Schaltungsanordnung zum Bilden eines Signals

Abstract

 Es wird eine einfache und platzsparende Schaltungsanord­nung zum Bilden eines Ausgangssignals als Linearkombina­tion einer Anzahl von Eingangssignalen (S1, ..., Sn) beschrieben. Diese enthält zu jedem Eingangssignal (S1, ..., bzw. Sn) nur ein Stromsteuerelement (11, ..., bzw. 1n), insbesondere einen Transistor. Die Transistoren sind einseitig mit Anzapfungen (41, ..., bzw. 4n) einer Kette aus Gegenkopplungswiderständen (R1, ..., Rn-1) und ander­seitig abwechselnd mit einem ersten (31) und einem zweiten (32) Ausgangsanschluß verbunden. Die Parallel­schaltung der an die Anzapfung (41, ..., bzw. 4n) für das Stromsteuerelement (11, ..., bzw. 1n) unmittelbar anschließenden Gegenkopplungswiderstände (R1, ..., Rn-1) ist gemäß dem Faktor dimensioniert, mit dem das Eingangs­signal (S1, ..., bzw. Sn) in der Linearkombination gewichtet ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Bilden eines Ausgangssignals als Linearkombination einer Anzahl von Eingangssignalen.

[0002] In der deutschen Patentanmeldung P 37 20 871.3 ist eine Anordnung beschrieben, bei der drei Signale in Verstärker­stufen um bestimmte Faktoren verstärkt und die so gewonne­nen Signale summiert werden. Dabei umfaßt jede Verstärker­stufe ein über einen Widerstand gegengekoppeltes Paar aus zwei Differenzverstärker-Transistoren, deren Emitteran­schlüsse durch Stromquellen gespeist werden. Der Steuer­anschluß jeweils eines der Differenzverstärker-­Transistoren ist an eine Referenzspannungsquelle geführt.

[0003] Die Erfindung hat die Aufgabe, die beschriebene Schal­tungsanordnung zu vereinfachen und - insbesondere im Hinblick auf eine verbesserte Integrationsfähigkeit auf einem Halbleiterkristall - eine platzsparende Schaltungs­anordnung zu schaffen.

[0004] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine der Anzahl der Eingangssignale entsprechende Anzahl von Strom­steuerelementen, deren Hauptstrompfade einseitig mit Anzapfungen einer Kette aus Gegenkopplungswiderständen und anderseitig bezüglich der Reihenfolge der Anzapfungen abwechselnd mit einem ersten und einem zweiten Ausgangs­anschluß verbunden sind, wobei jedem Stromsteuerelement an seinem Steueranschluß eines der Eingangssignale zuführbar ist, und wobei die Parallelschaltung der an die Anzapfung für das Stromsteuerelement unmittelbar anschließenden Gegenkopplungswiderstände gemäß dem Faktor dimensioniert ist, mit dem das Eingangssignal in der Linearkombination gewichtet ist.

[0005] Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird für jedes der Eingangssignale nur noch ein einziges Strom­steuerelement und nicht mehr ein vollständiger Differenz­verstärker benötigt. Trotzdem ist die Funktion derjenigen einer Schaltungsanordnung gleichwertig, die für jedes Eingangssignal einen Differenzverstärker aufweist. Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist jedes der Strom­steuerelemente mit wenigstens einem über einen Gegen­kopplungswiderstand benachbarten Stromelement zu einer einem Differenzverstärker entsprechenden Anordnung ver­bunden. Dabei sind die einem Stromsteuerelement benach­barten Stromsteuerelemente stets mit dem anderen der beiden Ausgangsanschlüsse verbunden und wirken in ihrer Parallelschaltung als zweiter Zweig, d.h. als Referenz­zweig, der Differenzverstärkeranordnung, deren Signalzweig durch das erstgenannte Stromsteuerelement gebildet ist. Dabei können durch die Schaltungsanordnung verzweigte und unverzweigte Konfigurationen entsprechend verzweigten bzw. unverzweigten Ketten aus Gegenkopplungswiderständen gebildet sein. Jede der von einem Stromsteuerelement und seinen benachbarten Stromsteuerelementen gebildete Anord­nung stellt einen über die Gegenkopplungswiderstände gegengekoppelten Differenzverstärker, d.h. einen Differenzverstärker mit Stromgegenkopplung, dar, dessen Verstärkung für das dem einzelnen Stromsteuerelement zugeleitete Eingangssignal durch den Widerstandswert des Gegenkopplungswiderstands bzw. bei mehreren benachbarten Stromsteuerelementen durch den Widerstandswert der Parallelschaltung der unmittelbar anschließenden Gegen­kopplungswiderstände gegeben ist. Dabei kann der Einfluß der übrigen Stromsteuerelemente und Gegenkopplungs­widerstände vernachlässigt werden.

