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Dokumentenidentifikation DE19858078A1 21.06.2000
Titel Signalverstärkerschaltung mit symmetrischen Ein- und Ausgängen
Anmelder Nokia Mobile Phones Ltd., Espoo, FI
Erfinder Edeler, Wolfgang, 48691 Vreden, DE
Vertreter Grasnick, H., Dipl.-Ing.Faching.f.Schutzrechtswesen, Pat.-Ass., 75175 Pforzheim
DE-Anmeldedatum 16.12.1998
DE-Aktenzeichen 19858078
Offenlegungstag 21.06.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 21.06.2000
IPC-Hauptklasse H03F 3/45
IPC-Nebenklasse H03F 3/26   H04L 25/20   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Verstärkerschaltung für eine IC, bei der mit geringem Aufwand durchgehend, verzweigungs- und kreuzungsfrei eine symmetrische Signalführung von den Eingängen bis zu den Ausgängen realisierbar ist. Die IC ist bei einem Minimum an äußerer Beschaltung als Verstärker, Puffer, Leitungstreiber und als Leitungsempfänger für symmetrische Signalleitungen einsetzbar.
Zwei Operationsverstärker (OA1 und OA2) sind jeweils als nichtinvertierende Verstärker geschaltet und weisen integrierte Rückkopplungsimpedanzen (RF1, RF2), einen gemeinsamen Widerstand (R3) zum Einstellen der Differenzverstärkung und eine Subtrahierstufe auf. Gemäß der Erfindung bilden zwei parallel geschaltete komplementäre Differenzverstärker (DIF1 und DIF2) die Subtrahierstufe, von denen jeder ein eigenes Paar Signalausgänge (O11/O12 bzw. O21/O22) für jeweils ein Differenzsignal aufweist. Jeder der Signalausgänge (O11, O12 bzw. O21, O22) führt zu einem eigenen Treiber (DV11, DV12, DV21 und DV22), welche so miteinander verbunden sind, dass eine Gegentaktendstufe in Brückenschaltung entsteht.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Signalverstärkerschaltung mit symmetrischen Ein- und Ausgängen, bei der die Signalführung von den Eingängen bis zu den Ausgängen durchgehend symmetrisch erfolgt. Solche Verstärker sind insbesondere sowohl als Leitungstreiber als auch als Leitungsempfänger für symmetrische Signalleitungen einsetzbar.

In der Telekommunikationstechnik und der Tonstudiotechnik werden zur Signalübertragung über Leitungen zum großen Teil symmetrische Signalwege benutzt, um den Zugang störender Fremdsignalanteile aus der Umgebung zum Nutzsignal zu vermeiden. Bekanntlich können elektrische und oder magnetische Fremdfelder aus der Umgebung einer elektronischen Anlage, beispielsweise von der eigenen Stromversorgung, über längere Signalwege als überlagerte Fremdsignalanteile Zugang zum Nutzsignal finden. Auch über die Betriebsstromanschlüsse selbst und durch thermische Einflüsse können störende Signalkomponenten in die Signalwege gelangen. Eine symmetrische Signalführung ist immer bei Signalübertragungen zwischen Anlagenteilen über längere Leitungen von Vorteil. Dieses ist unter anderem auch für die Verlegung von Signalleitungen in einem Kraftfahrzeug wichtig, um beispielsweise eine Freisprecheinrichtung für den Fahrer des Kraftwagens, die sich im vorderen Teil des Wagens befindet, mit einem Funktelefon das sich im hinteren Teil des Wagens befindet zu verbinden. Eine solche Leitung ist in der Regel mehrere Meter lang und muss gegen extreme Störeinflüsse der übrigen Bordelektronik, wie beispielsweise der Zündanlage, unempfindlich sein.

Es ist üblich, derartige Verbindungen als verdrillte symmetrische Leitung auszuführen. Dabei gelangt nur die Signaldifferenz zwischen beiden Signalwegen zur Signalverarbeitung und zur Wiedergabe. Alle Fremdsignalanteile, welche im Gleichtakt kapazitiv, induktiv oder über die Betriebsstromversorgung in beide Signalwege gelangen, werden durch Subtraktion unterdrückt.

