DE10142707A1 - Mehrstufiger Differenzverstärker mit CMFB-Schaltkreis - Google Patents

Mehrstufiger Differenzverstärker mit CMFB-Schaltkreis

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen Differenzverstärker mit einer Eingangsstufe (MP1, MP2), an der eine differentielle Eingangsspannung anliegt, einer an der Eingangsstufe (MP1, MP2) angeschlossenen Last (MN2, MN3), einem CMFB-Schaltkreis (2), und einer Ausgangsstufe (MN4, MN5), an der eine verstärkte, differenzielle Ausgangsspannung ausgegeben wird. Zur Verbesserung der Stabilität einer Gleichtakt-Regelschleife (1) ist eine Stromquelle (ib3) vorgesehen, die zusätzlich Strom in die Regelschleife (1) einspeist und dadurch gewährleistet, dass eine Steuerspannung für die Last (MN2, MN3) nicht unter einen vorgegebenen Wert absinkt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen Differenzverstärker, insbesondere mit einer geradzahligen Anzahl von Stufen, mit einem CMFB-Schaltkreis gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Operationsverstärker sind essentielle Bestandteile in vielen analogen Signalverarbeitungssystemen. Bei vielen Anwendungen ist es von Vorteil, einen voll differentiellen Operationsverstärker (Differenzverstärker) einzusetzen, dessen Ausgangsspannung innerhalb eines bestimmten Bereichs nicht von einer Gleichtaktspannung abhängig ist.
  • Ein voll differentieller Differenzverstärker benötigt in der Regel einen CMFB-Schaltkreis (Common Mode Feedback Circuit) zur Einstellung der Gleichtaktspannung, die üblicherweise in der Mitte zwischen der positiven und negativen Versorgungsspannung (VDD + VSS)/2 liegt.
  • Der prinzipielle Aufbau eines Differenzverstärkers mit CMFB- Schaltkreis ist in Fig. 1 dargestellt. Fig. 1 zeigt einen Operationsverstärker 3 mit zwei Eingängen, an denen eine differentielle Eingangsspannung Vindiff anliegt, und zwei Ausgängen, an denen eine differentielle, verstärkte Ausgangsspannung Voutdiff ausgegeben wird. Der Differenzverstärker 3 umfasst ferner einen parallel zum Ausgang geschalteten CMFB-Schaltkreis 2, der dazu dient, die Gleichtaktspannung auf einen Mittelwert zwischen den Versorgungsspannungen zu regeln. Zu diesem Zweck hat der Operationsverstärker 3 einen zusätzlichen Eingang Incntrl, auf den die Ausgangsspannungen Uoutp, Uoutn über den CMFB- Schaltkreis 2 rückgekoppelt sind.
  • Einstufige Differenzverstärker sind in ihrer Verstärkung begrenzt. Für höhere Verstärkungen werden daher zwei- oder mehrstufige Differenzverstärker eingesetzt.
  • Ein typisches Beispiel eines zweistufigen Differenzverstärkers ist im US-Patent Nr. 5,955,922 beschrieben. Darin umfasst der CMFB-Schaltkreis des Differenzverstärkers ein zusätzliches invertierendes Element, wodurch in einer Rückkoppelschleife zur Einstellung der Gleichtaktspannung insgesamt drei Invertierungen zwischen dem Rückkoppeleingang und den Ausgängen stattfinden. Die Rückkoppelung ist somit stabil. Bei einer geradzahligen Anzahl von Invertierungen würde sich eine positive Rückkopplung (Mitkopplung) ergeben, wodurch das System instabil wäre. (Von einer Invertierung wird in diesem Zusammenhang dann gesprochen, wenn die Erhöhung einer Eingangs- bzw. Steuerspannung zu einer Verringerung der Ausgangsgröße führt). Der in Fig. 3 der US- Patentschrift dargestellte Differenzverstärker hat jedoch den Nachteil, dass er relativ instabil ist.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Stabilitätseigenschaften eines mehrstufigen, insbesondere zweistufigen, Differenzverstärkers zu verbessern.
  • Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht darin, eine zusätzliche Stromquelle vorzusehen, die Strom in die Rückkoppelschleife des Differenzverstärkers einspeist und gewährleistet, dass eine ausreichend hohe Spannung an Steuereingängen der aktiven Last anliegt und diese nicht ausschaltet oder übersteuert. Die steuerbare Last geht somit nie in den gesperrten oder linearen Zustand und der Differenzverstärker bleibt funktionsfähig.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein invertierendes Element zwischen dem CMFB-Schaltkreis und der Last der Eingangsstufe angeordnet. Die zusätzliche Stromquelle ist dabei vorzugsweise parallel zum invertierenden Element angeschlossen. Dadurch wird der zu regelnde Strom kleiner und gleichzeitig ergibt sich eine geringere Schleifenverstärkung. Daraus resultiert wiederum eine höhere Stabilität des Differenzverstärkers, die sich in eine höhere Phasenreserve, widerspiegelt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ferner ein I/U-Wandler vorgesehen, der mit einem Steuerknoten der Last verbunden ist. Dieser I/U-Wandler ist vorzugsweise ein als Diode geschalteter Transistor.
  • Das invertierende Element ist vorzugsweise ebenfalls ein Transistor, insbesondere ein MOS-Transistor.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Last der Eingangsstufe als Stromspiegel, insbesondere als MOS-Stromspiegel, realisiert.
  • Die Ausgänge der Eingangsstufe sind vorzugsweise mit Steuereingängen (Gates) der Ausgangsstufe verbunden.
  • Der CMFB-Schaltkreis ist vorzugsweise als SC-Schaltkreis (SC: Switched Capacitor) realisiert.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
  • Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Differenzverstärkers mit CMFB-Schaltkreis; und
  • Fig. 2 ein vereinfachtes Schaltbild eines Differenzverstärkers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Bezüglich Fig. 1 wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen.
  • Fig. 2 zeigt das Schaltbild eines Differenzverstärkers mit einer Eingangsstufe MP1, MP2 und einer Ausgangsstufe MN4 und MN5. Der Differenzverstärker verstärkt ein an den Eingängen inn, inp anliegendes differentielles Signal und gibt an den Ausgängen OUTp, OUTn ein differentielles, verstärktes Ausgangssignal aus. Die Eingangsstufe besteht aus zwei PMOS- Transistoren MP1, MP2, während die Ausgangsstufe mit zwei NMOS-Transistoren MN4, MN5 realisiert ist.
  • Eine Last der Eingangsstufe ist als einfacher MOS-Stromspiegel realisiert, der die Transistoren MN2, MN3 umfasst.
  • Die Eingangsstufe wird von einer Stromquelle ib1, und die Ausgangsstufe von identischen Stromquellen ib2 gespeist, wobei jeder der MOS-Transistoren MN4 bzw. MN5 mit einer der Stromquellen ib2 verbunden ist.
  • Der Differenzverstärker umfasst ferner eine Rückkoppelschleife 1 mit einem herkömmlichen CMFB-Schaltkreis 2. Der CMFB-Schaltkreis 2 umfasst jeweils zwei parallel geschaltete Kondensatoren C1n, C2n bzw. C1p, C2p für jeden der Transistoren MN4 bzw. MN5 der Ausgangsstufe.
  • Ein Anschluss der Kondensatoren C1n, C2n, C1p, C2p liegt jeweils an einer Referenzspannung Vref, die den Sollwert für eine Gleichtaktspannung Vcm darstellt. Der andere Anschluss der Kondensatoren C1n, C2n, C1p, C2p liegt an einer Spannung Vbias. Die Kondensatoren C1n, C2n, C1p, C2p werden über Schalter S aufgeladen bzw. entladen.
  • Die Rückkoppelschleife 1 umfasst ferner ein invertierendes Element, im vorliegenden Fall einen PMOS-Transistor MP3. Eine Erhöhung der Gate-Spannung am Transistor MP3 bewirkt eine Verringerung des Drain-Stromes, es findet also eine Gegenkopplung bzw. Invertierung statt. Der Gate-Anschluss des invertierenden Elements MP3 ist mit einem Ausgang des CMFB- Schaltkreises 2 verbunden, der eine Steuerspannung Vcntrl ausgibt.
  • Am Drain-Anschluss des invertierenden Elements MP3 ist ein als Diode geschalteter MNOS-Transistor MN1 angeschlossen. Der Gate-Anschluss dieses Transistors MN1 ist mit dem Gate-Anschluss des Stromspiegels MN2, MN3 verbunden. Der als Diode geschaltete Transistor MN1 dient im wesentlichen als I/U- Wandler zur Bereitstellung einer Steuerspannung für den Strompiegel MN2, MN3.
  • Die Drain-Anschlüsse der Transistoren MN2, MN3 sind wiederum an die Gate-Anschlüsse der Transistoren MN4 bzw. MN5 der Ausgangsstufe rückgekoppelt.
