die zweite Emitterfolgeschaltung 11 einen PNP Transistor 18, mit einer Stromquelle 19 in Serie mit seinem Emitter, auf. Die Ausgangsverstärkerstufe 12 weist einen NPN Transistor 21, und einen PNP Transistor 22 auf, welche über ihre Emitter- Kollektorpfade, wie gezeigt, in Serie geschaltet sind. Das mit Vin bezeichnete Eingangssignal zur Schaltung ist mit der Basis des NPN Transistors 15 und des PNP Transistors 18 verbunden, und der mit Vout bezeichnete Ausgang der Schaltung wird an einer Ausgangsknotenverbindung zwischen dem Emitter des NPN Transistors 21 und des PNP Transistors 22 erhalten.

Es ist zu erkennen, daß die Pufferschaltung 5 der Fig. 1 ein Verstärker "ohne Rückführung" ist. Das 'bedeutet, daß sie ihr Eingangssignal mit wenig Verzögerung oder Phasenverschiebung, im wesentlichen ohne Signalrückkopplung, zum Ausgangsknoten führt. Die Schaltung 5 ist deshalb relativ schnell, hat eine große Bandbreitenleistungsfähigkeit, und hat eine gute Nachführrate. Jedoch leiden der artige Schaltungen aber im allgemeinen unter Versatzproblemen. Auch müssen, da diese Schaltungen im allgemeinen eine sehr niedrige Ausgangsimpedanz aufweisen, ihre Ausgangsbauelemente gewöhnlich mit sehr hohen Strömen vorgespannt werden.

Ein weiterer Typ von Puffer, welcher häufig verwendet wird, ist die Pufferschaltung 25 vom Typ eines "Operationsverstärkers" oder "Differenzverstärkers", wie in Fig. 2 gezeigt. Wie gezeigt weist die Schaltung 25 einen Operationsverstärker 26 auf, bei dem ein Rückkopplungspfad 27 zwischen dem Ausgangsanschluß, Vout und dem negativen, oder invertierenden, Eingangsanschluß angeschlossen ist. Das Eingangssignal, Vin ist am positiven, oder nicht invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 26 angeschlossen.

Im Vergleich zu dem Puffer in "Diamantanordnung" vom in Fig. 1 gezeigten Typ, hat der Operationsverstärkerpuffer vom in Fig. 2 dargestellten Typ eine hervorragende Genauigkeit, mit geringem Versatz und eine niedrige Ausgangsimpedanz. Puffer vom Typ eines Operationsverstärkers sind auf eine hohe Verstärkung des Operationsverstärkers angewiesen, um eine gute Wiedergabe von Vin an ihrem Ausgang zu erzeugen. Der Nachteil ist, daß die Operationsverstärker über den gesamten gewünschten Frequenzbereich des Puffers eine brauchbare Verstärkung haben müssen. Da in der Praxis die Operationsverstärkerpuffer oft in einer zweistufigen Anordnung als ihren Ausgang einen Puffer aufweisen, welcher ähnlich dem oben beschriebenen Puffer ohne Rückführung ist, wobei eine Rückkopplungsschleife über den Operationsverstärker geschlossen wird, ist der Puffer vom Typ eines Operationsverstärkers notwendigerweise langsamer als der ohne Rückführung.

