DE69516381T2

DE69516381T2 - Verstärker mit grossem Gleichtaktpegel und konstanter Transkonduktanz

Info

Publication number: DE69516381T2
Application number: DE69516381T
Authority: DE
Inventors: Frederic Goutti
Original assignee: STMicroelectronics SA
Current assignee: STMicroelectronics SA
Priority date: 1994-12-21
Filing date: 1995-12-18
Publication date: 2000-11-30
Anticipated expiration: 2015-12-19
Also published as: FR2728743B1; EP0718968B1; US5729177A; EP0718968A1; DE69516381D1; JPH08237051A; JP2904087B2; FR2728743A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Gleichtaktverstärker mit großem Ausschlag, d. h. einen Verstärker, dessen Eingänge Potentiale führen können, die praktisch gleich den Versorgungsspannungen des Verstärkers sind, und dessen Transkonduktanz über dem gesamten Eingangsspannungsbereich konstant ist. Spezieller betrifft die Erfindung einen derartigen Verstärker, der eine Zwischenstufe mit gefalteter Kaskodenschaltung aufweist.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines Verstärkers, der all diese Merkmale aufweist und beschrieben ist in IEEE Journal of Solid-State Circuits, Band 24, Nr. 6, Dezember 1989, "1-V Operational Amplifier with Rail-to-Rail Input and Output Ranges". Er umfaßt zwei komplementäre Eingangsdifferenzstufen oder -differentialstufen. Die erste Differenzstufe umfaßt zwei npn- Transistoren Q1 und Q2, deren Emitter mit einer niedrigen Versorgungsspannung GND über einen npn-Transistor Q3 verbunden ist, der den Ausgangstransistor eines Stromspiegels bildet. Die zweite Differenzstufe umfaßt zwei pnp-Transistoren Q4 und Q5, deren Emitter mit einer hohen Versorgungsspannung Vcc über eine Stromquelle 10 verbunden sind, die einen konstanten Strom 2I1 liefert. Die Basisanschlüsse der Transistoren Q1 und Q4 bilden eine ersten Eingang D1 des Verstärkers, und die Basisanschlüsse der Transistoren Q2 und Q5 bilden einen zweiten Eingang D2 des Verstärkers.
Die Stromquelle 10 ist auch über einen pnp-Transistor Q6, der als ein Schalter arbeitet, und einen npn-Transistor Q7, der den Eingangstransistor des Stromspiegels bildet, welcher den Transistor Q3 als seinen Ausgangstransistor aufweist, mit der Versorgungsspannung GND verbunden. Die Emitter der Transistoren Q3 und Q7 sind mit der Versorgungsspannung GND verbunden, während ihre Basisanschlüsse mit dem Kollektor des Transistors Q7 verbunden sind. Der Emitter des Transistors Q6 ist mit der Stromquelle Q10 verbunden, sein Kollektor ist mit dem Kollektor des Transistors Q7 verbunden, und seine Basis ist mit einer konstanten Schaltspannung Vs verbunden.
Der Verstärker der Fig. 1 weist zwei Hauptbetriebsbereiche auf. In dem ersten Bereich, für den die Stromwerte in Fig. 1 dargestellt sind, ist die Gleichtakteingangsspannung des Verstärkers (der Mittelwert der Spannungen an den Eingängen D1 und D2) größer als die Spannung Vs. Der Transistor Q6 ist daher eingeschaltet und leitet den gesamten Strom 2I1 von der Stromquelle 10 zu dem Transistor Q7. Dieser Strom 2I1 wird von dem Transistor Q3 in der Differenzstufe Q1, Q2 gespiegelt und stellt den Ruhestrom für jeden Ausgangzweig dieser Stufe (die Kollektoren der Transistoren Q1 und Q2) auf den Wert 11 ein. Die Stufe Q1, Q2 ist aktiv. Die Stufe Q4, Q5 empfängt jedoch keinen Strom von der Quelle 10; sie ist inaktiv.
Im zweiten Bereich ist die Gleichtakteingangsspannung kleiner als die Spannung Vs. Der Transistor Q6 ist daher aus, und der gesamte Strom der Quelle 10 wird an die Stufe Q4, Q5 geliefert, deren Ausgangszweige jeweils einen Strom des Wertes 11 führen. Die Stufe Q1, Q2 empfängt jedoch keinen Strom. Die Stufe Q4, Q5 ist aktiv, und die Stufe Q1, Q2 ist inaktiv.
Bei dieser Konfiguration ist unabhängig von der Gleichtakteingangsspannung immer nur eine Stufe auf einmal aktiv. Dadurch wird sichergestellt, daß die Transkonduktanz des Verstärkers immer gleich der einer Stufe ist, d. h. sie ist konstant.
