DE10128570A1

DE10128570A1 - Verbesserte Anstiegsgeschwindigkeit in Verstärkerschaltungen

Info

Publication number: DE10128570A1
Application number: DE10128570A
Authority: DE
Inventors: Steven O Smith
Original assignee: Fairchild Semiconductor Corp
Current assignee: Fairchild Semiconductor Corp
Priority date: 2000-06-13
Filing date: 2001-06-13
Publication date: 2002-01-24
Anticipated expiration: 2021-06-14
Also published as: US6456161B2; US20020005756A1; JP2002111410A; DE10128570B4

Abstract

Eine Verstärkerschaltung umfaßt eine Eingangsstufe, die ein Eingangssignal empfangen und verstärken kann, eine Verstärkungsstufe, die elektrisch mit der Eingangsstufe verbunden ist, die das Eingangssignal weiter verstärken kann, und eine Ausgangsstufe, die elektrisch mit der Verstärkungsstufe verbunden ist, eine eine Kapazität der Verstärkerschaltung laden und das verstärkte Eingangssignal ausgeben kann. Die Verstärkungsstufe der Verstärkerschaltung umfaßt ein Paar Verstärkungstransistoren, deren Basisanschlüsse elektrisch mit der Eingangsstufe verbunden sind, deren Kollektoranschlüsse elektrisch mit einem Pfad zur Erde verbunden sind, und deren Emitteranschlüsse elektrisch mit der Ausgangsstufe verbunden sind.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Feld der elek tronischen Schaltungen und insbesondere auf das Steigern der Anstiegsraten in elektronischen Schaltungen, wie Verstärker schaltungen.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Hochge schwindigkeitsvorrichtungen, wie Kommunikationssysteme, An zeigen und dergleichen, wobei sich diese von Mobiltelefonen bis zu Computeranzeigevorrichtungen erstrecken, in denen das Großsignalverhalten des Verstärkers ein wichtiges Merkmal darstellt. Die vorliegende Erfindung schließt eine Vielzahl von Gestaltungen ein, die Techniken liefern können, um ein gutes Großsignalverhalten in einer Vielzahl von Schaltungsan ordnungen zu erzielen.

Analoge Schaltungselemente in einem System müssen einen spe zifizierten Signalhub an das nächste Element in der Schaltung anlegen. Das nächste Element weist oft einen für den maxima len Dynamikbereich, wie den vollen Umfangspegel eines Analog- Digital-Wandlers, notwendige Signalhub auf. Wenn sich Systeme für die Verwendung mit höheren Bandbreiten entwickeln, so er reichen analoge Schaltungselemente, insbesondere Elemente mit einer Rückkopplung, ihre Großsignalgrenzen. Die Großsignal leistung wird gewöhnlicherweise als Anstiegsrate gemessen, wobei diese als die maximale Rate der Spannungsänderung, die bei einer Schaltung an einem vorgegebenen Knoten möglich ist, definiert wird.

Die klassische Grenze der Anstiegsrate in einem Verstärker tritt häufig auf, wenn eine Stufe im Verstärker (gewöhnlich erweise eine Eingangsstufe) einen festen maximalen Strom auf weist und diese Stufe eine Kapazität laden muß. Dies ist ge zeigt in Fig. 1, die eine Verstärkerschaltung 10, die eine Eingangsstufe 20 und eine Ausgangsstufe 30 enthält, zeigt. Die Eingangsstufe 20 liefert einen Strom mit einem festen Ma ximalwert an die Ausgangsstufe 30, und dieser Strom kann an einen Kondensator 104, der sich in der Ausgangsstufe 30 be findet, gelegt werden.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, so umfaßt die Eingangsstufe 20 ein differentielles Paar von Transistoren 101 und 102, die ein differentielles Eingangssignal 111 an ihren jeweiligen Basisanschlüssen 110 und 112 empfangen. Das differentielle Eingangssignal 111 steuert, wie viel Strom durch die Transi storen 101 und 102 fließt. Ein Stromgenerator 103 ist mit den Transistoren 101 und 102 an ihren jeweiligen Emitteranschlüs sen 114 und 116 verbunden. Der Stromgenerator 103 liefert eine Stromverstärkungsschaltung 10, wobei dieser Strom typi scherweise einen festen maximalen Wert aufweist. Somit ist der maximale Strom, den die Transistoren 101 und 102 an die Ausgangsstufe 30 und schließlich an den Kondensator 104 anle gen können, der Strom, der vom Stromgenerator 103 erzeugt wird. Dies kann dann die maximale Laderate des Kondensators 104 durch die Strom-Spannungsbeziehung eines Kondensators bestimmen:

δV/δt = I/C,

wobei δV/δt die Zeitrate der Änderung der Spannung (Anstiegs rate), I der Strom 103 und C die Kapazität 104 ist.

Um die Schaltung der Eingangsstufe 20 zu komplettieren, um fassen die Transistoren 101 und 102 ein Paar Kollektoran schlüsse 118 und 120, die elektrisch mit einem Paar Wider stände 105 und 106 verbunden sind. Die Widerstände 105 und 106 sind wiederum mit Pfad zur Erde 122 verbunden.

