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Die Erfindung betrifft einen Gleichtaktsignalsensor zum Liefern eines
Gleichtaktsignals in Reaktion auf ein Differenzsignal, mit: einer ersten Eingangsklemme
und einer zweiten Eingangsklemme zum Empfangen des Differenzsignals, einer
Ausgangsklemme zum Liefern des Gleichtaktsignals, einem ersten und einem zweiten
Transistor, von denen jeder eine erste Hauptelektrode, eine zweite Hauptelektrode und eine
Steuerelektrode hat, wobei die ersten Hauptelektroden des ersten und des zweiten
Transistors in einem ersten Knotenpunkt miteinander verbunden sind und die Steuerelektrode
des ersten Transistors mit der ersten Eingangsklemme gekoppelt ist, einer mit dem
ersten Knotenpunkt gekoppelten ersten Stromquelle zur Lieferung eines ersten
Ruhestroms, einem dritten und einem vierten Transistor, von denen jeder eine erste
Hauptelektrode, eine zweite Hauptelektrode und eine Steuerelektrode hat, wobei die ersten
Hauptelektroden des dritten und des vierten Transistors in einem zweiten Knotenpunkt
miteinander verbunden sind und die Steuerelektrode des vierten Transistors mit der
zweiten Eingangsklemme gekoppelt ist, und einer zweiten Stromquelle, die mit dem
zweiten Knotenpunkt gekoppelt ist, um einen zweiten Ruhestrom zu liefern.
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Solch ein Gleichtaktsignalsensor ist aus dem Artikel "CMOS Voltage to
Current Transducers", IEEE Transactions on Circuits and Systems, Bd. CAS-32, Nr.
11, November 1985, S. 1097-1104, Figur 6, bekannt. Gleichtaktsignalsensoren werden
in Gleichtaktunterdrückungsschaltungen für Operationsverstärker, Transkonduktoren und
ähnlichen elektronischen Schaltungen verwendet. Eine bekannte Technik zum Messen
des Gleichtaktsignalinhalts eines Differenzsignals verwendet die Spannung an dem
gemeinsamen Knotenpunkt für die ersten Hauptelektroden eines Standard-Differenzpaares,
dessen Steuerelektroden zum Empfangen des Differenzsignals angeordnet sind. Diese
Anordnung hat den Nachteil, daß die genannte Spannung nicht nur das Gleichtaktsignal
enthält, sondern auch die Schwellenspannung der verwendeten Transistoren und
weiterhin einen Teil des Differenzsignals. Der aus dem genannten Artikel bekannte
Gleichtaktsignalsensor nutzt zwei Differenzpaare. Der erste und der zweite Transistor mit der
ersten Stromquelle bilden das erste Differenzpaar. Der dritte und der vierte Transistor
mit der zweite Stromquelle bilden das zweite Differenzpaar. Die Steuerelektroden des
ersten und des vierten Transistors sind mit der ersten und der zweiten Eingangsklemme
verbunden und empfangen das Eingangssignal, dessen Gleichtaktspannung gemessen
werden soll. In einem dritten Knotenpunkt sind die Steuerelektroden und die zweiten
Hauptelektroden des zweiten und des dritten Transistors alle mit einer dritten
Stromquelle verbunden, die einen Strom liefert, der gleich dem der ersten und der zweiten
Stromquelle ist. Die Spannung am dritten Knotenpunkt ist ein Maß für die
Gleichtkktspannung des Eingangssignals und enthält die Schwellenspannung der Transistoren nicht
mehr. Dieser Gleichtaktsignalsensor hat jedoch den Nachteil eines begrenzten
Differenzsignalbereiches, weil die Spannungen am ersten und am zweiten Knotenpunkt bei
steigender Differenzspannung an den Eingangsklemmen nicht symmetrisch ansteigen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gleichtaktsignalsensor
mit großem Differenzsignalbereich zu verschaffen. Hierzu ist ein Gleichtaktsignalsensor
der eingangs definierten Art dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite
Transistor von einem ersten Leitungstyp sind, der dritte und der vierte Transistor von
einem zweiten, dem ersten Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyp sind, die
Steuerelektrode des dritten Transistors mit der ersten Eingangsklemme gekoppelt ist, die
Steuerelektrode des zweiten Transistors mit der zweiten Eingangsklemme gekoppelt ist,
und der Gleichtaktsignalsensor weiterhin umfaßt: einen fünften Transistor des ersten
Leitungstyps mit einer ersten Hauptelektrode, die mit dem ersten Knotenpunkt
verbunden ist, einer zweiten Hauptelektrode und einer Steuerelektrode, die mit der
Ausgangsklemme verbunden sind, und einen sechsten Transistor vom zweiten Leitungstyp mit
einer ersten Hauptelektrode, die mit dem zweiten Knotenpunkt verbunden ist, und einer
zweiten Hauptelektrode und einer Steuerelektrode, die mit der Ausgangsklemme
verbunden sind.