In der Praxis sind die zwei Stufen in einem Übergangsbereich, in dem die Gleichtakteingangsspannung in der Nähe der Spannung Vs liegt, teilweise aktiv. Der konstante Wert der Transkonduktanz wird durch diesen Übergangsbereich nicht beeinflußt.
Der Verstärker der Fig. 1 umfaßt eine Zwischendifferenzstufe mit gefalteter Kaskodenschaltung. Man kann versucht sein, eine solche Stufe zu verwenden, weil sie den Vorteil hat, die Geschwindigkeit und die Stabilität des Verstärkers im Verhältnis zu anderen Ausgangsstufenarten zu verbessern. Die gefaltete Kaskodenstufe umfaßt zwei pnp- Kaskodentransistoren Q8 und Q9, deren Basisanschlüsse mit derselben Bezugsspannung Vb vorgespannt sind. Die Emitter der Transistoren Q8 und Q9 sind jeweils über Widerstände 12 bzw. 13, welche den gleichen Widerstandswert aufweisen, mit der Versorgungsspannung Vcc sowie mit den jeweiligen Kollektoren der Transistoren Q1 bzw. Q2 (Ausgangsanschlüsse der Stufe Q1, Q2) verbunden. Die Kollektoren der Transistoren Q8 und Q9 sind jeweils mit den Kollektoren der beiden npn-Transistoren Q10 bzw. Q11 verbunden. Die Transistoren Q10 und Q11 sind jeweils die Eingangs- bzw. Ausgangstransistoren eines Stromspiegels. Die Basisanschlüsse der Transistoren Q10 und Q11 sind mit dem Kollektor des Transistors Q10 ver bunden, und die jeweiligen Emitter der Transistoren sind mit der Versorgungsspannung GND über die zugehörigen Widerstände 15 bzw. 16 verbunden, wobei die Widerstände den gleichen Widerstandswert aufweisen. Der Ausgang des Verstärkers wird bei den Kollektoren der Transistoren Q9 und Q11 abgenommen. Die Emitter der Transistoren Q10 und Q11 sind ebenso jeweils mit den Kollektoren der Transistoren Q4 bzw. Q5 (den Ausgangsanschlüssen der Differenzstufe Q4, Q5) verbunden.
Die Verwendung einer gefalteten Kaskodenausgangsstufe in einem Verstärker, der zwei Differenzeingangsstufen aufweist, die zueinander komplementäre Eingängen aufweisen, wie in Fig. 1 gezeigt, hat den Nachteil der Verschlechterung der Gleichtaktunterdrückungscharakteristik des Verstärkers. Wie bei allen nicht idealen Verstärkern variiert das Ausgangssignal des Verstärkers der Fig. 1 als Funktion der Gleichtakteingangsspannung. Diese Variation bleibt in jedem der beiden Betriebsbereiche des Verstärkers relativ niedrig. Während des Schaltens von einem Modus zum anderen verschiebt sich das Ausgangssignal jedoch, wodurch eine Verschlechterung der Gleichtaktunterdrückung entsteht.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Verstärker des in Fig. 1 gezeigten Typs vorzusehen, der eine Ausgleichsschaltung aufweist, welche die Verschiebung des Ausgangssignals unterdrückt, wenn der Verstärker von einem Betriebsbereich zu einem anderen umschaltet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Verstärker mit folgenden Merkmalen gelöst: zwei komplementäre Differential- oder Differenzeingangsstufen und eine erste Stromquelle, die als eine Funktion der Eingangsspannung des Verstärkers geschaltet wird, um die eine oder die andere der Differenzeingangsstufen unter Einstellung des Ruhestroms der Eingangsstufe zu aktivieren. Eine gefaltete Kaskodenstufe weist zwei Kaskodentransistoren auf, deren Ströme durch eine Vorspannung dieser Transistoren bestimmt und durch die in den Ausgangszweigen einer ersten der Differenzeingangsstufen zirkulierenden Ströme verringert wird. Der Verstärker umfaßt Mittel, die gleichzeitig wie die erste Stromquelle geschaltet werden, um den Strom in den Kaskodentransistoren konstant zu halten, wenn eine der Differenzeingangsstufen zwischen einem aktiven Zustand und einem inaktiven Zustand umschaltet.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung stellen die Mittel einen konstanten Strom in den Kaskodentransistoren sicher, indem sie die Vorspannung dieser Kaskodentransistoren modifizieren.