DD229256A1

DD229256A1 - CMOS operational amplifier

Info

Publication number: DD229256A1
Application number: DD26692684A
Authority: DD
Inventors: Jochen Rudolph
Original assignee: Mikroelektronik Zt Forsch Tech
Priority date: 1984-09-03
Filing date: 1984-09-03
Publication date: 1985-10-30

Abstract

Die Erfindung betrifft einen CMOS-Operationsverstaerker mit hoher Verstaerkung, der in mikroelektronischen Schaltkreisen, die in CMOS-Technologie gefertigt werden, einsetzbar ist. Das Ziel der Erfindung besteht darin, einen CMOS-Operationsverstaerker mit hoher Gleichspannungsverstaerkung mit geringem schaltungstechnischen Aufwand zu realisieren. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit niedriger Stufen- und Transistoranzahl auch bei geringer Kanallaenge der verwendeten Transistoren eine hohe Leerlaufverstaerkung zu erreichen. Der erfindungsgemaesse CMOS-Operationsverstaerker besteht aus drei Verstaerkerstufen. Die erste Verstaerkerstufe besteht aus einer Konstantstromquelle und einem n-Kanal-Differenzverstaerker mit einem p-Kanal-Stromspiegel. Die zweite Verstaerkerstufe setzt sich aus dem p-Kanal-Verstaerkertransistor 11 und dem ueber den p-Kanal-Transistor 10 und den n-Kanal-Transistor 4 gesteuerten n-Kanal-Lasttransistor 5 zusammen. Der gemeinsame Source-, Bulkanschluss der n-Kanal-Transistoren 4; 5 liegt nicht an einem festen Potential, sondern am Ausgang 14. Die dritte Verstaerkerstufe besteht aus dem n-Kanal-Sourcefolger 7 und der Konstantstromquelle 6. FigurThe invention relates to a high gain CMOS operational amplifier that can be used in microelectronic circuits fabricated using CMOS technology. The aim of the invention is to realize a CMOS-Operationsverstaerker with high Gleichspannungsverstaerkung with little circuit complexity. The invention is based on the object to achieve a high Leerlaufverstaerkung with low number of stages and transistors even with a small channel length of the transistors used. The CMOS operational amplifier according to the invention consists of three amplifier stages. The first amplifier stage consists of a constant current source and an n-channel differential amplifier with a p-channel current mirror. The second amplifier stage is composed of the p-channel amplifier transistor 11 and the n-channel load transistor 5 controlled via the p-channel transistor 10 and the n-channel transistor 4. The common source, Bulkanschluss the n-channel transistors 4; 5 is not at a fixed potential, but at the output 14. The third amplifier stage consists of the n-channel source follower 7 and the constant current source 6. FIG

Description

CMOS-Operationsverstärker Anwendungsgebiet der ErfindungCMOS operational amplifier Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft einen CMOS-Operationsverstärker mit hoher Verstärkung, der in raikroelektronischen Schaltkreisen, die in CMOS-Technologie gefertigt werden, einsetzbar ist.The invention relates to a CMOS operational amplifier with high gain, which can be used in raikroelektronischen circuits, which are manufactured in CMOS technology.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Bekannt 3ind CMOS-Operationsverstärker, die den Aufbau n-Kanal-Differenzstufe, p-Kanal-Verstärkerstufe und n-Kanal-Sourcefolger besitzen.Disclosed are CMOS operational amplifiers having the construction of n-channel differential stage, p-channel amplifier stage and n-channel source follower.

(W.Black, A High Performance Low Power CMOS Channel Filter, JSSC, vol. SC.-15 December 1980). Die Verstärkung der zweiten Stufe ist durch den nicht unendlich großen Ausgangswiderstand der p-Kanal-Verstärkerstufe und der n-Kanal-Stromquelle in Abhängigkeit von der Transistordimensionierung und des Laststromes auf Werte um ca» 40 dB begrenzt.(W.Black, A High Performance Low Power CMOS Channel Filter, JSSC, vol., SC-15 December 1980). The gain of the second stage is limited by the not infinitely large output resistance of the p-channel amplifier stage and the n-channel current source as a function of the transistor dimensioning and the load current to values of approximately »40 dB.