Ein Maß für die Qualität der symmetrischen Signalführung ist die sogenannte Gleichtaktunterdrückung. Diese hängt stark von den Toleranzen der entsprechenden Komponentenpaare in den beiden Signalwegen ab.

Aus der Fachliteratur, wie beispielsweise dem Fachbuch: Halbleiter-Schaltungstechnik/U. Tietze; Ch. Schenk - 5., überarbeitete Auflage - Berlin, Heidelberg, New York: Springer, 1980, Abschnitt 25.1.2 und Abb. 25.3, als auch aus dem EP 0 453 680 ist ein sogenannter "Elektrometersubtrahierer" oder auch "Instrumentenverstärker" zum Messen von Potentialdifferenzen bekannt. Dieser enthält, wie Fig. 1 zeigt, im Wesentlichen die drei Operationsverstärker OA 1 bis OA 3. Der Operationsverstärker OA 3 bildet mit den Widerstandspaaren R14/R24 und R15/R25 einen Subtrahierer mit einem asymmetrischen Signalausgang OASYM. Die Operationsverstärker OA 1 und OA 2 bilden jeweils nichtinvertierende Verstärker und sind vor den Eingängen des Subtrahierers angeordnet. Jeder nichtinvertierende Verstärker weist zwischen seinem Ausgang und dem invertierenden Eingang einen Rückkopplungswiderstand RF 1 bzw. RF 2 auf. Im Interesse einer hohen Gleichtaktunterdrückung müssen die Widerstände RF 1 und RF 2 ebenso wie auch die Widerstandspaare R14/R24 und R15/R25 möglichst genau übereinstimmen.

Die invertierenden Eingänge beider Verstärker sind über einen gemeinsamen Widerstand R 3 miteinander verbunden, der zum Einstellen der Verstärkung dient.

Von Vorteil ist, dass mit dem Widerstand R 3 in beiden Verstärkern OA 1, OA 2 gemeinsam der Verstärkungsfaktor einstellbar ist. Somit kann allein mit diesem Widerstand die Differenzverstärkung des Instrumentenverstärkers eingestellt werden. Die Verstärker OA 1, OA 2 bewirken ausserdem, dass der Instrumentenverstärker zwei identische Signaleingänge aufweist und dass die Parameter des Subtrahierers insbesondere die Gleichtaktunterdrückung unabhängig vom Innenwiderstand der Signalquelle sind. Die Gleichtaktverstärkung der nichtinvertierenden Verstärker OA 1, OA 2 weist unabhängig von der eingestellten Differenzverstärkung den Wert 1 auf.

Von Nachteil ist, dass der Instrumentenverstärker nur einen asymmetrischen Ausgang aufweist. Das erfordert mindestens noch einen weiteren Operationsverstärker, um zusätzlich zum nichtinvertierten Signal auch ein invertiertes Signal bereitzustellen.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Lösung besteht darin, dass nur dann eine hohe Gleichtaktunterdrückung erreicht wird, wenn die entsprechenden Schaltungskomponenten in jedem Zweig der Schaltung einschließlich der induktiven und kapazitiven Leitungskomponenten von äusserer und innerer Schaltung enge Toleranzen aufweisen. Diese Bedingung ist in der Praxis nur mit größerem Aufwand zu erreichen, da neben paarig, eng tolerierten Bauelementen auch eine symmetrische Leitungsführung in den Signalzweigen realisiert werden muss. Insbesondere, wenn für die Schaltung beispielsweise ein IC mit vier integrierten Operationsverstärkern benutzt wird, kann die Symmetrie selbst bei sorgfältigem Aufbau der äusseren Schaltung nur annähernd erreicht werden, da die Signalzweige bereits verschieden von der Anzahl von aktiven Bauelementen aufgeführt sind, womit verschiedene Phasengänge kaum zu vermeiden sind. Ausserdem wird für die gesamte Schaltung eine relativ große Fläche von der Leiterplatte benötigt.