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Die Differenzpaare haben entgegengesetzten Leitungstyp und sind beide
mit den Eingangsklemmen verbunden. Der fünfte und der sechste Transistor wirken als
Spannungsteiler für die Gleichtaktspannungen am ersten und am zweiten Knotenpunkt,
wobei die darin von den Schwellenspannungen der Differenzpaare bewirkten
Komponenten von den Schwellenspannungen des fünften und des sechsten Transistor eliminiert
werden.
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Es sei bemerkt, daß Figur 3 der US-Patentschrift US 4.780.688 eine
Schaltung beschreibt, die viel Ähnlichkeit mit dem erfindungsgemäßen
Gleichtaktsignalsensor hat. In der dort beschriebenen Schaltung ist jedoch der zweite Knotenpunkt mit
der zweiten Stromquelle und mit der ersten Hauptelektrode des sechsten Transistors
über einen Widerstand verbunden. Außerdem ist die Ausgangsklemme nicht mit dem
Knotenpunkt der zweiten Hauptelektroden und der Steuerelektrode des fünften und des
sechsten Transistors verbunden. Daher ist diese bekannte Schaltung kein
Gleichtaktsignalsensor, sondern eine Schaltung zum Erhöhen der Anstiegsrate des
Differenzverstärkers, die vom dritten und vierten Transistor gebildet wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und
werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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Figur 1 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Gleichtaktsignalsensors in
einer Ausführungsform mit Unipolartransistoren,
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Figur 2 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Gleichtaktsignalsensors in
einer Ausführungsform mit Bipolartransistoren,
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Figur 3 ein Schaltbild eines Operationsverstärkers mit einer
Gleichtaktunterdrückungsschaltung, die einen erfindungsgemäßen Gleichtaktsignalsensor
verwendet.
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In der Zeichnung haben Teile mit gleicher Funktion oder Bedeutung
gleiche Bezugszeichen.
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Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Gleichtaktsignalsensor mit
Unipolartransistoren, deren Source, Drain und Gate der ersten Hauptelektrode, der zweiten
Hauptelektrode bzw. der Steuerelektrode entsprechen. NMOS-Transistoren T1 und T2
bilden ein erstes Differenzpaar. Die Source-Elektroden der Transistoren T1 und T2 sind
in einem ersten Knotenpunkt N1 miteinander verbunden. Der erste Knotenpunkt N1 ist
mit einer negativen Versorgungsklemme STN über eine erste Stromquelle CS1
verbunden, die einen Ruhestrom IBN aus dem ersten Knotenpunkt N1 zieht. Die Drains der
Transistoren T1 und T2 sind beispielsweise direkt mit einer positiven
Versorgungsklemme STP verbunden. Falls gewünscht können die Drains jedoch mit der positiven
Versorgungsklemme STP auch über eine Last verbunden werden, wie einen Widerstand
oder einen Eingangszweig eines Stromspiegels. Das Gate des Transistors T1 ist mit
einer ersten Eingangsklemme IT1 verbunden. Das Gate des Transistors T2 ist mit einer
zweiten Eingangsklemme IT2 verbunden. Ein zweites Differenzpaar wird von den
PMOS-Transistoren T3 und T4 gebildet, deren Sources in einem zweiten Knotenpunkt
N2 miteinander verbunden sind. Der zweite Knotenpunkt N2 ist mit der positiven
Versorgungsklemme STP über eine zweite Stromquelle CS2 verbunden, die dem zweiten
Knotenpunkt N2 einen Ruhestrom IBP zuführt. Die Gates der Transistoren T3 und T4
sind mit der ersten Eingangsklemme IT1 bzw. der zweiten Eingangsklemme IT2
verbunden. Die Drains der Transistoren t3 und T4 sind mit der negativen
Versorgungsklemme STN verbunden, aber können mit dieser Klemme auch über eine Last
verbunden sein. Außerdem ist der erste Knotenpunkt n1 mit der Source eines
NMOS-Transistors T5 verbunden, der die gleiche Schwellenspannung hat wie die Transistoren T1 und
T2. Das Gate und das Drain des Transistors TS sind beide mit einer Ausgangsklemme
OT verbunden. Der zweite Knotenpunkt N2 ist weiterhin mit der Source eines PMOS-
Transistors T6 verbunden, der die gleiche Schwellenspannung hat wie die Transistoren
T3 und T4 und dessen Gate und Drain mit der Ausgangsidemme OT verbunden sind.
