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Die
Erfindung betrifft einen Verstärker
zur Verstärkung
eines an einem Signaleingang anliegenden Signales, wobei Arbeitsströme, die
in einem bestimmten Verhältnis
zueinander stehen, eingesetzt werden.
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1 zeigt
eine Stromspiegelschaltung nach dem Stand der Technik. Die Stromspiegelschaltung nach
dem Stand der Technik, wie sie in
1 dargestellt
ist, dient dazu, einen Eingangsstrom I
in in
einem bestimmten Spiegelverhältnis
in einen Ausgangsstrom I
aus zu übersetzen.
Ist an den beiden Knoten K
A, K
B das Potenzial
gleich hoch, wird das Stromverhältnis
zwischen dem Eingangsstrom I
in und dem gespiegelten
Ausgangsstrom I
out durch das Verhältnis der
Widerstandswerte der beiden Widerstände R
A,
R
B bestimmt
wobei R
A ≠ R
B.
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Dies
gilt allerdings nur, wenn die beiden internen Arbeitsströme I0, die durch zwei Stromquellen erzeugt werden,
derart klein sind, dass sie gegenüber dem Eingangsstrom Iin und dem gespiegelten Ausgangsstrom Iaus vernachlässigbar sind. Die in 1 gezeigte
Stromspiegelschaltung nach dem Stand der Technik weist daher den
Nachteil auf, dass aufgrund der nicht vernachlässigbar kleinen internen Arbeitsströme I0 ein Fehler in der Stromspiegelung auftritt.
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Eine
naheliegende Lösung
zur Vermeidung dieses Nachteils stellt eine Stromkompensationsschaltung,
wie sie in 2 dargestellt ist, dar. Die
in 2 gezeigte Stromspiegelschaltung weist zwei weitere
interne Stromquellen auf, die Ströme I0 erzeugen.
Die Stromkompensationsstromquellen glei chen den Stromfehler aus
der in der 1 dargestellten herkömmlichen
Stromspiegelschaltung auftritt.
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Der
Nachteil der in 2 dargestellten Stromspiegelschaltung
besteht darin, dass zusätzliche
Stromkompensationsquellen zur Erzeugung der Kompensationsströme I0 vorgesehen werden müssen. Insgesamt ist die Stromspiegelschaltung
gemäß 2 schaltungstechnisch
nur relativ aufwendig implementierbar.
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Ein
weiterer Nachteil der in 2 dargestellten Schaltung besteht
darin, dass die Stromkompensationsquellen relativ große Sättigungsspannungen
erfordern, d.h. die Spannungsabfälle
an den Widerständen RA, RB müssen groß sein.
Hierdurch steigt die Verlustleistung und die Versorgungsspannung
VDD ist höher.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Verstärker zur
Verstärkung
eines Signals zu schaffen, der schaltungstechnisch geringeren Aufwand
erfordert und der gleichzeitig eine genaue Verstärkung sicherstellt.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
einen Verstärker
mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Die
Erfindung schafft einen Verstärker
zur Verstärkung
eines an einen Signaleingang anliegenden Signales mit einem mit
dem Signaleingang verbundenen ersten Transistorpaar (10),
das zwei Transistoren (10-1, 10-2) enthält,
wobei
durch die beiden Transistoren (10-1, 10-2) Ströme fließen, welche
ein bestimmtes Arbeitsstromverhältnis
(m) zueinander aufweisen;
einem an das erste Transistorpaar
(10) angeschlossenen zweiten Transistorpaars (4),
das zwei Transistoren (4-1, 4-2) enthält,
wobei
durch die beiden Transistoren (4-1, 4-2) Ströme flie ßen, welche
das gleiche Arbeitsstromverhältnis
(m) zueinander aufweisen,
wobei ein Signalausgang (3)
des Verstärkers
(1) zwischen dem ersten Transistorpaar (10) und
dem zweiten Transistorpaar (4) vorgesehen ist.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
weisen die Transistoren des ersten Transistorpaares die gleiche
Stromdichte auf.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
sind die Transistoren des zweiten Transistorpaares Lasttransistoren,
die an eine Versorgungsspannung angeschlossen sind.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das erste Transistorpaar als Kaskodestufe verschaltet.