In der EDN Electrical Design News, Vol. 32, No. 4, 19. Februar 1987, Newton, Massachusetts, US, Seiten 137-151 ist eine Pufferschaltung beschrieben, bei welcher zwei Differenzverstärker verwendet werden, um Rückkopplungseingaben an zwei Transistoren eines Ausgangsverstärkers zu liefern.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Pufferschaltung zur Verfügung gestellt mit einem Paar von Eingangsspannungsverstärkern, welche so angeschlossen sind, daß sie ein Eingangsspannungssignal (Vin) empfangen, und welche jeweils ein Signal erzeugen, welches das Eingangsspannungssignal (Vin) repräsentiert, einem Paar von Ausgangstransistoren von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp, wobei das Paar von Ausgangstransistoren so verdrahtet ist, daß an einem dazwischenliegenden Verbindungsknoten ein Ausgangsspannungssignal (Vout) erzeugt wird, einer Schaltung zum Erzeugen eines Differenzsignals, welches die Differenz zwischen der Eingangsspannung (Vin) und der Ausgangsspannung (Vout) repräsentiert, wobei das Differenzsignal und das Signal, welches die Eingangsspannung (Vin) repräsentiert, an der Basis des einen Transistors des Paars von Ausgangstransistoren (54, 55) angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des anderen Transistors des Paars von Ausgangstransistoren so angeschlossen ist, daß sie nur das Signal, welches das Eingangsspannungssignal repräsentiert, empfängt.

Somit stellt die vorliegende Erfindung eine Pufferschaltung zur Verfügung, bei welcher ein Operationsverstärker auf solche Weise in Kombination mit einem Verstärker ohne Rückführung verwendet werden kann, daß der Operationsverstärker vom Inneren des Verstärkers ohne Rückführung das Signal steuert, ohne die dem Verstärker ohne Rückführung eigenen Vorteile zu beeinträchtigen. Die Kombination verbindet somit die besten Eigenschaften von den Puffern sowohl vom Typ eines Verstärkers ohne Rückführung, als auch eines Operationsverstärkers. Die sich ergebende Pufferschaltung hat die Vorteile sowohl der hervorragenden Geschwindigkeitsleistungsfähigkeit der Schaltung ohne Rück führung, als auch der erhöhten Genauigkeit der Schaltung vom Typ eines Operationsverstärkers.

Einer der Vorteile des Puffers der vorliegenden Erfindung ist, daß kein zusätzlicher Rückkopplungspfad benötigt wird, um über die volle Bandbreite des Puffers für Verstärkung zu sorgen. Anders gesagt wird die Bandbreite des Verstärkers nicht von der Bandbreite des Operationsverstärkerteils der Schaltung begrenzt. Zum Beispiel kann die benötigte Verstärkung des Operationsverstärkers nur eine kleine Bandbreite brauchen, wenn alles, was gewünscht ist, eine erhöhte Gleichstrom- (dc bzw. direct current) Leistungsfähigkeit ist. Außerdem wird angenommen, daß Puffer, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, unempfindlicher gegenüber hochkapazitiven Lasten als, zum Beispiel, Operationsverstärkerpuffer alleine sind.

Wie deutlich werden wird, eignen sich die Prinzipien eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung gut dafür, auf verschiedene Arten verwirklicht zu werden; zum Beispiel kann die Schaltung in Feldeffekttransistor- (FET bzw. Field Effect Transistor), Bipolartransistor-, oder in einer Kombination von Bipolar- und Feldeffekttransistortechnologie, mit jeweils den begleitenden Vorteilen, hergestellt werden. Zum Beispiel kann eine bipolare komplementäre Metalloxidhalbleiter- (BICMOS bzw. bipolar complementary metal-oxid semiconductor) Ausführung gemeinsam mit kapazitiv-empfindlichen Eingangsschaltungen verwendet werden, welche einfach als FET Bauelemente verwirklicht werden können, zusammen mit Ausgangsschaltungen, welche relativ hohe treibende Ströme brauchen, welche von bipolaren Bauelementen bereitgestellt werden können.

Die Erfindung wird durch die begleitende Zeichnung veranschaulicht, bei welcher:

Fig. 1 ein schematisches elektrisches Diagramm eines Pufferverstärkers ohne Rückführung, oder in "Diamantanordnung" des Stands der Technik ist;

Fig. 2 ein schematisches elektrisches Diagramm eines Pufferverstärkers vom Typ eines Operationsverstärkers mit Rückkopplung des Stands der Technik ist;

Fig. 3 ein Block- und ein schematisches elektrisches Diagramm eines Pufferverstärkers ist, welches die Prinzipien der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;

Fig. 4 ein schematisches elektrisches Diagramm eines mit Bipolartransistoren hergestellten Pufferverstärkers gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist.

