DE68921136T2 - Transistorverstärker für hohe Anstiegsgeschwindigkeiten und kapazitive Belastungen. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Transistorverstärker, der eine relativ hohe Anstiegsgeschwindigkeit aufweist, und insbesondere auf einen komplementären Metall-Oxid-Halbleiter-Verstärker (CMOS-Verstärker), der zum Treiben einer großen kapazitiven Last geeignet ist.
• Derzeitige CMOS-Operationsverstärker der Klasse A schließen Ausgangsstufen ein, die einer Last auf der Grundlage der Differenz zwischen dem Ausgangs- und dem Eingangssignal einen Gleichstrom-Strom bereitstellen oder diesen absenken. Wenn das Ausgangssignal z.B. negativer ist als das Eingangssignal, dann stellt die Ausgangsstufe des Verstärkers der Last mehr Strom bereit oder führt diesen zu. Wenn andererseits das Ausgangssignal positiver ist als das Eingangssignal, dann senkt die Ausgangsstufe des Verstärkers den Strom an die Last oder zieht einen Strom von der Last. Typischerweise sind CMOS-Operationsverstärker der Klasse A sehr gut geeignet, um entweder Strom bereitzustellen oder abzusenken, aber sie können nicht sowohl eine gute Bereitstellung als auch eine gute Absenkung des Stromes erzeugen. Dies ist besonders offensichtlich, wenn zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangssignal eine große Ungleichheit herrscht. Folglich zeigen die derzeitigen CMOS-Verstärker der Klasse A eine relativ hohe Anstiegsgeschwindigkeit in eine Richtung (Bereitstellen/Absenken) und eine relativ geringe Anstiegsgeschwindigkeit in der entgegengesetzten Richtung (Absenken/Bereitstellen). Die Anstiegsgeschwindigkeit ist definiert als die Zeitrate der Änderung der Verstärkerausgangsspannung bei geschlossener Schleife unter Großsignalbedingungen, d.h. dort, wo eine große Ungleichheit zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangssignal existiert.
• Ein derzeitiger CMOS-Operationsverstärkerentwurf erfordert ebenfalls einen dominanten Pol in der S-Ebene, um den Verstärker zu stabilisieren und dadurch ein schwingen zu verhindern. Typischerweise wird der dominante Pol in der S- Ebene durch einen internen Kondensator mit 10 - 20 Pikofarad realisiert. Kondensatoren, die auf einem Chip vorgesehen sind, sind bezüglich ihrer Größe begrenzt und ihr Vorhandensein erhöht die Komplexität des CMOS-Operationsverstärkers und daher die Kosten. Ferner begrenzt die Größenbeschränkung von Kondensatoren, die auf dem Chip vorgesehen sind, die Fähigkeit des CMOS-Operationsverstärkers das Rauschen zu filtern. Es existiert ebenfalls eine inverse Beziehung zwischen der Größe des Kondensators und der Fähigkeit des CMOS-Operationsverstärkers unter Großsignalbedingungen zu reagieren. Daher beeinflußt der Kondensator die Anstiegsgeschwindigkeit. Je höher z.B. die verwendete Kapazität ist, um den dominanten Pol in der S-Ebene zu bestimmen, desto geringer ist die Fähigkeit des CMOS-Operationsverstärkers auf eine große Ungleichheit zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangssignal zu reagieren.
• Eine mögliche Lösung der Unfähigkeit der derzeitigen CMOS- Operationsverstärker eine große Anstiegsgeschwindigkeit in beiden Richtungen zu erzeugen, besteht darin, einen Verstärker der Klasse B zu verwenden, und nicht einen Verstärker der Klasse A. Verstärker der Klasse B sind jedoch sehr schwer vorzuspannen und in einem linearen Betrieb zu halten. Eine weitere mögliche Lösung besteht darin, eine bipolare Ausgangsschaltung, die mit dem CMOS-Operationsverstärker verbunden ist, zu verwenden. Eine bipolare Schaltung würde jedoch mehr Leistung verbrauchen, mehr Platz beanspruchen und mehr Wärme ableiten, wodurch eine erhöhte Kühlung notwendig wird und die Zuverlässigkeit der Schaltung reduziert wird. Weiterhin sind bipolare Schaltungen typischerweise nicht für CNOS-Bauelemente mit hoher Eingangsimpedanz erhältlich.
• Folglich besteht ein Bedarf an einem CNOS-Operationsverstärker der Klasse A, der eine große Anstiegsgeschwindigkeit in beiden Richtungen aufweist, der durch seine Fähigkeit gekennzeichnet ist, sowohl einen Strom gut bereitzustellen als auch abzusenken, wenn ein großer Unterschied zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangssignal, die dem Verstärker und/oder einer großen kapazitiven Last zugeordnet sind, existiert.
• Ein analoger Pufferverstärker ist in US-A-4,739,281 offenbart, der eine Schaltungsmodifikation einschließt, um die Anstiegsgeschwindigkeit zu verbessern. Diese Schaltung erfordert jedoch eine sehr große Ungleichheit der Eingangssignale, bevor sie reagieren wird, und beeinflußt lediglich die Hauptstromquelle.
• Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schafft eine verbesserte positive Anstiegsgeschwindigkeit, bevorzugterweise bei komplementären Metall-Oxid-Halbleiter-Operationsverstärkern (CMOS-Operationsverstärkern) der Klasse A. Die vorliegende Erfindung ist durch die beiliegenden Ansprüche gekennzeichnet, und sie besteht aus einer steuerbaren, zusätzlichen Ausgangsstufe, die zusätzlich zu dem Quellenstrom, der durch die Ausgangsstufe des herkömmlichen CMOS-Operationsverstärkers der Klasse A zugeführt wird, einen Quellenstrom erzeugt. Der zusätzliche Quellenstrom, der durch die zusätzliche Ausgangsstufe vorgesehen ist, verbessert oder erhöht die positive Anstiegsgeschwindigkeit des Verstärkers, wenn ein Fehlersignal, das einen großen Unterschied zwischen dem Eingangssignal und dem negativeren Ausgangssignal anzeigt, vorhanden ist. Ferner wird die zusätzliche Ausgangsstufe aktiviert oder eingeschaltet, wenn das Fehlersignal einen Schwellenbetrag überschreitet, und ansonsten wird sie ausgeschaltet. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung, ein integrierter Chip, schließt eine Vorspannungsschaltung zum Erzeugen der Betriebs- oder Ruheströme des CNOS-Feldeffekttransistors (FET) ein, der in dem Verstärker verwendet wird.
• Das bevorzugte Ausführungsbeispiel schließt ebenfalls eine Differentialverstärkungsstufe ein, um ein Fehlersignal zu schaffen, das durch eine zusätzliche Ausgangsstufe verwendet wird, um eine Stromquelle, die einen zusätzlichen Quellenstrom bereitstellt, einer externen Last hinzu zu schalten, wenn eine große Ungleichheit zwischen dem Eingangssignal und dem negativeren Ausgangssignal existiert. Die Differentialverstärkungsstufe schafft ebenfalls ein Differenzsignal, das wirksam ist, um eine Verstärkung mit Verstärkungsfaktor 1 zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangssignal beizubehalten. Eine Verstärkung mit dem Verstärkungsfaktor 1 bedeutet, daß der Verstärker wirksam ist, um die Amplitude des Eingangssignals gleich der Amplitude des Ausgangssignals zu halten. Verstärker mit einem Verstärkungsfaktor von 1, die in Fachkreisen als Puffer bekannt sind, werden verwendet, um die Schaltung auf der Ausgangsseite des Verstärkers von der Schaltung auf der Eingangsseite des Verstärkers zu isolieren, während die Amplitude des Signals, das dazwischen durchgeführt wird, beibehalten wird. Folglich ist die Schaltung auf der Eingangsseite des Verstärkers durch die Schaltung auf der Ausgangsseite des Verstärkers nicht beeinflußt.
• Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schließt ferner eine Zwischenstufe ein, die die Differentialverstärkungsstufe von einer Ausgangsstufe isoliert, während das Differenzsignal dazwischen übertragen wird. Weiterhin verschiebt der Zwischenstufenpegel das Differenzsignal, bevor es an die Ausgangsstufe angelegt wird. Die Pegelverschiebung des Differenzsignals stellt sicher, daß die Ausgangsstufe geeignet vorgespannt ist, und verbessert die Frequenzantwort des Verstärkers durch Isolieren einer großen kapazitiven Last von der Differentialverstärkungsstufe.
• Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ferner eine Ausgangsstufe eingeschlossen, die als Reaktion auf das Pegel-verschobene Differenzsignal, das durch die Zwischenstufe zugeführt wird, veranlaßt, daß entweder ein Strom bereitgestellt wird, um einen externen Kondensator auf zuladen, oder daß ein Strom abgesenkt wird, um den externen Kondensator zu entladen. Das Bereitstellen durch die Ausgangsstufe erhöht die Spannung über den externen Kondensator, während ein Absenken die Spannung über den Kondensator erniedrigt. Der bisher beschriebene CMOS-Transistorverstärker besteht aus herkömmlichen Elementen, die den Strom sehr gut absenken, aber aufgrund des begrenzten Stromes, der durch das Lastbauelement (ein P-Kanal- oder PMOS-Bauelement) in der Ausgangsstufe bereitgestellt wird, einen Strom nicht sehr gut zuführt. Deshalb weist der bisher beschriebene Verstärker eine niedrige positive Anstiegsgeschwindigkeit auf.
• Das Problem der niedrigen Anstiegsgeschwindigkeit wird durch die Verwendung eines externen 56 Nanofarad Kondensators bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel weiter vergrößert. Der externe Kondensator schafft neben anderen Dingen einen dominanten Pol in der S-Ebenen, der Schwingungen verhindert und dadurch den Verstärker stabilisiert. Weiterhin schafft der externe Kondensator, der über zehntausendmal größer ist als die 10 - 20 Pikofarad Kondensatoren, die auf dem Chip vorgesehen sind, die bei derzeitigen CMOS-Transistorverstärkern verwendet werden, eine verbesserte Rauschreduktion (Filterung).