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Vorzugsweise
ist dabei an dem ersten Transistorpaar ein drittes Transistorpaar
angeschlossen, wobei das dritte Transistorpaar zwei Transistoren
enthält,
durch die Ströme
fließen,
welche das bestimmte Arbeitsstromverhältnis aufweisen.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
wird das zweite Transistorpaar durch eine Stromspiegelschaltung
gebildet.
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Bei
einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verstärkers sind
die Transistoren MOS-Feldeffekttransistoren.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform
sind die Transistoren Bipolartransistoren.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verstärkers sind
die Transistoren des ersten Transistorpaares jeweils über einen
Widerstand an eine Versorgungsspannung angeschlossen.
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Der
erfindungsgemäße Verstärker benötigt hierbei
vorteilhafterweise nur eine niedrige Versorgungsspannung VDD.
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Dabei
ist das Verhältnis
der Widerstandswerte der beiden Widerstände vorzugsweise gleich dem
Arbeitsstromverhältnis.
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Im
weiteren werden bevorzugte Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Verstärkers unter
Bezugnahme auf die beigefügten
Figuren beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 eine
Stromspiegelschaltung nach dem Stand der Technik;
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2 eine
Stromspiegelschaltung mit Stromkompensation;
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3 eine
erste Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verstärkers;
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4 eine
zweite Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verstärkers;
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5 eine
Kennlinie zur Erläuterung
der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verstärkers;
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6 eine
dritte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verstärkers.
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3 zeigt
eine erste Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verstärkers 1.
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Der
Verstärker 1 weist
ein erstes Transistorpaar 10 auf, welches zwei Transistoren 10-1, 10-2 enthält. Bei
der in 3 dargestellten ersten Ausführungsform werden die Transistoren 10-1, 10-2 durch
PNP-Bipolartransistoren gebildet. Die Basisanschlüsse der
beiden Transistoren 10-1, 10-2 sind miteinander
kurzgeschlossen, wobei die Basisanschlüsse über eine Leitung mit dem Kollektoranschluss
des zweiten Bipolartransistors 10-2 verbunden sind. Die
Kollektoranschlüsse
der bei den Bipolartransistoren 10-1, 10-2 sind
bei der in 3 dargestellten ersten Ausführungsform
an die Stromquellen 4-1, 4-2 angeschlossen. Die
beiden Stromquellen 4-1, 4-2 werden vorzugsweise
ebenfalls durch ein Transistorpaar gebildet. Die beiden Stromquellen 4-1, 4-2 liefern
Ströme,
die das gleiche Arbeitsstromverhältnis
m aufweisen wie die Ströme
des ersten Transistorpaares 10. Die Stromdichten in den
beiden Transistoren 10-1, 10-2 des ersten Transistorpaares 10 sind
gleich, weil die Emitterflächen
der beiden Transistoren 10-1, 10-2 ebenfalls in
einem Verhältnis
m zueinander stehen. Die beiden Stromquellen 4-1, 4-2 sind
an eine negative Versorgungsspannung VSS angeschlossen,
bei der es sich beispielsweise um Masse handelt.
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Bei
der in 3 gezeigten Schaltung wird der erfindungsgemäße Verstärker 1 in
einer Stromspiegelschaltung verwendet, die einen Eingangsstrom Iin in einen Ausgangsstrom Iaus spiegelt.
Der gespiegelte Ausgangsstrom Iaus wird
dabei einer nachgeschalteten Schaltung zugeführt. Hierzu ist der Signalausgang 3 des erfindungsgemäßen Verstärkers 1,
welcher zwischen dem ersten Transistorpaar 10 und dem zweiten
Transistorpaar 4 vorgesehen ist, über eine Leitung 11 mit
einem Gateanschluss eines PMOS-Transitors 12 verbunden.
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Die
Stromspiegelschaltung 13, welche den erfindungsgemäßen Signalverstärker 1 enthält, weist
einen Stromeingang 14 auf zum Empfang des zu spiegelnden
Eingangsstroms Iin und einen Stromausgang 15 zur Abgabe
des gespiegelten Stroms Iaus. Der Stromeingang 14 ist über eine
Leitung 16 mit einem ersten Stromknoten 6 verbunden, über den
ein Eingangsstrom IE1 zu dem Emitteranschluss
des PNP-Transistors 10-1 fließt. Der erste Stromknoten 6 ist über einen
ersten Widerstand R1 an eine positive Versorgungsspannung
VDD angeschlossen.