Ss ist ein CMOS-Operationsverstärker in folgender Konfiguration bekannt (K.Schumacher, Modellierung, Entwurf und Untersuchungen von MOS-Operationsverstärkern für die Großintegration, Dissertation, Dortmund 1978):Ss is a CMOS operational amplifier in the following configuration known (K. Schumacher, modeling, design and investigations of MOS operational amplifiers for large scale integration, dissertation, Dortmund 1978):

- n-Kanal-Differenzverstärker mit p-Kanal-Stromspiegel- n-channel differential amplifier with p-channel current mirror

- n-Kanal-Sourcefolger zur Pegelverschiebung- n-channel source follower for level shift

- n-Kanal-Kaskodeverstärker mit Stromaufteilung- N-channel cascode amplifier with current distribution

- CMOS-Inverter als Ausgangsstufe- CMOS inverter as output stage

Um eine hohe Leerlaufverstärkung zu erreichen, v/ird als zweite Verstärkerstufe eine Kaskodeschaltung eingesetzt»In order to achieve a high open-loop gain, a cascode circuit is used as the second amplifier stage »

Der Einsatz einer Kaskodestufe bringt eine Erhöhung der Ausgangswiderstände und damit eine Vergrößerung der Verstärkung, erfordert aber eine höhere Anzahl von Transistoren und bringt zusätzliche Potentiale für die Kaskodetransistoren.The use of a cascode stage brings an increase in the output resistance and thus an increase in the gain, but requires a higher number of transistors and brings additional potentials for the cascode transistors.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Das Ziel der Erfindung besteht darin, einen CMOS-Operationsverstärker mit hoher Gleichspannungsverstärkung bei geringem schaltungstechnischen Aufwand zu realisieren.The object of the invention is to realize a CMOS operational amplifier with high DC gain with low circuit complexity.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen CMOS-Operations verstärker zu schaffen, ,.der mit niedriger Stufen- und Transistoranzahl auch bei geringer Kanallänge der verwendeten Transistoren eine hohe Leerlaufverstärkung aufweist.The invention has for its object to provide a CMOS operations amplifier, the .der having low stage and transistor count even with a small channel length of the transistors used has a high open-loop gain.

Der erfindungsgemäße CMOS-Operationsverstärker setzt sich aus drei Verstärkerstufen zusammen. Die erste Verstärkerstufe setzt sich aus einer Konstantstromquelle und einem n-Kanal-Differenzverstärker mit einem p-Kanal-Stromspiegel zusammen. Die zweite Verstärkerstufe besteht aus einem gateseitig mit dem Ausgang der ersten Verstärkerstufe verbundenen p-Kanal-Verstärkertransistor. Der Sourceanschluß dieses p-Kanal-Verstärkertransistors ist mit der positiven Versorgungsspannung, und dessen Drain ist mit dem Drain.eines n-Kanal-Transistors verbunden, der zu einem Stromspiegel gehört. Dar zweite n-Kanal-Transistor des Stromspiegels ist mit seiner Gate-Drain-Verbindung mit dem Drain eines weiteren p-Kanal-The CMOS operational amplifier according to the invention is composed of three amplifier stages. The first amplifier stage is composed of a constant current source and an n-channel differential amplifier with a p-channel current mirror. The second amplifier stage consists of a gate side connected to the output of the first amplifier stage p-channel amplifier transistor. The source of this p-channel amplifier transistor is connected to the positive supply voltage, and its drain is connected to the drain of an n-channel transistor belonging to a current mirror. Dar second n-channel transistor of the current mirror is with its gate-drain connection to the drain of another p-channel

Transistors zusammengeschaltet. Der Sourceanschluß des p-Kanal-Transistors ist mit der positiven Versorgungsspannung und dessen Gate ist an die Gate-Drain-Verbindung des p-Kanal-Stromspiegels der ersten Verstärkerstufe angeschlossen. Die Source-, Bulkanschlüsse der zwei n-Kanal-Transistoren des Stromspiegels sind mit dem Ausgang verbunden. Das Drain des p-Kanal-Verstärkertransistors ist mit dem Gate eines n-Kanal-Sourcefolgers der dritten Verstärkerstufe zusammengeschaltet* Der Source-, Bulkanschluß des n-Kanal-Sourcefolgers ist mit dem Ausgang und einer Konstantstromquelle, die mit der negativen Versorgungsspannung verbunden ist, zusammengeschaltet.Transistor interconnected. The source of the p-channel transistor is connected to the positive supply voltage and its gate is connected to the gate-drain of the p-channel current mirror of the first amplifier stage. The source, Bulkanschlüsse of the two n-channel transistors of the current mirror are connected to the output. The drain of the p-channel amplifier transistor is connected to the gate of an n-channel source follower of the third amplifier stage * The source, Bulkanschluß of the n-channel source follower is connected to the output and a constant current source, which is connected to the negative supply voltage, connected together.