Es ist auch bekannt, einen Instrumentenverstärker einschließlich aller passiver Bauelemente in Form einer IC herzustellen. Zum Übertragen von Video- oder Telekommunikationssignalen auf breitbandigen Leitungspaaren stellt die Fa. Maxim Integrated Products, Sunnyvale, CA, ein IC-Paar her, welches aus einem Leitungstreiber-IC MAX4147 und einem Leitungsempfänger-IC MAX4144 bzw. MAX4146 besteht. Der Leitungsempfänger-IC ist ebenfalls als Instrumentenverstärker entsprechend Fig. 1 mit symmetrischen Differenzeingängen und asymmetrischen Ausgang ausgeführt und enthält lasergetrimmte, gepaarte Dünnschichtwiderstände. Im Gegensatz dazu enthält der Leitungstreiber-IC nur zwei, als nichtinvertierende Verstärker geschaltete Operationsverstärker entsprechend den beiden Verstärkern OA 1, OA 2, Rückkopplungswiderstände entsprechend den Widerständen RF1 und RF2 und den gemeinsamen Widerstand entsprechend dem Widerstand R 3 in Fig. 1, jedoch keinen Subtrahierer. Das auf der Leitung übertragene Signal enthält also noch Gleichtaktanteile. Erst im Leitungsempfänger werden diese durch Signalsubtraktion entfernt.

Damit gelangen die Gleichtaktsignalanteile von Seiten des Leitungstreiber-IC über das Leitungspaar ungehindert zum Leitungsempfänger-IC und werden dort vor der Subtraktion ein weiteres mal verstärkt. Dieses kann bei großen Gleichtaktamplituden zum Übersteuern der Leitungsempfänger-IC führen. Um dieses zu verhindern, kann zwischen der Leitungstreiber-IC und der Leitung zusätzlich ein induktiver Übertrager angeordnet werden.

Ausgehend von den dargestellten Mängeln ist es Aufgabe der Erfindung, einen integrierten Schaltkreis für einen symmetrischen Verstärker zu schaffen, der auf Grund seines einfachen Aufbaus mit geringem Aufwand zu fertigen ist. Die IC soll in Folge seiner technischen Parameter und bei minimaler peripherer Schaltung als Universalbaustein für den Abschluß symmetrischer Übertragungswege sowohl als Leitungstreiber als auch als Leitungsempfänger geeignet sein und ohne eng tolerierte periphere Bauelemente eine hohe Gleichtaktunterdrückung aufweisen.

Die Schaltung gemäß der Erfindung enthält an den Signaleingängen ebenfalls zwei Operationsverstärker, die jeweils als nichtinvertierende Verstärker geschaltet sind und einen gemeinsamen Widerstand zum Einstellen der Differenzverstärkung aufweisen. Beide nichtinvertierende Verstärker weisen integrierte Rückkopplungsimpedanzen auf und liefern an die folgende Subtrahierstufe ein verstärktes symmetrisches Eingangssignal. Gemäß der Erfindung besteht die Subtrahierstufe aus zwei parallel geschalteten komplementäre Differenzverstärkern, von denen jeder ein eigenes Ausgangspaar für ein Differenzsignal aufweist. Zum Unterdrücken der Gleichtaktsignalkomponenten, die dem Eingangssignal überlagert sind, ist ein Differenzverstärker so ausgebildet, dass seine Arbeitsimpedanzen für das Differenzausgangssignal am Pluspol einer Dualspannungsquelle liegen, während der andere entsprechende Arbeitsimpedanzen aufweist, welche am Minuspol der Dualspannungsquelle liegen. Die an den Arbeitsimpedanzen angeordneten Signalausgänge der Differenzverstärker sind jeweils mit einem eigenen Treiber verbunden, welche vorteilhaft als Spannungsfolger ausgeführt ist, wobei auch die Treiber, entsprechend dem Leitfähigkeitstyp des vorgeschalteten Differenzverstärkers komplementär ausgeführt sind. Die Signalausgänge der Spannungsfolger sind so mit einander verbunden, dass eine Endstufe in Brückenschaltung entsteht.

