<Desc/Clms Page number 1>
CORRECTYEKETEN VOOR EEN VERSTERKER
De uitvinding heeft betrekking op een correctieketen voor een versterker, welke de serieschakeling omvat van twee transistoren die van het tegengesteld geleidingstype zijn en voorzien zijn van stuurelektroden waarop door besturingsmiddelen stuurgelijkspanningen worden gelegd.
Een dergelijke versterker is in de techniek algemeen bekend. In het ideaal geval zijn de nominale waarden van de stuurgelijkspanningen odanig dat de ruststromen door de beide transistoren gelijk zijn. Door allerlei redenen, zoals bijvoorbeeld afwijkingen in de werkwijze waarmee de transistoren worden vervaardigd, kunnen deze stuurgelijkspanningen echter afwijkingen t. o. v. hun nominale waarden vertonen. Dit kan een nadelige invloed hebben op de werking van de versterker.
Inderdaad, als deze afwijkingen bijvoorbeeld een tegengesteld teken hebben t. o. w. hun respektieve nominale waarden dan heeft dit als gevolg dat de transistoren beide ofwel meer ofwel minder geleidend zijn. Als de afwijkingen betrekkelijk groot zijn kan dit dus aanleiding geven tot een bovenmatig stroomverbruik of tot een blokkering (cross-over distorsie) van de transistoren.
De uitvinding beoogt een correctieketen voor een dergelijke versterker te verschaffen, waardoor deze nadelige invloed op deze versterker wordt teniet gedaan of althans in belangrijke mate wordt verminderd.
<Desc/Clms Page number 2>
Volgens de uitvinding wordt deze doelstelling bereikt doordat de correctieketen in staat is om de gelijkspanning tussen deze stuurelektroden nagenoeg constant te houden.
Aldus kunnen afwijkingen van de stuurgelijkspanningen, verschaft door de besturingsmiddelen en die van een tegengesteld teken : njn t. o. v. hun respektieve nominale waarden, geen nadelige invloed hebben op de werking van de versterker.
Een ander kenmerk van de onderhavige correctieketen is dat hij gevormd wordt door de serieschakeling van een impedantie, welke tussen deze stuurelektroden verbonden is, en twee stroombronnen die eenzelfde stroom verschaffen en met respektieve uiteinden
EMI2.1
van deze deze nagenoeg constante spanning over deze impedantie voortbrengt.
De hierboven vermelde en andere doeleinden en kenmerken van de uitvinding zullen duidelijker worden en de uitvinding zelf zal het best begrepen worden aan de hand van de hiernavolgende beschrijving van een uitvoertngsvoorbeeld en van de bijbehorende tekeningen waarin :
Fig. 1 een versterker en de bijbehorende correctieketen volgens de uitvinding in detail voorstelt ;
Fig. 2 een vervangingsschema van deze correctieketen en versterker toont om de werking daarvan te illustreren.
Oe in Fig. l voorgestelde versterker is een klas AB versterker en omvat een voorspanningsketen BC, een verschilversterkeringangstrap DAS. een uitgangstrap OS en een correctieketen CC. Deze versterker omvat de PMOS transistoren PM1 tot PM11. de NMOS transistoren NM1 tot NM8 en de condensatoren Cl en C2 en werkt met da voedingsspanningen VDD en VSS, die bijvoorbeeld
<Desc/Clms Page number 3>
respektievelijk gelijk zijn aan +5 Volts en -5 Volts.
Een stuurgelijkspanning CV, die gelijk is aan VSS of VDD, wordt verder gebruikt om de versterker aan- of af te schakelen door transistor PM2 respektievelijk geleidend te maken of te blokkeren.
De voorspanningsketen BC is een stroombron die gevormd wordt door de serieschakeling van de transistoren PMI, PM2, PM3 en NM1, waarbij voor PMI, PM3 en NM1 de poort- en afvoerelektroden onderling verbonden zijn en PMZ door de gelijkspanning CV gestuurd wordt, zoals hierboven vermeld. Transistor PMI is in stroomspiegeischakeling verbonden met de transistoren PM6 en PMIU en hetzelfde geldt voor transistor NM1 en de transistoren NM4 en NM8. Dit betekent dat als 1 de stroom is die door transistoren PWlt PM2, PM3 en NWl vloeit, dezelfde stroom door transistoren PM6, PMIO. NM4 en NM8 stroomt als laatstgenoemde transistoren dezelfde afmetingen hebben.
Deze afmetingen worden evenwel zodanig gekozen dat door PMIO en NM8 de stroom I vloeit, terwijl door PM6 en NM4 een stroom 11 vloeit.
De verschilversterkeringangstrap DAS met ingangsklemmen T1 en T2 bestaat uit twee verschilversterkerketens die in anti-parallel tussen VDD en VSS verbonden zijn. De gelijknamige ingangen Tit T2 van deze ketens zijn met elkaar verbunden en elk van hen is van het type beschreven op blz. 219 van het boek "Analysis and Design of Analog Integrated Circuits" doom P. R. Gray en R. G. Meyer, John Wiley and Sons. De eerste wan deze verschilversterkerketens omvat de transistoren PM4, PM5, PM6, NM5, NM6, terwijl de tweede de transistoren NM2, NM3, NM4, PM7 en PM8 omvat.
