DE69216626T2

DE69216626T2 - Leistungsverstärker mit signalabhängiger Ruhestromeinstellung

Info

Publication number: DE69216626T2
Application number: DE69216626T
Authority: DE
Inventors: Gerald Molnar
Original assignee: Mitel Corp
Current assignee: Microsemi Semiconductor ULC
Priority date: 1991-09-06
Filing date: 1992-09-03
Publication date: 1997-05-28
Anticipated expiration: 2012-09-04
Also published as: US5428316A; EP0602163B1; JP3261532B2; DE69216626D1; CA2050878C; WO1993005572A1; CA2050878A1; EP0602163A1; JPH06510407A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf einen Leistungsverstärker mit einem Differenz-Ausgang und einem Differenz-Eingang, z.B. geeignet zur Verwendung als Treiberschaltung zum Bewegen von Spulen-Wandlern, wie z.B. Ohrhörer oder Lautsprecher in Telefoneinrichtungen.
Eine fortschrittliche Telefonschaltung kann aus CMOS-integrierten Schaltungen aufgebaut sein. Es müssen geeignete Treiber vorhanden sein, um für diskrete bewegte Spulen- Wandler-Komponenten, wie z.B. mit den in einer fortschrittlichen Telefoneinrichtung verwendeten Ohrhörer und Lautsprecher, eine Schnittstelle zu bilden. Im allgemeinen müssen die Treiber in der Lage sein, die Last mit einer großen Leistung bei einer geringen Gleichspannungs-Vorspannung zu versorgen, und aus diesem Gründ können vollständige Differenz-Verstärker mit einem Differenz-Ausgang und einem Differenz-Eingang vorteilhaft eingesetzt werden, weil sie die Fähigkeit besitzen, aus der 5V-CMOS- Spannungsversorgung eine große Ausgangsleistung zu erzeugen (es wird keine zusätzliche Spannungsversorgung benötigt). Die Treiber müssen jedoch eine lineare Übertragungscharakteristik, eine sehr hohe Eingangsimpedanz, um eine Schnittstelle mit der CMOS-Schaltung bilden zu können, und eine stabile Frequenzantwort besitzen und unabhängig gegenüber Prozeßvariationen sein.
Zwei Hauptprobleme müssen angesprochen werden, nämiich die Ansteuerung der Gesamtbetriebsart-Spannung, die mit der vollständigen differentiellen Auslegung zusammenhängt, und der Gleichspannungs-Ruhestrom, der mit den CMOS-Verstärkern mit großen Ausgangstransistoren in Zusammenhang steht. Die großen Lastströme und großen Dimensionen der Ausgangstransistoren in den Verstärkern rufen eine hohe Empfindlichkeit des Ruhestromes von den Prozeßvariationen und der Vorspannung hervor. Geringe Anderungen der Gate-Spannungen der Ausgangstransistoren können zu Ruheströmen führen, die die gestellten Anforderungen bei weitem übertreffen. Solche typische Schaltungen sind in der EP 0 325 299, NEUES AUS DER TECHNIK, Nr. 1, 20. Feb. 1987, S. 1, "OPERATIONSVERSTARKER" und in IEEE INTERNATIONAL SOLID STATE CIRCUITS CONFERENCE, Vol 34, Feb. 1991, New York, US, S. 278- 279 G Nicollini et al. "A-78db THD 100 OHM DIFFERENTIAL DRIVER FOR ISDN APPLICATIONS" beschrieben.
Der Treiber sollte auch eine große Verstärkung, eine inhärente Stabilität und eine einfache Ausführung haben. Diese Eigenschaften zu erreichen hat sich in der Vergangenheit als schwierig erwiesen.