[0006] Um aus einer Anzahl von Eingangssignalen in Form einer Linearkombination, in der die einzelnen Eingangssignale mit vorgegebenen Faktoren gewichtet sind, ein Ausgangs­signal zu bilden, werden nun weiterhin erfindungsgemäß die Gegenkopplungswiderstände entsprechend den beschriebenen Zusammenhängen dimensioniert.

[0007] Durch Einsparen der bei den Schaltungsanordnungen nach dem Stand der Technik erforderlichen gesonderten Referenz­zweige in den Differenzverstärkern für die einzelnen Eingangssignale wird bei der erfindungsgemäßen Schaltungs­anordnung der Schaltungsaufwand erheblich reduziert.

[0008] An dieser Stelle sei bemerkt, daß aus der japanischen Anmeldung 58-101311 eine Mehrphasen-Spannungs- und -Stromumsetzerschaltung mit wenigstens drei Transistoren bekannt ist, deren Basisanschlüssen die Mehrphasen­spannungen zugeführt werden und an deren Kollektor­anschlüssen Ausgangsströme erhalten werden. Bei dieser Schaltung soll die Umsetzgenauigkeit erhöht werden. Die Schaltung enthält je einen Widerstand zwischen je zwei Emitteranschlüssen der Transistoren und je eine Strom­quelle von jedem der Emitteranschlüsse zu einem gemein­samen, negativen Schaltungspunkt. Bei dieser Schaltungs­anordnung wird weder eine Linearkombination der Eingangs­signale gebildet, noch wird eine darauf ausgerichtete Konfiguration und Dimensionierung der Kette aus Gegen­kopplungswiderständen gemäß der Erfindung angeregt.

[0009] Als Stromsteuerelemente werden bevorzugt Halbleiter­bauelemente, insbesondere Transistoren, eingesetzt, die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist damit integrier­bar; sie kann jedoch ebenso mit Verstärkerröhren aufgebaut sein.

[0010] Vorteilhaft werden den als Transistoren ausgebildeten Stromsteuerelementen an den Anzapfungen der Kette von Gegenkopplungswiderständen Arbeitspunktgleichströme zugeleitet, wodurch eine einfache und exakte Arbeits­punkteinstellung der Schaltungsanordnung erhalten wird. Wenn insbesondere die Werte der Arbeitspunktgleichströme im gleichen Verhältnis zueinander stehen wie die wirksamen Querschnittsflächen der Hauptstrompfade der Stromsteuer­elemente, werden in diesen gleiche Stromdichten und damit gleiche Potentialverhältnisse erzielt und somit eine symmetrisch arbeitende Anordnung erhalten. Als wirksame Querschnittsfläche eines Hauptstrompfades wird dabei der für die Steuerung des Stromes im Hauptstrompfad des Strom­steuerelements wirksame Querschnitt verstanden, d.h. beispielsweise die für die Stromsteuerung wirksame Fläche des Ladungsträgerkanals in einem Feldeffekttransistor oder die vom Kollektor-Emitter-Strom durchflossene Halbleiter­querschnittsfläche in einem bipolaren Transistor.

[0011] Die symmetrische Arbeitsweise der Schaltungsanordnung wird dadurch verbessert, daß die Summen der Werte der Arbeits­punktgleichströme der mit dem ersten und der mit dem zweiten Ausgangsanschluß verbundenen Stromsteuerelemente übereinstimmen. Diese Stromsymmetrie führt zu einer Spannungssymmetrie auch bei Schaltungselementen, die mit den Stromsteuerelementen verbunden sind und von den Strömen in deren Hauptstrompfaden durchflossen werden. Insbesondere verschwindet die Differenz der Arbeitspunkt­gleichströme an den Ausgangsanschlüssen, und es ergeben sich dort symmetrische Gleichstromarbeitspunkte.