• Um das Problem der niedrigen positiven Anstiegsgeschwindigkeit zu beheben, verwendet die vorliegende Erfindung eine zusätzliche Ausgangsstufe, die einen zusätzlichen Quellenstrom zuführt, wenn dem Verstärker ein großes Fehlersignal zugeführt wird, das eine große Differenz zwischen dem Eingangssignal und dem negativeren Ausgangssignal anzeigt. Die zusätzliche Ausgangsstufe ist wirksam, um das Fehlersignal mit einer Schwelle zu vergleichen. Wenn ein Fehlersignal größer ist als die Schwelle, dann wird eine Hilfsquelle, ein PMOS-Ausgangstransistor, aktiviert, um den bereitgestellten Strom, der durch eine Ausgangsstufe der Klasse A zugeführt wird, zu vergrößern. Wenn das Fehlersignal andererseits kleiner oder gleich der Schwelle ist, dann wird der Hilfs- PMOS-Ausgangstransistor deaktiviert. Prinzipiell ist die zusätzliche Ausgangsstufe wirksam, um die positive Anstiegsgeschwindigkeit zu verbessern.
• Eine weitere Anwendung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Referenzspannungsgenerators für eine Testvorrichtung für gedruckte Schaltungsplatinen. Als solche muß das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung fähig sein, durch seine Fähigkeit, einen Strom bereitzustellen und abzusenken, ein Ausgangssignal oder eine Ausgangsspannung zu erzeugen, die einen Bereich von etwa 11 Volt überspannen. Weiterhin muß das bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wie es durch die Testvorrichtung für die gedruckten Schaltungsplatinen gefordert wird, eine Einschwingzeit von weniger als 500 Mikrosekunden schaffen. Die Einschwingzeit ist die Zeit, die für das Ausgangssignal oder die Ausgangsspannung notwendig ist, um unter maximaler Last und über den gesamten Eingangssignalbereich einen Punkt zu erreichen, der innerhalb von 10 mV um die abschließende Spannung liegt, bei dieser Anwendung die Eingangsspannung. Folglich schafft das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung, wie es durch die Bereichs- und Einschwingzeitanforderungen der Testvorrichtung für gedruckte Schaltungsplatinen erfordert wird, einen Referenzspannungsgenerator, der sehr schnell in beide Richtungen umschaltet. Zusätzlich sind 48 CMOS-Operationsverstärker der Klasse A, die die verbesserte Anstiegsgeschwindigkeit haben, zur Verwendung mit der Testvorrichtung für die gedruckten Schaltungsplatinen auf einem einzelnen Chip integriert.
• Unter den durch die vorliegende Erfindung realisierten Vorteilen ist eine verbesserte positive Anstiegsgeschwindigkeit, die die Operationsverstärker, einschließlich der CMOS-Operationsverstärker, empfindlicher bezüglich großen Fehlersignalen machen. Nachdem die vorliegende Erfindung lediglich aktiviert wird, um einen zusätzlichen Quellenstrom bereitzustellen, wenn ein großes Fehlersignal, das ein Eingangssignal anzeigt, das um einen relativ großen Betrag positiver ist als das Ausgangssignal, vorhanden ist, und ansonsten deaktiviert wird, spart sie weiterhin Leistung. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung schafft vorteilhafterweise ebenfalls einen verbesserten Puffer oder einen Operationsverstärker mit einem Verstärkungsfaktor von 1. Auf ähnliche Weise schafft der relativ große externe Lastkondensator, der bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet wird, eine Stabilität und ein verbessertes Filtern. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Schaltung, die zur Durchführung der vorliegenden Erfindung verwendet wird, unter Verwendung der gut bekannten CNOs-Technologie hergestellt werden kann, die Schaltungselemente erzeugt, die leicht vorzuspannen sind, und bezüglich Herstellungsprozeßveränderungen relativ unempfindlich sind. Folglich ist die Schaltung, die erforderlich ist, um die vorliegende Erfindung in die Praxis umzusetzen, relativ günstig. Letztlich verschlechtert die vorliegende Erfindung nicht die Stromabsenkfähigkeit des CMOS-Transistorverstärkers, der bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet wird.
• Die einzige Figur ist eine schematische Darstellung eines CMOS-Transistorverstärkers der vorliegenden Erfindung, der eine zusätzliche Ausgangsstufe zum Verbessern der Anstiegsgeschwindigkeit einschließt.
