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Die Erfindung bezieht sich auf eine CMOS-Operationsverstärkereingangsstufe.
Die Eingangsstufen von Operationsverstärkern in CMOS haben die Aufgabe, Gleichtaktsignale zu unterdrücken und Differenzsignale zu verstärken. Dabei kann die Eingangsstufe das Nutzsignal differentiell oder einseitig geerdet (single-ended) der nachfolgenden Stufe anbieten. Bei der Konversion von differentiell auf single-ended in der Eingangsstufe selbst entsteht ein hochohmiger Knoten, der mit den parasitären Kapazitäten und mit der meist notwendigen Kompensationskapazität die Geschwindigkeit des Verstärkers begrenzt. Für eine differentielle Topologie mit geklappter Kaskode gilt dasselbe Prinzip für beide Pfade. Einzig in einer sogenannten Supermirror-Topologie wird durch Stromspiegelung dieser hochohmige Knoten aus der Eingangsstufe hinausgeschoben. Dieser dominante Pol sitzt am Ausgang dieses einstufigen Verstärkers.
Die Gesamtverstärkung eines konventionellen Operationsverstärkers ist begrenzt durch die Anzahl der Verstärkerstufen und die maximal erreichbare Verstärkung pro Stufe, die durch das prozess- und arbeitspunktabhängige Verhältnis Transkonduktanz/ Ausgangsleitwert (gm/gds) bestimmt ist. Dieses Verhältnis ist in der Regel bei 40dB anzusetzen, die Anzahl der Stufen kann aus Stabilitätsgründen zwei nicht übersteigen und daher ergibt sich eine Gesamtverstärkung von etwa 80dB.
Die Erfindung zielt darauf ab, eine CMOS-Operationsverstärkereingangsstufe mit hoher Verstärkung und Bandbreite zu schaffen. Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die Erfindung im wesentlichen darin, dass ein Signal einer Vorstufe in einem umgeklappten, potentialfrei arbeitenden Stromspiegel von zwei Eingangstransistoren (mnj, mnjj, mpk, mpkk) einer Hauptstufe zugeführt ist und dass das differentielle Signal nach dem potentialfrei arbeitenden Stromspiegel über zwei weitere als Stromspiegel geschaltete Transistoren (mpr, mprr, mns, mnss) mit von der Dotierung der Eingangstranistoren verschiedener Dotierung in ein einseitig geerdetes (single-ended) Signal umgewandelt als hochohmiger Ausgangspol zur Verfügung gestellt ist.
Hierbei sind
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vorzugsweise am Ausgang Ausgangsstufen angeschlossen, welche eine Verstärkung von mehr als 80dB vorzugsweise 100dB erreichen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Schaltungsanordnungen näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen Fig. l bis Fig. 4 Schaltungen von erfin- dungsgemässen Eingangsstufen.
In Fig. l besteht die Eingangsstufe aus einem Differenzverstärker (Vorstufe), gebildet aus zwei Eingangstransistoren"mni" und'mnii' (Fig. l), die auf jeweils eine Transistordiode"mpl" und "mpll" arbeiten. An diesen "Dioden" wird das Signal ausgekoppelt und in einer zweiten Differenzverstärkeranordnung (Hauptstufe) weiterverarbeitet. Der wesentliche Unterschied zu der bekannten Eingangsstruktur, die auf zwei Stromspiegel arbeitet, ist die Weiterverarbeitung des Signals in einem gleichsam umgeklappten, potentialfrei arbeitenden Stromspiegel der beiden Eingangstransistoren der Hauptstufe ("mnj* und"mnjj"). In der Hauptstufe findet die Umwandlung von differentiell auf einseitig geerdet (single-ended) über den Stromspiegel"mprr"und"mpr" statt.
Hier wird am Ausgang "out" der einzige hochohmige Pol der Anordnung generiert. Dadurch ist es möglich der Verstärkung der Hauptstufe die Verstärkung der Vorstufe von etwa 15dB hinzuzufügen, ohne dass die Stabilität des Verstärkers darunter leidet. In der Hauptstufe arbeiten die zwei differentiell angesteuerten,
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werden.
Am Ausgang der Eingangsstufe kann jede beliebige Ausgangsstufe angeschlossen werden, und damit erreicht ein so entworfener Operationsverstärker eine Verstärkung von knapp ICOdB.
Wesentlich ist, dass diese Verstärkungserhöhung aber nicht wie bei'high gain"Lösungen die Bandbreite reduziert. Mit geeigneter Arbeitspunkteinstellung können bei hoher Verstärkung auch gleichzeitig hohe Bandbreiten gehalten werden. Verwendet man den hier beschriebenen Verstärker einstufig ohne Hinzufügen einer Ausgangsstufe, erzielt man bei moderater Verstärkung höchste Bandbreiten bestimmt von der Grösse der kapazitiven Last. Ver-
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wendet man den Verstärker mit einer Ausgangsstufe, dann ist auch gleichzeitig höchste Verstärkung möglich.
Die Hauptstufe kann auch mit p-Kanal Eingangstransistoren ("mpk"und mpkk") und n-Kanal Last ("mns"und"mnss") gebildet werden (Fig. 2). So erfolgt die Signalweiterverarbeitung ebenfalls in einem gleichsam fliegenden Stromspiegel, ist aber durch die Arbeitspunkteinstellung über die beiden Transistordioden der Vorstufe ('mpl" und'mpll") an die positive Versorgungsspannung gebunden. Dadurch wird der Ausgangsspannungshub optimiert, wobei die erzielbare Verstärkung durch die geringere Beweglichkeit der Ladungsträger in p-Kanal-Transistoren etwas zurückgeht.
Der Erfindungsgegenstand erstreckt sich auch auf Schaltungen, die dadurch gebildet werden, dass alle p-Kanal-und n-KanalTransistoren gegeneinander ausgetauscht werden. Diese Varianten sind in Fig. 3 und Fig. 4 dargestellt.