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Kaskodentransistoren mit einer Versorgungsspannung über jeweils erste Widerstände mit gleichem Wert verbunden und bilden die Ausgangstransistoren eines ersten Stromspiegels. Die Ausgangszweige der ersten Differenzstufe sind zwischen den Kaskodentransistoren und den ersten Widerständen angeschlossen. Ein Eingangstransistor des ersten Stromspiegels ist mit der Versorgungsspannung über einen zweiten Widerstand mit gleichem Wert wie die ersten Widerstände verbunden und empfängt einen konstanten Strom. Eine zweite geschaltete Stromquelle speist zwischen dem zweiten Widerstand und dem Eingangstransistoren des ersten Stromspiegels dann, wenn die erste Differenzstufe aktiv ist, einen Strom ein, der gleich dem Ruhestrom jedes Ausgangszweigs der ersten Differenzstufe ist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die zweite Stromquelle ein erster Ausgang eines zweiten Stromspiegels, der einen zweiten Ausgang aufweist, der den Ruhestrom der ersten Differenzeingangsstufe einstellt, und der einen Eingang aufweist, der mit der ersten Stromquelle über einen Transistor verbunden ist, welcher als Funktion der Eingangsspannung des Verstärkers geschaltet wird, wobei die erste Stromquelle auch mit der zweiten Differenzeingangsstufe verbunden ist, um den Ruhestrom dieser zweiten Differenzeingangsstufe einzustellen.
Diese sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in der folgenden Beschreibung bestimmter Ausführungsformen mit weiteren Einzelheiten mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, wobei die Ausführungsform keine Beschränkungen der Erfindung darstellen. In den Figuren zeigen:
Fig. 1 ein Beispiel eines Verstärkers mit konstanter Transkonduktanz über einem großen Gleichtaktbereich, der eine gefaltete Kaskodenausgangsstufe aufweist; und
Fig. 2 einen Verstärker der in Fig. 1 gezeigten Art mit einer Schaltung gemäß der Erfindung zur Verbesserung der Gleichtaktunterdrückung des Verstärkers.
Die Erfindung basiert auf der Analyse infolge der Funktion des Verstärkers der Fig. 1. Die Spannung bei den Emittern der Transistoren Q8 und Q9 wird durch die Vorspannung Vb auf einen konstanten Wert festgelegt. Der durch jeden der Widerstände 12 und 13 fließende Strom hat daher einen konstanten Wert 12, der so gewählt wird, daß er größer ist als der Wert des Ruhestroms 11 in jedem der Zweige der Differenzstufe Q1, Q2.
Wenn die Differenzstufe Q1, Q2 aktiv ist, nehmen ihre Zweige jeweils einen Ruhestrom 11 von den Emittern der Transistoren Q8 und Q9 auf. Die Ströme in den Transistoren Q8 und Q9 gehen daher auf einen Wert (I2-I1). Da die Stufe Q4, Q5 inaktiv ist, nehmen ihre Ausgangszweige keinen Strom von den Emittern der Transistoren Q10 und Q11 auf. Die Transistoren Q10 und Q11 sind als Stromspiegel geschaltet, und der Strom in dem Transistor Q10 wird in dem Kollektor des Transistors Q11 gespiegelt. Diese Spiegelung ist jedoch nicht perfekt, weil der Strom (I2-I1), der bei dem Transistor Q10 ankommt, mit einem Proportionalitätskoeffizienten 1-e, der kleiner als 1 ist, gespiegelt wird, und zwar unabhängig von der Qualität des verwendeten Stromspiegels. Als eine Folge weist der Ausgangsstrom des Verstärkers einen Offset von e·(I2-I1) in bezug auf den gewünschten Wert auf.
Wenn die Stufe Q4, Q5 aktiv ist, nehmen ihre Zweige jeweils einen Strom I1 von den Emittern der Transistoren Q10 und Q11 auf. Die Ausgangszweige der Differenzstufe Q1, Q2 ziehen nicht mehr Strom von den Emittern der Transistoren Q8 und Q9, die jeweils den Strom I2 leiten. Dieser Strom I2 kommt bei dem Kollektor des Transistors Q10 an und wird bei dem Kollektor des Transistors Q1 mit einem Proportionalitätskoeffizienten 1-e, wie oben erwähnt, gespiegelt. Der Ausgang des Verstärkers liefert daher einen Offset-Strom mit dem Wert e I2, anstelle von e·(I2-I1).