In den verschiedenen Figuren der Zeichnung werden die gleichen Bezugszeichen verwendet, um gleiche oder ähnliche Teile zu bezeichnen.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist erkannt worden, daß durch Zusatz einer Rückkopplungsschaltung um einen Puffer ohne Rückführung dessen Leistungsfähigkeit verbessert werden kann. Außerdem kann der Puffer einen verringerten Versatz, sowie eine geringere Ausgangsimpedanz aufweisen. Bei der Schaltung gemäß der Erfindung wird eine zusätzliche parallel-serielle Rückkopplungsschleife auf ein solche Weise eingeführt, daß die große Bandbreite mit einer Verstärkung von Eins des Eingangsverstärkers ohne. Rückführung verwendet werden kann, Signale zu verstärken, ohne von einem Verstärkungsabfall im zusätzlichen Rückkopplungspfad beeinträchtigt zu werden. Auf diese Weise ist es möglich, die Genauigkeit des Puffers zu erhöhen, während eine sehr große Bandbreite erhalten bleibt.

Prinzipiell weist, wie in Fig. 3 gezeigt die Pufferschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Eingangsverstärker 30 und einen Ausgangsverstärker 31 auf. Es wird ein Eingangs/Ausgangsdifferenzverstärkerblock 33 zusammen mit einer Eingangsschleife 35 und einer Ausgangsschleife 36 zur Verfügung gestellt. Die Eingangsschleife 35 weist den Eingangsverstärker 30 mit einer Verstärkung a1 auf, wobei Vin an seinem Eingang anliegt. Das Eingangssignal Vin ist an einem nicht invertierenden Anschluß des Eingangs/Ausgangsdifferenzverstärkerblocks 33 angeschlossen, und der Ausgang des Verstärkers ist an einem invertierenden Anschluß des Eingangs/Ausgangsdifferenzverstärkerblocks 33 angeschlossen.

Auf der anderen Seite ist die Ausgangsstromschleife 36 am Ausgang des Verstärkers 31 angeschlossen, welcher eine Verstärkung a2 hat, und das Ausgangssignal Vout liefert. Der Ausgang des Verstärkers 31 ist auch an einem invertierenden Eingang des Eingangs/Ausgangsdifferenzverstärkerblocks 33 angeschlossen. Ein nicht invertierender Anschluß des Eingangs/Ausgangsdifferenzverstärkerblocks 33 ist, am Eingang des Verstärkers 31 angeschlossen, um den Strompfad zu vervollständigen.

Der Eingangs/Ausgangsdifferenzverstärkerblock 33 hat eine Übertragungsfunktion, welche dazu dient, eine Gleichheit, oder ein anderes geünschtes Verhältnis zwischen dem Eingangssignal Vin und dem Ausgangssignal Vaut zu erhalten.

Eine Weise, auf die diese Schaltung mit Bipolartransistoren verwirklicht werden kann, ist in Fig. 4 veranschaulicht. Dementsprechend wird der Verstärker in "Diamantanordnung" in der Form zweier Emitterfolgeeingangsverstärker 40 und 41, und eines Ausgangsverstärkers 42 verwirklicht. Der erste Eingangsverstärker 40 weist einen NPN Transistor 45 auf, wobei ein Kollektor- Emitterpfad, in Serie zwischen Vcc und einer Stromquelle 46, an VEE angeschlossen ist. Der zweite Eingangsverstär ker 41 weist einen PNP Transistor 48 auf, bei dem ein Emitter-Kollektorpfad, in Serie mit einer Stromquelle 49 und einem Widerstand 50, zwischen VCC und VEE angeschlossen ist. Die Stromquellen 46 und 49 liefern jeweils einen Strom I&sub1;.