In de eerste verschilversterkerketen is het
EMI3.1
bron-naar-afvoerpad van PM6 tussen VDD en VSS in serie geschakeld, enerzijds met het bron-naar-afvoerpad van emittervolgertransistor PM4 en het afvoer-naar-bronpad
<Desc/Clms Page number 4>
van. de als diode geschakelde transistor NM5 en anderzijds met het bron-naar-afvoerpad van emittervolgertransistor
PM5 en het afvoer-naar-bronpad van NM6. Hierbij vormt
PM6 een stroombron die de stroom I verschaft en is NM4 in stroomspiegelschakeling verbonden met NM6, die een aktieve belasting met weerstand van nominale waarde Rl van de versterkerketen vormt. De afvoerelektrode van NM6 is de uitgang A van deze eerste verschilversterkerketen.
In de tweede verschilversterkerketen is het bron-naar-afvoerpad van de als diode geschakelde transistor PM7 en het afvoer-naar-bronpad van emittervolgertransistor NM2 tussen VDD en VSS in serie verbonden met het afvoer-naar-bronpad van NM4 en is ook het bron-naar-afvoerpad van PM8 en het afvoer-naar-bronpad van emittervolgertransistor NM3 tussen dezelfde spanningen in serie verbonden met het afvoer-naar-bronpad van NM4. Hierbij is NM4 een stroombron die de stroom I verschaft en is PM7 in stroomspiegelschakeling verbonden met PM8 die een aktieve belasting met weerstand van nominale waarde R2 van de versterker vormt.
De afvoerelektrode van PM8 is de uitgang 9 van deze tweede verschilversterkerketen.
De uitgangstrap OS omvat de tussen VDD en VSS in serie geschakelde bron-naar-afvoerpaden van de' transistoren PM9 en NM7 waarvan de poorten respektievelijk met de uitgangen B en A van de tweede en eerste versterkerketens verbonden zijn. Bovendien zijn de uitgangen A en B met de afvoerelektroden van respektievelijk NM7 en PM9 verbonden via de condensatoren Cl en C2, die dienen om de frekwentiekarakteristiek van de versterker te bepalen.
De eerste en tweede verschilversterkerketens leggen dus via respektieve weerstand'en van nominale, waarden R1 en R2 nominale stuurgelijkspanningen op de poorten A en B en, zoals hierboven vermeldt bestaat het
EMI4.1
f
<Desc/Clms Page number 5>
doel van de correctieketen CC erin de nadelige invloed van afwijkingen van deze gelijkspanningen t. o. v. hun respektieve nominale waarden, op de uitgangstrap van de versterkers teniet te doen of althans in belangrijkge mate te verminderen. Deze correctieketen CC omvat de serieschakeling, tussen VDD en VSS, van de bron-naar-afvoerpaden van transistoren PMlOt PM11 en NM8, waarbij de afvoer- en bronelektroden van PMII met elkaar
EMI5.1
verbunden ziin.
Hierbij vormen PMIO en HMS stroombronnen, die elk een stroom I verschaffen en PMII is een weerstand, die R genoemd wordt.
Zoals hierboven vermeld is elk van de eerste en tweede verschilversterkerketens van de verschilversterkeringangstrap, en die in feite besturingsmiddelen voor de uitgangstrap vormen, op zichzelf bekend en de werking van deze trap wordt daarom niet beschreven. Alleen wordt opgemerkt dat deze eerste en tweede verschilversterkerketens respektievelijk dienen voor de versterking van negatief en positief gerichte signalen die aan de ingang Tl, T2 worden gelegd.
Om de werking van de correctieketen CC te begrijpen wordt nu verwezen naar Fig. 2 welke een vervangingsschema van de versterkerketen volgens Fig. 1 voorstelt, echter zonder de voorspanningsketen BC en in de veronderstelling dat de transistoren PM4, PMS, NM2 en NM3 geleidend zijn.
De poort van NM7 is gakoppeId met
EMI5.2
het verbindingspunt A van PM6 en NM7, die respektievelijk een stroombron en een weerstand RI vormen, waarbij deze stroombron de stroom 11. verschaft. De stroombron NN8. die de stroom I levert, is verder tussen de poort-en bronelektroden van NW7 verbonden. Op gelijkaardige wijze is de poort van PM9 gekoppeld met het verbindingspunt B van PM8 en NM4. die respektievelijk een weerstand R2 en een stroombron vormen, waarbij deze stroombron de stroom 11 verschaft. De stroombron PAID, die de stroom I
<Desc/Clms Page number 6>
levert 1S verder tussen de bron-en poortelektroden van PM9 verbonden.