  • Die gerade beschriebene Anordnung ist bereits funktionsfähig, kann aber bei hohen Steuerspannungen Vcntrl des invertierenden Elements MP3 Stabilitätsprobleme haben. Wie erwähnt, sinkt bei hohen Steuerspannungen Vcntrl der Drain- Strom des Transistors MP3. Bei zu kleinen Strömen kann es daher vorkommen, dass der Transistor MN1 hochohmig wird und die Transistoren MN2, MN3 der Last ausschalten.
  • Um dies zu vermeiden, ist eine Stromquelle ib3 vorgesehen, die parallel zum invertierenden Element MP3, nämlich an der Versorgungsspannung Vdd und einem Ausgang des invertierenden Elements MP3, angeschlossen ist. Die Stromquelle ib3 speist zusätzlich Strom in die Rückkoppelschleife 1 ein und gewährleistet somit ausreichend Strom, um den Transistor MN1 und die Last MN2, MN3 im eingeschalteten Zustand zu halten. Der von der Stromquelle ib3 gelieferte Strom gewährleistet insbesondere eine Spannung am Transistor MN1, die größer ist als eine Schwellenspannung des Transistors MN1.
  • Wenn die Steuerspannung Vcntrl gegen VSS geht, geht die Steuerspannung der Last MN2, MN3 wegen der Stromquelle ib3 nicht gegen die Versorgungsspannung VDD. Somit wird die Eingangsstufe MP1, MP2 nie ausgeschaltet. Da der Verstärkungsfaktor des Regelkreises verkleinert wird erfolgt die Ausregelung mit geringerer Geschwindigkeit, so dass insgesamt eine größere Stabilität erreicht wird. Bezugszeichenliste 1 Rückkoppelschleife
    2 CMFB-Schaltkreis
    3 Operationsverstärker
    Vindiff differentielle Eingangsspannung
    Voutdiff differentielle Ausgangsspannung
    Incntrl Hilfseingang
    ib1, ib2, ib3 Stromquellen
    MP1, MP2 Eingangsstufe
    MP3 invertierendes Element
    MN1 Transistor
    MN2, MN3 Last
    MN4, MN5 Ausgangsstufe
    C1n, C2n Kondensatoren
    C1p, C2p Kondensatoren
    S Schalter
    Vref Referenzspannung
    Vbias Hilfsspannung
    Vcntrl Steuerspannung
    Vdd, Vss Versorgungsspannung

Claims (12)

1. Mehrstufiger Differenzverstärker mit
einer Eingangsstufe (MP1, MP2),
einer an der Eingangsstufe (MP1, MP2) angeschlossenen Last (MN2, MN3),
einem CMFB-Schaltkreis (2),
einer Ausgangsstufe (MN4, MN5), und
einer Rückkoppelschleife (1) zum Einstellen einer Gleichtaktspannung,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Stromquelle (ib3) vorgesehen ist, die zusätzlich Strom in die Rückkoppelschleife (1) einspeist, um ein Ausschalten der Last (MN2, MN3) zu verhindern.
2. Mehrstufiger Differenzverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein invertierendes Element (MP3) in der Rückkoppelschleife vorgesehen ist.
3. Mehrstufiger Differenzverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das invertierende Element (MP3) am CMFB-Schaltkreis (2) angeschlossen ist.
4. Mehrstufiger Differenzverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem invertierenden Element (MP3) ein I/U-Wandler (MN1) nachgeschaltet ist.
5. Mehrstufiger Differenzverstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der I/U-Wandler ein als Diode geschalteter Transistor (MN1) ist.
6. Mehrstufiger Differenzverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das invertierende Element (MP3) ein Transistor, insbesondere ein PMOS-Transistor ist.
7. Mehrstufiger Differenzverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Last (MN2, MN3) ein Stromspiegel ist.
8. Mehrstufiger Differenzverstärker nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der I/U-Wandler mit der Last (MN2, MN3) verbunden ist.
9. Mehrstufiger Differenzverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die CMFB-Schaltung (2) als SC-Schaltung gebildet ist.
10. Mehrstufiger Differenzverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgang der Eingangsstufe (MP1, MP2) mit einem Steuereingang der Ausgangsstufe (MN4, MN5) verbunden ist.
11. Mehrstufiger Differenzverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle (ib3) parallel zum invertierenden Element (MP3) angeordnet ist.
12. Mehrstufiger Differenzverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Stufen des Differenzverstärkers geradzahlig, insbesondere 2 ist.
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