• Das bevorzugte Ausführungsbeispiel des Transistorverstärkers 2, im folgenden Verstärker 2, ist in der Figur dargestellt. Der Verstärker 2 ist bevorzugterweise ein CMOS-Transistorverstärker, der aus einer Mehrzahl von Feldeffekttransistoren (FET) besteht, die auf einem einzelnen Chip integriert sind. Folglich sind, solange es nicht anderweitig angezeigt ist, die im folgenden beschriebenen Elemente, die der Verstärker 2 umfaßt, auf einem einzelnen Chip integriert. Die in dem Verstärker 2 verwendeten FETs können entweder P-Kanal-(PMOS) oder N-Kanal-(NMOS)FETs sein. Die P-Kanal-FETs sind in der Figur durch eine kleine Kappe oder ein kleinen Kasten auf dem Gate dargestellt, ein nicht-standardisiertes Symbol. Die N-Kanal-FETs haben im Gegensatz dazu an dem Gate keinen solchen Kasten oder Hut. Weiterhin sind in der Figur Breiten- und Längenmessungen (in Mikrometern) der leitenden Kanäle der verschiedenen FETs, die der Verstärker 2 umfaßt, eingeschlossen. Die Abmessungen der leitenden Kanäle, wie es in Fachkreisen bekannt ist, bestimmen verschiedene Parameter, die dem FET zugeordnet sind. Die Abmessungen der leitenden Kanäle bestimmen hauptsächlich den Betrag des Drainstromes in dem FET.
• Der Verstärker 2 schließt eine Vorspannungsschaltung 4 zum Bereitstellen der Betriebs- oder Ruheströme der FETs ein, die in dem Verstärker 2 enthalten sind. Die Vorspannungsschaltung 4 schließt einen Vorspannungs-FET und einen externen Widerstand 8, bevorzugterweise 100k Ohm, ein. Die Source des Vorspannungs-FETs 6 ist mit der Versorgungsspannung VDD, bevorzugterweise 7,5 Volt, verbunden. Der externe Widerstand 8 ist zwischen die Drain des Vorspannungs-FETs 6 und Masse geschaltet. Die Versorgungsspannung VDD stellt einen Spannungsabfall über den externen Widerstand 8 von etwa 6 Volt her. Eine Verbindung zwischen dem Gate und der Drain des Vorspannungs-FETs 6 stellt eine Gatespannung her, die ihrerseits einen Drainstrom von etwa 60 Mikroamper erzeugt, um den Spannungsabfall über den externen Widerstand 8 zu ermöglichen. Die Gatespannung des Vorspannungs-FETs 6 wird an die Gates von verschiedenen anderen FETs in dem Verstärker 2 angelegt, wodurch deren Betriebs- und Ruheströme hergestellt werden. Diese FETs spannen ihrerseits die Arbeitspunkte der anderen FETs in dem Verstärker vor oder stellen diese ein. Die Versorgungsspannung VDD in Verbindung mit einer weiteren Versorgungsspannung VSS, bevorzugterweise - 7,5 Volt, definieren einen Betriebs- oder Eingangs-/Ausgangssignalbereich von etwa 11 Volt, +/- 5,5 Volt, für den Verstärker 2.
• In dem Verstärker 2 ist ebenfalls eine Differentialverstärkungsstufe 12 eingeschlossen, die zumindest zwei Funktionen durchführt. Erstens vergleicht die Differentialverstärkungsstufe 12 das Eingangssignal mit dem Ausgangssignal und erzeugt ein Differenzsignal, das eine beliebige Differenz zwischen diesen anzeigt. Das Differenzsignal wird nachfolgend an eine Ausgangsstufe angelegt, die wirksam ist, um irgendeine Differenz zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangssignal auszuschließen. Folglich ist die Differentialverstärkungsstufe 12 wirksam, um das Ausgangssignal gleich dem Eingangssignal zu halten, wodurch eine Verstärkung der geschlossenen Schleife von 1 oder ein Verstärkungsfaktor von 1 erreicht wird. Zweitens schafft die Differentialverstärkungsstufe 12 ein Fehlersignal, das ebenfalls die Differenz zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangssignal anzeigt, das verwendet wird, um eine zusätzliche Ausgangsstufe der Klasse B zu aktivieren, wenn ein zusätzlicher Quellenstrom erforderlich ist. Die Differentialverstärkungsstufe 12 umfaßt einen ersten Stromquellen-FET 14, Differential-FETs 16a, 16b, Stromspiegel-FETs 18a, 18b, 18c und 18d. Die Verbindung der Stromspiegel-FETs 18a, 18b, 18c und 18d ist in Fachkreisen als ein Wilson-Stromspiegel bekannt. Der erste Stromquellen-FET 14 kann als eine ideale Stromquelle modelliert sein, die einen Strom von etwa 6 Mikroamper an den Knoten zuführt, der dessen Drain mit den Sourcen der Differential- FETs 16a, 16b verbindet. Die Gates der Differential-FETs 16a, 16b sind jeweils mit dem Eingangssignal und dem Ausgangssignal verbunden. Die Differential-FETs 16a, 16b sind wirksam, um den Strom, der durch den ersten Stromquellen-FET 14 erzeugt wurde, zwischen ihren jeweiligen Drains entsprechend der Differenz zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangssignal aufzuteilen. Wenn das