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Die vorliegende Erfindung betrifft Verstärker. Insbesondere,
jedoch nicht ausschließlich, betrifft die Erfindung einen
hohen Steuerstrom liefernde integrierte Verstärker.
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Verstärker, die imstande sind, Ausgangsströme zu liefern, die
sehr viel höher als ihre Ruheströme sind, zeigen die Tendenz,
komplexe Schaltungen zu beinhalten, einschließlich
zusätzlicher Verstärkerstufen innerhalb der Hauptverstärkerschleifen
zur Steuerung der Ruheströme. Diese zusätzlichen
Verstärkerstufen bringen ihre eigenen Geschwindigkeits- und
Stabilitätsprobleme ein, da sie separat zu stabilisieren sind, und
jedwede Offsets innerhalb dieser zusätzlichen
Verstärkerstufen können zu schlecht definierten Ruheströmen im
Hauptverstärker führen.
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Eine Anordnung zur Verwirklichung von Ruheströmen in
Verstärkerausgangsstufen ist beispielsweise in der veröffentlichten
Europäischen Patentanmeldung Nr. 0155717 offenbart, in der
eine Gegenkopplungsspannung von einem Paar Transistoren,
deren Eingänge jeweils eine gemeinsame Verbindung mit
denjenigen eines Paares von Ausgangstransistoren aufweisen, d.h.
gemeinsam mit denjenigen Eingängen des Paares von
Ausgangstransistoren verbunden sind, dazu verwendet wird, die Ruheströme
in diesen Ausgangstransistoren bereitzustellen. Andere
Anordnungen mit vergleichbaren Gegenständen sind in der
US-Patentschrift Nr. 4,480,230 und der veröffentlichen Europäischen
Patentanmeldung Nr. 0217431 offenbart.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt ein integrierter
komplementärsymmetrischer Metalloxid (CMOS)
Halbleiter-Gegentaktverstärker eine Ausgangsstufe, die ein Paar
Feldeffekttransistoren entgegengesetzter Leitfähigkeit aufweist, deren
Source-Drainstrompfade in Serie über eine Spannungsversorgung
bzw. Energiequelle gelegt sind, ein zweites Paar
Feldeffekttransistoren, deren Eingänge jeweils eine gemeinsame
Verbindung mit denjenigen des ersten Paares Transistoren aufweisen,
bzw. jeweils gemeinsam mit denjenigen des ersten Paares von
Transistoren verbunden sind, und eine erste und zweite
Eingangsschaltungseinrichtung, die Eingangssignalspannungen auf
die Eingänge der Transistoren des ersten und zweiten Paares
gibt, wobei der Verstärker dadurch gekennzeichnet ist, daß
ein Steuerstrompfad vorgesehen ist, der zwischen die erste
und zweite Eingangsschaltungseinrichtung gelegt ist, daß die
den Eingängen der Transistoren des ersten und zweiten Paares
zugeführten Eingangssignalspannungen zumindest teilweise vom
Wert des Stromflusses durch den Steuerstrompfad abhängen, und
eine Rückkopplungseinrichtung vorgesehen ist, die mit dem
Steuerstrompfad verbunden ist und die in Abhängigkeit von den
Werten des Stromflusses in den Source-Drainstrompfaden des
zweiten Paares von Transistoren den Wert des Stromflusses
durch den Steuerstrompfad im wesentlichen konstant hält und
im wesentlichen einen vorbestimmten minimalen Wert eines
Stromflusses gemeinsam durch die Source-Drainpfade des ersten
Transistorpaares bewirkt.
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Vorzugsweise umfaßt der Steuerstrompfad ein drittes Paar
Feldeffekttransistoren entgegengesetzter Leitfähigkeit, deren
Source-Drainstrompfade in Serie in den Streuerstrompfad
zwischen die erste und zweite Eingangsschaltungseinrichtung
gelegt sind. Die Mittel zur Bewirkung eines im wesentlichen
vorbestimmten Stromflußwerts gemeinsam durch die Source-
Drainpfade des ersten Transistorpfades können ein viertes
Paar Feldeffekttransistoren entgegengesetzter Leitfähigkeit
umfassen, deren jeweilige Gate- und Drainelektroden
zusammengeschaltet sind und deren Source-Drainstrompfade in Serie
zwischen die Gateelektroden des dritten Transistorpaares
gelegt sind.