Die Schaltung gemäß der Erfindung kann vollständig in einer IC integriert werden. Es ist jedoch vorteilhaft, den gemeinsamen Widerstand zum Einstellen der Differenzverstärkung extern anzuschließen. Von Vorteil ist ausserdem, die geringe Zahl von erforderlichen Anschlüsse am IC-Gehäuse. Insgesamt werden nur je ein Paar Anschlüsse für die Betriebsspannung, die symmetrischen Eingänge die symmetrischen Ausgänge und für den gemeinsamen Widerstand benötigt. Da der gemeinsame Widerstand ggf. neben HF-Blockkondensatoren an den Spannungsanschlüssen die einzigen peripheren Bauelemente sind, ist der Platzbedarf der gesamten Schaltung auf der Leiterplatte sehr gering. Auf Grund des konsequent symmetrischen Schaltungsaufbaus mit komplementären Bauelementen weisen beide Signalwege eine besonders gute Übereinstimmung auf. Alle paarigen Komponenten der Schaltung liegen in der IC und die Toleranzen können mit bekannten Technologien bei der Herstellung gering gehalten werden. Damit ist eine hohe Gleichtaktunterdrückung gewährleistet.

Die Lösung gemäß der Erfindung soll nachstehend an einem Beispiel erläutert werden. Die entsprechenden Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines bekannten Elektrometersubtrahierers,

Fig. 2 ein Schaltbild der Lösung gemäß der Erfindung,

Fig. 3 eine Ausführungsform der Schaltung als Leitungstreiber/Leitungsempfänger-IC mit äusserer Beschaltung und vorteilhafter Anschlussbelegung.

Die in Fig. 1 gezeigte Schaltung entspricht, wie Eingangs erläutert, der bekannten Grundschaltung für einen Instrumentenverstärker.

Fig. 2 zeigt die Prinzipschaltung gemäß der Erfindung, welche an den Signaleingängen +IN und -IN ebenfalls zwei als nichtinvertierende Verstärker geschaltete Operationsverstärker OA 1 bzw. OA 2 mit integrierten Rückkopplungsimpedanzen RF1 bzw. RF2 enthält. Zum Einstellen der Differenzverstärkung für die gesamte IC dient ein gemeinsamer Widerstand R 3, der sich entweder zum Realisieren eines Festwertes für die Differenzverstärkung in der IC befindet oder zum Einstellen einer Verstärkung nach Anwenderwunsch separat auf der Leiterplatte angeordnet ist.

Im Interesse einer hohen Gleichtaktunterdrückung können die Rückkopplungsimpedanzen RF1 bzw. RF2 auch mit bekannten Halbleiterstrukturen beispielsweise mit aktiven Schaltungselementen oder Spannungsteilern ausgeführt werden, welche eine hohe Paarigkeit des rückgeführten Signalanteils mit preisgünstigeren Mitteln ermöglichen als mit integrierten Dünnschichtwiderständen.

Die nichtinvertierenden Verstärker OA 1 bzw. OA 2, liefern an die Differenzverstärker DIF 1 und DIF 2 ein verstärktes symmetrisches Eingangssignal bei einem niedrigen Ausgangswiderstand. Infolge der hohen Eingangsimpedanzen der nichtinvertierenden Verstärker OA 1 bzw. OA 2 ist der Einfluß des Quellwiderstandes gering.