Als VA en VB de nominale gelijkspanningen genoemd worden, die op de uitgangen A en B van de eerste en tweede verschilversterkerketens aanwezig zijn, bij afwezigheid van gelijkspanningsafwijking (offset), dan geldt de volgende betrekking :
EMI6.1
Omdat :
EMI6.2
kan de betrekking (l) gesehreven Morden :
EMI6.3
Als VOSA en VOSB de gelijkspanningsafwijkingen t. o. v. de nominale waarden VA en VB genoemd worden, dan kunnen ze een nadelige invloed hebben op de werking van de versterker. Inderdaad : - als VOSA en VOSB respektievelijk positief en negatief zijn t. o. v. VA en VB dan worden NM7 en PM9 beide meer geleidend en geven dus aanleiding tat een hoger stroomverbruik ; - als VOSA en VOSB respektievelijk negatief en positief zijn t. o. v.
VA en VB dan worden NM7 en PM9 beide minder geleidend en indien deze spanningswijzi ! ng voldoende groot is kunnen deze transistoren dus geblokkeerd worden.
Indien de correctieketen CC niet aanwezig is en er een positieve gelijkspanningsafwijking VOSB t. o. v. VB optreedt, bijvoorbeeld doordat de weerstand R2 in plaats van zijn nominale waarde de waarde R2 R3 heeft, dan kan de volgende betrekking geschreven worden, gezien de stroom 11 dan volledig door R2 - R3 vloeit :
EMI6.4
met VOSB = R3. 11 (7)
<Desc/Clms Page number 7>
zodat
EMI7.1
Dit betekent dat de volledige gelijkspanningsafwijking VOSB over de uitgang BA van de versterker verschijnt, hetgeen ongewenst is.
Indien echter de correctieketen CC aanwezig is, dan heeft de bovenvermelde gelijkspanningsafwijking VOSB de volgende invloed op de gelijkspanning die over de uitgang BA verschijnt.
Door de aanwezigheid van CC kan er nu een bijkomende (negatieve of positieve) stroom 12 vloeien van VDD naar VSS via R2 - R3, R en Rl, zodat de volgende
EMI7.2
betrekkingen geschreven kunnen worden
EMI7.3
VDD-VSS + Rl. + 12) (9) of VOD-R2. + Rl.
+ (R + Rl + R2-R3). (10) :Rekening houdend met de betrekkingen (2), (3) en (4) volgt hieruit dat :
EMI7.4
Gezien de spanning V"B - V"A ower de uitgang BA gegeven wordt door
EMI7.5
kan ze, rekening houdend met de betrekking (11), als volgt geschreven worden :
EMI7.6
of, rekening houdend met de betrekking (7) :
EMI7.7
als
EMI7.8
In het geval VOSB veroorzaakt wordt door een
<Desc/Clms Page number 8>
afwtjking wan R2 tot R2 + R3 dan heeft men dus dat F ongeveer gegeven wordt door :
EMI8.1
EMI8.2
Rl + R2.
Dit betekent dat als R dan 1 gekozen wordt. deze faktor F zeer klein wordt, zodat het aandeel van de gelijkspanningsafwijking in de uitgangsverschilspanning, die volgens de betrekking (8), zonder CC gelijk is aan VOSB herleid wordt tot F. VDSB die veel kleiner is dan VOSB. Met andere woorden. de uitgangsspanning blijft nagenoeg constant en gelijk aan RI, onafhankelijk van de gelijkspanningsafwijking van de stuurgelijkspanning.
In een voorkeursmtwoeringen is de waarde van R nagenoeg tienmaal kleiner dan de som van Rl en R2 en bedraagt de weerstand R3 enkele procenten van R1.
Het is duidelijk dat een gelijkspanningsafwijking VSOA, bijvoorbeeld veroorzaakt door een verandering van RI tot R1 ; R4 op de spanning over BA een gelijkaardige invloed heeft als een afwijking VOSB veroorzaakt door een
EMI8.3
verandering van R2 tot R2 Z R3.
Indien niet alleen R2 maar ook R1 een afwijking vertoont. dan kan de verschilspanning VB-VA als volgt geschreven worden :
EMI8.4
In dit geval wordt de gelijkspanningsafwijking VOSB - VOSA, die zonder de keten CC integraal over BA aanwezig zou zijn, dus teruggebracht tot (VOSB-VOSA).G(18) waarbij G gegeven wordt door :
EMI8.5
<Desc/Clms Page number 9>
Door deze faktor G zeer klein te kiezen wordt de afwijking op de uitgangsspanning verwaarloosbaar klein d. w. z. deze uitgangsspanning blijft nagenoeg constant en gelijk aan RI.
Uit de formule (17) is ook duidelijk dat de keten CC alleen werkt als VOSA verschillend is van VOSB en niet als deze aan elkaar gelijk zijn. Hieruit volgt ook dat zowel afwijkingen VOSA, VOSB van een verschillend teken t. o. v. hun respektieve nominale waarden VA en VB, als afwijkingen van eenzelfde teken, maar die van elkaar verschillend zijn worden gecorrigeerd.
Hoewel de principes van de uitvinding hierboven zijn beschreven aan de hand van bepaalde uitvoeringsvormen en wijzigingen daarvan, is het duidelijk dat de beschrijving slechts bij wijze van voorbeeld is gegeven en de uitvinding niet daartoe is beperkt.