[0012] Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Schaltungs­anordnung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im nachfolgenden näher beschrieben.

[0013] Fig. 1 zeigt ein Beispiel mit einer Anzahl von n Strom­steuerelementen 11, 12, 13, 14, ..., 1n, in diesem Fall als bipolare NPN-Transistoren ausgebildet. Diese sind an ihren Emitteranschlüssen mit Anzapfungen 41, 42, 43, 44, ..., 4n einer Kette aus Gegenkopplungswiderständen R1, R2, R3, ..., Rn-1 verbunden, die der Einfachheit halber unverzweigt gewählt ist. Die Transistoren 11, ..., 1n, deren Kollektor-Emitter-Strecken die Hauptstrompfade der Stromsteuerelemente bilden, sind mit ihren Kollektor­anschlüssen bezüglich der Reihenfolge der Anzapfungen 41, ..., 4n abwechselnd mit einem ersten Ausgangsanschluß 31 und einem zweiten Ausgangsanschluß 32 verbunden. An den die Steueranschlüsse bildenden Basisanschlüssen 21, 22, 23, 24, ..., 2n werden den Transistoren 11, ..., 1n Eingangssignale S1, S2, S3, S4, ..., Sn zugeführt. Der jedem der Eingangssignale S1, ..., Sn zugeordnete Transistor 11, ..., 1n wirkt mit dem bzw. den benachbarten Transistor(en) als Differenzverstärker, wobei der bzw. die benachbarte(n) Transistor(en) für das betreffende Eingangssignal als Referenzzweig auftritt. Die Verstärkung dieses Differenzverstärkers, die den Faktor bildet, mit dem das betreffende Eingangssignal in der das Ausgangs­signal an den Ausgangsanschlüssen 31, 32 bildenden Linear­kombination gewichtet ist, wird durch die Parallel­schaltung der eingeschlossenen Gegenkopplungswiderstände bestimmt. Das Vorzeichen, mit dem das Eingangssignal in das Ausgangssignal eingeht, bestimmt sich aus der Zuord­nung des Kollektoranschlusses des zugehörigen Transistors zum ersten bzw. zum zweiten Ausgangsanschluß 31 bzw. 32.

[0014] Den Transistoren 11, ..., 1n werden an den Anzapfungen 41, ..., 4n Arbeitspunktgleichströme I1, I2, I3, I4, ..., In zugeführt, die von Stromquellen 51, 52, 53, 54, ..., 5n erzeugt werden. Die Hauptstrompfade, d.h. die Kollektor-­Emitter-Strecken der Transistoren 11, ..., 1n weisen wirksame Querschnittsflächen A1, A2, A3, A4, ..., An auf. Im vorliegenden Fall sind dies für die bipolaren Tran­sistoren die für den Ladungsträgertransport innerhalb der Transistoren wirksamen Übergangsflächen zwischen den unterschiedlich dotierten Zonen des Halbleitermaterials. Die Arbeitspunktgleichströme I1, ..., In sind im gleichen Größenverhältnis gewählt wie die wirksamen Querschnitts­flächen A1, ..., An. Dadurch werden an den Anzapfungen 41, ..., 4n und den Stromsteuerelementen 11, ..., 1n, insbe­sondere auch den Basisanschlüssen 21, ..., 2n, gleiche Arbeitspunktpotentiale erhalten.

[0015] Fig. 2 zeigt ein spezielles Ausführungsbeispiel der Erfindung mit drei Stromsteuerelementen 11, 12, 13, die wieder als bipolare NPN-Transistoren ausgebildet sind. Dieses Beispiel stellt einen Spezialfall der Anordnung nach Fig. 1 dar, bei der die Zahl n auf den Wert 3 fest­gelegt wurde. Mit der Fig. 1 übereinstimmende Elemente sind in Fig. 2 mit identischen Bezugszeichen versehen. Die Stromquellen 51, 52, 53 sind durch je einen Stromquellen­transistor und einen mit dessen Emitteranschluß verbunde­nen Stromquellenwiderstand gebildet, wobei die Strom­quellentransistoren an ihren Basisanschlüssen von einer gemeinsamen Referenzspannung gesteuert werden. Diese gemeinsame Steuerung der Stromquellen 51, ..., 5n ist auch in der Anordnung nach Fig. 1 durchführbar und gewähr­leistet eine gute Arbeitspunktstabilität beispielsweise bei Temperaturschwankungen in der Schaltungsanordnung oder durch Fertigungstoleranzen.