Der Ausgangsverstärker 42 weist einen NPN Transistor 54 und einen PNP Transistor 55 auf, bei welchen die Emitter- Kollektorpfade, wie gezeigt, in Serie zwischen Vcc und angeschlossen sind. Ein Widerstand 56 kann zur Verfügung gestellt werden, um zwischen dem Ausgangsknoten 57 und dem Emitter des Transistors 55, falls notwendig, für einen Spannungsabfall zu sorgen. Wie gezeigt ist das Eingangssignal Vin an der Basis der Eingangstransistoren 45 und 48 angeschlossen, und das Ausgangssignal Vaut wird am Knoten 57 des Ausgangsverstärkers 42 erhalten. Die Eingaben zu der Basis der Ausgangstransistoren 54 und 55 stammen von den Ausgaben von den entsprechenden Emitterfolgeeingangsverstärkern 41 und 40, wie unten beschrieben.

Die Funktion des Eingangs/Ausgangsdifferenzverstärkerblocks wird vom Differenz-Vestärkerpaar 60 zur Verfügung gestellt. Das Differenz-Vestärkerpaar 60 weist zwei NPN Transistoren 61 und 62 auf. Der Kollektor-Emitterpfad des NPN Transistors 61 ist zwischen dem Ausgang des Emitterfolgeverstärkers 41 und einer Stromquelle 64 angeschlossen. Auf der anderen Seite ist, der Kollektor-Emitterpfad des NPN Transistors 62 zwischen dem Eingang von einem der Ausgangstransistoren, wie zum Beispiel der Basis des Transistors 54, wie gezeigt, und der Stromquelle 64 angeschlossen. Eine zweite Stromquelle 65 wird zur Verfügung gestellt, um über Widerstände 50 und 67 Strom zu dem Differenz-Transistorpaar 61 und 62 zu liefern. Das Eingangssignal Vin ist an der Basis des ersten Transistors 61 des Differenz-Transistorpaars angeschlossen, und der Ausgangknoten 57 ist an der Basis des zweiten Transistors 62 des Differenz-Transistorpaars angeschlossen. Die Stromquellen 64 und 65 liefern jeweils einen Strom I&sub2;.

Beim Betrieb fungieren, wie erwähnt, die Transistoren 45, 48, 54 und 55 als Puffer in "Diamantanordnung". Das Differenz-Transistorpaar 61 und 62 verstärkt die Differenz zwischen dem Eingangssignal Vin und dem Ausgangssignal Vout, und die verstärkte Differenz wird als Summe an der Basis des Transistors 54 in die Schaltung geführt. Dies hat die Wirkung, daß jedwede Differenz zwischen Vout und Vin verringert wird. Wie erwähnt, kann ein Widerstand 56 verwendet werden, um den Transistoren 61 und 62 zu erlauben, Vout zu beeinflussen, ohne zu großen Änderungen der Vorspannströme der Transistoren 54 und 55 zu führen. Es ist zu würdigen, daß die Verstärkung der Differenzleistungsstufe nahe Null sein kann, und daß dennoch Breitbandsignalpfade zu Vout bestehen.

Es ist zu würdigen, daß das bipolare Ausführungsbeispiel der Erfindung in Bezug auf bestimmte Transistoren vom NPN- und PNP-Typ beschrieben wurde; jedoch ist nicht beabsichtigt, die Erfindung nur auf Ausführungen mit Transistoren der veranschaulichten Leifähigkeitstypen zu beschränken, da der Fachmann mit den geeigneten Änderungen bei den Vorspannspannungen einfach Transistoren verschiedener Leifähigkeitstypen ersetzen kann.

Außerdem kann die Erfindung, abhängig von der gewünschten Anwendung, mit anderen Schaltungen als solchen verwirklicht werden, die nur mit bipolaren Bauelementen hergestellt werden.

Obwohl die Erfindung mit einem bestimmten Maß an Besonderheiten beschrieben und veranschaulicht wurde, ist zu verstehen, daß die vorliegende Offenbarung nur beispielhaft war, und daß zahlreiche Änderungen bei der Kombination und Anordnung der Teile vom Fachmann verwendet werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung, wie im folgenden beansprucht, zu verlassen.


