DE69421692T2 - Verstärkerausgangsstufe der Klasse "AB" - Google Patents
Verstärkerausgangsstufe der Klasse "AB"Info
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Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf lineare Verstärker und insbesondere auf eine Klasse-AB-Ausgangsverstärkerstufe, die Leistungsendkomponenten mit komplementären Feldeffekttransistoren (MOSFET) verwendet.
- Bei der Planung der Klasse-AB-Ausgangsstufen, wie sie z. B. bei Operationsleistungsverstärkern verwendet werden, wird versucht, die folgenden Charakteristika zu erreichen:
- - eine hohe Linearität, d. h. eine niedrige harmonische Verzerrung;
- - eine niedrige Verzerrung infolge des Umschaltens zwischen einer Leistungsendkomponente und der anderen;
- - ein hohes Verhältnis zwischen einem maximalen Ausgangsstrom und einem Ruhestrom;
- - eine beträchtliche Unabhängigkeit des Ruhestroms von der Temperatur und von Schwankungen der Fertigungsparameter, falls die Stufe in einer integrierten Schaltung hergestellt wird; und
- - eine Einfachheit der Schaltungsanordnung.
- Es sind verschiedene Klasse-AB-Ausgangsverstärkerstufen mit komplementären MOSFET-Transistoren bekannt, die ermöglichen, daß eine oder einige der obigen Charakteristika erreicht werden können, wobei jedoch keine derselben in der Lage ist, alle Charakteristika zu erfüllen, wie es erwünscht wäre.
- Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Ausgangsverstärkerstufe des oben angegebenen Typs zu schaffen, der alle diese Charakteristika aufweist.
- Diese Aufgabe wird erfüllt, indem die Ausgangsverstärkerstufe hergestellt wird, wie sie in dem ersten Anspruch der der vorliegenden Beschreibung folgenden Ansprüche allgemein definiert und gekennzeichnet ist.
- Die Erfindung und die sich daraus ergebenden Vorteile werden aus der folgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele derselben bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen offensichtlicher werden, wobei die Beschreibung lediglich beispielhaft und nicht einschränkend sein soll. Es zeigen:
- Fig. 1 ein Grundschaltungsdiagramm, teilweise in Blockform, einer Klasse-AB-Ausgangsstufe gemäß der Erfindung;
- Fig. 2 ein Grundschaltungsdiagramm, das eine Variante des Diagramms von Fig. 1 zeigt; und
- Fig. 3, 4 und 5 Schaltungsdiagramme von drei Ausführungsbeispielen der Ausgangsstufe in Klasse AB gemäß der Erfindung.
- In Fig. 1 sind zwei MOSFET-Leistungstransistoren, d. h. Feldeffekttransistoren vom MOS-Typ, mit Qpf und Qnf bezeichnet. Dieselben sind komplementär zueinander, d. h. genauer gesagt, der erste Transistor ist ein p-Kanal-Transistor, und der zweite Transistor ist ein n-Kanal-Transistor, wobei dieselben als Endkomponenten einer Klasse-AB-Ausgangsverstärkerstufe gegentaktmäßig verschaltet sind. Die Drain-Elektroden der zwei Transistoren sind miteinander verbunden und bilden den Ausgangsanschluß der Stufe, der mit OUT bezeichnet ist, und die Source-Elektroden sind mit einem ersten, positiven Anschluß, der mit +Vcc bezeichnet ist, bzw. mit einem zweiten, negativen Anschluß einer Versorgungsspannung, der mit -Vcc bezeichnet ist, verbunden. Der Ausgangsanschluß OUT ist mittels einer Last Zo mit einem Referenzanschluß verbunden, der durch das Massesymbol dargestellt ist, und der sich re lativ zu den Potentialen der Anschlüsse +Vcc und -Vcc auf einem Zwischenpotential befindet.
- Die jeweiligen Ausgangsanschlüsse von zwei Transkonduktanzverstärkern vom Differenz-Typ, die mit Tp und Tn bezeichnet sind, sind mit den Gate-Elektroden der Transistoren Qpf und Qnf verbunden, wobei die jeweiligen invertierenden Eingangsanschlüsse miteinander verbunden sind, um den Eingangsanschluß der Stufe, der mit IN bezeichnet ist, zu bilden, und wobei die jeweiligen nicht-invertierenden Eingangsanschlüsse jeweils mittels jeweiliger Rückkopplungssysteme, die mit Fp bzw. Fn bezeichnet sind, mit dem Ausgangsanschluß OUT verbunden sind.
- Zwei Spannungsgeneratoren, die mit Vref(Qpf) und Vref(Qnf) bezeichnet sind, sind jeweils mittels eines jeweiligen Widerstands Rp und Rn zwischen die Gate-Elektroden der Transistoren Qbf bzw. Qnf und die Versorgungsanschlüsse +Vcc bzw. -Vcc geschaltet.