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist ein Leistungsverstärker vorgesehen, der eine Eingangsstufe und eine Ausgangsstufe aufweist, wobei die Eingangsstufe einen vollständigen Differenz-Verstärker umfaßt mit Differenz-Eingängen und Differenz- Ausgängen und eine Geschlossenschleifen-Gesamtbetriebsart-Rückkopplungs- Steuerschaltung mit hoher Eingangsimpedanz, die Gesamtbetriebsart-Rückkopplungs- Steuersignale von den Differenz-Ausgängen ableitet. Jede Ausgangsstufe umfaßt für jeden Differenz-Ausgang der Eingangsstufe einen AB-Typ-Verstärker, der einen Ausgang des Leistungsverstärkers zur Verfügung stellt und N-Kanal- und P-Kanal-Source-Folger aufweist, die mit dem vollständigen Differenz-Verstärker eine Schnittstelle haben, und einen Ruhestrom-Steuereingang zum Aufrechterhalten eines gewünschten Steuerstromes aufweisen, Mittel zum Aufrechterhalten der Gesamtbetriebsart-Ausgangsspannung der AB-Typ-Verstärker auf einen gewünschten Pegel und einen Ruhestrom-Regler, um den Ruhestrom-Steuereingangen ein gemeinsames Steuersignal zuzuführen, wobei der Ruhestrom-Regler Transistor-Mittel umfaßt, die so beschaffen sind, daß sie das Verhalten eines der Source-Folger nachbilden, um das gemeinsame Steuersignal zu erzeugen.
Der Ruhestrom-Regler umfaßt vorzugsweise ein Paar Transistoren, die den N-Kanal- Source-Folger eines der AB-Typ-Verstärker nachbilden. Das Gate eines der nachbildenden Transistoren ist auf die Ruhezustands-Spannung des Eingangsstufen-Ausgangs gesetzt. Die Drain-Spannung des zweiten nachbildenden Transistors entspricht der Drain-Spannung eines von zwei Transistoren, die den N-Kanal-Folger bilden, der mit dem Gate des N- Kanal-Treiber-Transistors in der Ausgangsstufe verbunden ist und daher dessen Gate- Spannung entspricht. Die Gate-Spannung des zweiten nachbildenden Transistors wird benutzt, um den N-Kanal-Source-Folger der Ausgangsstufe vorzuspannen Eine Referenz- Spannung, die an dem Eingang des Ruhestrom-Reglers erzeugt wird, wird in den N-Kanal- Treiber-Transistor der Ausgangsstufe wirksam gespiegelt, und kann deshalb genutzt werden, um den Ruhestrom der Ausgangsstufe zu bestimmen. Im Ergebnis besitzt diese Schaltung einen Verstärker-Ruhestrom, der bezüglich Prozeßvariationen unempfindlich ist.
Die vorliegende Erfindung besitzt eine Zwei-Stufen-Auslegung, wobei die Eingangsstufe vorzugsweise als gefalteter Kaskoden-Verstärker ausgebildet ist, der durch eine hohe Offenschleifen-Verstärkung gekennzeichnet ist und inhärent stabil ist.
Im Hinblick auf die geringe Ausgangs-Treiberfähigkeit des gefalteten Kaskoden- Verstärkers, muß die Gesamtbetriebsart-Spannungssteuer-Rückkopplungsschaltung in bezug auf den gefalteten Kaskoden-Verstärker-Ausgang eine sehr hohe Eingangsimpedanz aufweisen (wesentlich größer als 1 Megaohm), um zu verhindern, daß die Gesamtbetriebsart-Rückkopplungsschaltung die erste Stufe überlastet und daher deren Verstärkung reduziert. Die Gesamtbetriebsart-Rückkopplungsschaltung sollte auch über einen weiten Bereich der Eingangsspannung linear arbeiten. Konventionelle Auslegungen sind relativ schwierig in z.B. Zwei-Mikrometer-Fertigungsprozessen zu realisieren. Deshalb weist die Gesamtbetriebsart-Rückkopplungs-Steuerschaltung vorzugsweise ein Paar Transistoren auf, die im Trioden-Bereich arbeiten, da ein Paar spannungsabhängiger Widerstände an den Differenz-Ausgängen der gefalteten Kaskode angeschlossen sind. Der summierte Strom durch diese Transistoren ist an einen Steuerstrom angepaßt, der zur Bestimmung des Steuersignales an dem Gesamtbetriebsart-Steuereingang der gefalteten Kaskode verwendet wird.
Die Erfindung wird nun unter nur beispielsweiser Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen detaillierter beschrieben, in welchen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Leistungsverstärkers gemäß der Erfindung ist;
Fig. 2 ein Schaltdiagramm einer Vorspannungs-Schaltung für den Verstärker ist;
Fig. 3 die Eingangsstufe der Schaltung zeigt, die durch Stufe I in Fig. 1 repräsentiert ist;