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Ein Verstärker gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun
beispielhalber unter Bezugnahme auf die beiliegenden zeichnungen
erläutert, in denen:
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Fig. 1 die Schaltung des Verstärkers in schematischer
Weise zeigt,
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Fig. 2 einen Teil der Schaltung der Fig. 1 als
Schaltungsdiagramm
zeigt und
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Fig. 3 im wesentlichen die gesamte Schaltung des
Verstärkers als Schaltungsdiagramm zeigt.
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Gemäß Fig. 1, auf die zuerst Bezug genommen wird, ist der
Verstärker als integrierter CMOS-Verstärker gezeigt, obgleich
die Erfindung gleichermaßen auf bipolare
Transistorverstärkerschaltungen anwendbar ist. Der Verstärker umfaßt ein
komplementäres Paar Ausgangstransistoreinrichtungen 1 und 2,
die so angeordnet sind, daß sie Ausgangsströme quellen- oder
senkenartig zu oder von einer (nicht dargestellten) Last, die
mit einem Ausgangspfad 3 verbunden ist, abhängig von
Eingangssignalspannungen hinleiten oder ableiten, die zwischen
Eingangsanschlüssen 4 und 5 nach Differentialart angelegt
sind. Spannungsverstärker 6 und 7 sind so ausgelegt, daß sie
Steuerspannungen abhängig von diesen Eingangssignalspannungen
an jeweilige Ausgangseinrichtungen 1 und 2 legen, wobei die
Steuerspannung oder Antriebsspannung, die vom Verstärker 6
vorgesehen wird, gemeinsam an die Gateelektrode der
Ausgangsvorrichtung 1 und diejenige eines Stromlesetransistors oder
Strom gebenden bzw. Strom fühlenden Transistors 8 gelegt wird
und die Steuerspannung, die vom Verstärker 7 geliefert wird,
gemeinsam (durch gemeinsame zuführungsleitung) an die
Gateelektrode der Ausgangsvorrichtung 2 und diejenige eines Strom
gebenden oder Stromlesetransistors 9 gelegt wird.
Individuelle Kompensationskondensatoren 10 und 11 sind zwischen dem
Ausgangspfad 3 und den Ausgangsschaltungen der Verstärker 6
und 7 vorgesehen.
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Eine in Fig. 2 als Schaltungsdiagramm dargestellte
Ruhestromsteuerschaltung 12 ist so ausgelegt, daß sie einen Strom
eines vorbestimmten Werts zwischen einem Punkt in der
Ausgangsschaltung des Verstärkers 6 und einem entsprechenden Punkt in
der Ausgangsschaltung des Verstärkers 7 zieht, wobei der
vorbestimmte Stromwert dazu dient, die Ruhestrompegel in den
Ausgangsvorrichtungen 1 und 2 und den jeweiligen
Stromlesetransistoren 8 und 9 einzustellen.
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Die Schaltung 12 umfaßt einen P-Kanaltransistor 13, dessen
Source-Drainpfad zwischen die Drainelektrode des
P-Kanallesetransistors 8 und eine negative Speisespannungsleitung 14
gelegt ist, und einen N-Kanaltransistor 15, dessen Source-
Drainpfad zwischen die Drainelektrode des
N-Kanallesetransistors 9 und eine positive Speisespannungsleitung 16 gelegt
ist, wobei die Gateelektroden der Transistoren 13 und 15 mit
Masse verbunden sind. Die Sourceelektrode des Transistors 13
ist mit der Gateelektrode eines N-Kanaltransistors 17
verbunden und die Sourceelektrode des Transistors 15 ist mit der
Gateelektrode eines P-Kanaltransistors 18 verbunden, wobei
die Drain-Source- und die Source-Drainpfade dieser
Transistoren 17 und 18 jeweils den Pfad für den oben erwähnten Strom
vorbestimmten Werts vorsehen. Ein N-Kanaltransistor 19 und
ein P-Kanaltransistor 20 sind mit ihren Sourceelektroden
zusammengeschaltet, wobei die Gate- und Drainelektroden des
Transistors 19 zusammengeschaltet sind und mit der
Sourceelektrode des Transistors 13 verbunden sind, und die
Gateund Drainelektroden vom Transistor 20 zusammengeschaltet und
mit der Sourceelektrode des Transistors 15 verbunden sind.