Der p-Kanal-Verstärkertransistor der zweiten Verstärkerstufe wird von der n-Kanal-Differenzstufe angesteuert und arbeitet auf eine als n-Kanal-Stromspiegel ausgeführte Last. Die Verbindung des gemeinsamen Source-, Bulkanschlüsses der n-Kanal-Transistoren des Stromspiegels mit dem Ausgang hat zur Folge, daß über den n-Kanal-Sourcefolger die Drain-Source-Spannung des n-Kanal-Transistors, welcher mit dem p_Kanal-Verstärkertransistor verbunden ist, konstant gehalten, d.h. sein Ausgangswiderstand dynamisch vergrößert wird. Bine Steuerung des Laststromes dieses n-Kanal-Transistors wird durch den p-Kanal-Transistor, welcher mit dem p-Kanal-Stromspiegel der ersten Verstärkerstufe verbunden ist, durch seinen nicht unendlich großen Ausgangswiderstand derart realisiert, daß eine Änderung des Stromes vom p-Kanal-Verstärkertransistor, hervorgerufen durch eine Änderung seiner Drain-Source-Spanntmg ausgeglichen wird. Der Ausgangswiderstand des p-Kanal-Verstärkertransistors 11 wird durch das gegenphasige Zuschalten des anderen p-Kanal-Transistors 10 "kompensiert". Der Ausgangswiderstand dar zweiten Varstärkerstufe wird vergrößertThe p-channel amplifier transistor of the second amplifier stage is driven by the n-channel differential stage and operates on a designed as n-channel current mirror load. The connection of the common source, Bulkanschlüsses the n-channel transistors of the current mirror to the output has the consequence that via the n-channel source follower, the drain-source voltage of the n-channel transistor, which with the p_channel amplifier transistor connected, kept constant, ie its output resistance is increased dynamically. Bine control of the load current of this n-channel transistor is realized by the p-channel transistor, which is connected to the p-channel current mirror of the first amplifier stage, by its not infinitely large output resistance such that a change in the current from p- Channel amplifier transistor, caused by a change in its drain-Source-Spanntmg is compensated. The output resistance of the p-channel amplifier transistor 11 is "compensated" by the opposite-phase connection of the other p-channel transistor 10. The output resistance of the second Varstärkerstufe is increased

Die p-Kanal-Transistoren sowie die n-Kananl-Transistoren The p-channel transistors and the n-channel transistors

der zweiten Verstärkerstufe sind gleich zu dimensionieren.the second amplifier stage are equal to dimension.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.The invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment.

Die zugehörige Zeichnung zeigt den CMGS-Operationsverstärker. Er besteht im wesentlichen aus drei Verstärkerstufen. Die erste Verstärkerstufe wird realisiert durch den n-Kanal-Differenzverstärker mit den n-Kanal-Transistoren 1; 2, den p-Kanal-Stromspiegel mit den p-Kanal-Transistoren 8; 9 als Lastelemente und phasenaddierende Schaltung und der Konstantstromquelle 3. Die zweite Verstärkerstufe setzt sich aus dem p-Kanal-Verstärkertransistor 11 und dem Über den p-Kanal-Transistor 1Q und den n-Kanal-Transistor 4 gesteuerten n-Kanal-Lasttransistor 5 zusammen. Die dritte Verstärkerstufe besteht aus dem n-Kanal-Sourcefolger 7 und der Konstantstromquelle 6.The accompanying drawing shows the CMGS operational amplifier. It consists essentially of three amplifier stages. The first amplifier stage is realized by the n-channel differential amplifier with the n-channel transistors 1; 2, the p-channel current mirror with the p-channel transistors 8; 9 as load elements and phase adding circuit and the constant current source 3. The second amplifier stage is composed of the p-channel amplifier transistor 11 and the n-channel load transistor 5 controlled via the p-channel transistor 1Q and the n-channel transistor 4 , The third amplifier stage consists of the n-channel source follower 7 and the constant current source 6.

