Spannungsgesteuerte Push-Pull-Stromquelle
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Diese Erfindung betrifft allgemein Signalstromquellen.
Insbesondere betrifft diese Erfindung eine spannungsgesteuerte
Push-Pull-Stromquelle, bei der die Differenz zwischen den
entgegengesetzten Stromsignalen in linearem Verhältnis zu dem
Eingangsspannungssignal steht.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Push-Pull-Stromquellen finden jedesmal dann in
Schaltungsanordnungen Verwendung, wenn die Differenz zwischen
entgegengesetzten Stromsignalen eine bevorzugte Möglichkeit
zur Übertragung eines Steuersignals darstellt. Die Summe der
entgegengesetzten Ströme ist konstant, wobei die Differenz
zwischen ihnen proportional zu dem Wert des Steuersignals ist.
Einige Anwendungen, bei denen solche Stromquellen verwendet
werden, sind die Bereitstellung einer Verstärkungssteuerung
für Gilbert-Verstärkungszellen und die Bereitstellung eines
präzisen Offset-Stromes in einen Push-Pull-
Gleichstromverstärker.
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Herkömmliche Push-Pull-Stromquellen weisen mehrere Nachteile
auf. Zum einen ist ihr Aufbau häufig so komplex, daß sie sich
nicht leicht verschiedenen Schaltungsumgebungen anpassen
lassen. Zum anderen verlieren die Stromsignale bei
Extremwerten des Steuersignals ihr lineares Verhältnis zu dem
Steuersignal.
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Das für Gross erteilte US-Patent Nr. 4,528,515 offenbart zum
Beispiel einen hochfrequenten Differenzverstärker, bei dem das
lineare Verhältnis zwischen seinem Eingangsspannungssignal und
Ausgangsstromsignal bei den Extremwerten des Eingangssignals
schlecht ist.
Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine spannungsgesteuerte
Push-Pull-Stromquelle mit einem Paar Pufferverstärker zur
Verfügung gestellt, von denen jeder einen Eingang, einen
Spannungsausgang und einen Stromausgang hat, wobei eine erste
Spannung an dem Eingang des einen Pufferverstärkers und eine
zweite Spannung (Vi) an dem Eingang des anderen
Pufferverstärkers anliegt, einer festen Stromquelle, die mit jedem
Spannungsausgang verbunden ist, und einer linearen Impedanz,
die zwischen den Spannungsausgängen geschaltet ist, so daß
jeder Ausgangsstrom an dem entsprechenden Stromausgang gleich
dem festen Strom von der festen Stromquelle ist, welcher von
dem Strom durch die lineare Impedanz modifiziert ist, wobei
die spannungsgesteuerte Push-Pull-Stromquelle dadurch
gekennzeichnet ist, daß: die Anordnung so ist, daß die Stromquellen
der Pufferverstärker jeweils einen Strom ziehen, der einen
Grenzstrom aufweist, so daß sich jeder Ausgangsstrom über den
vollen Bereich von Differenzen zwischen den ersten und zweiten
Spannungen linear verändert; und dadurch, daß eine
Stromvorrichtung vorgesehen ist, welche mit jedem Stromausgang
verbunden ist, um die Ausgangsströme an die Pufferverstärker zu
legen und zum Reproduzieren der Ausgangsströme an den
Ausgangsstromwegen der Stromvorrichtung, und eine feste
Stromquelle, welche mit jedem Ausgangsstromweg der Stromvorrichtung
verbunden ist, um einen festen Strom von jedem
Ausgangsstromweg zu ziehen, welcher gleich dem Grenzstrom ist, der von den
festen Stromquellen des Pufferverstärkers erstellt wird, um
die Ausgangsströme der spannungsgesteuerten
Push-Pull-Stromquelle zu erzeugen; wobei die Differenz zwischen letzteren
Ausgangsströmen in linearem Verhältnis zu der Differenz
zwischen den ersten und zweiten Spannungen über den vollen
Bereich von Eingangsspannungswerten ist; und die ersten und
zweiten Spannungen die Bezugs- bzw. die Eingangsspannung sind.
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In der hier beschriebenen Ausführungsform umfaßt die
Stromvorrichtung einen Stromspiegel für jeden Puffer. Die
lineare Impedanz überträgt einen Strom zwischen den Puffern
proportional zu der Differenz zwischen den Spannungssignalen.
Der übertragene Strom wird mit dem von jeder Puffervorrichtung
gezogenen festen Strom summiert, um den von jedem Stromspiegel
benötigten Strom zu bestimmen.
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Ein Aufbau, bei dem die Erfindung ausgeführt ist, wird nunmehr
beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung
beschrieben werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 ist ein Schaltbild einer Push-Pull-Stromquelle gemäß
der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Eine Push-Pull-Stromquelle 10 gemäß der Erfindung ist in Fig.