Beim Übergang von einem Betriebsbereich zu dem anderen verschiebt sich daher der Offset- Strom am Ausgang des Verstärkers auf einen Wert e I1, der bei weitem nicht vernachlässigbar ist und der die Gleichtaktunterdrückung des Verstärkers erheblich verschlechtert.
Diese Verschiebung ist, wie bei der obigen Analyse erläutert, auf die Tatsache zurückzuführen, daß der Strom der Transistoren Q8 und Q9 sich von einem Wert (I2-I1) auf einen Wert I2 ändert, wenn der Verstärker von einem Betriebsbereich zum anderen wechselt. Um eine Verschiebung des Stroms am Ausgang zu vermeiden, hält die vorliegende Erfindung den Strom der Transistoren Q8 und Q9 während beider Betriebsbereiche des Verstärkers konstant.
Fig. 2 zeigt den Verstärker der Fig. 1, der einen Schaltkreis gemäß der Erfindung aufweist, der es ermöglicht, diesen konstanten Strom in den Transistoren Q8 und Q9 zu erhalten. Dieser Schaltkreis ist in dem gestrichelt gezeichneten Kästchen dargestellt.
Die Transistoren Q8 und Q9 werden nicht durch eine konstante Spannung Vb vorgespannt, sondern bilden zwei Ausgangstransistoren eines Stromspiegels, dessen Eingangstransistor ein pnp-Transistor Q12 ist. Die Basis des Transistors Q12 ist mit seinem Kollektor und mit den Basisanschlüssen der Transistoren Q8 und Q9 verbunden, der Emitter des Transistors Q12 ist mit der Versorgungsspannung Vcc über einen Widerstand 18 verbunden, der den gleichen Widerstandswert wie die Widerstände 12 und 13 hat. Der Kollektor von Q12 ist mit der Versorgungsspannung GND über eine Stromquelle 20 verbunden, die einen konstanten Strom von (I2-I1) aufweist. Ein npn-Transistor Q13 bildet einen zweiten Ausgangstransistor des Stromspiegels Q3, Q7, und seine Basis- und Emitteranschlüsse sind jeweils mit denen des Transistors Q3 verbunden. Der Kollektor des Transistors Q13 ist mit dem Emitter des Transistors Q12 verbunden. Wie in Fig. 2 in Klammern dargestellt, ist die Größe der Transistoren Q3 und Q7 zweimal die des Transistors Q13. Der Kollektorstrom des Transistors Q13 ist daher halb so groß wie der des Transistors Q3.
In dem ersten Betriebsbereich des Verstärkers, für den die Stromwerte in Fig. 2 dargestellt sind, wird der gesamte Strom 2I1 der Quelle 10 an die Differenzstufe Q1, Q2 über den Transistor Q3 geliefert, und die Hälfte dieses Stroms, I1, wird von dem Emitter des Transistors Q12 auf den Transistor Q13 übertragen. Somit nimmt jeder der Emitter der Transistoren Q8, Q9 und Q12 einen Strom I1 auf. Die Transistoren Q8, Q9 und Q12 haben somit die gleichen Betriebsbedingungen und bilden einen Stromspiegel; der Kollektorstrom (I2-I1) des Transistors Q12 wird in den Kollektoren der Transistoren Q8 und Q9 gespiegelt.
In dem zweiten Betriebsbereich wird der gesamte Strom 2I1 von der Quelle 10 an die Differenzstufe Q4, Q5 geliefert. Die Zweige der Differenzstufe Q1, Q2 und der Transistoren Q13 nehmen somit keinen Strom von den Emittern der Transistoren Q8, Q9 und Q12 auf. Die Transistoren Q8, Q9 und Q12 haben wiederum die gleichen Betriebsbedingungen und bilden einen Stromspiegel. Der Kollektorstrom (I1-I2) des Transistors Q12 wird noch immer in den Kollektoren der Transistoren Q8 und Q9 gespiegelt.
Die Kollektorströme der Transistoren Q8 und Q9 sind von einem Betriebsbereich zum anderen nicht unterschiedlich, so daß sich die Verschiebung des Ausgangs-Offsets des Verstärkers ausgleicht.
Die vorliegende Erfindung kann zahlreiche Abwandlungen und Modifikationen erfahren, die für den Fachmann offensichtlich sind. Wenn die Transistoren Q10 und Q11 Kaskodentransistoren sind, welche mit einer konstanten Spannung vorgespannt werden, und wenn die Transistoren Q8 und Q9 einen Stromspiegel bilden, kann die Verschiebung an dem Ausgang des Verstärkers z. B. ausgeglichen werden, indem in die Widerstände 15 und 16 ein Spiegelstrom des Kollektorstroms des Transistors Q13 eingegeben wird.