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Es sei jetzt angenommen, daß ein Differenzsignal Vin an die
Eingangsklemmen gelegt wird, wobei für die Spannung Vi1 an der ersten Eingangsklemme IT1
und die Spannung Vi2 an der zweiten Eingangsklemme IT2 gilt:
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Vi1 = Vcm + Vin/2 (1)
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Vi2 = Vcm + Vin/2 (2)
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In diesen Gleichungen ist Vcm die Gleichtaktkomponente der Differenzspannung Vin.
Zur Vereinfachung der Analyse sei weiterhin angenommen, daß alle Transistoren im
Sättigungsbetrieb arbeiten, so daß die Beziehung zwischen dem Drainstrom I und der
Gate-Source-Spannung Vgs definiert wird durch die Gleichung:
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I = K(Vgs-Vt)² (3)
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Hierin ist Vt die Schwellenspannung des Transistors und K ein
Transkonduktanzparameter, der unter anderem vom Breiten/Längen-Verhältnis (B/L) des Transistors abhängt.
Das NMOS-Differenzpaar T1, T2 liefert einen Differenzstrom Ioutn, d.h. die Differenz
zwischen den Drainströmen der Transistoren t1 und T2, die eine Funktion der
Differenzspannung Vin ist. Diese Funktion, in Gliedern von Gmn ausgedrückt, wird:
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Ioutn = Gmn * Vin (4)
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Weiterhin sei angenommen, daß ein Strom IM durch die Transistoren T5 und T6 fließt,
der nicht konstant ist, sondern von der momentanen Spannungsdifferenz Vin abhängt.
Dies ergibt einen Strom IBN - IM durch die Transistoren T1 und T2 zusammen. Der
durch T1 fließende Strom ist jetzt halb so groß wie der Strom IBN - IM und halb so
groß wie der Strom Ioutn. Nach Gleichung (3) gilt dann für den Strom durch den
Transistor T1:
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(Gmn * Vin)/2 + (IBN - IM)/2 = Kn (Vgs1 - Vtn)² (5)
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Hierin ist Vgs1 die Gate-Source-Spannung des Transistors T1, Kn der
Transkonduktanzparameter und Vtn die Schwellenspannung der NMOS-Transistoren. Die Spannung VN1
am ersten Knotenpunkt N1 ist gleich:
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VN1 = Vi1 - Vgs1 (6)
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Eliminierung von Vgs1 aus Gleichung (5), Substitution von Vi1 durch das rechte Glied
von Gleichung (1) und Einsetzen in Gleichung (6) ergeben:
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VN1 = Vcm+Vin/2-Vtn-SQRT{[(IBN - IM) + Gmn * Vin]/2Kn} (7)
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Die Ausgangsidemme OT führt eine Spannung VOT, die die Summe aus der Gate-
Source-Spannung Vgs5 des Transistors T5 und aus der Spannung VN1 am ersten
Knotenpunkt N1 ist:
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VOT = VN1 + Vgs5 (8)
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Da der Strom durch den Transistor T5 gleich IM ist, kann Gleichung (8) mit Hilfe von
Gleichung (3) umgeformt werden, was ergibt:
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VOT - VN1 = Vtn + SQRT{IM/Kn} (9)
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In völlig analoger Weise können die folgenden Gleichungen für das Differenzpaar T3,