Fig. 4 die Gesamtbetriebsart-Rückkopplungs-Steuerschaltung zeigt;
Fig. 5 eine Schleifenantwort der Gesamtbetriebsart-Steuerschaltung zeigt;
Fig. 6 die erste Stufe mit einem Gesamtbetriebsart-Steuerkompensationselement zeigt;
Fig. 7 ein Schaltdiagramm eines Ausgangsstufen-Lautsprechertreibers ist;
Fig. 8 ein Schaltdiagramm einer Gesamtbetriebsart-Rückkopplungs-Steuerschaltung für die Ausgangsstufe ist; und
Fig. 9 ein Schaltdiagramm des Ruhestrom-Reglers ist.
Bezogen auf Fig. 1 ist der Treiber grob in zwei Stufen, Stufe I und Stufe II, unterteilt. Stufe I beinhaltet eine Eingangsstufe 1, die ein Differenz-Eingangssignal empfängt, eine Gesamtbetriebsart-Rückkopplungs-Steuerschaltung 2 und eine Schaltung 3 zum Erzeugen der Vorspannungen. Die zweite Stufe, Stufe II, beinhaltet eine Ausgangsstufe 4, eine Ausgangs-Gesamtbetriebsart-Rückkopplungs-Steuerschaltung 5, einen Ruhestrom-Regler 6 und eine Last 7, die ein Lautsprecher oder ein Ohrhörer sein kann. Die gesamte Schaltung unter Ausnahme natürlich der Last ist in Zwei-Mikrometer-CMOS-Technologie ausgeführt.
Die Vorspannungsschaltung ist in Fig. 2 detaillierter dargestellt. Ihr hauptsächlicher Zweck ist die Versorgung mit verschiedenen Referenz-Spannungen Vb0, Vb1, Vb2, Vb3, die Anderungen aufgrund von Prozeßschwankungen und externen Faktoren (Temperatur, Spannung, etc.) standhalten und sicherstellen, daß die Schaltungen, die die Vorspannungen benutzen, invariant bezüglich dieser Einflüsse ausgeführt werden können.
Die Vorspannungsschaltung 3, die in Fig. 2 detailliert dargestellt ist, beinhaltet Feldeffekt- Transistoren 8, 9 und 10. Eine Spannungs-Referenz Viref wird der Schaltung zugeführt und so eingestellt, daß der Transistor 8 als eine 20µa-Spannungsquelle dient. Dieser Referenzstrom wird durch die Transistorketten des Vorspannungs-Netzwerkes gespiegelt, um die präzisen Referenz-Spannungen, wie oben ausgeführt, zu erzeugen. Weil jede Referenz-Spannung Vb0, Vb1, Vb2, Vb3 auf die 20µa-Stromquelle bezogen ist, können präzise Stromquellen in der Verstärkerauslegung realisiert werden. Die Transistoren 9 und 10 sind kleiner als die Transistoren in den entsprechenden Vorspannungsketten, um sicherzustellen, daß die letzteren Transistoren in ihren entsprechenden Sättigungsregionen arbeiten.
Das Eingangssignal Pd ist ein Abschalt-Eingangssignal, das sicherstellt, daß alle Ströme in der Vorspannungskette beim Abschalten auf Null reduziert werden. Nachfolgend werden alle anderen Ströme innerhalb der Treiberschaltung, die Vb0 bis Vb3 benutzen, heruntergeregelt.
Nun wird auf Fig. 3 Bezug genommen. Die Eingangsstufe 1 stellt den größten Anteil der Offenschleifen-Verstärkung für die Verstärker-Schaltung zur Verfügung. Die Eingangsstufe 1 spielt die Hauptrolle in der Beeinflußung von PSRR, CMRR, des Rauschens und anderer Verstärker-Kenngrößen. Die Eingangsstufe ist deshalb als ein vollständiger, differentieller, gefalteter Kaskoden-Verstärker mit einem Differenz-Eingang und Differenz-Ausgang ausgebildet. Dieser Ansatz gewährleistet eine große Verstärkung (größer als 60dB), inhärente Stabilität, und eine einfache Implementierung.
Der Differenz-Eingang hat Eingangs-Transistoren 11, 12) mit entsprechenden Serien- Transistoren 13, 14, deren Gates miteinander verbunden sind, und die einen Steuereingang für das Ausgangs-Gesamtbetriebsart-Spannungsrückkopplungs-Steuersignal der Stufe I zur Verfügung stellen. Die Ausgänge der Transistoren 11, 12 sind mit Transistorketten 15, 16 verbunden, welchen die Vorspannungen Vb1, Vb2 und Vb3 zugeführt werden. Die Ausgänge der Transistorketten 15, 16 bilden die vollständigen Differenz-Ausgänge des gefalteten Kaskoden-Verstärkers.