Die Ausgangsstufe 30 umfaßt einen Transistor 107 mit einem Emitteranschluß 124, der elektrisch mit dem Kollektoranschluß 120 des Transistors 102 verbunden ist. Der Transistor 107 wird mit einer Referenzspannung 129, die an den Basisanschluß 126 des Transistors 107 gelegt wird, betrieben. Der Transi stor 107 weist auch einen Kollektoranschluß 128, der mit dem Kondensator 104 über die Ausgangsleitung 132 verbunden ist, auf, und der Kondensator 104 ist wiederum mit einem Pfad zur Erde 130 verbunden. Die Ausgangsleitung 132 ist typischer weise mit einer zusätzlichen Schaltung verbunden, wobei diese für den Zweck dieser Beschreibung keine Beziehung zur Ver stärkerschaltung 10 aufweist und deswegen nicht dargestellt ist.

Während eine Vielzahl von Techniken angewandt werden, um die Anstiegsrate zu verbessern, so erzielt doch keine einzige Ge staltung ihre Ziele, ohne die Leistung in anderen Bereichen zu beschränken. Beispielsweise ist eine im Stand der Technik allgemein bekannte Technik die Gegenkopplung der Eingangs stufe. Diese Technik liefert größere Anstiegsraten, aber sie erhöht das Rauschen und sie verschlechtert die Leerlaufver stärkung. Eine andere übliche Technik verwendet eine Ein gangsstufe, die keine Strombegrenzung aufweist, wobei ein Beispiel dieser Technik im US-Patent 5,049,653, das an Smith et al. erteilt wurde, und das hiermit durch Bezugnahme einge schlossen wird, beschrieben ist. Diese Technik wird üblicher weise in Verstärkern mit Stromrückkopplung verwendet und wurde auch in Verstärkern mit Spannungsrückkopplung implemen tiert. Der Nachteil der nicht strombegrenzten Eingangsstufe besteht darin, daß mehr Spannung benötigt wird, um die Stufe vorzuspannen, was sie bei Anwendungen, die mit einer niedri gen Versorgungsspannung oder einer Batterie betrieben werden, nicht verwendbar macht.

Zusätzlich ist es nicht ausführbar, eine nicht strombegrenzte Eingangsstufe in Anwendungen mit einer einzigen Spannungsver sorgung, die es erforderlich machen, daß der gemeinsame Ein gangsbereich eine oder beide Spannungsversorgungen umfaßt, zu verwenden. Somit wird, obwohl Lösungen für die Probleme, die in dieser Beschreibung erwähnt wurden, existieren, von keiner Lösung angenommen, daß sie das passende Gleichgewicht mitein ander wetteifernden Belange in den meisten Anwendungen lie fert, wobei sicher keine Lösung die verschiedenen Kriterien, die nun durch die vorliegende Erfindung, insbesondere im Ge biet niedriger Spannungen, einer einzigen Versorgung oder ei ner Versorgung mit einer Batterie, erfüllt werden, erfüllen. Somit besteht ein Bedürfnis nach einem verbesserten Verstär kersystem und einem Verfahren, das die Anstiegsrate einer Schaltung nicht begrenzt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Nachteile und Probleme, die mit aktuell verwendeten Ver stärkern, die eine strombegrenzende Stufe und ähnliche Schal tungen aufweisen, verbunden sind, konnten unter Verwendung der vorliegenden Erfindung behoben werden.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt eine Ver stärkerschaltung eine Eingangsstufe, die ein Eingangssignal empfangen und verstärken kann, eine Verstärkungsstufe, die das Eingangssignal weiter verstärken kann, wobei die Verstär kungsstufe elektrisch mit der Eingangsstufe verbunden ist, und eine Ausgangsstufe, die eine Kapazität der Verstärker schaltung laden und das verstärkte Eingangssignal ausgeben kann, wobei die Ausgangsstufe elektrisch mit der Verstär kungsstufe verbunden ist.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Eingangsstufe der Verstärkungsschaltung ein differentielles Paar von Transistoren, wobei jeder Transistor eine Basis, ei nen Emitter und einen Kollektor aufweist, einen Stromgenera tor, der elektrisch mit den Emitteranschlüsse des differenti ellen Paars von Transistoren verbunden ist, ein Paar Ein gangsleitungen, die elektrisch mit den Basisanschlüssen des differentiellen Paars von Transistoren verbunden sind, wobei die Eingangsleitungen konfiguriert sind, um ein Eingangssi gnal zu führen, ein Paar Widerstände, die elektrisch mit den Kollektoranschlüssen des differentiellen Paars von Transisto ren verbunden sind, und einen Pfad zur Erde, der elektrisch mit dem Paar der Widerstände verbunden ist.

Gemäß einer nochmals anderen Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Verstärkungsstufe der Verstärkerschaltung ein Paar Verstärkungstransistoren, wobei jeder Verstärkungstransistor eine Basis, einen Emitter und einen Kollektor umfaßt, wobei die Basisanschlüsse der Verstärkungstransistoren elektrisch mit der Eingangsstufe verbunden sind, wobei die Kollektoran schlüsse der Verstärkungstransistoren elektrisch mit einem Pfad zur Erde verbunden sind, und wobei die Emitteranschlüsse der Verstärkungstransistoren elektrisch mit der Ausgangsstufe verbunden sind.

Und gemäß einer nochmals andere Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Ausgangsstufe der Verstärkerschaltung ein Paar Ausgangstransistoren, wobei jeder Ausgangstransistor eine Ba sis, einen Emitter und einen Kollektor umfaßt, wobei die Emitter elektrisch mit der Verstärkungsstufe verbunden sind, eine Referenzspannungsleitung, die elektrisch mit den Basis anschlüssen der Ausgangstransistoren verbunden ist, wobei die Referenzspannungsleitung konfiguriert ist, um ein Referenz spannungssignal zu führen, und ein Paar Ausgangsleitungen, die elektrisch mit den Kollektoranschlüssen der Ausgangstran sistoren verbunden sind.