Die Eingangsstufe weist in der Ausführung keine Besonderheiten auf. Von der n-Kanal-Differenzstufe wird der p-Kanal-Verstärkertransistor 11 angesteuert, der auf eine als n-Eanal-Stromspiegel 4; 5 ausgeführte Last arbeitet· Der gemeinsame Source-, Bulkanschluß der n-Kanal-Transistoren 4; 5 liegt nicht an einem festen Potential, sondern am Ausgang 14. Durch diese Maßnahme wird folgendes erreicht:The input stage has no special features in the design. From the n-channel differential stage, the p-channel amplifier transistor 11 is driven, which is connected to an n-Eanal current mirror 4; 5 executed load operates · The common source, Bulkanschluß the n-channel transistors 4; 5 is not at a fixed potential, but at the output 14. By this measure, the following is achieved:

Über den η-Kanal—Sourcefolger 7 wird die Drain-Source-Spannung des n-Kanal-Transistors 5 konstant gehalten, d.h. aein Ausgangswiderstand wird dynamisch vergrößert. Weiterhin realisiert derρ-Kanal-Transistor 10 durch seinen nicht unendlich großen Ausgangswiderstand eine Steuerung des Laststromes des n-Kanal-Transistors 5 derart, daß eine Änderung des Stromes vom p-Kanal-Verstärkertransistor 11, hervorgerufen durch eine Änderung seiner Drain-Source-Spannung, ausgeglichen wird. Der Ausgangswiderstand desVia the η-channel source follower 7, the drain-source voltage of the n-channel transistor 5 is kept constant, i. an output resistance is increased dynamically. Furthermore, the p-channel transistor 10, by its not infinitely large output resistance, realizes a control of the load current of the n-channel transistor 5 such that a change of the current from the p-channel amplifier transistor 11 caused by a change in its drain-source voltage , is compensated. The output resistance of the

p-Kanal-Verstärkertransistors 11 wird durch das gegenphasige Zuschalten des p-Kanal-Transistors 10 "kompensiert". Der Ausgangswiderstand der zweiten Verstärkerstufe wird vergrößert.P-channel amplifier transistor 11 is "compensated" by the anti-phase connection of the p-channel transistor 10. The output resistance of the second amplifier stage is increased.

Dazu ist ea notwendig, für die p-Kanal-Transistoren 10; 11 sowie für die n-Kanal-Transistoren 4; 5 jeweils gleiche Dimensionierungen vorzusehen. Die Verstärkung der zweiten Verstärkerstufe wird vergrößert, wobei die Transistoren 4; 5; 10; 11 geringe Kanallängen besitzen können.For this purpose, ea is necessary for the p-channel transistors 10; 11 and for the n-channel transistors 4; 5 each provide the same dimensions. The gain of the second amplifier stage is increased, the transistors 4; 5; 10; 11 may have small channel lengths.

Claims

Erfindiingsanspruch

A high gain CHOS operational amplifier comprising a plurality of amplifier stages, the first amplifier stage consisting of a constant current source connected to a negative supply voltage, and an n-channel differential amplifier having a p-channel current mirror, characterized in that the second amplifier stage consists of a p-channel amplifier transistor (11) connected on the gate side to the output of the first amplifier stage, whose source terminal is connected to the positive supply voltage (15) and whose drain is connected to the drain of an n-channel transistor (5) Current mirror, consisting of the n-channel transistors (4-5), is connected, wherein the gate and drain of the n-channel transistor (4) with the drain of another p-channel transistor (ΊΟ), whose source terminal with the positive. Supply voltage (15) and whose gate is connected to the gate-drain connection of the p-channel current mirror of the first amplifier stage, are connected together that the common source, BuIkanschluß the n-channel transistors (4, 5) of the current mirror with the output (14) is connected, and that the drain of the p-channel amplifier transistor (11) is connected to the gate of an n-channel source follower (7) of the third amplifier stage whose source, BuIkanschluß connected to the output (14) and a constant current source (6), which is connected to the negative supply voltage (16) is connected together.

2. CMOS operational amplifier according to claim 1, characterized in that the p-channel transistors (10? H) and the n-channel transistors (4; 5) are to be dimensioned equal.

- For this 1 sheet drawing -