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Gemaß Fig. 3, auf die nun Bezug genommen wird, sind die
Verstärker 6 und 7 von gleichem Aufbau, wobei jedoch die
Polarität ihrer sämtlichen Transistoren umgekehrt ist. So umfaßt
der Verstärker 6 ein Differenz-Paar aus P-Kanaltransistoren
21 und 22, deren Sourceelektroden mit einer
Konstantstromquelle verbunden sind, die einen Transistor 23 umfaßt, und
deren Drainelektroden mit einer aktiven Last in Form einer
Stromspiegelschaltung 24 verbunden sind. Ein Ausgangssignal
von der Drainelektrode des Transistors 22 wird auf die
Gateelektroden der Transistoren 8 und 1 über in Kaskode
geschaltete Transistoren 25 und 26 gegeben wird, die zwischen die
negative und positive Speisespannungsleitung 14 und 16
jeweils über Konstantstrom-Senken- und Quellentransistoren 27
und 28 gelegt sind. Der Strompfad durch die Transistoren 17
und 18 ist zwischen die Drainelektrode des Transistors 22 und
den entsprechenden Punkt im Verstärker 7 gelegt, während der
kompensierende Kondensator 10 mit der Sourceelektrode des
Transistors 26 verbunden ist. Ein vergleichbarer Strompfad
ist zwischen der Drainelektrode des Transistors 21 und dem
entsprechenden Punkt im Verstärker 7 mittels eines
komplementären Paares Transistoren 29 und 30 vorgesehen.
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Die Stromlesetransistoren 8 und 9 sind sehr viel kleiner als
die jeweiligen Ausgangstransistoren 1 und 2 und ziehen
entsprechend geringere Ströme. Da jedoch sämtliche vier
Transistoren im allgemeinen im Sättigungsbereich arbeiten, sind
im Betriebseinsatz die Drainströme der Lesetransistoren 8 und
9 proportional zu deren Gatesteuerspannungen, sowie dies auch
für die Drainströme der jeweiligen Ausgangstransistoren 1 und
2 zutrifft. Die durch die Leseverstärker 8 und 9 fließenden
Ströme fließen generell teilweise gemeinsam durch die
Transistoren 19 und 20 und teilweise durch die jeweiligen
Transistoren 13 und 15. Die Summe aus Gate/Sourcespannungen
liefert zusammen mit dem Stromfluß in diesen Transistoren 13 und
15, 19 und 20 eine Vorspannung oder Durchlaßvorspannung
zwischen den Gateelektroden der Transistoren 17 und 18.
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Falls die Steuerspannung in einen der Ausgangstransistoren 1
oder 2 ansteigt, so daß der Strom in diesem Transistor und in
dem entsprechenden Lesetransistor 8 oder 9 ansteigt, tendiert
die Vorspannung (Forward-Bias) zwischen den Gateelektroden
der Transistoren 17 und 18 dazu, anzusteigen, wie dies für
den Stromfluß durch diese Transistoren zutrifft. Jedweder
solche Anstieg im Stromfluß in den Transistoren 17 und 18
wird dazu führen, daß ein geringerer Prozentsatz des
konstanten Stromflusses durch, sagen wir, den Transistor 27
verbleibt, der durch die Kaskoden-Transistoren 25 und 26 gezogen
wird, wodurch so die Steuerspannung in die Transistoren 8 und
1 reduziert wird. Die Meßsignalrückführung oder das
Rückkopplungsvorzeichen in dieser Schleife wird daher dazu führen,
daß die Spannung über den Transistoren 19 und 20 und der
Strom durch die Transistoren 17 und 18 im wesentlichen
konstant gehalten wird.