Ein wichtiger technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung umfaßt das Anlegen der verstärkten Eingangssignale, die in der Eingangsstufe einer Verstärkerschaltung produziert wer den, an die Basisanschlüsse der Transistoren in einer Ver stärkungsstufe einer Verstärkerschaltung. Diese Konfiguration unterbricht die typische direkte Beziehung zwischen der Ein gangsstufe und der Ausgangsstufe einer Verstärkerschaltung. So kann hier, wenn die nur einen kleinen Stromwert aufweisen den Eingangsstufensignale von der Ausgangsstufe der Verstär kerschaltung gelöst werden, die Ausgangsstufe frei bei höhe ren Strömen arbeiten. Das Ergebnis ist eine Erhöhung der An stiegsrate der Verstärkerschaltung.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfin dung und ihrer weiteren Merkmale und Vorteile wird nun auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen Bezug genommen.

Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm einer Schaltung, die die Quelle der Begrenzung der Anstiegsrate zeigt;

Fig. 2 ist ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform der Erfindung zeigt;

Fig. 3 ist ein schematisches Diagramm einer bekannten Schal tung, die eine Begrenzung der Anstiegsrate aufweist; und

Fig. 4 ist ein schematisches Diagramm einer Schaltung, die gemäß einer Ausführungsform der Erfindung konstruiert ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und ihre Vorteile werden am besten durch Bezugnahme auf die Zeich nungsfiguren 2 bis 4 deutlich. Gleiche Zahlen werden für gleiche und korrespondierende Teile in den verschiedenen Zeichnungen verwendet.

Die Erfindung umfaßt Systeme und Verfahren für das Bereit stellen von elektronischen Schaltungen, die im Vergleich zu bekannten Systemen eine hohe Anstiegsrate aufweisen. Zusätz lich zu einer Erhöhung der Anstiegsrate hat die Erfindung viele andere praktische Merkmale, wie zum Beispiel, daß sie das Rauschen nicht erhöht, während sie die Verstärkung der Schaltung aufrecht hält. Die Erfindung gestattet es auch, daß der Gleichtakteingabesignalbereich eine oder beide Spannungs versorgungen umfaßt. Die Erfindung erzeugt diese Verbesserung der Anstiegsrate durch die Verwendung von Verstärkungsstufen, die in eine Vielzahl elektronischer Schaltungen eingeschlos sen werden können. Beispielsweise kann die Erfindung in Tele kommunikationsgeräte, die Mobiltelefone oder PCS-Telefone einschließen, mit Batterie oder einer niedrigen Spannung ver sorgte Geräte und die meisten elektronischen Schaltungen, die Verstärkerschaltungen verwenden, eingebaut werden.

Fig. 2 ist ein Blockdiagramm, das eine grobe Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung zeigt. Diese Ausführungsform beginnt mit einem Eingangssignal 200, wobei dieses ein diffe rentielles Eingangssignal, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, sein kann. Das Eingangssignal 200 wird an eine Strombegren zungsstufe 201 angelegt, und diese Stufe ist ähnlich zur Ein gangsstufe 20 der Fig. 1 aufgebaut. Das Eingangssignal 200 wird durch die Strombegrenzungsstufe 201 verstärkt, und das sich ergebende verstärkte Signal wird dann an eine Hochstrom stufe 202 angelegt. In dieser Ausführungsform wird anders als bei der Schaltung, die in Fig. 1 gezeigt ist, das verstärkte Signal an die Hochstromstufe 202 derart angelegt, daß die Hochstromstufe 202 nicht durch den begrenzten Strom der Stufe 201 begrenzt wird. Die Hochstromstufe 202 weist deswegen ei nen viel höheren maximalen Strom als die Strombegrenzungs stufe 201 auf. Die Hochstromstufe 202 gibt dann ein höherer Stromsignal an einen Kondensator 203 weiter, und der Konden sator 203 kann mit einem Pfad zur Erde 204 (wie in Fig. 2 gezeigt) oder mit zusätzlichen Schaltungselementen verbunden sein. Die Verwendung eines höheren Stromsignals kann die An stiegsrate der gesamten Schaltung erhöhen.

Fig. 3 ist ein schematisches Diagramm einer Eingangsschal tung 300, die gemeinhin in Verstärkern mit einer einzigen Versorgungsspannung verwendet wird. Die Eingangsschaltung 300 umfaßt eine Eingangsstufe 312 und eine Ausgangsstufe 314. Die Eingangsstufe 312 empfängt und verstärkt ein Eingangssignal und gibt dann dieses verstärkte Signal an die Ausgangsstufe 314. Die Ausgangsstufe 314 kann den Strom, der von der Ein gangsstufe 312 über das verstärkte Eingangssignal geliefert wird, verwenden, um ein Paar Kondensatoren 306 und 307 aufzu laden, und sie kann den Strom an die anderen Schaltungsele mente, die sich außerhalb der Eingangsschaltung 300 befinden, weitergeben.