Eingangs- und das Ausgangssignal z.B. gleich sind, dann teilen die Differential- FETs 16a, 16b den Strom, der durch den ersten Stromquellen- FET 14 zugeführt wird, gleichmäßig unter ihren jeweiligen Drains auf. Wenn auf der anderen Seite das Eingangssignal negativer ist als das Ausgangssignal, dann sind die Differential-FETs 16a, 16b wirksam, um einen größeren Strombetrag, der durch den ersten Stromquellen-FET 14 zugeführt wird, an die Drain des Differential-FETs 16a zuzuführen. Wenn das Eingangssignal positiver ist als das Ausgangssignal, dann sind die Differential-FETs 16a und 16b auf ähnliche Art wirksam, um einen größeren Strombetrag, der durch den ersten Spannungsquellen-FET 14 erzeugt wird, an die Drain des Differential-FETs 16b zuzuführen.
• Die Stromspiegel-FETs 18a, 18b, 18c und 18d arbeiten zusammen, um ein Differenzsignal, die Spannung, die an der Drain des Differential-FETs 16a anliegt, in Übereinstimmung mit den Drainströmen, die durch die Differential-FETs 16a, 16b fließen, zu erzeugen. Wenn das Eingangssignal z.B. negativer ist als das Ausgangssignal, dann sind die Differential-FETs 16a, 16b wirksam, um in dem Differential-FET 16b einen kleineren Drainstrom zu erzeugen als in dem Differential-FET 16a. Der kleinere Drainstrom in dem Differential-FET 16b erzeugt seinerseits eine geringere Gatespannung an den Stromspiegel-FETs 18a, 18b. Dies erzeugt seinerseits ein Differenzsignal, die Spannung an der Drain des Differential-FETs 16a, das anzeigt, daß das Eingangssignal negativer ist als das Ausgangssignal. Die kaskadische Anordnung der Stromspiegel-FETs 18a, 18b und der Stromspiegel-FETs 18c, 18d erzeugt eine zusätzliche Verstärkung des erzeugten Differenzsignals. Die Stromspiegel-FETs 18a, 18b, 18c, 18d arbeiten ebenfalls zusammen, um ein Fehlersignal zu erzeugen, das ebenfalls die Differenz zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangssignal anzeigt, das verwendet wird, um eine zusätzliche Ausgangsstufe der Klasse B zu aktivieren, wenn ein zusätzlicher Quellenstrom erforderlich ist. Das Fehlersignal ist die Spannung, die an der Drain des Stromspiegel-FETs 18d anliegt.
• Der Verstärker 2 umfaßt ebenfalls eine Zwischenstufe 22, die primär eine Isolation der Differentialverstärkungsstufe 12 von einer Ausgangsstufe schafft. Die Isolation, die durch die Zwischenstufe 22 geschaffen ist, erhöht ebenfalls die Frequenzantwort des Verstärkers 2. Die Zwischenstufe 22 agiert ebenfalls als Pegelschieber, um den Ruhearbeitspunkt des Ausgangs der Differentialverstärkungsstufe 12 anzupassen. Die Zwischenstufe 22 umfaßt einen Isolator-FET 24, einen Isolatorlast-FET 26 und einen Schutz-FET 28. Der Isolator-FET 24 und der Isolatorlast-FET 26 sind verbunden, um einen Sourcefolger zu bilden, der die Differentialverstärkungsstufe 12 von einer Ausgangsstufe in dem Verstärker 2 isoliert, und um andererseits das Differenzsignal, das durch die Differentialverstärkungsstufe 12 erzeugt wurde, an eine Ausgangsstufe auf einem geeigneten Gleichstrompegel an zulegen. Genauer gesagt wird das Differenzsignal, das durch die Differentialverstärkungsstufe 12 erzeugt wird, an das Gate des Isolator-FETs 24 angelegt, der seinerseits ein Steuerungsspannungssignal an der Drain des Isolatorlasts- FETs 26 erzeugt. Das Steuerungsspannungssignal ist im wesentlichen das Differenzsignal, das aufgrund der Einwirkung des Isolatorlast-FETs 26 verschoben ist. Der Schutz-FET 28, dessen Source mit der Versorgungsspannung VDD verbunden ist, und dessen Gate und Drain mit der Drain des Isolator-FETs 24 verbunden sind, ist wirksam, um die maximale Spannung über den Isolator-FET 24 zu reduzieren, wodurch mögliche Hochfeldprobleme verhindert oder vermieden werden.
• Der Verstärker 2 umfaßt ebenfalls eine Ausgangsstufe 32, die einen Treiber-FET 34 und einen Last-FET 36 aufweist, um den Gleichstrom-Laststrom zuzuführen. Der Treiber-FET 34 kann konzeptmäßig ein einstellbarer Widerstand sein, der auf das Steuerungssignal, das durch die Zwischenstufe 22 erzeugt wird und an sein Gate angelegt ist, reagiert. Der Last-FET 36 kann andererseits als eine Konstantstromquelle modelliert sein, die den Betrag des Drainstroms im Treiber-FET 34 definiert. Folglich arbeiten der Treiber-FET 34 und der Last- FET 36 zusammen, um eine Ausgangsspannung über einen externen Kondensator 40 (an der Drain des Treiber-FETs 34) zu erzeugen, die auf das Steuerungssignal reagiert, das an das Gate des Treiber-FET 34 angelegt ist. Wenn das Steuerungssignal