DE4101892A1

DE4101892A1 - Transkonduktanzverstaerker

Info

Publication number: DE4101892A1
Application number: DE19914101892
Authority: DE
Inventors: Juergen Dipl Ing Eckert
Original assignee: Telefunken Electronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 1991-01-23
Filing date: 1991-01-23
Publication date: 1992-07-30
Also published as: DE4101892C2

Description

Transkonduktanzverstärker - auch OTAs ("Operational Transconductance Amplifiers") genannt - wandeln eine Eingangsspannung in einen Ausgangsstrom um, wobei die charakteristische Größe dieses Spannung-Strom-Wandlers der Übertragungsleitwert g_m ist. OTAs werden bevorzugt dort eingesetzt, wo sich hochohmige Widerstände nicht mit ausreichender Präzision herstellen lassen und wo aktive Elemente benötigt werden - beispielsweise in integrierten Schaltungen zur Erzeugung bestimmter Zeit konstanten (Integratoren, Filterschaltungen); damit de finierte Eigenschaften der OTAs gewährleistet werden können, muß der Übertragungsleitwert einen bestimmten, sehr präzisen Wert annehmen - unabhängig von Prozeßstreuungen oder Parameter- bzw. Temperaturein flüssen.

Es sind bereits Schaltungen bekannt, bei denen der Übertragungsleitwert von OTAs mittels eines Steuer eingangs einer Steuerquelle beeinflußt wird; allerdings muß die Steuergröße sehr präzise erzeugt werden, außer dem ist eine integrierte Strom- oder Spannungsquellen schaltung nur sehr aufwendig zu realisieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Trans konduktanzverstärker anzugeben, der einen exakten Über tragungsleitwert aufweist, dessen Größe definiert auf einfache Weise vorgegeben werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung er geben sich aus den Unteransprüchen.

Die Regelschaltung, die einen Regelverstärker, einen Referenzwiderstand und Mittel zur Bildung von Referenz spannungen umfaßt, beeinflußt den OTA derart, daß des sen Übertragungsleitwert proportional zum Leitwert des Referenzwiderstandes eingeregelt wird. An einem Eingang des Regelverstärkers liegt eine (beliebige) erste Referenzspannung an, am anderen Eingang die Spannung, die sich aus dem Produkt von Ausgangsstrom des OTAs und dem Referenzwiderstand ergibt. Das Ausgangssignal des Regelverstärkers (die Stellgröße) wird dem OTA über einen Steuereingang als Steuersignal bzw. Steuerspan nung zugeführt; der Regelverstärker regelt dann die Steilheit des OTAs derart, daß sich die Spannung - die sich aus dem Produkt des Ausgangsstroms und dem Wert des am Ausgang angeschlossenen Referenzwiderstands er gibt - gerade den Wert einer am Eingang des OTAs an liegenden zweiten (beliebigen) Referenzspannung an nimmt. Die Größe des Übertragungsleitwerts des OTAs wird dann durch das Verhältnis der beiden Referenzspan nungswerte und den Referenzwiderstand bestimmt, wobei der Referenzwiderstand extern - an einem Schaltungspin - oder intern - in der Schaltung integriert - ange schlossen werden kann. Man erhält somit eine einfache und leicht realisierbare Schaltung zur Vorgabe eines definierten Über tragungsleitwerts. Da der Übertragungsleitwert - bei Wahl gleicher Referenzspannungen bzw. bei Vorgabe nur einer Referenzspannung - lediglich vom Referenzwider stand abhängt, ist er weitgehend unabhängig von sämtli chen Schaltungseigenschaften - insbesondere von Streu ungen der Referenzspannung, der Temperatur, der Regelverstärkung, von Exemplar- oder Fertigungs streuungen der Bauelemente - durch die Größe des Refe renzwiderstands einstellbar. Ein weiterer Vorteil ist, daß die Referenzspannungen keinen bestimmten Wert aufweisen müssen, sondern beliebig vorgegeben werden können. Falls mehrere OTAs in einer integrierten Schaltung in tegriert werden, kann die Stellgröße, die den ersten OTA ("Master") steuert, zur Steuerung weiterer OTAs ("Follower") des gleichen Typs verwendet werden; die Leitwerte der weiteren OTAs (Follower) nehmen dadurch ebenfalls den Übertragungsleitwert des ersten OTAs (Master) an. Um abweichende Übertragungsleitwerte der Follower einzustellen bzw. um deren Übertragungsleit werte zu variieren, können die Verstärkungsverhältnisse der weiteren OTAs entsprechend gewählt werden, bei spielsweise durch Vorgabe bestimmter Widerstandsver hältnisse Master/Follower.

Die Erfindung soll nachstehend anhand der Fig. 1 bis 3 beschrieben werden.