Die Eingangsstufe 312 weist ein Paar Transistoren 301 und 302, die ein einfaches Differentialpaar bilden, auf. Der Transistor 301 umfaßt einen Emitter- oder Sourceanschluß 316, einen Basis- oder Gateanschluß 318 und einen Kollektor- oder Drainanschluß 320. Der Transistor 302 umfaßt einen Emitteran schluß 322, einen Basisanschluß 324 und einen Kollektoran schluß 326. Die Transistoren 301 und 302 als auch irgendwel che oder alle der anderen hier beschriebenen Transistoren können Bipolartransistoren, wie pnp- oder npn-Bipolartransi storen sein. Alternativ können die hier beschriebenen Transi storen andere Transistoren oder Vorrichtungen, wie Feldef fekttransistoren, umfassen. Die Transistoren können als ein zelne Bauteile, wie sie hier beschrieben sind, ausgebildet sein, oder sie können mehrere Vorrichtungen wie zusammenge setzte Emitterfolger, Darlington-Schaltungen oder andere zu sammengesetzte Transistorschaltungen umfassen.

Ein Differentialpaar ist ein Verstärker mit zwei Transisto ren, in dem ein differentielles Eingangssignal 328 an die Ba sisanschlüsse 318 und 324 der beiden Transistoren 301 und 302 über ein Paar Eingangsleitungen 327 und 329 angelegt wird. Das Ausgangssignal wird dann in differentieller Weise von den Kollektoranschlüssen 320 und 326 abgenommen. Im Differential paar sind die Emitteranschlüsse 316 und 322 gemeinsam mit ei nem Konstantstromgenerator 303 verbunden. Der Stromgenerator 303 liefert einen Strom an die Eingangsstufe 312 und weist typischerweise eine festen maximalen Grenzwert auf.

Die Kollektoren 320 und 326 der Transistoren 301 und 302 sind mit einem Paar Widerstände 304 und 305 belastet. Die Wider stände 304 und 305 bilden einen Puffer zwischen dem Differen tialpaar und einen Pfad zur Erde 330, ohne den der Strom in der Eingangsstufe 312 direkt und stark nach Erde abfließen würde, und die Schaltung somit nicht funktionieren würde. Der Pfad zur Erde 330 kann zusätzlichen Schaltungen, die hier nicht gezeigt sind, umfassen.

Die Ausgangsstufe 314 umfaßt ein Paar Transistoren 308 und 309, die elektrisch mit der Eingangsstufe 312 verbunden sind. Insbesondere weisen die Transistoren 308 und 309 Emitteran schlüsse 332 und 334 auf, die elektrisch mit den Kollektoren 320 und 326 der Transistoren 301 und 302 verbunden sind, und die elektrisch mit dem Widerständen 304 und 305 verbunden sind. Die Transistoren 308 und 309 umfassen auch Basisan schlüsse 336 und 338, die mit einer Referenzspannungsein gangsleitung 344 verbunden sind, und Kollektoranschlüsse 340 und 342, die mit Ausgangsleitungen 310 und 311 verbunden sind. Die Transistoren 308 und 309 können über die Ausgangs leitungen 310 und 311 ein Paar Kondensatoren 306 und 307 an steuern (wobei diese eine Kombination aus einer parasitären Kapazität und eine Kompensationskapazität darstellen können), und sie können eine zusätzliche Schaltung, die nicht gezeigt ist, ansteuern.

Die Kondensatoren 306 und 307 können mit einem Pfad zur Erde 346 (nicht gezeigt) verbunden sein, oder sie können mit ande ren Schaltungselementen, die für die Eingangsschaltung 300 in dieser Beschreibung nicht relevant sind, verbunden sein. Die Referenzspannungseingangsleitung 344 trägt eine Referenzspan nung 345, die typischerweise so eingestellt wird, daß die Transistoren 308 und 309 dieselbe Menge des Stroms wie die Transistoren 301 und 302 leiten, wenn sich die Eingangsschal tung 300 in einem ausgeglichenen Ruhezustand befindet (das heißt, ein Zustand, bei dem das differentielle Eingangssignal 328 ungefähr Null ist).

Die Transkonduktanzverstärkung der Eingangsschaltung 300 in Fig. 3 ist für ein kleines differentielles Eingangssignal 328, das zwischen den Basisanschlüssen 318 und 324 der Tran sistoren 301 und 302 angelegt wird, ungefähr die Transkonduk tanz eines Differentialpaares, die sich folgendermaßen er gibt:

I_out = gm (V_in/2)

wobei I_out die Änderung (gegenüber dem Gleichgewichtszustand) in einem der Ströme auf den Ausgangsleitungen 310 oder 311 darstellt, V_in das differentielle Eingangssignal 328 dar stellt, und gm die Kleinsignaltranskonduktanz der Eingangs transistoren 301 und 302 darstellt.

Der maximale Ausgangsstrom tritt auf, wenn eine relativ große differentielle Spannung durch das differentielle Eingangssi gnal 328 angelegt wird. Es werde angenommen, daß das diffe rentielle Eingangssignal 328 bis zu dem Punkt erhöht wird, bei dem der ganze Strom vom Stromgenerator 303 durch den Transistor 302 fließt, und bei dem kein Strom durch den Tran sistor 301 fließt. Ein niedriges Stromsignal oder gar kein Stromsignal wird dann an den Emitteranschluß 332 des Transi stors 308 angelegt, und ein hohes Stromsignal wird an den Emitteranschluß 334 des Transistors 309 angelegt. Unter die sen Bedingungen wird der Transistor 308 durchgängig sein, da das Referenzspannungssignal 344 einen höheren Strom am Basis anschluß 336 als den niedrigen oder gar keinen Strom am Emit teranschluß 332 liefert, und somit wird Strom durch den Tran sistor 308 fließen. Der Transistor 309 wird andererseits schließen, da das Referenzspannungssignal 344 einen Strom am Basisanschluß 338 liefert, der geringer als das hohe Stromsi gnal am Emitteranschluß 334 ist, und es wird dem Strom nicht gestattet, durch den Transistor 309 zu fließen.