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Der
Emitteranschluss des zweiten Transistors 10-2 ist mit einem
zweiten Stromknoten 7 verbunden, von dem ein zweiter Eingangsstrom
IE2 fließt. Der zweite Stromknoten 7 ist über ei nen
zweiten Widerstand R2 an die positive Versorgungsspannung
VDD angeschlossen. Der Ausgangstransistor 12 der
Stromspiegelschaltung 13 ist zwischen dem zweiten Stromknoten 7 und
dem Stromausgang 15 der Stromspiegelschaltung 13 verschaltet.
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Der
Eingangsstrom IE1 an dem Emitter des ersten
Transistors 10-1 ist unter Vernachlässigung der geringfügigen Basisströme gleich
dem Strom I1, der durch die Stromquelle 4-1 erzeugt
wird: IE1 =
I1 (1)
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In
gleicher Weise ist der in den Emitteranschluss des zweiten Transistors 10-2 fließende Strom
IE2 gleich dem durch die Stromquelle 4-2 erzeugten
Strom I2: IE2 = I2 (2)
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Die
Stromquellen 4-1, 4-2 werden durch ein zweites
Transistorpaar gebildet, wobei die durch die beiden Transistoren
4-4-2 fließenden Ströme das gleiche
Arbeitsstromverhältnis
m wie die durch das erste Transistorpaar 10 fließenden Ströme aufweist.
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Es
gilt somit: I2 = m·I1 (3)
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Setzt
man Gleichung (3) in Gleichung (2) ein, ergibt sich: IE2 =
m·I1 (4)und
mit Gleichung (1) ergibt sich Gleichung (5): IE2 =
m·IE1 (5)
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Die
beiden Transistoren 10-1, 10-2 werden mit der
gleichen Stromdichte betrieben, so dass die Differenzspannung ΔU zwischen
dem ersten Stromknoten 6 und dem zweiten Stromknoten 7 Null
wird. Hieraus ergibt sich, dass die Spannungen, die an den beiden
Widerständen
R1, R2 abfallen,
gleich groß sind. UR1 =
UR2 (6)
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Am
ersten Stromknoten 6 lässt
sich folgende Stromgleichung aufstellen: IR1 = IE1 +
Iin (7)
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An
dem zweiten Stromknoten
7 lässt sich folgende Stromgleichung
aufstellen:
IR2 = IE2 + Iaus (8)wobei
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Die
beiden Widerstände
R1, R2 werden derart
dimensioniert, dass das Verhältnis
der beiden Widerstandswerte dem Arbeitsstromverhältnis m entspricht. R1 =
m·R2 (11)
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Das
Einsetzen von Gleichung (9) in Gleichung (7) ergibt:
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Das
Einsetzen von Gleichung (10) in Gleichung (8) ergibt:
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Eine
Umformung von Gleichung (12) durch Einsetzung der Gleichung (11)
unter Berücksichtigung
von Gleichung (6) ergibt:
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Die
Umformung von Gleichung (13) ergibt Gleichung (15):
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Unter
Verwendung von Gleichung (5) ergibt sich aus Gleichung (14) die
Gleichung (16):
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Durch
Vergleich der beiden Gleichungen (15), (16) ergibt sich Gleichung
(17): Iaus =
m·Iin(17)
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Der
Ausgangsstrom der Stromspiegelschaltung 13 weist somit
den m-fachen Wert des Eingangsstroms Iin auf.
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Der
erfindungsgemäße Verstärker 1 regelt
die Differenzspannung ΔU
zwischen den Stromknoten 6, 7 zu Null. Der erfindungsgemäße Verstärker 1 weist
somit ein ähnliches
Verhalten wie ein Operationsverstärker auf.
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4 zeigt
eine zweite Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verstärkers 1.
Der Verstärker 1 weist
einen Signaleingang 2-1, 2-2 und einen Ausgang 3 auf.