In der Fig. 1 ist das Prinzip-Schaltbild eines OTAs (Master) mit einstellbarer Transkonduktanz dargestellt, die Fig. 2 zeigt das Prinzip-Schaltbild mehrerer hintereinander angeordneter OTAs (Master/Follower) und in der Fig. 3 ist als Ausführungsbeispiel zur Fig. 2 ein integriertes Filter dargestellt.

Gemäß der Fig. 1 besteht die Regelschaltung aus einem Regelverstärker 2, einem Referenzwiderstand R_Ref und den Widerständen R₁, R₂ und R₃, die einen Spannungstei ler zur Erzeugung der beiden Referenzspannungen U_Ref1 und U_Ref2 bilden; die Referenzspannung U_Ref2 steht am Eingang des Transkonduktanzverstärkers 1 an, die Refe renzspannung U_Ref1 dient dem Regelverstärker 2 als Referenz.

Am Ausgang des Transkonduktanzverstärkers 1 ist gegen Bezugspotential ein Referenzwiderstand R_Ref angeschlos sen, an dem eine Ausgangsspannung U_A abfällt; diese Spannung wird dem einen Eingang des Regelverstärkers zugeführt, an dessen anderem Eingang die Referenzspan nung U_Ref1 ansteht. Der Regelverstärker 2 vergleicht die an seinen beiden Eingängen anliegenden Spannungen und liefert an seinem Ausgang eine Stellgröße U_st, mit der über den Steuereingang E_St die Steilheit des OTAs 1 und damit dessen Ausgangsstrom derart nachgeregelt wird, daß die am Referenzwiderstand R_Ref abfallende Ausgangsspannung den Wert der Referenzspannung U_Ref1 annimmt.

Der Übertragungsleitwert des OTAs ergibt sich definitionsgemäß zu:

Wie beschrieben, regelt der Regelverstärker 2 den OTA 1 so, daß dessen Ausgangsspannung U_A=U_Ref1 wird; mit

U_A=I · R_Ref=g_m · U_Ref2 · R_Ref

erhält man:

Dies bedeutet, daß der Übertragungsleitwert g_m durch Wahl des Referenzwiderstands R_Ref und dem Verhältnis der Referenzspannungen U_Ref1, U_Ref2 exakt vorgegeben werden kann. Insbesondere ergibt sich mit gleichen Referenz spannungen U_Ref1 = U_Ref2 - bzw. bei Vorgabe einer ein zigen Referenzspannung - der Übertragungsleitwert exakt als reziproker Wert des Referenzwiderstands (g_m= 1/R_Ref); demzufolge kann g_m unabhängig von sämtlichen Schaltungseigenschaften eingestellt werden. Zudem erhält man eine einfache Möglichkeit zum Tuning von Filterschaltungen durch Beeinflussung des Über tragungsleitwerts, indem die Referenzspannungen U_Ref1, U_Ref2 - beispielsweise durch Änderung der Spannungs teiler-Widerstände R₁, R₂, R₃ - variiert werden. Eine weitere Möglichkeit des Tunings besteht darin, dem Referenzwiderstand einen Offsetstrom mit positivem oder negativem Vorzeichen zuzuführen, wodurch der Übertra gungsleitwert entsprechend geändert wird.

Die Fig. 2 zeigt das Prinzipschaltbild mehrerer hintereinander geschalteter und in einer Schaltung integrierter OTAs 1, 4, 5 und 6 (Master M/Follower F₁, F₂, F₃) Der Übertragungsleitwert g_m des ersten OTAs 1 (Master M) wird dabei exakt geregelt, wobei eine ein zige Referenzspannung U_Ref, die über den Spannungs teiler R₁, R₃ erzeugt wird, sowohl dem Regelverstärker 2 als auch dem OTA 1 (Master M) zugeführt wird; g_m er gibt sich somit zu g_m=1/R_Ref. Die Stellgröße U_st wird über die gemeinsame Verbindungsleitung 3 den Steuerein gängen der weiteren OTAs 4, 5, 6 (Follower F₁, F₂, F₃) zugeführt, so daß deren Übertragungsleitwerte g_m1, g_m2, g_m3 den gleichen Wert wie derjenige des Masters M an nehmen.

Um die Übertragungsleitwerte g_m1, g_m2, g_m3 der Follower-OTAs F₁, F₂, F₃ zu variieren, sind am Ausgang der OTAs 4 und 5 Schaltungsmittel 7, 8 vorgesehen, die die Verstärkung der OTAs 4 und 5 mit den Faktoren K₁ und K₂ versehen und demzufolge auch die Übertragungs leitwerte g_m1 und g_m2 abändern. Diese Faktoren K₁ und K₂ können beispielsweise durch Widerstandsverhältnisse zwischen Widerständen des Master-OTAs und der Follower- OTAs gewählt werden.