Das Schließen des Transistors 309 bewirkt, daß sich der Strom auf der Ausgangsleitung 311 dem Wert Null nähert, und das Öffnen des Transistors 308 bewirkt, daß sich der Strom auf der Ausgangsleitung 310 verdoppelt (was somit den Strom auf der Ausgangsleitung 310 gleich dem Strom macht, der durch den Stromgenerator 303 erzeugt wird). Somit ist der maximale Aus gangsstrom der Schaltung 300 in Fig. 3 auf den Eingangs strom, der durch den Stromgenerator 303 geliefert wird, be grenzt.

Fig. 4 ist ein schematisches Diagramm einer Eingangsschal tung 400 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Hochstromstufe, die ähnlich der Hochstromstufe 202 der Fig. 2 ist, dem System hinzugefügt wurde. Diese Hochstrom stufe wird hier durch eine Verstärkungsstufe 418 geliefert. Die Eingangsschaltung 400 umfaßt auch eine Eingangsstufe 416 und eine Ausgangsstufe 420, ähnlich der Eingangsschaltung 300 der Fig. 3. Die Verstärkungsstufe 418 ist zwischen der Ein gangsstufe 416 und der Ausgangsstufe 420 angeordnet, und sie funktioniert als eine Zwischenschaltung, um zu verhindern, daß der mit niedrigen Strom durchgeführte Betrieb der Ein gangsstufe 416 den Stromfluß in der Ausgangsstufe 420 be schränkt.

Die Eingangsstufe 416 umfaßt Transistoren 401 und 402, die ein einfaches differentielles Paar ähnlich dem differentiel len Paar in Fig. 3 bilden. Die Transistoren 401 und 402 um fassen Basisanschlüsse 422 und 424, die mit den Eingangslei tungen 426 und 428 verbunden sind, wobei die Eingangsleitun gen 426 und 428 ein differentielles Eingangssignal 430 tra gen. Die Transistoren 401 und 402 umfassen auch Emitteran schlüsse 432 und 434, die mit einem Stromgenerator 403 ver bunden sind. Wie in der Fig. 3 liefert der Stromgenerator 403 einen konstanten Strom zur Eingangsstufe 416, und er weist typischerweise einen festen maximalen Grenzwert auf. Schließlich umfassen die Transistoren 401 und 402 Kollektor anschlüsse 436 und 438, die mit Widerständen 404 und 405 be lastet sind, wobei diese wiederum mit einem Pfad zur Erde 448 verbunden sind.

Die Verstärkungsstufe 418 wird durch die Transistoren 412 und 413 gebildet. Das Hinzufügen der Transistoren 412 und 413 ge stattet es, daß der maximale Ausgangsstrom größer als der Strom, der durch den Stromgenerator 403 geliefert wird, ist. Hier wird das verstärkte Eingangssignal, das durch die Ein gangsstufe 416 erzeugt wird, primär dazu verwendet, die Tran sistoren 412 und 413 der Verstärkungsstufe 418 zu betreiben, und es wird nicht verwendet, um Strom in die Ausgangsstufe 420 zu liefern. Dies erfolgt durch die Verbindung der Kollek toren 436 und 438 der Widerstände 401 und 402 mit einem Paar Basisanschlüsse 440 und 442 auf den Transistoren 412 und 413. Nun wird Strom, der von den Kollektoren 436 und 438 fließt, die Transistoren 412 und 413 der Verstärkungsstufe 418 steu ern. Die Transistoren 412 und 413 umfassen auch Kollektoran schlüsse 444 und 446, die mit dem Pfad zur Erde 448 verbunden sind, und Emitteranschlüsse 450 und 452, die mit der Aus gangsstufe 420 verbunden sind.

Die Ausgangsstufe 420 ist in ähnlicher Weise wie die Aus gangsstufe 314 der Fig. 3 konstruiert. Die Ausgangsstufe 420 umfaßt ein Paar Transistoren 408 und 409, die mit den Aus gangsleitungen 410 und 411 verbunden sind, und sie kann ein Paar von Kondensatoren 406 und 407 (die wiederum eine Kombi nation einer parasitären Kapazität und einer Kompensationska pazität darstellen können) einschließen. Die Ausgangsleitun gen 410 und 411 können mit einer zusätzlichen Schaltung ver bunden sein, wobei diese aber im Zuge dieser Beschreibung für die Eingangsschaltung 400 nicht relevant ist, und deshalb nicht gezeigt ist. Die Kondensatoren 406 und 407 sind mit Ausgangsleitungen 410 und 411 verbunden, und sie können mit einem Pfad zur Erde 454 (wie das gezeigt ist) oder mit einer zusätzlichen (nicht gezeigten) Schaltung verbunden sein. Die Transistoren 408 und 409 können Kondensatoren 406 und 407 über Ausgangsleitungen 410 und 411 ansteuern.