Die Differenzverstärker DIF 1 und DIF 2 sind mit den Eingängen parallel geschaltet und die Transistorpaare V11/V12 und V21/V22 zueinander in komplementärer Halbleitertechnik ausgeführt. Beide Differenzverstärker enthalten für eine gute Schaltungssymmetrie in den Emitterkreisen je eine Stromquelle CC1 bzw. CC2 und werden aus einer Dualspannungsquelle versorgt, welche eine positive Betriebsspannung +VS und eine negative Betriebsspannung -VS bereit stellt. Jeder Differenzverstärker DIF 1 und DIF 2 weist ein symmetrisches Ausgangspaar O11, O12 bzw. O21, O22 auf, an dem jeweils ein Differenzsignal des verstärkten symmetrischen Eingangssignals liegt. Der Differenzverstärker DIF 1 ist so ausgebildet, dass seine Arbeitsimpedanzen R 14 und R 15 für das Differenzausgangssignal einseitig am Pluspol +VS der Dualspannungsquelle liegen. Im Gegensatz dazu, weist der komplementäre Differenzverstärker DIF 2 Arbeitsimpedanzen R 24 und R 25 auf, welche am Minuspol -VS liegen. Die Signalausgänge der Differenzverstärker sind jeweils mit einem eigenen Treiber DV 11, DV 12, DV 21 bzw. DV 22 verbunden, welche im Beispiel als Spannungsfolger ausgeführt sind. In Folge der komplementären Ausführung der Differenzverstärker DIF 1 und DIF 2 liegen die symmetrischen Ausgangspaare O11, O12 bzw. O21, O22 auf verschiedenem Gleichspannungspotential. Dieses ermöglicht, dass im Interesse einer hohen Symmetrie in Bezug zu den Betriebsspannungen +VS und -VS auch die Treiber DV 11, DV12, DV 21 bzw. DV 22 entsprechend dem Leitfähigkeitstyp des speisenden Differenzverstärkers DIF 1, DIF 2 komplementär ausgeführt werden können, so dass der gemeinsame Eingangs/Ausgangsanschluss der Treiber jeweils an der entsprechenden Betriebsspannung liegt. Die Signalausgänge der Spannungsfolger sind so mit einander verbunden, dass eine Endstufe in Brückenschaltung mit einem symmetrischen Ausgangspaar +OSYM, -OSYM entsteht, die auf Grund ihres niedrigen Ausgangswiderstandes als Leitungstreiber für Leitungen mit hoher kapazitiver Last geeignet ist und in beiden Polaritätsrichtungen symmetrisch aussteuerbar ist.

Die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung kann prinzipiell auch in anderen Halbleitertechnologien ausgeführt werden, als mit bipolaren Halbleiterbauelementen. Zum Anpassen der Arbeitspunkte der Treiber DV 11, DV12, DV 21 und im Interesse einer hohen Austeuerbarkeit der Brückenendstufe und niedriger Querströme in den Gegentaktzweigen müssen gegebenenfalls Adapterstufen AS zwischen den symmetrischen Ausgangspaare O11, O12, O21, O22 und den Treibern DV 11, DV 12, DV 21 und DV 22 geschaltet werden. Im einfachsten Fall enthält jede Adapterstufe AS einen weiteren bipolaren Transistor, welcher mit dem entsprechenden Treiber eine Darlingtonstufe bildet.

Ebenso wie die Rückkopplungsimpedanzen RF1 bzw. RF2 können vorteilhaft auch die Arbeitsimpedanzen R 14, R 15, R 24 und R 25 anstelle mit Widerständen mit bekannten Halbleiterstrukturen ausgeführt werden, welche eine hohe Paarigkeit der Spannungsverstärkung in den Ausgangszweigen der Differenzverstärker mit preisgünstigen Mitteln ermöglicht.

Die gesamte Schaltung wird vorteilhaft so dimensioniert, dass die als nichtinvertierende Verstärker geschalteten Operationsverstärker OA 1 bzw. OA 2 das symmetrische Eingangssignal zu überwiegendem Anteil verstärken, während die Differenzverstärker DIF 1 und DIF 2 nur eine geringe oder keine Differenzverstärkung und die Treiber nur eine Stromverstärkung aufweisen.