T4 und den zugehöngen Transistor T6 gefunden werden:
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VN2 = Vcm-Vin/2+Vtp+SQRT{[(IBP - IM) + Gmp * Vin]/2kp} (10)
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VN2 - VOT = Vtp + SQRT{IM/Kp} (11)
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wobei Vtp, Gmp und Kp der PMOS-Transistoren T4, T3 und T6 den Platz von Vtn,
Gmn und Kn der NMOS-Transistoren T1, T2 und T5 einnehmen. Durch Wahl von
Kp = Kn folgt aus den Gleichungen (9) und (11), daß:
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2VOT = (VNL + VN2) + (Vtn - Vtp) (12)
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Durch Wahl von IBN = IBP werden die Differenzströme Ioutn und Ioutp einander
gleich, so daß Gmn * Vin und Gmp * Vin auch einander gleich werden. Daher sind die
Glieder SQRT in den Gleichungen (7) und (10) einander gleich. Addition der
Gleichungen (7) und (10) ergibt dann:
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VN1 + VN2 = 2vcm + (Vtp -Vtn) (13)
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Kombinieren der Gleichungen (12) und (13) führt zu VOT = Vcm. Dies bedeutet, daß
die Spannung an der Ausgangsklemme OT für jeden Wert von Vin gleich der
Gleichtaktspannung an den Eingangsklemmen IT1 und IT2 ist.
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Die Transkonduktanzparameter Kn und Kp können durch eine geeignete
Wahl des B/L-Verhältnisses der NMOS-Transistoren und des B/L-Verhältnisses der
PMOS-Transistoren gleich gemacht werden. Der Gleichtaktsignalsensor arbeitet selbst
dann, wenn Kp = Kn und/oder IBN = IBP nicht erfüllt sind. Die Ausgangsspannung
VOT wird dann gewisse Schwankungen als Funktion von Vin aufweisen.
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Figur 2 zeigt einen Gleichtaktsignalsensor mit Bipolartransistoren, deren
Emitter, Kollektor und Basis der ersten Hauptelektrode, der zweiten Hauptelektrode und
der Steuerelektrode entsprechen. Die PMOS-Transistoren sind durch PNP-Transistoren
und die NMOS-Transistoren durch NPN- Transistoren ersetzt worden. Die Beziehung
zwischen dem Strom durch den Transistor und der Basis-Emitter-Spannung ist jedoch
nicht so wie in Gleichung (3) definiert, aber das Ergebnis ist schließlich das gleiche. Es
sei bemerkt, daß statt der Bedingung Kn = Kp für Bipolartransistoren andere Parameter
einander gleich sein sollten. In diesem Fall sollten die Bedingungen βp = βn und Isp =
Isn erfüllt sein, wobei β der Stromverstärkungsfaktor und Is der Sättigungsstrom des
Bipolartransistors ist.
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Figur 3 zeigt eine Anwendung eines erfindungsgemäßen
Gleichtaktsignalsensors. Der Gleichtaktsignalsensor wird mit CMSS bezeichnet und ist intern, wie in
Figur 1 gezeigt. Die Eingangskleinmen IT1 und 1T2 sind jeweils mit den
Ausgangsklemmen O2 und O1 eines Verstärkers A1 verbunden. Die Gleichtaktspannung an der
Ausgangsklemme OT wird mit einer Gleichtakt-Bezugsspannung Vrefcm in einem
Verstärker A2 verglichen, um den Transistoren T7 und T8 des Verstärkers A1 eine
Steuerspannung Vctrl zuzuführen, welche Transistoren jeweils als regelbare Stromquelle
geschaltet sind. Auf diese Weise wird die Gleichtaktspannung an den Ausgängen O1 und
O2 auf die gewünschte Bezugsspannung Vrefcm hin geregelt.