Die Transistoren 408 und 409 umfassen Emitteranschlüsse 456 und 458, Kollektoranschlüsse 460 und 462 und Basisanschlüsse 464 und 466. Die Emitteranschlüsse 456 und 458 sind mit der Verstärkungsstufe 418 über Emitteranschlüsse 450 und 452 der Transistoren 412 und 413 verbunden. Die Kollektoranschlüsse 460 und 462 sind mit den Ausgangsleitungen 410 und 411 ver bunden. Die Basisanschlüsse 464 und 466 sind mit einer Refe renzspannungsleitung 468, die eine Referenzspannung 470 führt, verbunden.

Die Referenzspannung 470 kann in Abhängigkeit von der gefor derten Leistung der Eingangsschaltung 400 auf eine Vielzahl von Arten eingestellt werden. Dieses Merkmal als auch die Vorteile der Eingangsschaltung 400 können durch einige Bei spiele demonstriert werden. Die folgenden Beispiele sollen nur als Darstellungen der vorteilhaften Leistungen der Ein gangsschaltung 400 dienen, und sie sollen nicht als eine Ein schränkung der Erfindung aufgefaßt werden.

Im ersten Beispiel kann die Bezugsspannung 470 so eingestellt werden, daß die Transkonduktanzverstärkung der Eingangsschal tung 400 der Fig. 4 gleich ist der Transkonduktanzverstär kung der Eingangsschaltung 300 der Fig. 3. Dies kann er reicht werden, indem die Summe der Transkonduktanzen (gm) der Transistoren 412 und 408 gleich der Inversen des Widerstands werts des Widerstands 404 gemacht wird. In ähnlicher Weise könnte die Summe der Transkonduktanzen der Transistoren 413 und 409 gleich der Inversen des Widerstandswert des Wider stands 405 gemacht werden. Dies würde die Verstärkung der Schaltungen der Fig. 3 und 4 gleich machen.

Der maximale Ausgangsstrom in Fig. 4 kann so auftreten, wie das in Fig. 3 der Fall ist, wenn eine relativ große diffe rentielle Spannung durch das differentielle Eingangssignal 430 angelegt wird. Man nehme an, daß das differentielle Ein gangssignal 430 bis zum Punkt erhöht wird, bei dem der ge samte Strom, der durch den Stromgenerator 403 geliefert wird, durch den Transistor 402 fließt, und gar kein Strom durch den Transistor 401 fließt. Dies kann bewirken, daß der Spannungs abfall über dem Widerstand 405 auf das Doppelte seines Ruhe wertes geht, und daß sich der Spannungsabfall über dem Wider stand 404 dem Wert null nähert. Diese Spannung kann an die Transistoren 412, 413, 408 und 409 angelegt werden, was be wirkt, daß sich der Strom auf der Ausgangsleitung 411 dem Wert null nähert, und der Strom auf der Ausgangsleitung 410 nicht linear zunimmt. Hier weist der Strom auf der Ausgangs leitung 410 keine abrupte Grenze auf, wie er dies in der Ein gangsschaltung 300 der Fig. 3 tat. Der Strom auf der Aus gangsleitung 410 ist nur durch die Größe der angelegten Span nung und die Transistorverstärkung bei hohen Strömen be grenzt.

Im zweiten Beispiel wird der Vorteil der Eingangsschaltung 400 unter Verwendung numerischer Werte gezeigt. Hier kann der Ruhewert des Spannungsabfalls über den Widerständen 404 und 405 auf 250 mV festgelegt werden. Dies ist ein typischer Wert für eine Schaltung, die es gestattet, daß die Gleichtaktspan nung des differentiellen Eingangssignals 430 leicht negativ wird und dennoch eine Verstärkerfunktion aufrecht hält. Der Widerstandswert der Widerstände 404 und 405 kann dann auf 10 kΩ eingestellt werden. Dies bedeutet, daß der Strom, der durch den Stromgenerator 403 geliefert wird, einen Wert von ungefähr 50 µA aufweist. Damit die Verstärkung in der Schal tung der Fig. 4 gleich der Verstärkung in der Schaltung der Fig. 3 wird, muß die Summe der Transkonduktanzen der Transi storen 412 und 408 gleich dem Inversen des Widerstandswertes des Widerstands 404 sein. Dies bestimmt den Betriebsstrom der Transistoren 412 und 408. Bei einem bipolaren Transistor gilt:

gm = I_c/V_t

wobei I_c der Kollektorstrom und V_t die thermische Spannung ist, die bei 27°C ungefähr 26 mV beträgt.

Damit die Summe von gm der Transistoren 412 und 408 gleich 1/10 kΩ ist, könnte der Ruhekollektorstrom der Transistoren 412 und 408 über die Referenzspannung 470 auf den Wert 1,3 µA eingestellt werden. Man beachte, daß dies zu einer wesentli chen Leistungseinsparung im Vergleich zu den Transistoren 308 und 309 in Fig. 3 führt, wobei diese bei einem Kollektor strom von 25 µA betrieben werden, wenn man annimmt, daß der Stromgenerator 303 einen Strom von 50 µA liefert, und die Transistoren 308 und 309 dieselben Ströme wie die Transisto ren 301 und 302 aufweisen.

Der maximale Ausgangsstrom kann aus der Strom-Spannungs-Be ziehung eines bipolaren Transistors berechnet werden:

I_c = I_s exp(V_be/V_t)

wobei I_c den Kollektorstrom darstellt, I_s ein Stromparameter ist, der von der Transistorkonstruktion abhängt, exp() eine Konstante e (2,72 . . .) zur Potenz erhoben darstellt, V_be die Basis-Emitter-Spannung und V_t die thermische Spannung dar stellt.