- Die Transkonduktanzverstärker Tp und Tn und die Rückkopplungssysteme Fp und Fn sind derart dimensioniert, daß der Ausgangsstrom der Transkonduktanzverstärker im Ruhezustand, d. h., wenn die jeweiligen Eingangssignale die gleiche Spannung aufweisen, im wesentlichen Null ist. Die Spannungsgeneratoren Vref(Qpf) und Vref(Qnf) sind derart dimensioniert, daß bei den gleichen Ruhezuständen die Spannungen zwischen den Gate- und Source-Elektroden der Transistoren Qbf bzw. Qnf derart beschaffen sind, daß dieselben bewirken, daß ein Strom mit einem vorbestimmten Wert fließt, der für beide Transistoren im wesentlichen gleich ist und der der Ruhestrom der Stufe ist. Bei diesen Zuständen wird kein Strom zu der Last Zo zugeführt, und kein Strom durchfließt die Widerstände Rp und Rn.
- Jede Änderung dieser Zustände, beispielsweise aufgrund des Anlegens eines Signals zwischen dem Eingangsanschluß IN und Masse, bewirkt eine Unsymmetrie in beiden Verstärkern Tp und Tn, wobei folglich bewirkt wird, daß Ströme Itoutp und Itoutn mit entgegengesetzten Vorzeichen in den Ausgangsanschlüssen beider Verstärker und durch die damit verbundenen Widerstände Rp bzw. Rn fließen. Die Spannungsabfälle an den Widerständen Rp und Rn wiederum verursachen Schwankungen mit einem entgegengesetzten Vorzeichen in den Spannungen Vgs zwischen der Gate- und Source-Elektrode der Endtransistoren Qbf bzw. Qnf. Folglich treten entsprechende Schwankungen der Leitungseigenschaften der zwei Transistoren und folglich Schwankungen mit entgegengesetzten Vorzeichen der jeweiligen Drain-Ströme Idp und Idn auf, wobei ein Ausgangsstrom Iout die Last Zo durchfließt, der gleich der Differenz zwischen den Drain-Strömen der zwei Transistoren ist.
- Wenn die Schaltung dimensioniert wird, sollte daran gedacht werden, falls Vgsmax(Qpf) und Vgsmax(Qnf) die Spannungen zwischen der Source- und Drain-Elektrode der zwei Transistoren sind, die die maximalen erreichbaren Drain-Ströme ermöglichen, Itmax(Tp) und Itmax(Tn) die maximalen Ausgangsströme der zwei Transkonduktanzverstärker sind, Rp und Rn die Widerstandswerte der Widerstände, die mit den gleichen Bezugszeichen gezeigt sind, darstellen, und Vref(Qpf) und Vref(Qnf) die Spannungen der Spannungsgeneratoren, die durch das gleiche Bezugszeichen angegeben sind, darstellen, daß die folgenden Bedingungen beachtet werden sollten:
- Itmax(Tp) · Rp + Vref(Qpf) ≥ Vgsmax(Qpf), und
- Itmax(Tn) · Rn + vref(Qnf) ≥ Vgsmax(Qnf).
- Außerdem sollten die Verstärker Tp und Tn Transkonduktanzwerte Gmp, Gmn aufweisen, derart, daß das System für ein gegebenes Rückkopplungssystem und für gegebene Charakteristika der Endtransistoren Qpf und Qnf und der Last Zo stabil ist.
- Vorzugsweise wird die Stufe symmetrisch hergestellt, d. h., daß deren Bauteile und Komponenten, die mit p markiert sind, gleich und komplementär zu den Bauteilen und Komponenten sind, die mit n markiert sind.
- Es sollte beachtet werden, daß die Rückkopplungssysteme Fp und Fn, die verwendet werden, um die Verstärkung der Stufe zu bestimmen, und um die Schaltung stabiler und linearer zu machen, in einigen Anwendungsfällen weggelassen werden könnten, und daß an deren Stelle geeignete Referenzspannungsgeneratoren zum Anlegen an die invertierenden Eingänge der Verstärker Tp und Tn verwendet werden könnten. Außerdem könnte anstelle der zwei unterschiedlichen Rückkopplungssysteme ein einziges System vorgesehen werden, das von den zwei Transkonduktanzverstärker gemeinsam verwendet wird.
- Ein Beispiel eines einzigen gemeinsamen Rückkopplungssystems ist in Fig. 2 gezeigt, bei dem als einzige Änderung bezüglich Fig. 1 die nicht-invertierenden Anschlüsse der Verstärker Tp und Tn miteinander und mit dem Zwischenknoten eines Spannungsteiler verschaltet sind, der durch zwei Widerstände, die mit Rf1 und Rf2 bezeichnet sind, gebildet ist, die zwischen den Ausgangsanschluß OUT und Masse geschaltet sind. Das Verhältnis zwischen den Widerstandswerten der zwei Widerstände bestimmt die Verstärkung der Stufe.
- Bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel, bei dem die gleichen Bezugszeichen, wie sie in Fig. 2 verwendet werden, identische und äquivalente Elemente bezeichnen, ist der erste Transkonduktanzverstärker Tp, d. h. derjenige, der den p-Kanal-Endtransistor Qpf steuert, eine Differenzschaltung, die durch ein Paar von n-Kanal-MOSFET-Transistoren mit einer gemeinsamen Source-Anordnung, die mit Qnd1 und Qnd2 bezeichnet sind, und durch einen ersten Konstantstromgenerator Ip gebildet ist, der zwischen die gemeinsamen Source-Elektroden und die Versorgungsanschlüsse -Vcc geschaltet ist. Die Drain-Elektrode des Transistors Qnd2 ist mit dem Versorgungsanschluß +Vcc verbunden, und die des Transistors Qnd1 ist der Ausgangsanschluß des ersten Transkonduktanzverstärkers und ist folglich mit der Gate-Elektrode des Endtransistors Qpf verbunden. Auf eine völlig symmetrische Weise ist der zweite Transkonduktanzverstärker Tn, d. h. derjenige, der den n-Kanal-Endtransistor Qnf steuert, durch ein Paar von p-Kanal-MOSFET-Transistoren mit einer gemeinsamen Source-Anordnung, die mit Qpd1 und Qpd2 bezeichnet sind, und durch einen zweiten Konstantstromgenerator IN gebildet, der zwischen die gemeinsamen Source-Elektroden und den Speiseanschluß +Vcc geschaltet ist. Die Drain-Elektrode des Transistors Qpd2 ist mit dem Versorgungsanschluß -Vcc verbunden, und die des Transistors Qpd1 ist der Ausgangsanschluß des zweiten Transkonduktanzverstärkers und ist folglich mit der Gate-Elektrode des Endtransistors Qnf verbunden.
- Die Gate-Elektroden der Transistoren Qnd2 und Qpd2 sind die nicht-invertierenden Anschlüsse der zwei Transkonduktanzverstärker und sind folglich beide mit dem Rückkopplungssystem Rf1, Rf2 verbunden, wobei die Gate-Elektroden der Transistoren Qnd1 und Qpd1 die invertierenden Anschlüsse der gleichen Verstärker sind und mit dem Eingangsanschluß IN der Stufe verbunden sind.
- Bei diesem Beispiel bestehen die Referenzspannungsgeneratoren zum Bestimmen des Ruhestroms der Stufe jeweils aus dem Widerstand Rp und aus der Serienschaltung der Transistoren Qnd1 und des Konstantstromgenerators Ip, hinsichtlich der Polarisation des Endtransistors Qpf, und aus dem Widerstand Rn und aus der Serienschaltung des Transistors Qpd1 und des Konstantstromgenerators In, hinsichtlich der Polarisation des Endtransistors Qnf. Die Transkonduktanzverstärker und die Referenzspannungsgeneratoren weisen gemeinsame Komponenten auf, derart, daß es nicht möglich ist, dieselben getrennt, wie beispielsweise in Fig. 2, zu zeigen.
- Die Ströme Ip und In der zwei Konstantstromgeneratoren, die mit den gleichen Bezugszeichen der jeweiligen Generatoren bezeichnet sind, sollten den folgenden Bedingungen genügen:
- Ip = N · Vref(Qpf)/Rp, und
- In = N · Vref(Qnf)/Rn;
- wobei N eine Zahl ist, die von dem Größenverhältnis zwischen den Transistoren der zwei unterschiedlichen Paare abhängt, und wobei Vref(Qpf) und Vref(Qnf) die Spannungen sind, die zwischen die Gate- und Source-Elektrode der Endtransistoren Qpf und Qnf angelegt werden sollen, um den Ruhestrom zu erhalten. Das Größenverhältnis zwischen den Transistoren und damit die Zahl N wird bestimmt, indem die maximale Gate- Source-Spannung Vgsmax der Endtransistoren berücksichtigt wird, d. h., die Spannung, die dem maximalen Drain-Strom entspricht. Wenn der obere Abschnitt der Schaltung betrachtet wird, falls Vgsmax(Qpf) ≤ 2 · Vref(Qpf) ist, können die Transistoren Qnd1 und Qnd2 gleich groß sein: tatsächlich wird unter diesen Bedingungen im Ruhezustand der Strom Ip in gleiche Teile zwischen Qnd1 und Qnd2 aufgeteilt, sodaß Vref(Qpf) = ¹/&sub2;Ip · Rp ist, wohingegen der Spannungsabfall an Rp Vgsmax = Ip · Rp ist, wenn der Differenzverstärker vollständig unsymmetrisch ist.
- Falls andererseits Vgsmax(Qpf) ≥ 2Vref(Qpf) ist, sollte die Fläche des Qnd1 entsprechend kleiner als die des Qnd2 sein. Falls beispielsweise Vref(Qpf)/Rp = 11 · Vgsmax(Qpf)/Rp ist, sollte die Fläche des Transistors Qnd1 ein Zehntel der Fläche des Transistors Qnd2 sein, wobei Ip = 11 · Vref(Qpf)/Rp. Entsprechende Überlegungen können auf den unteren Abschnitt der Schaltung angewendet werden.
- Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 4 sind die Referenzspannungsgeneratoren Vref(Qpf) und Vref(Qnf) durch zwei MOSFET-Transistoren gebildet, wobei ein Transistor, der mit Qpref bezeichnet ist, ein p-Kanal-Transistor ist, und der andere Transistor, der mit Qnref bezeichnet ist, ein n-Kanal-Transistor ist, wobei die jeweiligen Gate- und Drain- Elektroden an den zwei Anschlüssen eines Konstantstromgenerators, der mit Iref bezeichnet ist, miteinander verbunden sind, und wobei die jeweiligen Source-Elektroden jeweils mit dem positiven Anschluß +Vcc und mit dem negativen Anschluß -Vcc der Spannungsversorgung verbunden sind. Die Transkonduktanzverstärker Tp und Tr sind Differenzverstärker, die jeweils ein Paar von MOSFET-Transistoren mit einer gemeinsamen Source-Anordnung aufweisen. Der Verstärker Tp weist zwei n-Kanal-Transistoren Q1 und Q2, deren Source-Elektroden mittels eines Konstantstromgenerators Ip' mit dem Anschluß -Vcc verbunden sind, und zwei p-Kanal-Transistoren Q3 und Q4 auf, die als Lastelemente zwischen die Drain-Elektroden des Q1 und Q2 und den Anschluß +Vcc geschaltet sind, wobei dadurch eine Stromspiegelschaltung gebildet ist. Die Drain-Elektrode des Q1 ist als der Ausgangsanschluß des Verstärkers Tp mit der Gate-Elektrode des Transistors Qpf und mit einem Anschluß des Widerstands Rp verbunden. Der Verstärker Tn ist auf eine völlig entsprechende, jedoch komplementäre Weise bezüglich des Verstärkers Tp gebildet und weist p-Kanal- Transistoren Q5, Q6 mit einer gemeinsamen Source-Anordnung, einen Konstantstromgenerator In' und Stromspiegeln-Kanal- Lasttransistoren Q7 und Q8 auf.
- Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 5 sind die Referenzspannungsgeneratoren Vref(Qpf) und Vref(Qnf) zu denjenigen, die bezüglich Fig. 4 beschrieben wurden, identisch, wobei die Transkonduktanzverstärker Tp und Tn getrennt angeordnet und miteinander verbunden sind. Insbesondere sind die zwei Transkonduktanzverstärker aus einer Schaltungsstruktur eines Differenz-Typs geformt, bei dem die Komponenten nicht als ausschließlich zu einem oder einem anderen Verstärker gehörend betrachtet werden können, wobei jedoch das Betriebsdiagramm weiterhin das von Fig. 2 ist. Die Differenzstruktur weist eine erste Schaltungsverzweigung mit zwei MOSFET-Transistoren Q1 und Q3 auf, wobei der erste Transistor ein n-Kanal-Transistor und der zweite Transistor ein p-Kanal-Transistor ist, die durch ihre Gate-Elektroden mit den jeweiligen Drain-Elektroden verbunden sind, wobei die Source-Elektroden miteinander verbunden sind, um einen invertierenden Eingangsanschluß IN- der Differenzschaltung zu bilden, und wobei die Drain-Elektroden mittels jeweiliger Konstantstromgeneratoren G1 und G2 mit dem positiven Anschluß +Vcc bzw. mit dem negativen Anschluß -Vcc der Versorgung verbunden sind. Die Differenzstruktur weist ferner eine zweite Schaltungs verzweigung mit zwei MOSFET-Transistoren Q2 und Q4 auf, wobei der erste Transistor ein n-Kanal-Transistor und der zweite Transistor ein p-Kanal-Transistor ist, wobei deren Source-Elektroden miteinander verbunden sind, um einen nicht-invertierenden Eingangsanschluß IN+ der Differenzschaltung zu bilden, wobei deren Gate-Elektroden mit den Gate-Elektroden der Transistoren Q1 bzw. Q3 verbunden sind, und wobei deren Drain-Elektroden jeweils über einen p-Kanal-MOSFET-Transistor Q5, dessen Gate-Elektrode mit der Drain-Elektrode verbunden ist, jeweils mit dem positiven Versorgungsanschluß +Vcc und über den n-Kanal-MOSFET-Transistor Q8, der wie der Transistor Q5 verschaltet ist, mit dem negativen Versorgungsanschluß -Vcc verbunden sind. Zwei p- Kanal-Transistoren Q6 und Q7 und zwei n-Kanal-Transistoren Q9 und Q10 sind mit den Transistoren Q5 bzw. Q8 in einer Stromspiegelkonfiguration verbunden. Die Drain-Elektrode des Transistors Q6 ist mit der Gate-Elektrode des n-Kanal-Endtransistors Qnf verbunden, wobei die Drain-Elektrode des Transistors Q7 mit der Gate-Elektrode des p-Kanal-Endtransistors Qpf verbunden ist. Dementsprechend sind die Drain- Elektroden der Transistoren Q9 und Q10 mit den Gate-Elektroden des Qbf bzw. Qnf verbunden. Die Eingangsanschlüsse der Differenzstruktur sind, wenn nötig, mit einer geeigneten Polarisationseinrichtung, nicht gezeigt, verbunden. Es sollte beachtet werden, daß bei diesem Ausführungsbeispiel das Eingangssignal zwischen den zwei Eingangsanschlüssen IN- und IN+ angelegt ist, und daß kein Rückkopplungssystem zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Stufe vorgesehen ist.