1 gezeigt. Die Stromquelle weist einen Eingangspuffer 12 zum
Empfangen eines Eingangsspannungssignals und einen
Bezugspuffer 14 zum Erzeugen eines Bezugsspannungssignals auf. Die
Puffer 12 und 14 sind separat mit den Stromspiegeln 16 bzw. 18
verbunden. Die Puffer sind auch über einen Widerstand 19
miteinander verbunden, um einen Strom zwischen ihnen,
proportional zu der Spannung des Steuersignals, zu übertragen. Wie
nachstehend erläutert werden wird, erstellen die Stromspiegel
Ströme, welche sich proportional von der Differenz zwischen
den Eingangs- und Bezugsspannungssignalen unterscheiden. Diese
Ströme werden von den Stromspiegeln 16 und 18 in Ausgangswegen
als Stromsignale erzeugt. Es versteht sich, daß die für jeden
Puffer oder Stromquelle gezeigte spezifische Anordnung nur zur
Veranschaulichung der Erfindung dient und diese keineswegs
einschränken soll.
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Wenn die Elemente der Stromquelle 10 im einzelnen betrachtet
werden, dann umfaßt der Puffer 12 einen Differenzverstärker 17
mit einer aktiven Last 21 und einen Ausgangstransistor 20,
welcher mit negativer Rückkopplung mit dem Differenzverstärker
verbunden ist. Das Eingangsspannungssignal Vi wird von einer
Spannungsquelle 22 erzeugt und wird über einen Spannungsteiler
24, welcher ein Paar Widerstände umfaßt, an den
Differenzverstärker 17 gelegt. Der Teiler 24 erstellt den gewünschten
Steuersignalbereich und reduziert die Empfänglichkeit der
Stromquelle 10 für Schwankungen/Veränderungen in der Impedanz
von Spannungsquelle 22. Die Rückkopplung durch Transistor 20
erzeugt an seinem Emitter eine Ausgangsspannung Vo, welche von
dem Steuerspannungssignal isoliert ist und eine
Leistungsverstärkung, die bezüglich Vi dann zugleich eine
Spannungsverstärkung darstellt. Der Transistor 20 ist durch eine feste
Stromquelle I&sub1; vorgespannt, welche einen festen Strom vom
Puffer 12 zieht.
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Der Bezugspuffer 14 hat denselben Aufbau wie Eingangspuffer
12, jedoch mit einem Bezugssteuerspannungssignal, welches
konstant ist. In dieser Ausführungsform ist die Bezugsspannung
Masse, von der angenommen wird, daß sie 0 Volt beträgt, und
wird an den Eingang von Puffer 14 angelegt. Die
Ausgangsspannung Vr des Bezugspuffers wird am Emitter von
Ausgangstransistor 26 genommen und hat eine Leistungsverstärkung,
folglich zugleich bezüglich der Masse eine
Spannungsverstärkung. Der Transistor 26 ist von einer festen Stromquelle I&sub2;
vorgespannt, welche einen festen Strom von Puffer 14 zieht,
der gleich dem Strom ist, welcher durch Quelle I&sub1; von Puffer
12 gezogen wird.
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Die Puffer 12 und 14 sind über eine Vorrichtung wie Widerstand
19 miteinander verbunden, um einen Strom zwischen den Puffern
zu übertragen, welcher proportional zu der Differenz zwischen
den Eingangs- und Bezugsspannungssignalen ist. Der übertragene
Strom wird mit dem festen Strom, der von jedem Puffer durch
die Quellen I&sub1; und I&sub2; gezogen wird, aufsummiert, um den Strom
zu bestimmen, welcher von den Stromspiegeln für jeden Puffer
benötigt wird. Die festen Stromquellen I&sub1; und I&sub2;, die
Stromspiegel 16 und 18 und die Widerstandsverbindung der
Puffer 12 und 14 bilden daher eine Vorrichtung zur Erstellung
von Strömen I&sub3; und I&sub4;, welche sich proportional von der
Differenz zwischen den Eingangs- und Bezugsspannungssignalen
unterscheiden.
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Die Stromspiegel 16 und 18 haben einen herkömmlichen Aufbau
und können jede erforderliche Kompensation wie einen Reihen-
Widerstands-Kondensator 30 aufweisen. Der Stromspiegel 16
reproduziert den Strom I&sub3; in einem Ausgangsweg 32. Ahnlich
erzeugt der Stromspiegel 18 Strom I&sub4; in einem Ausgangsweg 34.
Durch den Ausgangsweg 32 und den Ausgangsweg 34 werden I&sub3; und
I&sub4; als Ausgangsstromsignale reproduziert, welche an andere
Schaltungen übertragen werden können, wie ein Gilbert-
Verstärkungssignal.