Es ist auch nützlich, die Änderung des Kollektorstroms durch die Änderung von V_be zu berechnen.

I_c1/I_c2 = exp ( V_be1-V_be2)/V_t

In diesem numerischen Beispiel kann die Änderung von V_be bei jedem Transistor 412 und 408 die Hälfte der Spannung über dem Widerstand 404 betragen. Die Änderung in V_be kann 125 mv betragen, wenn sich der Spannungsabfall über den Widerstand 405 in Ruhestellung von 250 mv auf 500 mv verdoppelt, und sich der Spannungsabfall über dem Widerstand 404 von 250 mv auf null reduziert. Dies kann zu einer Zunahme des Stroms in der Ausgangsleitung 410, die das 122-fache des Ruhestroms von 1,3 µA beträgt, führen, was zu einem maximalen Ausgangsstrom von über 150 µA führt, was dem Dreifachen des Stroms in der Eingangsschaltung 300 in Fig. 3 entspricht.

Es sei nochmals gesagt, daß die oben gezeigten Werte, nur als Beispiele und zur Darstellung der Erfindung dienen sollen. Es sind viele Werte der Impedanz und des Stroms in Abhängigkeit von speziellen Erfordernissen der Schaltung möglich.

Somit wurden Systeme und Verfahren für das Erhöhen der An stiegsrate einer Schaltung durch das Minimieren der Wirkung einer Strombegrenzungsstufe beschrieben. Im Gegensatz zu frü her entwickelten Techniken, in welchen die Strombegrenzungs stufen eine direkte Wirkung auf die nachfolgenden Schaltungs elemente hatten, verwendet die vorliegende Erfindung eine Zwischenverstärkungsstufe, die das Signal von der Strombe grenzungsstufe als ein Steuersignal und nicht als ein Strom liefersignal verwendet. Dies führt zu einer Ausgangsstufe, bei der der Strom, der durch sie hindurch fließt, in nicht eingeschränkter Weise maximiert werden kann. Die vorliegende Erfindung liefert somit ein Verfahren für das Erhöhen der An stiegsrate einer Schaltung, ohne daß zusätzliches Rauschen gebildet wird und ohne, daß die verfügbare Verstärkung ver schlechtert wird, wobei sie die Möglichkeit zur Erhöhung der Anstiegsrate in einer Schaltung liefert, während sie dennoch einen Betrieb mit einer einzigen Spannungsversorgung mit ei nem niedrigen Spannungspegel gestattet, und sie weitere Merk male bietet, die durch die Beschreibung und die Zeichnungen deutlich und verständlich werden.

Während verschiedene Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, werden Fachleute erkennen, daß viele Änderungen vorgenommen werden können, ohne von den hier dar gestellten erfinderischen Konzepten aufzuweichen. Somit sollte die Erfindung nur durch die folgenden Ansprüche und ihre Äquivalente eingeschränkt werden.

Claims

1. Verstärkerschaltung, umfassend:
eine Eingangsstufe, die ein Eingangssignal empfangen und verstärken kann;
eine Verstärkungsstufe, die das Eingangssignal weiter verstärken kann, wobei die Verstärkungsstufe elektrisch mit der Eingangsstufe verbunden ist; und
eine Ausgangsstufe, die eine Kapazität der Verstärkungs schaltung laden und das verstärkte Eingangssignal ausgeben kann, wobei die Ausgangsstufe elektrisch mit der Verstär kungsstufe verbunden ist.

2. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, wobei die Eingangs stufe folgendes umfaßt:
eine differentielles Paar Transistoren, wobei jeder Transistor eine Basis, einen Emitter und einen Kollektor auf weist;
einen Stromgenerator, der elektrisch mit den Emittern des differentiellen Paars der Transistoren verbunden ist;
ein Paar Eingangsleitungen, die elektrisch mit den Basisanschlüssen des differentiellen Paars von Transistoren verbunden sind, wobei die Eingangsleitungen konfiguriert sind, um ein Eingangssignal zu führen;
ein Paar Widerstände, die elektrisch mit den Kollektoren des differentiellen Paars von Transistoren verbunden sind; und
einen Pfad zur Erde, der elektrisch mit dem Paar der Wi derstände verbunden ist.

3. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, wobei die Verstär kungsstufe folgendes umfaßt:
ein Paar Verstärkungstransistoren, wobei jeder Verstär kungstransistor eine Basis, einen Emitter und einen Kollektor umfaßt;
wobei die Basisanschlüsse der Verstärkungstransistoren elektrisch mit der Eingangsstufe verbunden sind;
wobei die Kollektoranschlüsse der Verstärkungstransisto ren elektrisch mit einem Pfad zur Erde verbunden sind; und
wobei die Emitteranschlüsse der Verstärkungstransistoren elektrisch mit der Ausgangsstufe verbunden sind.

4. Verstärkungsschaltung nach Anspruch 1, wobei die Ausgangs stufe folgendes umfaßt:
ein Paar Ausgangstransistoren, wobei jeder Ausgangstransistor eine Basis, einen Emitter und einen Kol lektor umfaßt, wobei die Emitter elektrisch mit der Verstär kungsstufe verbunden sind;
eine Referenzspannungsleitung, die elektrisch mit den Basisanschlüssen der Ausgangstransistoren verbunden ist, wo bei die Referenzspannungsleitung ausgebildet ist, um ein Re ferenzspannungssignal zu führen; und
ein Paar Ausgangsleitungen, die elektrisch mit den Kollektoranschlüssen der Ausgangstransistoren verbunden sind.