den Treiber-FET 34 z.B. veranlaßt, als ein großer Widerstand zu erscheinen, dann wird der Last-FET 36 dem Kondensator 40 einen Quellenstrom oder eine Ladung zuführen, wodurch die Spannung über den Kondensator erhöht wird. Wenn das Steuerungssignal den Treiber-FET 34 andererseits veranlaßt, als ein kleiner Widerstand zu erscheinen, dann senkt der Treiber-FET 34 den Strom oder entlädt den externen Kondensator 40, wodurch die Spannung über den externen Kondensator 40 erniedrigt wird. Aufgrund des Vorhandenseins des externen Kondensators 40, reagiert die Ausgangsspannung jedoch nicht unmittelbar auf das Steuerungssignal. Die bis hierher beschriebenen Elemente des Verstärkers 2 senken den Strom sehr gut, aber nicht den Quellenstrom, besonders wenn es einen großen Unterschied zwischen dem Eingangssignal und einem negativeren Ausgangssignal gibt. Folglich besitzt der bisher beschriebene Verstärker 2 keine große positive Anstiegsgeschwindigkeit.
• Eine zusätzliche Ausgangsstufe 44 der Klasse B ist in dem Verstärker 2 eingeschlossen, um den zusätzlichen Quellenstrom bereitzustellen, der für eine große positive Anstiegsgeschwindigkeit notwendig ist. Die zusätzliche Ausgangsstufe 44 der Klasse B besteht aus einem Schalt-FET 46, einem zweiten Stromquellen-FET 48 und einem Umschalt-FET 50. Der Schalt-FET 46 und der zweite Stromquellen-FET 48 arbeiten zusammen, um den Umschalt-FET 50 "einzuschalten", sobald eine Schwelle überschritten wird, die ein großes Fehlersignal anzeigt. Das Fehlersignal, wie es bereits beschrieben wurde, stellt den Unterschied zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangssignal dar. Folglich ist der Umschalt-FET 50 entweder in einem "eingeschalteten" oder in einem "ausgeschalteten" Zustand. Der zweite Stromquellen-FET 48 führt der Drain des Schalt-FETs 46 einen konstanten Strom zu, wodurch eine Schwelle definiert ist. Die Spannung an der Drain des zweiten Stromspiegel-FETs 18d des Fehlersignals wird an das Gate des Schalt-FETs 46 angelegt. Wenn das Fehlersignal, das an das Gate des Schalt-FETs 46 angelegt ist, die Schwelle, die durch den zweiten Stromquellen-FET 48 definiert ist, nicht überschreitet, dann ist der Umschalt-FET 50 ausgeschaltet. Wenn das Signal, das an das Gate des Schalt-FETs 46 angelegt ist, andererseits die Schwelle, die durch den zweiten Stromquellen-FET 48 definiert ist, überschreitet, dann wird eine Spannung an das Gate des Umschalt-FETs 50 angelegt, die diesen "einschaltet" und dadurch den zusätzlichen Quellenstrom schafft, der notwendig ist, um eine große positive Anstiegsgeschwindigkeit zu realisieren. Genauer gesagt ist der Umschalt-FET 50 "ausgeschaltet", wenn der zweite Stromquellen-FET 48 den Schalt-FET 46 in einen "ausgeschalteten" Zustand vorgespannt hat, und die Spannung, die an das Gate des Schalt-FETs 46 angelegt ist, unzureichend ist, um diesen "einzuschalten". In dieser Situation existiert an dem Gate des Umschalt-FETs 50 eine nicht-ausreichende Spannung, um diesen "einzuschalten". Auf ähnliche Weise ist der Umschalt-FET 50 "eingeschaltet", und es erfolgt eine Zuführung des zusätzlichen Quellenstroms an die Last, wenn die Spannung, die an das Gate des Schalt-FETs 48 angelegt ist, den Vorspannungsstrom übersteigt, der an den zweiten Stromquellen-FET 48 angelegt ist, wodurch der Schalt-FET 46 "eingeschaltet" wird. Sobald der Schalt-FET 46 "eingeschaltet" ist, tritt an dem Gate des Umschalt-FETs 50 eine niedrige Spannung auf, wodurch dieser "eingeschaltet" wird.
• Nachdem die Elemente, die der Verstärker 2 umfaßt, und ihre Beziehung zueinander beschrieben wurde, wird ein Beispiel des Betriebs des Verstärkers dargestellt, wenn dieser mit einem Eingangssignal beaufschlagt wird, das die Verwendung der zusätzlichen Ausgangsstufe 44 der Klasse B erfordert, um eine verbesserte positive Anstiegsgeschwindigkeit zu realisieren. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ein Fehlersignal, das ausreichend ist, um den Umschalt-FET 50 in der zusätzlichen Ausgangsstufe 44 der Klasse B zu aktivieren, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangssignal um einige zehn Millivolt positiver wird als das Ausgangssignal. Unter solchen Umständen gibt die Differentialverstärkungsstufe 12 ein Differenzsignal, die Spannung an der Drain des ersten Stromspiegel-FETs 18a, aus, das durch die Zwischenstufe 22 Pegel-verschoben ist und an die Ausgangsstufe 32 als ein Steuerungsspannungssignal angelegt wird. Der Last- FET 36 reagiert auf das Steuerungsspannungssignal durch Anlegen eines Quellenstroms an den externen Kondensator 40, wodurch die Spannung am Ausgang erhöht wird. Der Last-FET 36 allein zeigt jedoch eine relativ langsame Anstiegsgeschwindigkeit. Die relativ langsame Anstiegsgeschwindigkeit des Last-FETs 36 zeigt sich selbst in einer relativ langen Verzögerung zwischen der Abgabe des Eingangssignals an den Verstärker 2 und der Abgabe eines ähnlichen Signals an den Ausgang des Verstärkers 2. Der Last-FET 36 führt im wesentlichen einen Strom mit einer Rate derart an den externen Kondensator 40 (wodurch die Ausgangsspannung über den Kondensator 40 erhöht wird) zu, daß es eine relativ lange Verzögerung zwischen der Abgabe des Eingangssignals und der Abgabe des äquivalenten Ausgangssignals gibt. Als Reaktion auf diese Situation ist die Differentialverstärkungsstufe wirksam, um ein erhöhtes Fehlersignal zu erzeugen, die Spannung an der Drain des zweiten Stromspiegel-FETs 18d, das den Vorspannungsstrom übersteigt, der durch den zweiten Stromquellen-FET 48 an den Schalt-FET 46 angelegt ist. Folglich ist der Schalt-FET 46 "eingeschaltet", wodurch der Umschalt-FET 50 "eingeschaltet" wird, wie es oben beschrieben wurde. Der aktivierte Umschalt-FET 50 ist seinerseits wirksam, um den Strom zu ergänzen, der durch den Last-FET 36 erzeugt wird, wodurch die positive Anstiegsgeschwindigkeit verbessert wird. Mit anderen Worten arbeiten der aktivierte Umschalt-FET 50 und der Last-FET 36 zusammen, um dem externen Kondensator 40 mit einer viel größeren Rate als der Last-FET 36 allein einen Strom bereitzustellen, oder diesen zu laden. Als Folge der Erhöhung der Rate, mit der der Kondensator 40 geladen wird, wird die Rate der Ausgangsspannung, der Spannung über den Kondensator 40, ebenfalls erhöht. Folglich arbeiten der Schalt-FET 46, der zweite Stromquellen-FET 48 und der Umschalt-FET 50 der zusätzlichen Ausgangsstufe 44 der Klasse B zusammen, um die positive Anstiegsgeschwindigkeit des Verstärkers 2 zu erhöhen.
• Verschiedene Modifikationen des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung können durchgeführt werden, ohne sich vom Umfang der vorliegenden Erfindung zu entfernen. Eine duale Schaltung des offenbarten Verstärkers 2 könnte nämlich durch Umwandeln aller P-Kanal-FETs (PMOS), die in der Figur darstellt wird, in N-Kanal-FETs (NMOS) und umgekehrt realisiert werden, wodurch ein Verstärker mit einer verbesserten negativen Anstiegsgeschwindigkeit realisiert wird. Die duale Schaltung würde es ebenfalls erfordern, die Versorgungsspannungen in Figur 1 auszutauschen. Folglich würden die PMOS-FETs bzw. die NMOS-FETs der dualen Schaltung mit der positiven Versorgungsspannung VDD bzw. der negativen Versorgungsspannung VDD verbunden sein. Die zusätzliche Ausgangsstufe der Klasse B würde in diesem Fall eine zusätzliche Absenkfähigkeit schaffen. Weiterhin könnte ein interner oder ein integrierter Widerstand den externen Widerstand 8 ersetzen, wenn dies erforderlich ist. Der Widerstand des externen Widerstands 8 kann ebenfalls verändert werden, um einen weiten Bereich von Betriebs- oder Ruheströmen zu erzeugen. Zusätzlich kann die vorliegende Erfindung Verstärkungen von geschlossenen Schleifen, die größer oder gleich 1 sind anpassen. Die Versorgungsspannungen VDD und VSS, die neben anderen Dingen den Betriebsbereich und die Vorspannungsströme im Verstärker herstellen, sind für eine bestimmte Anwendung der Erfindung bestimmt. Folglich können die Versorgungsspannungen verändert werden, um andere Anwendungen der Erfindung auszuführen. Die vorliegende Erfindung ist ebenfalls fähig, den Strom an eine resistive Last bereitzustellen oder abzusenken, vorausgesetzt es existiert eine ausreichende Kapazität, um den Verstärker zu stabilisieren.
• Auf der Grundlage des Vorhergegangenen schafft die vorliegende Erfindung eine relativ hohe Anstiegsgeschwindigkeit, wenn ein relativ großes Fehlersignal, das anzeigt, daß das Eingangssignal viel positiver ist als das Ausgangssignal, vorhanden ist. Dies wird durch Schaffen einer zusätzlichen Ausgangsstufe erreicht, die durch ihre Fähigkeit gekennzeichnet ist, einen zusätzlichen Strom an eine kapazitive Last zuzuführen. Bevorzugterweise steht die kapazitive Last mit einer integrierten Schaltung in Verbindung und hat eine im wesentlichen größere Kapazität als die, die im Stand der Technik gefunden wird, um ein verbessertes Filtern und eine verbesserte Schaltungsstabilität zu schaffen.