Die gefaltete Kaskoden-Ausführung hat den Vorteil, daß diese eine hohe Verstärkung (größer als 60dB), eine inhärente Stabilität (gefaltete Kaskodenausführungen sind mit Last-Kapazitäten kompensiert) und eine einfache Implementierung (eine geringe Anzahl an Transistoren) aufweist.
Der Transistor 17 bildet eine 100µa-Stromquelle für den Differenz-Eingangspfad 11, 12. Die Transistoren 11, 12 sind MISFETS, die eine Kanallänge von 3µm aufweisen, um die Anpassung zu erleichtern, d.h. den Ausgangs-Differenz-Versatz zu minimieren. Die Kanaiweite (gm) dieser Bauelemente (300µm) hat einen Haupteintluß auf die Gesamtverstärkung der ersten Stufe. Die Größe der Transistoren 13, 14 und 12, 19 und der Vorspannungsketten 15, 16 haben alle einen direkten Bezug zu der Größe der Transistoren des Referenzstromes (20µa) der Vorspannungskette.
Die Differenz-Ausgangssignale der ersten Stufe sind auf eine Gleichspannungs- Gesamtbetriebsart-Spannung gleich Vdd/2 (Vbias) vorgespannt Die Gesamtbetriebsart- Ausgangsspannung wird durch Variation der Gate-Spannung der Transistoren 13, 14 gesteuert.
Fig. 4 zeigt eine Gesamtbetriebsart-Rückkopplungs-Steuerschaltung, die in einer neuen Art und Weise implementiert ist. Die Schaltung stellt eine Gesamtbetriebsart-Ausgangs- Spannungssteuerung für einen 5V gefalteten Kaskoden-Operationsverstärker zur Verfügung, weist eine sehr hohe Eingangsimpedanz des gefalteten Kaskoden-Ausgangs auf und ist zu einem linearen Betrieb während großer Spannungsschwankungen fähig.
Die Gesamtbetriebsart-Rückkopplungs-Steuerschaltung beinhaltet ein Transistor-Paar 20, 21, das mit dem vollständigen Differenz-Ausgang der Eingangsstufe 1 verbunden ist. Die Transistoren 20, 21 sind in einem ersten Pfad 22 mit Serientransistoren 23, 24 verbunden. Der Strom I&sub1; fließt durch diesen Pfad in die Transistoren 20, 21. Dieser Pfad ist parallel zu dem zweiten Pfad, der aus einer Serien-Kombination der Transistoren 25, 26 und der Parallel-Kombination der Transistoren 27, 28 besteht, welche an ihrem Gate die Vorspannung Vbias empfangen.
Die Transistoren 27, 28 arbeiten als Stromquellen, wobei der Strom I&sub0; eine Funktion der Referenz-Spannung Vbias ist. Die Gate-Spannung des Transistors 25 muß so gewahlt sein, daß der Drain-Strom gleich I&sub0; ist. Wenn die Transistoren 24 und 25 angepaßt sind und die Gate-Spannung einheitlich ist, muß I&sub0; gleich I&sub1; sein und deshalb die Drain-Ströme der Transistoren 20, 21 sich zu I&sub0; summieren. Dies ist nur zutreffend, wenn die Gesamtbetriebsart-Spannung an dem Ausgang der gefalteten Kaskode mit Vbias übereinstimmt.
Die Transistoren 20, 21 arbeiten deshalb als spannungsabhängige Widerstände. Um eine Linearität über einen weiten Bereich der Gate-Spannung sicherzustellen, werden diese in dem Triodenbereich betrieben. Dies wird erreicht, indem die Drains der Transistoren 27, 28, 20, 21 mit den Transistoren 23, 26 auf eine niedrige Spannung gezwungen werden. Der absolute Wert von 10 ist durch die Größe der Transistoren 27, 28 und den Wert der Spannung Vbias bestimmt. Diese Transistoren haben eine hohe Impedanz (W=15µm, L=40µm) um den Schaltungsstrom gering zu halten.