- Im folgenden wird nun die Funktionsweise der Schaltung von Fig. 5 betrachtet. Im Ruhezustand, d. h., wenn kein Signal zwischen den Eingangsanschlüssen IN- und IN+ anliegt, fließt ein Strom, der durch die zwei Stromgeneratoren G1 und G2 bestimmt ist, durch die Transistoren Q1 und Q3. Der gleiche Strom, der durch Q1 und Q3 fließt, fließt auch durch die Transistoren Q2 und Q4, falls diese und die jeweiligen Transistoren Q1 und Q3 gleich dimensioniert sind. Dieser gleiche Strom fließt sowohl durch den Transistor Q5 und wird in den Transistoren Q6 und Q7 gespiegelt, als auch durch den Transistor Q8 und wird in den Transistoren Q9 und Q10 gespiegelt. Da der Strom, der in Q6 durchfließt, mit dem Strom, der in Q10 fließt, übereinstimmt, fließt kein Strom durch den Widerstand Rn, wobei die Spannung an der Gate-Elektrode Qnf die Referenzspannung ist, die durch den Referenzspannungsgenerator Vref(Qnf) bestimmt ist, der durch den Transistor Qnref und durch den Konstantstromgenerator Iref gebildet ist. Da der Strom, der in Q9 fließt, mit dem Strom, der in Q7 fließt, übereinstimmt, fließt dementsprechend kein Strom durch den Widerstand Rp, wobei die Spannung an der Gate-Elektrode von Qpf die Referenzspannung ist, die durch den Referenzspannungsgenerator Vref(Qpf) festgelegt ist, der durch den Transistor Qpref und durch den Konstantstromgenerator Iref gebildet ist. Folglich durchfließt der gleiche Strom, d. h. der Ruhestrom, die Endtransistoren Qpf und Qnf, wobei kein Strom die Last Zo durchfließt.
- Eine Unsymmetrie der Differenzschaltung infolge des Anlegens eines Signals zwischen den zwei Eingangsanschlüssen IN- und IN+ wird nun im folgenden beispielsweise für den Fall betrachtet, bei dem das Potential an dem Eingangsanschluß IN+ größer als das an dem Eingangsanschluß IN- ist. Diese Unsymmetrie bewirkt eine Erhöhung des Stroms in Q4 und eine Verringerung des Stroms in Q2 und folglich eine Erhöhung der Ströme in Q8, Q9 und Q10 und eine Verringerung der Ströme in Q5, Q6 und Q7. Infolge der unterschiedlichen Ströme in Q6 und Q10 und der unterschiedlichen Ströme in Q9 und Q7 werden jeweils unterschiedliche Ströme die Widerstände Rn und Rp durchfließen, derart, daß sich die Spannung zwischen den Gate- und Source-Elektroden des Transistors Qpf, d. h. Vgs (Qpf), relativ zu der Referenzspannung Vref(Qpf) erhöht, und daß sich die Spannung des Qnf relativ zu der Referenzspannung Vref(Qnf) verringert. Folglich unterscheiden sich auch die Ströme, die die zwei Endtransistoren durchfließen, derart, daß ein Strom, der die Differenz zwischen den Strömen der zwei Endtransistoren darstellt, die Last Zo durchfließt.
- Aus einer praktischen Analyse der oben beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispiele hat sich ergeben, daß die Ausgangsverstärkerstufe gemäß der Erfindung eine hohe Linearität und eine niedrige Verzerrung aufweist, wenn zwischen einem Endtransistor und dem anderen umgeschaltet wird, da es keine Diskontinuität bei der Ansteuerung der Endtransistoren gibt, und da die Schaltungen, die den Ruhestrom festlegen, und die Schaltungen, die den erforderlichen Strom zu der Last zuführen, im wesentlichen unabhängig voneinander arbeiten. Dies ermöglicht ferner, daß ein hohes Verhältnis zwischen dem maximalen Ausgangsstrom und dem Ruhestrom erhalten wird, da der Ruhestrom mit einer hohen Genauigkeit auf sehr niedrige Werte eingestellt werden kann, und da die Dynamik der Endkomponenten überhaupt nicht durch die Steuerschaltung begrenzt ist. Die Abhängigkeit von der Temperatur und von den Schwankungen der Prozeßparameter kann ferner durch die Möglichkeit einer Kompensation, die auf die vollständige Symmetrie der Steuerschaltungen der zwei komplementären Endkomponenten zurückzuführen ist, wesentlich begrenzt werden. Schließlich ist die Einfachheit der Schaltung offensichtlich, wobei sich folglich die Stufe gemäß der Erfindung für eine Herstellung in integrierten Schaltungen, die sehr eingeschränkte Flächen aufweisen, eignet.
- Obwohl lediglich einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und beschrieben worden sind, wird es offensichtlich, daß zahlreiche Änderungen und Modifikationen innerhalb des Schutzbereichs des gleichen erfindungsgemäßen Konzeptes möglich sind. Beispielsweise könnten die Transkonduktanzverstärker anstelle der MOSFET-Transistoren mit Bipolar-Transistoren hergestellt werden, wobei die Widerstände Rp und Rn resistive Einrichtungen mit im wesentlichen der Struktur von MOSFET-Transistoren, bei denen die Drain- und Gate-Elektroden kurzgeschlossen sind, sein könnten; außerdem könnten zwei Leistungskomponenten, die jeweils mehr als einen Transistor aufweisen, anstelle der MOSFET-Leistungstransistoren Qpf und Qnf vorgesehen werden.