Claims (8)

1. Eine Vorrichtung zum Schaffen einer verbesserten Anstiegsgeschwindigkeit in einem Verstärker, mit: einer Differentialverstärkungsstufe (12) zum Empfangen eines Eingangssignals und zum Bereitstellen eines Fehlersignals und eines Differenzsignals; einer Ausgangsstufe (32) zum Empfangen eines Signals, das sich auf das Differenzsignal bezieht, und zum Ausgeben eines Ausgangssignals, wobei die Ausgangsstufe eine erste Stromquelle (36) umfaßt, die unter Verwendung des Differenzsignals gesteuert ist, wobei das Fehlersignal unter Verwendung des Eingangsignals und des Ausgangssignals erzeugt wird;

dadurch gekennzeichnet,

daß eine zusätzliche Ausgangsstufe (44), die mit der Ausgangsstufe (32) in Verbindung steht und das Fehlersignal empfängt, eine Einrichtung (46, 48) zum Erzeugen eines Schwellenwertes, eine Einrichtung zum Erzeugen (46) eines zweiten Signals unter Verwendung des Fehlersignals und des Schwellensignals; eine Einrichtung zum Steuern einer zweiten Stromquelle (50) unter Verwendung des zweiten Signals; und eine Einrichtung zum Kombinieren des Ausgangs der ersten Stromquelle (36) und der zweiten Stromquelle (50) umfaßt, um eine Anstiegsgeschwindigkeit, die mit dem Ausgangssignal zusammenhängt, zu beeinflussen.

2. Eine Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner eine Vorspannungsstufe (4) zum Herstellen der geeigneten Parameter, die der Vorrichtung zugeordnet sind, einschließt.

3. Eine Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Ausgangsstufe einen Kondensator (40) einschließt, und bei der die Differentialverstärkungsstufe (12) und die Zwischenstufe (22) Teil einer integrierten Schaltung sind, und bei der der Kondensator außerhalb der integrierten Schaltung angeordnet ist.

4. Eine Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Kondensatoreinrichtung (40) eine Kapazität von zumindest 1 Nanofarad aufweist.

5. Eine Vorrichtung nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, die eine Zwischenstufe (22) umfaßt, die mit der Differentialverstärkungsstufe zur Pegelverschiebung eines Signals, das an die Ausgabeeinrichtung angelegt ist, in Verbindung steht.

6. Eine Vorrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Anstiegsgeschwindigkeit eine positive Anstiegsgeschwindigkeit ist.

7. Eine Vorrichtung nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, bei der die Anstiegsgeschwindigkeit eine negative Anstiegsgeschwindigkeit ist.

8. Ein Verfahren zum Verbessern einer Anstiegsgeschwindigkeit, die einem Ausgangssignal in einem Verstärker zugeordnet ist, das folgende Schritte umfaßt: Erzeugen (12) eines Differenzsignals unter Verwendung eines Eingangssignals; Erzeugen (12) eines Fehlersignals unter Verwendung eines Eingangssignals und eines Ausgangssignals; Steuern einer ersten Stromquelle (36) als eine Ausgangsstufe unter Verwendung des Differenzsignals, um ein Ausgangssignal zu erzeugen;

dadurch gekennzeichnet,

daß es ferner folgende Schritte umfaßt:

Erzeugen (46, 48) eines Schwellenwertes;

Erzeugen (46) eines zweiten Signals unter Verwendung des Fehlersignals und des Schwellenwertes;

Steuern einer zweiten Stromquelle (50) als zusätzliche Ausgangsstufe unter Verwendung des zweiten Signals; und

Kombinieren des Ausgangssignals der ersten Stromquelle (36) und der zweiten Stromquelle (50), um eine Anstiegsgeschwindigkeit, die dem Ausgangssignal zugeordnet ist, zu beeinflussen.