Weil die Gesamtbetriebsart-Steuerung ein geschlossenes Schleifensystem ist, ist die Stabilität wichtig. Um die Verstärkung und die Phasen-Antwort festzulegen, muß die geschlossene Schleife in Betrieb gesetzt und geeignete Messungen durchgeführt werden (s. Fig. 5). Kompensationselemente können dann hinzugefügt werden, um die Frequenz- Antwort zu kompensieren. Fig. 6 zeigt die Eingangsstufe 1 und die Gesamtbetriebsart- Rückkopplungs-Steuerschaltung 2 mit Kompensationselementen 29.
Fig. 7 zeigt eine Ausgangsstufe für den Verstärker. Zwei solche Ausgangsstufen sind vorgesehen; jeweils eine für jeden Differenz-Ausgang der Eingangsstufe I. Der hauptsächliche Zweck der in Fig. 7 dargestellten Schaltung ist die Pufferung, d.h. die Zurverfügungstellung einer Stromverstärkung für die Ausgänge der gefalteten Kaskoden- Eingangsstufe I.
Die in Fig. 7 dargestellte Schaltung umfaßt zwei Ausgangs-Transistoren, 30, 31, die in der Art des AB-Typs betrieben werden. Die Größe der Transistoren 30, 31 wird durch den Ausgangsstrom bestimmt (d.h. durch den Minimum-Lastwiderstand oder die Maximallast gm), den der Verstärker treiben muß. N-Kanal- und P-Kanal-Source-Folger, die durch die Transistoren 32, 33 und 34, 35 jeweils gebildet werden, sind vorgesehen. In dem Ruhe- Zustand, der dadurch definiert ist, daß V&sub0; gleich Vbias (normalerweise Vdd/2) ist, ist die Gate-Spannung des Transistors 31 gerade über dem Schwellwert, weshalb der Drain- Strom des Transistors 31 den Ruhestrom der Ausgangsstufe festlegt. Wenn angenommen wird, daß Viset eine Vorspannung ist, die sicherstellt, daß der Ruhe-Drain-Strom des Transistors 31 auf einem vorbestimmten Pegel gehalten wird, wird der Wert der Ruhespannung des Ausganges durch Veränderung von Vds des Transistors 30, der den durch den Transistor 31 festgelegten Drain-Strom vorgibt, gesteuert. Die Gate-Spannung des Transistors 30 wird durch Ändern des Stromes in den P-Kanal-Source-Folger (Transistoren 34, 35) durch Verändern der Gate-Spannung des Transistors 35 variiert. Das Signal CMCTL ist ein Steuersignal, das von der Ausgangsstufe der Gesamtbetriebsart- Rückkopplungs-Steuerschaltung ausgeht, die nachfolgend detaillierter zu beschreiben ist.
Deshalb wird in dem Ruhe-Zustand die Ausgangsspannung auf einen vorbestimmten Wert festgelegt und der von der Schaltung bezogene Versorgungsstrom wird gesteuert. Eine positive Abweichung von V0 (das Wechseistromsignal) zieht eine Erhöhung der Gate- Spannung an dem Transistor 31 nach sich und schaltet dementsprechend Transistor 30 ab. Eine negative Abweichung von V0 steuert Transistor 30 weiter durch und schaltet Transistor 31 ab. Dadurch wird sichergestellt, daß die AB-Typ-Betriebsbedingungen aufrechterhalten werden. Zusätzliche Transistoren 36, 37 stellen sicher, daß kein Betriebsstrom in dem abgeschalteten Zustand verbraucht wird. Diese Transistoren haben während des Normalbetriebes keinen Einfluß auf die Schaltung.
Die in Fig. 7 gezeigten passiven Komponenten stellen eine Wechselstrom-Kompensation des kompletten Treibers sicher. Zur Bestimmung der Werte dieser Komponenten müssen die folgenden Anforderungen in Betracht gezogen werden:
eine Reduzierung der Ruheströme in M1 und M2 reduziert die Phasenreserve (erhöhte Impedanz);
M1 und M2 haben große Werte von CGS. Die Kapazität bildet mit der Ausgangs- Impedanz des Source-Folgers einen Pol.