5. Verstärkerschaltung nach Anspruch 2, wobei jeder Transi stor des differentiellen Paars einen Transistor aufweist, der aus der Gruppe ausgewählt wurde, die aus Bipolartransistoren und Feldeffekttransistoren besteht.

6. Verstärkerschaltung nach Anspruch 2, wobei der Stromgene rator konfiguriert ist, um die Verstärkerschaltung mit einem konstanten Strom zu versorgen.

7. Verstärkerschaltung nach Anspruch 3, wobei jeder Transi stor des Paars von Verstärkungstransistoren einen Transistor umfaßt, der aus der Gruppe ausgewählt wurde, die aus Bipolar transistoren und Feldeffekttransistoren besteht.

8. Verstärkerschaltung nach Anspruch 4, wobei die Ausgangs stufe weiter einen Kondensator, der elektrisch mit den Aus gangsleitungen verbunden ist, umfaßt.

9. Verstärkerschaltung nach Anspruch 4, wobei jeder Transi stor des Paars von Ausgangstransistoren einen Transistor auf weist, der aus der Gruppe ausgewählt wurde, die aus Bipolar transistoren und Feldeffekttransistoren besteht.

10. Verstärkerschaltung nach Anspruch 4, wobei das Referenz spannungssignal so eingestellt wird, daß die Ausgangstransi storen dieselbe Menge des Stroms wie die Eingangsstufe lei ten, wenn das Eingangssignal sich in der Nähe von Null befin det.

11. Verstärkerschaltung nach Anspruch 8, wobei der Kondensa tor eine Vielzahl von Kondensatoren umfaßt.

12. Verstärkerschaltung nach Anspruch 8, wobei der Kondensa tor die der Verstärkerschaltung inhärente Kapazität umfaßt.

13. Verstärkerschaltung umfassend:
eine Eingangsstufe, die ein Eingangssignal empfangen und verstärken kann, umfassend:
ein differentielles Paar von Transistoren, wobei jeder Transistor eine Basis, einen Emitter und einen Kollek tor umfaßt;
einen Stromgenerator, der elektrisch mit den Emitteranschlüssen des differentiellen Paars von Transistoren verbunden ist;
ein Paar Eingangsleitungen, die elektrisch mit den Basisanschlüssen des differentiellen Paars von Transistoren verbunden sind, wobei die Eingangsleitungen konfiguriert sind, damit sie ein Eingangssignal führen;
ein Paar Widerstände, die elektrisch mit den Rollektoren des differentiellen Paars von Transistoren ver bunden sind; und
einen Pfad zur Erde, der elektrisch mit dem Paar der Widerstände verbunden ist;
eine Verstärkungsstufe, die das Eingangssignal weiter verstärken kann, umfassend:
ein Paar Verstärkungstransistoren, wobei jeder Ver stärkungstransistor eine Basis, einen Emitter und einen Kol lektor umfaßt;
wobei die Basisanschlüsse der Verstärkungstransistoren elektrisch mit den Kollektoran schlüssen des differentiellen Paars von Transistoren verbun den sind; und
wobei die Kollektoranschlüsse der Verstärkungstransistoren elektrisch mit dem Pfad zur Erde verbunden sind; und
eine Ausgangsstufe, die eine Kapazität der Verstärker schaltung laden und das verstärkte Eingangssignal ausgeben kann, umfassend:
ein Paar Ausgangstransistoren, wobei jeder Ausgangstransistor eine Basis, einen Emitter und einen Kol lektor umfaßt,
wobei die Emitteranschlüsse des Paars der Ausgangs transistoren elektrisch mit den Emitteranschlüssen der Ver stärkungstransistoren verbunden sind;
eine Referenzspannungsleitung, die elektrisch mit den Basisanschlüssen der Ausgangstransistoren verbunden ist,
wobei die Referenzspannungsleitung konfiguriert ist, um ein Referenzspannungssignal zu führen; und
ein Paar Ausgangsleitungen, die elektrisch mit den Kollektoren der Ausgangstransistoren verbunden sind.

14. Verstärkerschaltung nach Anspruch 13, wobei jeder Transi stor des differentiellen Paars einen Transistor umfaßt, der aus der Gruppe ausgewählt wurde, die aus bipolaren Transisto ren und Feldeffekttransistoren besteht.

15. Verstärkerschaltung nach Anspruch 13, wobei jeder Transi stor des Paars von Verstärkungstransistoren einen Transistor umfaßt, der aus der Gruppe ausgewählt wurde, die aus bipola ren Transistoren und Feldeffekttransistoren besteht.

16. Verstärkerschaltung nach Anspruch 13, wobei die Ausgangs stufe weiter einen Kondensator, der elektrisch mit den Aus gangsleitungen verbunden ist, umfaßt.

17. Verstärkerschaltung nach Anspruch 13, wobei jeder Transi stor des Paars von Ausgangstransistoren einen Transistor um faßt, der aus der Gruppe ausgewählt wurde, die aus bipolaren Transistoren und Feldeffekttransistoren besteht.

18. Verfahren zur Verstärkung eines elektrischen Differenti alsignals, umfassend:
Empfangen eines Differentialeingangssignals;
Verstärken des Differentialeingangssignals;
Anlegen des verstärkten Differentialsignals an die Basisanschlüsse der Steuertransistoren einer Verstärkungs stufe; und
Steuern des Stroms, der in einer Ausgangsstufe fließt, unter Verwendung der Steuertransistoren.