[0016] Im Beispiel nach Fig. 2 weisen die Gegenkopplungs­widerstände R1 und R2 übereinstimmende Widerstandswerte auf, während die wirksame Querschnittsfläche A2 des zweiten Stromsteuerelements 12 mit dem Wert 2 x A doppelt so groß gewählt ist wie die wirksamen Querschnitts­ flächen A1 und A3 mit dem Wert A. Entsprechend sind die wirksamen Querschnittsflächen der Stromquellentransistoren der zugehörigen Stromquellen 51, 52, 53 dimensioniert, und der Stromquellenwiderstand der dem zweiten Stromsteuer­element 12 zugeordneten Stromquelle 52 weist den halben Widerstandswert der Stromquellenwiderstände 51 und 53 auf. Im zweiten Stromsteuerelement 12 fließt dann ein Arbeitspunktgleichstrom I2, dessen Stromstärke mit 2 x I doppelt so groß ist wie die Stromstärke I der Arbeits­punktgleichströme I1 und I3. Insgesamt stellen sich damit in der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 symmetrische Arbeitspunktpotentiale ein, und außerdem sind die Summen der Arbeitspunktgleichströme an den Ausgangsanschlüssen 31 und 32 gleich. Die Ausgangsanschlüsse 31, 32 sind vorzugs­weise über Arbeitswiderstände oder andere Signalverarbei­tungsstufen, die beispielsweise auch Stromspiegelanord­nungen enthalten können, mit einem Versorgungsgleich­spannungsanschluß verbunden. Aufgrund der Symmetrie der Arbeitspunktgleichströme in den Ausgangsanschlüssen 31, 32 können übereinstimmende Arbeitswiderstände gewählt und eine symmetrische Spannung als Ausgangssignal abgegriffen werden.

Ansprüche

1. Schaltungsanordnung zum Bilden eines Ausgangssignals als Linearkombination einer Anzahl von Eingangssignalen, gekennzeichnet durch eine entsprechende Anzahl von Strom­steuerelementen (11, ..., 1n), deren Hauptstrompfade einseitig mit Anzapfungen (41, ..., 4n) einer Kette aus Gegenkopplungswiderständen (R1, ..., Rn-1) und anderseitig bezüglich der Reihenfolge der Anzapfungen (41, ..., 4n) abwechselnd mit einem ersten (31) und einem zweiten (32) Ausgangsanschluß verbunden sind, wobei jedem Strom­steuerelement (11, ..., 1n) an seinem Steueranschluß (21, ..., 2n) eines der Eingangssignale (S1, ..., Sn) zuführbar ist, und wobei die Parallelschaltung der an die Anzapfung (41, ..., bzw. 4n) für das Stromsteuer­element (11, ..., bzw. 1n) unmittelbar anschließenden Gegenkopplungswiderstände (R1, ..., bzw. Rn-1) gemäß dem Faktor dimensioniert ist, mit dem das Eingangssignal (S1, ..., bzw. Sn) in der Linearkombination gewichtet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß den als Transistoren ausge­bildeten Stromsteuerelementen (11, ..., 1n) an den Anzapfungen (41, ..., 4n) der Kette von Gegenkopplungs­widerständen (R1, ..., Rn-1) Arbeitspunktgleichströme (I1, ..., In) zugeleitet werden.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Werte der Arbeitspunkt­gleichströme (I1, ..., In) im gleichen Verhältnis zuein­ander stehen wie die wirksamen Querschnittsflächen (A1, ..., An) der Hauptstrompfade der Stromsteuerelemente (11, ..., 1n). 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Summen der Werte der Arbeitspunktgleichströme (I1, ..., In) der mit dem ersten (31) und der mit dem zweiten (32) Ausgangsanschluß verbundenen Stromsteuerelemente (11, ..., 1n) überein­stimmen.

Zeichnung