Nun wird auf Fig. 8 Bezug genommen, die die Gesamtbetriebsart-Rückkopplungs- Steuerschaltung für die Ausgangsstufe zeigt. Die Ausgänge eines jeden Verstärkers werden durch die Widerstände 38, 39 widerstandsmäßig summiert, um die Gesamtbetriebsart-Spannung zu extrahieren. Ein Differenz-Verstärker mit den Transistoren 40, 41 wird dann benutzt, um dieses mit der Vorspannung (normalerweise VDD/2) zu vergleichen. Der Differenz-Verstärker erzeugt das Steuersignal CMCTL (in Fig. 7 gezeigt),um das Ausgangs-Gesamtbetriebsart-Spannungs-Steuersignal zu erzeugen.
Nun wird auf Fig. 9 Bezug genommen. Der Ruhestrom-Regler ist ausgelegt, um den Ausgangsstufen-Ruhestrom über weite Prozeß- und Temperatur-Variationsbereiche zu regeln. Der Ruhestrom-Regler ist mit der Ausgangsstufe vernetzt, um den Ruhestrom wirksam zu steuern.
In Fig. 9 bildet Transistor 42 eine 10µa-Stromquelle. Der sich mit Transistor 42 in Serie befindliche Transistor 43 ist als Dioden-Bauelement geschaltet und bildet auf diese Weise eine Spannungs-Referenz für die Schaltung. Die Höhe des Stroms I&sub0; und die Größe des Transistors M2 hängen beide von dem Ruhestrom der Ausgangsstufe des Verstärkers ab.
Der durch den Transistor 42 fließende Strom I&sub0; wird in den Transistor 44 gespiegelt, der mit dem angepaßten Transistor 45 in Serie geschaltet ist. Die Transistoren 44 und 45 werden parallel mit der Serienkombination aus den Transistoren 46, 47 angesteuert.
Die Hauptfünktion der Ausgangs-Transistoren 48, 49 ist es, den N-Kanal-Spannungsfolger (33, 32) in der Ausgangsstufe (Fig. 7) nachzubilden. Das Gate des Transistors 48 wird auf Vbias gesetzt, welches der gewünschte Ruhe-Zustands-Wert des gefalteten Kaskoden- Ausganges ist. Die Drain-Spannung des Transistors 49 ist mit dem Gate des Transistors 46 verbunden. Die Transistoren 45 und 47 sind einander angepaßt und haben eine gemeinsame Gate-Spannung.
Der Strom I&sub0; wird, wie vorstehend beschrieben, in den Transistor 44 gespiegelt. Der Drain-Strom des Transistors 44 stimmt mit dem Drain-Strom des Transistors 45 überein und aufgrund der Anpassung der Transistoren 45 und 47 sowie aufgrund ihrer gemeinsamen Gate-Spannung muß der Drain-Strom des Transistors 47 mit dem Drain- Strom des Transistors 45 übereinstimmen. Dies bedeutet, daß die Gate-Spannung des Transistors 46 mit der Gate-Spannung des Transistors 44 übereinstimmen muß. Dies wird nur eintreten, wenn eine ausreichende Schleifenverstärkung von dem Gate des Transistors 46 bis zu dem Drain des Transistors 49 gegeben ist.
Weil es die Hauptfunktion der Transistoren 48, 49 ist, den N-Kanal-Spannungsfolger in der Ausgangsstufe des Verstärkers nachzubilden, entspricht die Drain-Spannung des Transistors 49 der Gate-Spannung des N-Kanal-Treiber-Transistors in der Ausgangsstufe (Transistor 31, Fig. 7). Dies bedeutet, daß die Spannung an dem Drain des Transistors 49 dem Ruhestrom der Ausgangsstufe entspricht.
Die Gate-Spannung des Transistors 49 (Viset) kann deshalb zum Vorspannen des N-Kanal- Source-Folgers (Transistoren 32, 33) eines jeden Verstärkers in der Ausgangsstufe benutzt werden. Die an Transistor 49 erzeugte Spannung wird wirksam in den N-Kanal-Treiber- Transistor der Ausgangsstufe gespiegelt und die Größenbemessung des Transistors 43 und die Höhe des Stromes 10 bestimmen den Ruhestrom der Ausgangsstufe in jedem Verstärker. Durch die vorstehende Auslegung wird ein Verstärker-Ruhestrom erzielt, der hinsichtlich Prozeßschwankungen unempfindlich ist.
Die vorstehend beschriebene Schaltung beinhaltet eine einfache Auslegung für einen Leistungsverstärker, der in CMOS-Technologie in einfacher und wirkungsvoller Weise implementiert werden kann und welcher relativ unempfindlich in bezug auf die Variation von Prozeßparametern ist.