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Bei der Steigerung und Verringerung von Vi, um I&sub3; und somit I&sub4;
zu verändern, werden die Ströme durch die Transistoren 20 und
26 schwanken. Wenn I&sub3; oder I&sub4; sich ausreichend verringern, dann
sind sie nicht mehr linear proportional zu der Differenz
zwischen Vo und Vr. Die Stromquelle 10 vermeidet diese
nichtlinearen Bereiche, indem sie einen Extra- oder Grenzstrom an
den Quellen I&sub1; und I&sub2; hinzufügt, welcher Teil der Ströme I&sub3; und
I&sub4; ist. Dieser zusätzliche Strom wird dann subtrahiert, bevor
die Ausgangsstromsignale an eine andere Schaltung oder
Vorrichtung übertragen werden. Bezüglich der Ausgangswege 32 und
34 ist jeder Pfad mit einer linearisierenden Stromquelle I&sub5;
bzw. I&sub6; verbunden, welche den in die Stromquelle 10 durch
und I&sub2; addierten Extra-Strom heraus subtrahiert. Diese
Subtraktion hinterläßt ein Ausgangsstromsignal I&sub7; in Weg 32 und
ein Ausgangsstromsignal I&sub8; in Weg 34. Diese
Ausgangsstromsignale
können bis Null schwanken und aufgrund des
Extrastromes noch immer in linearem Verhältnis zu der Differenz
zwischen Vo und Vr stehen.
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Der Betrieb der Stromquelle 10 ist am besten anhand eines
Beispiels verständlich. Es wird anfangs angenommen, daß Vo gleich
Vr ist, da Vi gleich Null Volt ist. Beide Puffer 12 und 14
ziehen gleiche Ströme I&sub3; und I&sub4; von ihren jeweiligen
Stromspiegeln in einer Menge, die im wesentlichen gleich I&sub1; und I&sub2; ist.
Kein Strom fließt zwischen den Puffern, da keine Spannung über
dem Widerstand 19 liegt. Jetzt wird angenommen, daß Vi
ansteigt. Vo wird entsprechend ansteigen, da Strom von der
aktiven Last 21 in die Basis von Transistor 20 umgeleitet
wird, und als Ergebnis steigt der Kollektorstrom I&sub3; an. Der
Anstieg von I&sub3; kann nicht aus I&sub1; ausfließen, welcher konstant
ist, sondern wird statt dessen über Widerstand 19 umgelenkt.
Der Widerstand 19 ist auf einem solchen Wert gewählt, daß der
maximale übertragene Strom I&sub1; abzüglich des gewünschten Extra-
Stroms sein wird.
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Die Spannung Vr bleibt fest. Der Emitterstrom von Transistor
26 wird verringert, da der übertragene Strom mit dem festen
Strom, der durch die Quelle I&sub2; aus dem Puffer 14 gezogen wird,
summiert wird. Der Kollektorstrom von Transistor 26, I&sub4;, sinkt
entsprechend um eine Menge gleich dem übertragenen Strom. I&sub4;
wird jedoch aufgrund der Grenze, die der Wert von Widerstand
19 dem übertragenen Strom auferlegt, nicht vollständig
abgeschaltet. Der minimale Strom I&sub4; ist daher der für die
Linearität hinzugefügte Extra-Strom.
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Die Ströme I&sub3; und I&sub4; werden in den Ausgangswegen 32 bzw. 34
reproduziert. Der Grenzstrom wird von der Stromquelle I5 aus
dem Weg 32 gezogen, übrig bleibt der Signalstrom I&sub7;. Auf
ähnliche Weise wird der Extra-Strom von der Stromquelle I&sub6; aus
dem Weg 34 gezogen und übrig bleibt das entgegengesetzte
Stromsignal I&sub8;. Wenn sich I&sub4; auf seinem Minimum befindet, dann
wäre I&sub8; Null. Wenn sich umgekehrt I&sub4; auf seinem Maximum
befindet, dann wäre I&sub7; Null. Wenn feste Grenzströme I&sub5; und I&sub6;
von gleichem Wert aus den Wegen 32 und 34 gezogen werden, dann
stehen I&sub7; und I&sub8; immer noch in linearem Verhältnis zu dem Wert
von Vi.
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Aufgrund des Gleichgewichtes der Stromquelle 10 und der
Feststromziehungen der Stromquellen I&sub1;, I&sub2;, I&sub5; und I&sub6; ist die
Summe der Ausgangssignalströme I&sub7; und I&sub8; immer konstant.
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Nach der Veranschaulichung und Beschreibung der Prinzipien der
Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sollte
es für den Fachmann auf dem Gebiet offensichtlich sein, daß
die Erfindung in Anordnung und Detail modifiziert werden kann,
ohne hierbei von diesen Prinzipien abzugehen. Zum Beispiel
können die Puffer 12 und 14 mit jeder beliebigen Anzahl
wohlbekannter Konfigurationen versehen sein, wie Widerstandslasten
anstelle aktiver Lasten, Bootstrap-Schaltungen zur
Rückkopplung anstelle eines Differenzverstärkers, einer
Substitution von Feldeffekttransistoren für bipolare
Transistoren und so weiter.