Claims (10)
1. Eine Klasse-AB-Ausgangsverstärkerstufe mit einer ersten
und einer zweiten
Feldeffekttransistor-Leistungskomponente (Qpf Qnf), die
komplementär zueinander sind, von denen jede eine erste
und eine zweite Leistungselektrode und eine
Steuerungselektrode aufweist, und die gegentaktmäßig relativ
zueinander durch die jeweiligen ersten Leistungselektroden
mit einem ersten (+Vcc) bzw. mit einem zweiten (-Vcc)
Anschluß einer Spannungsversorgung verbunden sind, wobei
die zweiten Leistungselektroden miteinander und mit
einem Ausgangsanschluß der Stufe (OUT) verbunden sind,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- einen ersten (Tp) und einen zweiten (Tn)
Transkonduktanzverstärker, von denen jeder einen
Ausgangsanschluß, der mit der Steuerungselektrode der
ersten (Qpf) bzw. der zweiten (Qnf) Leistungskomponente
verbunden ist, und einen Eingangsanschluß aufweist, der
mit dem Eingangsanschluß des anderen
Transkonduktanzverstärkers verbunden ist, um einen Eingangsanschluß
(IN) der Stufe zu bilden, und die dimensioniert sind, um
einen Ausgangsstrom aufzuweisen, der während
Ruhezuständen im wesentlichen Null ist;
- einen ersten (Vref(Qpf)) und einen zweiten (Vref(Qnf))
Spannungsgenerator mit einem Anschluß, der mit dem
ersten (+Vcc) bzw. dem zweiten (-Vcc) Anschluß der
Spannungsversorgung (Fig. 1, 2, 4 und 5) oder mit dem
zweiten (-Vcc) bzw. dem ersten (+Vcc) Anschluß der
Spannungsversorgung (Fig. 3) verbunden ist, wobei die
Spannungen dieser Generatoren gewählt sind, um Ströme
festzulegen, die durch die erste und zweite
Leistungskomponente während Ruhezuständen der Stufe im
wesentlichen gleich sind; und
- eine erste (Rp) und eine zweite (Rn) resistive
Einrichtung, wobei ein Anschluß derselben mit der
Steuerungselektrode der ersten (Qpf) bzw. der zweiten
(Qnf) Leistungskomponente verbunden ist, während der
andere Anschluß derselben mit dem anderen Anschluß des
Spannungsgenerators verbunden ist (Fig. 1, 2, 4 und 5)
bzw. mit dem anderen Anschluß der Vorsorgungsspannung
verbunden ist (Fig. 3).
2. Eine Stufe gemäß Anspruch 1, bei der jeder
Transkonduktanzverstärker (Tp, Tn) einen invertierenden
Eingangsanschluß, der der obige Eingangsanschluß ist, der mit dem
Eingangsanschluß (IN) der Stufe verbunden ist, und einen
nicht-invertierenden Eingangsanschluß aufweist, und bei
der der nicht-invertierende Eingangsanschluß jedes
Transkonduktanzverstärkers (Tp, Tn) mit einem jeweiligen
Referenzspannungsgenerator verbunden ist.
3. Eine Stufe gemäß Anspruch 2, bei der die
Referenzspannungsgeneratoren aus jeweiligen
Rückkopplungssystemen (Fp, Fn) bestehen, die mit dem
Ausgangsanschluß (OUT) der Stufe verbunden sind.
4. Eine Stufe gemäß Anspruch 2, bei der die
Referenzspannungsgeneratoren aus einem gemeinsamen
Rückkopplungssystem (Rf1, Rf2) bestehen, das mit dem
Ausgangsanschluß (OUT) der Stufe verbunden ist.