Claims

1. Verstärker, umfassend:

- zwei komplementäre Differentialeingangsstufen (Q1, Q2; Q4, Q5);

- eine erste geschaltete Stromquelle (10), die als eine Funktion der Eingangsspannung des Verstärkers geschaltet wird, um die eine oder die andere der Differentialeingangsstufen unter Einstellung ihres Ruhestroms (2I1) zu aktivieren;

- eine gefaltete Kaskodenstufe mit zwei Kaskodentransistoren (Q8, Q9), deren Ströme (I2) durch eine Vorspannung (Vb) dieser Transistoren bestimmt und durch die in den Ausgangszweigen einer ersten der Differentialeingangsstufen (Q1, Q2) zirkulierenden Ströme (I1) verringert wird;

gekennzeichnet durch Mittel (Q13, Q12), die gleichzeitig wie die erste Stromquelle (10) geschaltet werden, um den Strom in den Kaskodentransistoren konstant zu halten, wenn eine der Differentialeingangsstufen zwischen einem aktiven Zustand und einem inaktiven Zustand wechselt.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel einen konstanten Strom in den Kaskodentransistoren (Q8, Q9) sicherstellen, indem sie die Vorspannung (Vb) dieser Kaskodentransistoren modifizieren.

3. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er umfaßt:

- die Kaskodentransistoren (Q8, Q9), welche mit einer Versorgungsspannung (Vcc) über jeweils erste Widerstände (12, 13) mit gleichem Wert verbunden sind und Ausgangstransistoren eines ersten Stromspiegels (Q12, Q8, Q9) bilden, wobei die Ausgangszweige der ersten Differentialstufe (Q1, Q2) zwischen den Kaskodentransistoren und den ersten Widerständen angeschlossen sind;

- ein Eingangstransistor (Q12) des ersten Stromspiegels, der mit der Versorgungsspannung über einen zweiten Widerstand (18) mit gleichem Wert wie die ersten Widerstände verbunden ist und einen konstanten Strom (I2-I1) empfängt; und

- eine zweite geschaltete Stromquelle (Q13) zum Einspeisen eines Stroms (I1), der gleich dem Ruhestrom jedes Ausgangszweigs der ersten Differentialstufe ist, zwischen dem zweiten Widerstand (18) und dem Eingangstransistor (Q12) des ersten Stromspiegels, wenn die erste Differentialstufe aktiv ist.

4. Verstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Stromquelle (Q13) ein erster Ausgang eines zweiten Stromspiegels ist, der einen zweiten Ausgang (Q3) aufweist, der den Ruhestrom der ersten Differentialeingangsstufe (Q1, Q2) einstellt, und der einen Eingang (Q7) aufweist, der mit der ersten Stromquelle (10) über einen Transistor (Q6) verbunden ist, der als eine Funktion der Eingangsspannung des Verstärkers geschaltet wird, wobei die erste Stromquelle auch mit der zweiten Differentialeingangsstufe (Q4, Q5) verbunden ist, um den Ruhestrom dieser zweiten Differentialeingangsstufe einzustellen.