Claims

1. Ein Leistungsverstärker mit einer Eingangsstufe (1) und einer Ausgangsstufe (4), wobei die Eingangsstufe (1) einen vollständigen Differenzverstärker (Fig. 3) mit Differenz- Eingängen und Differenz-Ausgängen aufweist, und mit einer Geschlossenschleifen- Gesamtbetriebsart-Rückkopplungs-Steuerschaltung (2) mit hoher Eingangsimpedanz, die von den Differenz-Ausgängen Gesamtbetriebsart-Rückkopplungs-Steuersignale ableitet, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsstufe (4) für jeden Differenz-Ausgang der Eingangsstufe einen AB-Typ- Verstärker (30, 31), der einen Ausgang des Leistungsverstärkers zur Verfügung stellt und N-Kanal- und P-Kanal-Source-Folger (32, 33, 34, 35) umfaßt, die mit dem vollständigen Differenzverstärker und einem Ruhestrom-Steuereingang zum Aufrechterhalten eines gewünschten Ruhestroms eine Schnittstelle aufweisen, Mittel (5) zum Aufrechterhalten der Gesamtbetriebsart-Ausgangsspannung des AB-Typ-Verstärkers auf einem gewünschten Pegel und einen Ruhestrom-Regler (6) zum Zuführen eines gemeinsamen Steuersignais an die Ruhestrom-Steuereingänge aufweist, wobei der Ruhestrom-Regler (6) Transistor Mittel (48, 49) umfaßt, die so beschaffen sind, daß sie das Verhalten eines (32, 33) der Source-Folger nachbilden, um das gemeinsame Steuersignal zu erzeugen.

2. Ein Leistungsverstärker nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Transistor-Mittel ein Paar Transistoren (48, 49) aufweisen, die einen (32, 33) der Source-Folger (32, 33) des einen AB-Typ-Verstärkers (30, 31) nachbilden,

daß das Gate eines der nachbildenden Transistoren (48) auf die Ruhezustands-Spannung (Vbias) des Ausgangs der Eingangsstufe gesetzt ist,

daß die Drain-Spannung des zweiten nachbildenden Transistors (49) der Drain-Spannung eines (32) von zwei Transistoren (32, 33) entspricht, die den einen Folger bilden, der mit dem Gate eines zugehörigen Treiber-Transistors (31) in der Eingangsstufe verbunden ist, und

daß die Gate-Spannung (Viset) des zweiten nachbildenden Transistors (49) zum Vorspannen des einen Source-Folgers der Ausgangsstufe benutzt wird, wobei eine Referenzspannung, die am Eingang des Ruhestrom-Reglers (6) erzeugt wird, in den zugehörigen Treiber-Transistor (31) der Ausgangsstufe wirksam gespiegelt wird und den Ruhestrom der Ausgangsstufe bestimmt.

3. Ein Leistungsverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Source-Folger (32) ein N-Kanal-Source-Folger ist und daß der zugehörige Treiber-Transistor der N-Kanal-Treiber-Transistor (31) ist.

4. Ein Leistungsverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden der AB-Typ-Verstärker (30, 31) ein erster (32, 33) der Source-Folger eine Gate-Spannung eines Treiber-Transistors (31) etwas über dem Schwellwert in dem Ruhezustand aufrechterhält, so daß der Drain-Strom des Treiber-Transistors (31) den Ruhestrom der Ausgangsstufe bestimmt, und dieser einen Steuereingang aufweist, der den Pegel des Ruhe-Treiberstromes bestimmt, und ein zweiter (34, 35) der Folger den Ruhespannungs-Ausgang durch Festlegen der Source-Drain-Spannung des anderen (30) der AB-Typ-Treiber-Transistoren in Abhängigkeit von einem Ausgangs- Gesamtbetriebsart-Rückkopplungs-Steuersignal (CMCTL) bestimmt.