Die Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel; um eine ge wünschte Übertragungscharakteristik zu erreichen, müssen bestimmte Übertragungsleitwerte der Transkonduk tanzverstärker realisiert werden. Der Regelverstärker 2 mit dem Differenzverstärker Q₁, Q₂ weist zwei differentielle Stromausgänge 3a, 3b auf; der Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen R₁ und R₃, dient zur Erzeugung der Referenzspannung U_Ref, der Übertragungsleitwert des Masters nimmt den Leitwert des Referenzwiderstands R_Ref an. Falls die mit der vorgestellten Methode erreichte Genauigkeit der Übertragungsfunktion, beispielsweise eines Filters, nicht ausreicht, kann - ausgehend vom beschriebenen Zustand (Grob-Tuning) - eine Feineinstellung erreicht werden, indem dem Referenzwiderstand R_Ref ein Offsetstrom über den Tuning-Eingang TUNE zugeführt wird. Der Offsetstrom kann von einer geeigneten Schaltung erzeugt werden oder manuell eingestellt sein. Der erste OTA1 (Master M), dessen Übertragungsleitwert g_m vom Regelverstärker 2 eingestellt wird, besitzt den Spannungs-Eingang U_In - an diesem liegt die Referenz spannung U_Ref an - und den Strom-Ausgang I_0ut. Die wei teren OTAs 4, 5 (Follower F₁, F₂) weisen prinzipiell den gleichen Aufbau wie der erste OTA 1 (Master M) auf; ihre Übertragungsleitwerte g_m1 und g_m2 werden ent sprechend der Widerstandsverhältnisse R₄ zu R_M bzw. R₅ zu R_M vorgegeben. Das zu verarbeitende Eingangssignal IN gelangt an den ersten Follower-OTA 4. Der Ausgang der Schaltung wird durch den zweiten OTA 5 gebildet.

Claims

1. Schaltung zur Erzeugung definierter Übertragungs leitwerte bei Transkonduktanzverstärkern, dadurch ge kennzeichnet, daß sie Mittel zur Erzeugung von Refe renzspannungen (U_Ref, U_Ref1, U_Ref2), einen Regelver stärker (2) und einen Referenzwiderstand (R_Ref) aufweist, und daß die Schaltung den Übertra gungsleitwert (g_m) des Transkonduktanzverstärkers (1) auf einen zum Leitwert des Referenzwiderstands (R_Ref) proportionalen Wert festlegt.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am ersten Eingang des Regelverstärkers (2) eine erste Referenzspannung (U_Ref1) und am Eingang des Transkonduktanzverstärkers (1) eine zweite Referenz spannung (U_Ref2) ansteht, daß der Ausgang des Regelver stärkers (2) mit einem Steuereingang (E_St) des Trans konduktanzverstärkers (1) verbunden ist, daß am Ausgang des Transkonduktanzverstärkers (1) ein Referenzwider stand (R_Ref) gegen Bezugspotential angeschlossen ist, an dem eine Ausgangsspannung (U_A) ansteht, die dem zweiten Eingang des Regelverstärkers (2) zugeführt wird, und daß am Ausgang des Regelverstärkers (2) eine Steuerspannung (U_St) ansteht, die den Ausgangsstrom (I) des Transkonduktanzverstärkers (1) auf einen von der zweiten Referenzspannung (U_Ref2) abhängigen Wert einre gelt.

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die am ersten Eingang des Regelverstärkers (2) und die am Eingang des Transkonduktanzverstärkers (1) an stehende Referenzspannung den gleichen Wert (U_Ref auf weist, so daß der Übertragungsleitwert des Transkonduk tanzverstärkers (1) auf den Leitwert des Referenzwider stands (R_Ref) eingeregelt wird.

4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannung(en) (U_Ref, U_Ref1, U_Ref2), durch einen oder mehrere Spannungsteiler (R₁, R₂, R₃) erzeugt werden.

5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Transkonduktanzverstärker (4, 5, 6) vorgesehen sind, daß die Steuerspannung (St) am Ausgang des Regelverstärkers (2) über eine oder mehrere Steuerleitungen (3) den Steuereingängen (E_St) der weiteren Transkonduktanzverstärker (4, 5, 6) zuge führt wird, und daß die Übertragungsleitwerte der wei teren Transkonduktanzverstärker (4, 5, 6) die gleiche Abhängigkeit des Übertragungsleitwerts von der Steuer spannung aufweisen.

6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang der weiteren Transkon duktanzverstärker (4, 5, 6) Schaltungsmittel (7, 8) vorgesehen sind, die die Verstärkungseigenschaften der weiteren Transkonduktanzverstärker (4, 5, 6) bestimmen, so daß diese unterschiedliche Übertragungsleitwerte (g_m1, g_m2, g_m3) aufweisen.

7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedlichen Übertragungsleitwerte durch Widerstandsverhältnisse eingestellt werden.

8. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere der Transkonduktanzverstärker einen weiteren Steuereingang aufweisen, über den ein Steuerstrom zur Beeinflussung der Übertragungsleitwerte fließen kann.

9. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Transkonduktanzverstärker in einer integrierten Schaltung integriert sind.