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Bei Fehlen von Eingangssignalspannungen zwischen den
Anschlüssen
4 und 5 bestimmt die Stromrückkopplungsschleife im
wesentlichen gleiche Ruhestromwerte in den
Ausgangstransistoren 1 und 2 und in den zugeordneten Stromleseverstärkern 8
und 9. Falls die Transistoren 13 und 15, 17 und 18 und 19 und
20 von gleicher Größe sind, wird der durch die
Lesetransistoren 8 und 9 fließende Ruhestrom dazu tendieren, sich
gleichmäßig aufzuteilen und dabei zur Hälfte durch die Transistoren
13 bzw. 15 und zur Hälfte gemeinsam durch die Transistoren 19
und 20 (d.h. durch beide Transistoren 19 und 20) zu fließen.
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Bei Vorliegen einer ansteigenden Eingangssignalspannung
zwischen den Anschlüssen 4 und 5 wird der abnehmende Wert der
Steuerspannung in die, sagen wir Transistoren 9 und 2, dazu
tendieren, den Wert des Stroms herabzusetzen, der im
Lesetransistor 9 fließt, und denjenigen im Lesetransistor 8 zu
steigern, und zwar bis zu dem Punkt, zu dem der Stromfluß im
Transistor 15 dazu tendiert, abgeschnitten zu werden. Jedoch
wird fortgesetzt ein Strom der Hälfte des Ruhewerts durch die
Transistoren 19 und 20 fließen, dessen Wert durch die
Stromrückkopplungsschleife aufrechterhalten wird, so daß die
Steuerspannung, die tatsächlich an die Gateelektroden der
Transistoren 9 und 2 geliefert wird, mittels der
Stromrückkopplungsschleife und der Auslegung der Ausgangsschaltungen der
Verstärker 6 und 7 den Stromfluß durch den Leseverstärker 9
niemals, sagen wir auf weniger als die Hälfte des Ruhewerts
reduzieren kann.
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Da die Ruhestromsteuerschaltung 12 als Eingangs- und
Ausgangsgrößen Ströme ohne eine interne Spannungsverstärkung
oder hohe Impedanzknoten aufweist, ist innerhalb der
Schaltung keine Kompensation erforderlich. Wegen der hohen
Steuerspannungen, die in den Ausgangsstufen der Verstärker 6 und 7
aufbaubar sind, sind hohe Ausgangsströme möglich. Jedwede
Offsets zwischen den Verstärkern werden durch die
Ruhestromsteuerschaltung 12 korrigiert.
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Damit der Verstärker insgesamt stabil ist, wenn er große
Ausgangsströme steuert, sollten die Spannungen über den
Kompensationskondensatoren
10 und 11 nicht mit dem Ausgangsstrom
variieren. Dies wird dadurch erzielt, daß jeder dieser
Kondensatoren mit einem Knoten geringer Impedanz in der
Kaskoden-Ausgangsschaltung des jeweiligen Verstärkers 6 oder 7
verbunden ist.
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Der Kaskodentransistor 26 ist mit seiner Gateelektrode mit
Masse verbunden, wodurch die
Versorgungsspannungsunterdrükkung verbessert ist, indem die Spannung über dem
Kompensationskondensator 10 weniger abhängig von der
Versorgungsspannung gestaltet wird.
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Die Transistoren 29 und 30 sind so ausgelegt, daß sie
zwischen der Drainelektrode des Tansistors 21 im Verstärker 6
und dem entsprechenden Punkt im Verstärker 7 einen Strom
ziehen, um den durch die Transistoren 17 und 18 gezogenen Strom
im wesentlichen auszugleichen und zu symmetrisieren.
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Es sind weitere Transistoren 31 bis 34 vorgesehen, um den
Verstärker "herunterzuspannen", d.h. um die
Ausgangstransistoren 1 und 2 durch vorspannungsmäßiges Abschalten der
Kaskoden-Ausgangsstufen der Verstärker 6 und 7 auszuschalten.