5. Eine Stufe gemäß Anspruch 4, bei der ein
Referenzanschluß vorgesehen ist, der dem Eingang und dem
Ausgang der Stufe gemeinsam ist, und bei der:
- die erste und die zweite Leistungskomponente aus einem
ersten (Qpf) und einem zweiten (Qnf)
Feldeffektleistungstransistor vom p-Kanal-Typ bzw. n-Kanal-Typ
bestehen, wobei die erste und die zweite
Leistungselektrode die Source- bzw. Drain-Elektrode
sind, und die Steuerungselektrode die Gate-Elektrode
ist;
- der erste Transkonduktanzverstärker (Tp) ein erstes
Paar von n-Kanal-Feldeffekttransistoren (Qnd1, Qnd2) in
einer gemeinsamen Source-Anordnung und einen ersten
Stromgenerator (IP) aufweist, der zwischen die
gemeinsamen Source-Elektroden und den zweiten
Versorgungsspannungsanschluß (-Vcc) geschaltet ist,
wobei der Drain-Anschluß von einem (Qnd2) der
Transistoren des ersten Paares mit dem ersten
Versorgungsanschluß (+Vcc) verbunden ist, und wobei der
Drain-Anschluß des anderen Transistors (Qnd1) des ersten
Paars der Ausgangsanschluß des
Transkonduktanzverstärkers (Tp) ist;
- der zweite Transkonduktanzverstärker (Tn) ein zweites
Paar von p-Kanal-Feldeffekttransistoren (Qpd1, Qpd2) in
der gemeinsamen Source-Anordnung und einen zweiten
Stromgenerator (In) aufweist, der zwischen die
gemeinsamen Source-Elektroden und den ersten
Versorgungsanschluß (+Vcc) geschaltet ist, wobei der
Drain-Anschluß von einem (Qpd2) der Transistoren des
zweiten Paars mit dem zweiten Versorgungsanschluß (-Vcc)
verbunden ist, und wobei der Drain-Anschluß des anderen
(Qpd1) der Transistoren des zweiten Paares der
Ausgangsanschluß des zweiten Transkonduktanzverstärkers (Tn)
ist, wobei die Gate-Elektroden der Transistoren des
ersten und des zweiten Paares paarweise miteinander
verbunden sind, um den obigen invertierenden Anschluß, der
der Eingangsanschluß (IN) der Stufe ist, und den
nicht-invertierenden Anschluß zu bilden;
- die erste resistive Einrichtung ein erster Widerstand
(Rp) ist, der direkt zwischen die Gate-Elektrode des
ersten Leistungstransistors (Qpf) und den ersten
Versorgungsanschluß (+Vcc) geschaltet ist, und wobei der
erste Stromgenerator (Ip) zusammen mit dem ersten
Widerstand (Rp) den ersten Referenzspannungsgenerator
(Vref(Qpf)) bildet;
- die zweite resistive Einrichtung ein zweiter
Widerstand (Rn) ist, der direkt zwischen die
Gate-Elektrode des zweiten Leistungstransistors (Qnf)
und den zweiten Versorgungsanschluß (-Vcc) geschaltet
ist, und wobei der zweite Stromgenerator (In) zusammen
mit dem zweiten Widerstand (Rn) den zweiten
Referenzspannungsgenerator (Vref(Qnf)) bildet; und
- das Rückkopplungssystem einen Spannungsteiler (Rf1,
Rf2) aufweist, der zwischen den Ausgangsanschluß (OUT)
der Stufe und den gemeinsamen Referenzanschluß
geschaltet ist, und bei dem der Zwischenknoten mit den
gemeinsamen Gate-Elektroden der Transistoren (Qnd2,
Qpd2) der zwei Transkonduktanzverstärker verbunden ist,
die den nicht-invertierenden Anschluß bilden.
6. Eine Stufe gemäß Anspruch 4, bei der:
- die erste resistive Einrichtung ein erster Widerstand
(Rp) ist, der mit dem ersten Versorgungsanschluß (+Vcc)
über einen ersten p-Kanal-Feldeffektreferenztransistor
(Qpref), der eine gemeinsame Drain- und Gate-Elektrode
aufweist, verbunden ist, und die zweite resistive
Einrichtung ein zweiter Widerstand (Rn) ist, der mit dem
zweiten Versorgungsanschluß (-Vcc) über einen zweiten
n-Kanal-Feldeffektreferenztransistor (Qnref), der eine
gemeinsame Drain- und Gate-Elektrode aufweist, verbunden
ist, wobei ein Referenzstromgenerator (Iref) zwischen
die gemeinsame Gate- und Drain-Elektrode des ersten
Referenztransistors und die gemeinsame Gate- und
Drain-Elektrode des zweiten Referenztransistors
geschaltet ist, um den ersten und den zweiten
Spannungsgenera
tor (Vref(Qpf), Vref(Qnf)) zusammen mit dem ersten und
zweiten Referenztransistor (Qpref, Qnref) zu bilden.
7. Eine Stufe gemäß Anspruch 6, bei der der erste und der
zweite Transkonduktanzverstärker (Tp, Tn) einen ersten
und einen zweiten Differenzverstärker aufweisen.
8. Eine Stufe gemäß Anspruch 7, bei der:
- der erste Differenzverstärker (Tp) ein erstes Paar von
n-Kanal-Feldeffekttransistoren (Q1, Q2) in der
gemeinsamen Source-Konfiguration, einen
Konstantstromgenerator (Ip), der zwischen die
gemeinsamen Source-Elektroden und den zweiten
Versorgungsanschluß (-Vcc) geschaltet ist, und ein
zweites Paar von p-Kanal-Feldeffekttransistoren (Q3, Q4)
aufweist, die als Lastelemente zwischen die
Drain-Elektroden der Transistoren des ersten Paars (Q1,
Q2) und den ersten Versorgungsanschluß (+Vcc) geschaltet
und miteinander in der Stromspiegelkonfiguration
verschaltet sind; und
- der zweite Differenzverstärker (Tn) ein drittes Paar
von p-Kanal-Feldeffekttransistoren (Q5, Q6) in der
gemeinsamen Source-Konfiguration, einen
Konstantstromgenerator (In), der zwischen die
gemeinsamen Source-Elektroden und den ersten
Versorgungsanschluß (+Vcc) geschaltet ist, und ein viertes
Paar von n-Kanal-Feldeffekttransistoren (Q7, Q8)
aufweist, die als Lastelemente zwischen die
Drain-Elektroden der Transistoren des dritten Paars (Q5, Q6) und den
zweiten Versorgungsanschluß (-Vcc) geschaltet und
miteinander in der Stromspiegelkonfiguration verschaltet
sind.