Anspruch[de]

1. Pufferschaltung mit:

einem Paar von Eingangsspannungsverstärkern (40, 41), welche so angeschlossen sind, daß sie ein Eingangsspannungssignal (Vin) empfangen, und welche jeweils ein Signal erzeugen, welches das Eingangsspannungssignal (Vin) repräsentiert;

einem Paar (42) von Ausgangstransistoren (54, 55) von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp, wobei das Paar von Ausgangstransistoren (54, 55) so verdrahtet ist, daß an einem dazwischenliegenden Verbindungsknoten (57) ein Ausgangsspannungssignal (Vout) erzeugt wird;

einer Schaltung (60) zum Erzeugen eines Differenzsignals, welches die Differenz zwischen der Eingangsspannung (Vin) und der Ausgangsspannung (Vout) repräsentiert, wobei das Differenzsignal und das Signal, welches die Eingangsspannung (Vin) repräsentiert, an der Basis des einen Transistors des Paars von Ausgangstransistoren (54, 55) angelegt wird;

dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des anderen Transistors des Paars von Ausgangstransistoren (54, 55) so angeschlossen ist, daß sie nur das Signal, welches das Eingangsspannungssignal repräsentiert, empfängt.

2. Pufferschaltung nach Anspruch 1, bei welcher das Eingangsspannungssignal (Vin) und das Ausgangsspannungssignal (Vout) im wesentlichen gleich gehalten werden.

3. Pufferschaltung nach Anspruch 1 oder 2, welche außerdem einen Widerstand aufweist, welcher zwischen einem Ausgang von einem der Eingangsverstärker (40, 41), und der Basis von einem der Ausgangstransisto ren (54, 55) angeschlossen ist, um über den Ausgang des einen Eingangsverstärkers das Differenzsignal dem einen Ausgangstransistor zuzuführen.

4. Pufferschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher jeder des Paares von Eingangsverstärkern (40, 41) einen Transistor (45, 48) aufweist, welcher in einer Emitterfolgeanordnung angeschlossen ist, wobei bei jedem Transistor (45, 48) eine entsprechende Stromquelle (46, 49) an seinem Emitter angeschlossen ist, und wobei an der Basis der Eingangstransistoren (45, 48) das Eingangssignal (Vin) angelegt wird.

5. Pufferschaltung nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, bei welcher die Schaltung (60) zum Erzeugen eines Differenzsignals einen Differenzverstärker aufweist.

6. Pufferschaltung nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, bei welcher die Schaltung (60) zum Erzeugen eines Differenzsignals einen Operationsverstärker aufweist, wobei der Operationsverstärker ein gewünschtes Verstärkungsverhältnis zwischen dem Eingangssignal (Vin) und dem Ausgangssignal (Vout) hält.

7. Pufferschaltung nach Anspruch 6, bei welcher der Operationsverstärker ein Verstärkungsverhältnis von Eins hält.

8. Pufferschaltung nach Anspruch 6 oder 7, bei welcher der Operationsverstärker ein Differenz- bzw. Differenzschaltungspaar von Transistoren ist, von welchen der eine (61) das Eingangssignal (Vin) empfängt, und der andere (62) das Ausgangssignal (Vout) empfängt.

9. Pufferschaltung nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, bei welcher die Schaltung (6) zum Erzeugen eines Differenzsignals zwei Transistoren (61, 62) aufweist, welche so angeschlossen sind, daß sie jeweils das Eingangssignal (Vin) und das Ausgangssignal (Vout) an ihren Eingangsanschlüssen empfangen, und Widerstandsmittel, über welchen die Ausgänge der Transistoren (61, 62) angeschlossen sind, um ein Differenzsignal zum Zuführen zu der Basis des einen Ausgangstransistors (54, 55) zu erzeugen.







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