5. Ein Leistungsverstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dieser des weiteren Mittel (38, 39) zum Summieren der separaten Ausgänge jedes AB- Typ-Treiber-Verstärkers ( 30, 31) und einen Differenz-Verstärker (40, 41) zum Vergleichen des Ergebnisses der Summation mit einer Referenz-Spannung (Vbias) aufweist, um das Ausgangs-Gesamtbetriebsart-Steuersignal zu erzeugen.

6. Ein Leistungsverstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ruhestrom-Regler (6) des weiteren

einen Stromquellen-Transistor (42), der einem diodenverbundenen Transistor (43), der die Referenz-Spannungsquelle zur Verfügung stellt, Strom zuführt, und

einen ersten Transistor (44), dessen Gate mit dem diodenverbundenen Transistor (43) so verbunden ist, daß der von dem Stromquellen-Transistor erzeugte Strom dort hinein gespiegelt wird, aufweist,

wobei der erste Transistor (44) mit dem zweiten Transistor (45) in Serie geschaltet ist und der erste und zweite Transistor (44, 45) mit einer Serien-Kombination des dritten und vierten Transistors (46, 47) parallel geschaltet sind, wobei der zweite und vierte Transistor (45, 47) einander angepaßt sind und ihre Gates miteinander verbunden sind, so daß der Treiberstrom in dem zweiten und vierten Transistor übereinstimmt, wobei der Drain des nachbildenden Transistors (49) mit dem Gate des dritten Transistors (46) verbunden ist und wobei das Gate des einen nachbildenden Transistors (49) mit dem Drain des ersten Transistors verbunden ist.

7. Ein Leistungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenz-Verstärker (Fig. 3) der Eingangsstufe ein gefalteter Kaskoden- Verstärker ist.

8. Ein Leistungsverstärker nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtbetriebsart-Spannungsrückkopplungs-Steuerschaltung (2)

ein Paar spannungsabhängige Widerstandsmittel (20, 21), die mit den Differenz-Ausgängen (15, 16) des gefalteten Kaskoden-Verstärkers verbunden sind,

Mittel (25, 26, 27, 28) zum Erzeugen eines Referenzstroms (I&sub0;) abhängig von einer Vorspannung, die gleich der gewünschten Gesamtbetriebsart-Spannung des gefalteten Kaskoden-Verstärkers ist,

Mittel (Fig. 4) zum Sicherstellen, daß die Summe I&sub0; der durch das Paar der spannungsabhängigen Widerstandsmittel (20, 21) fließenden Ströme gleich dem Referenzstrom ist, und

Mittel (Fig. 4) zum Ableiten eines Gesamtbetriebsart-Spannungssignals von dem Referenzstrom (I&sub0;) zum Aufrechterhalten der Gesamtbetriebsart-Ausgangsspannung des Kaskoden-Verstärkers in Übereinstimmung mit der Referenzspannung, aufweist.

9. Ein Leistungsverstärker nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die spannungsabhängigen Widerstandsmittel (20, 21) Transistoren (20, 21) umfassen, die im Trioden-Bereich arbeiten.

10. Ein Leistungsverstärker nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtbetriebsart-Spannungsrückkopplung-Steuerschaltung (2) erste und zweite parallele Pfade aufweist, durch welche die entsprechenden Ströme I&sub0; und I&sub1; fließen, wobei der erste Pfad ein Paar parallel geschalteter Transistoren (27, 28) aufweist, deren Gates mit der Referenzspannung (Vbias), die als Stromquelle dient, verbunden sind und die mit einem weiteren Transistor (25) in Serie geschaltet sind, und wobei der zweite Pfad das Paar spannungsabhängiger Widerstände (20, 21) in Serie mit einem weiteren Transistor (24) aufweist, wobei die weiteren Transistoren (25, 24) der entsprechenden Pfade einander angepaßt sind und deren Gates miteinander verbunden sind, um sicherzustellen, daß die Ströme in den beiden Pfaden die gleichen bleiben, und wobei das Gesamtbetriebsart- Rückkopplungs-Steuersignal an dem weiteren Transistor (25) in dem ersten Pfad erzeugt wird.

11. Ein Leistungsverstärker nach Anspruch 10, mit einem zusätzlichen Transistor (26, 23) in jedem Pfad, wobei die Gates der zusätzlichen Transistoren (26, 23) miteinander und mit einer zweiten Referenz-Spannungsquelle (Vb2) verbunden sind.