Ein wesentlicher Vorteil der Schaltung gemäß der Erfindung besteht darin, dass wie Fig. 3 zeigt, eine Verstärker-IC hergestellt werden kann, bei der mit geringem Aufwand durchgehend, verzweigungs- und kreuzungsfrei eine symmetrisch Signalführung von den Eingängen bis zu den Ausgängen realisierbar ist. Die Symmetrie bezieht sich neben den Ein- und Ausgangswerten der Schaltung auch auf die internen Schaltungskomponenten zu den Zuführungen zur positiven und negativen Betriebsspannung +VS bzw. -VS und auf die Anschlussbelegung der IC. Auf diese Weise ist bei einem Minimum an äusserer Beschaltung die IC als Verstärker, Puffer, Leitungstreiber und als Leitungsempfänger für symmetrische Signalleitungen einsetzbar.

Fig. 3 zeigt Anwendungen der Schaltung gemäß der Erfindung, bei der zwei identische Schaltkreise IC 1 und IC 2 einerseits als Leitungstreiber und andererseits als Leitungsempfänger zwischen der verdrillten symmetrischen Doppelleitung DL dienen.

Da der gemeinsame Widerstand R 3 ggf. neben HF-Blockkondensatoren C an den Spannungsanschlüssen +VS und -VS die einzigen peripheren Bauelemente sind, ist der Platzbedarf der gesamten Schaltung auf der Leiterplatte sehr gering.

Die Differenzverstärker DIF 1 und DIF 2 sowohl in IC 1 als auch in IC 2 reduzieren die Gleichtaktanteile im symmetrischen Eingangssignal durch Subtraktion erheblich. Auf Grund des komplementären und symmetrischen Schaltungsaufbaus von IC1 und IC2, der Multiplikation der Gleichtaktunterdrückung der Differenzverstärker DIF 1 bzw. DIF 2 durch die Serienschaltung von IC 1 und IC 2 und der durchgehend symmetrische Leitungsführung wird das symmetrische Nutzsignal durch das Einkoppeln von Fremdfeldern und Fremdsignalen wesentlich geringer beeinflußt, als bei den bekannten Leitungstreiber-ICs und Leitungsempfänger-ICs.


Anspruch[de]
  1. 1. Signalverstärker mit symmetrischen Eingängen und Ausgängen, zwei Operationsverstärkern (OA 1) und (OA 2), die jeweils als nichtinvertierende Verstärker geschaltet sind und integrierte Rückkopplungsimpedanzen (RF1, RF2) aufweisen, einem gemeinsamen Widerstand (R 3) zum Einstellen der Differenzverstärkung und einer Subtrahierstufe, dadurch gekennzeichnet, daß die Subtrahierstufe zwei parallel geschaltete komplementäre Differenzverstärker (DIF 1 und DIF 2) bilden, von denen jeder ein eigenes Paar Signalausgänge (O11/O12 bzw. O21/O22) für jeweils ein Differenzsignal aufweist, und dass jeder der Signalausgänge (O11, O12 bzw. O21, O22) der Differenzverstärker (DIF 1 und DIF 2) zu einem eigenen Treiber (DV 11, DV 12, DV 21 und DV 22) führen, welche so mit einander verbunden sind, dass eine Gegentaktendstufe in Brückenschaltung entsteht.
  2. 2. Signalverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Treiber (DV 11, DV 12, DV 21 und DV 22) als Spannungsfolger ausgeführt sind.
  3. 3. Signalverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Treiber (DV 11, DV 12, bzw. DV 21, DV 22) entsprechend dem Leitfähigkeitstyp des vorgeschalteten Differenzverstärkers (DIF 1 bzw. DIF 2) komplementär ausgeführt sind und eine komplementäre Leistungsendstufe bilden.
  4. 4. Signalverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass den Treibern (DV 11, DV 12, DV 21 und DV 22) Adapterstufen vorgeschaltet sind, welche die Ausgangspotentiale der Signalausgänge (O11, O12 bzw. O21, O22) an die Eingangspotentiale der Treiber anpassen und/oder die Stromverstärkung der Treiber (DV 11, DV 12, DV 21 und DV 22) erhöhen.






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