9. Eine Stufe gemäß Anspruch 1, bei der die erste resistive
Einrichtung ein erster Widerstand (Rp) ist, der mit dem
ersten Versorgungsanschluß (+Vcc) über einen ersten
p-Kanal-Feldeffektreferenztransistor (Qpref), der eine
gemeinsame Drain- und Gate-Elektrode aufweist, verbunden
ist, und die zweite resistive Einrichtung ein zweiter
Widerstand (Rn) ist, der mit dem zweiten
Versorgungsanschluß (-Vcc) über einen zweiten
n-Kanal-Feldeffektreferenztransistor (Qnref), der eine gemeinsame Drain- und
Gate-Elektrode aufweist, verbunden ist, wobei ein
Referenzstromgenerator (Iref) zwischen die gemeinsame Drain-
und Gate-Elektrode des ersten Referenztransistors und
die gemeinsame Drain- und Gate-Elektrode des zweiten
Referenztransistors geschaltet ist, um den ersten und
zweiten Spannungsgenerator (Vref(Qpf), Vref(Qnf))
zusammen mit dem ersten und zweiten Referenztransistor
(Qpref, Qnref) zu bilden.
10. Eine Stufe gemäß Anspruch 9, bei der der erste und der
zweite Transkonduktanzverstärker (Tp, Tn) in einer
Differenzstruktur gebildet sind, mit folgenden
Merkmalen:
- einer ersten Schaltungsverzweigung, die zwischen den
ersten (+Vcc) und den zweiten (-Vcc) Versorgungsanschluß
eingefügt und in Serie relativ zueinander einen ersten
Konstantstromgenerator (G1) mit einem Anschluß, der mit
dem ersten (+Vcc) Versorgungsanschluß verbunden ist,
einen ersten n-Kanal-Feldeffekttransistor (Q1), dessen
Drain-Elektrode mit der Gate-Elektrode verbunden ist,
einen zweiten p-Kanal-Feldeffekttransistor (Q3), dessen
Drain-Elektrode mit der Gate-Elektrode verbunden ist,
und einen zweiten Konstantstromgenerator (G2) mit einem
Anschluß, der mit dem zweiten Versorgunganschluß (-Vcc)
verbunden ist, aufweist, wobei die Source-Elektroden des
ersten (Q1) und zweiten (Q3) Transistors miteinander
verbunden sind, um den invertierenden Eingangsanschluß
der Differenzstruktur zu bilden, die den
Eingangsanschluß (IN) der Stufe bildet;
- einer zweiten Schaltungsverzweigung, die einen dritten
und einen vierten Feldeffekttransistor (Q2, Q4)
aufweist, wobei der erstgenannte vom n-Kanal-Typ und der
zweitgenannte vom p-Kanal-Typ ist, wobei deren
Source-Elektroden miteinander verbunden sind, um einen
nicht-invertierenden Eingangsanschluß (IN+) der
Differenzstruktur zu bilden, der einen weiteren
Eingangsanschluß der Stufe bildet, wobei die jeweiligen
Gate-Elektroden mit den Gate-Elektroden des ersten (Q1)
bzw. des zweiten (Q3) Feldeffekttransistors der ersten
Verzweigung verbunden sind, und wobei die jeweiligen
Drain-Elektroden mit den gemeinsamen Drain- und Source-
Elektroden eines fünften bzw. sechsten
Feldeffekttransistors verbunden sind, die vom p-Kanal-Typ (Q5) bzw. vom
n-Kanal-Typ (Q8) sind, deren jeweilige Source-Anschlüsse
mit dem ersten (+Vcc) bzw. mit dem zweiten (-vcc)
Versorgungsanschluß verbunden sind;
- einem ersten Paar von p-Kanal-Feldeffekttransistoren
(Q6, Q7), deren Gate-Elektroden mit der Gate-Elektrode
des fünften Feldeffekttransistors (Q5) verbunden sind,
deren Source-Elektroden mit dem ersten
Versorgungsanschluß (+Vcc) verbunden sind, und bei denen
eine der Drain-Elektroden mit der Steuerungselektrode
der zweiten Leistungskomponente (Qnf) und die andere mit
der Steuerungselektrode der ersten Leistungskomponente
(Qpf) verbunden ist; und
- einem zweiten Paar von n-Kanal-Feldeffekttransistoren
(Q9, Q10), deren Gate-Elektroden mit der Gate-Elektrode
des sechsten (Q8) Feldeffekttransistors verbunden sind,
deren Source-Elektroden mit dem zweiten
Versorgungsanschluß (-Vcc) verbunden sind, und bei denen
eine der Drain-Elektroden mit der Steuerungselektrode
der ersten Leistungskomponente (Qpf) und die andere mit
der Steuerungselektrode der zweiten Leistungskomponente
(Qnf) verbunden ist.
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