Darüber
hinaus enthält
der Verstärker 1,
wie in 4 dargestellt ist, einen Stromspiegel 4 und
ein Stromquellenpaar 10. Der Stromspiegel 4 dient
zur Erzeugung zweier Ströme
I1, I2, die ein
vorbestimmtes Arbeitsstromverhältnis
m zueinander aufweisen. Der Stromspiegel 4 enthält parallel
verschaltete Transistoren 4-1, die einen großflächigen Transistor
bilden zur Erzeugung des ersten Arbeitsstromes I1,
wobei die Transistoren 4-1 mit einem ersten Stromknoten 6 verbunden
sind. Darüber
hinaus weist der Stromspiegel 4 einen Transistor 4-2 auf,
der zur Erzeugung des zweiten Arbeitsstromes I2 vorgesehen
ist. Der Transistor 4-2 ist mit einem zweiten Stromknoten 7 verbunden.
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Das
Transistorpaar 10 umfasst eine aus Transistoren 1 bestehende
Stromquelle 10-1 zur Erzeugung des dritten Arbeitsstromes
I3 und eine Stromquelle 10-2 zur
Erzeugung des vierten Arbeitsstromes I4.
Dabei ist die Stromquelle 10-1 genauso wie der Transistor 4-1 an
den ersten Stromknoten 6 angeschlossen. Die Stromquelle 10-2 ist
wie der Transistor 4-2 mit dem zweiten Stromknoten 7 verbunden.
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Die
beiden durch den Stromspiegel 4 erzeugten Arbeitsströme I1, I2 weisen ein
bestimmtes Stromverhältnis
m zueinander auf. I1 = m·I2 (18)
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Die
beiden durch das zweite Stromquellenpaar 10 erzeugten Arbeitsströme I3, I4 weisen das
gleiche Arbeitsstromverhältnis
m zueinander auf: I3 = m·I4 (19)
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Die
beiden Knoten 6, 7 bilden Summationsstromknoten,
so dass gilt: I1 + IE1 = I3 (20) I2 +
IE2 = I4 (21)wobei IE1, IE2 die Eingangsströme am Signaleingang 2 sind.
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Daraus
folgt, wenn man Gleichung (18) in Gleichung (20) einsetzt: mI2 +
IE1 = I3 (22)
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Durch
Einsetzen der Gleichung (19) in Gleichung (22) ergibt sich Gleichung
(23): mI2 +
IE1 = mI4 (23)
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Setzt
man noch Gleichung (21) in Gleichung (23) ein, ergibt sich Gleichung
(24): mI2 +
IE1 = mI2 + mIE2 (24)Durch
Kürzen
ergibt sich Gleichung (25): IE1 = m·IE2 (25)
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Wie
man aus Gleichung (25) erkennen kann, stehen die beiden am Stromeingang 2-1, 2-2 anliegenden
Eingangsströme
im Gleichgewichtszustand der Verstärkerschaltung 1 in
einem vorgegebenen Verhältnis m,
welches dem Stromverhältnis
der Arbeitsströme
entspricht.
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Dieses
Arbeitsstromverhältnis
m ist bei dem erfindungsgemäßen Verstärker 1 bei
allen Ausführungsformen
eine rationale Zahl, die ungleich eins ist.
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Bei
der in 4 dargestellten zweiten Ausführungsform sind die parallel
verschalteten Transistoren 4-1 PMOS-Transistoren.
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Die
Gateanschlüsse
dieser PMOS-Transistoren 4-1 sind über eine Leitung 8 mit
dem Gateanschluss eines PMOS-Transistors 4-2 verbunden.
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Bei
der in 4 dargestellten zweiten Ausführungsform sind die Transistoren
des Transistorpaares 10 durch NMOS-Transistoren gebildet. Dabei besteht
die Stromquelle 10-1 aus mehreren parallel geschalteten NMOS-Transistoren.
Die Stromquelle 10-2 wird durch einen einzigen NMOS-Transistor
gebildet. Die Gateanschlüsse
der NMOS-Transistoren innerhalb der Stromquelle 10-1 sind
mit dem Gateanschluss des NMOS-Transistors 10-2 über eine
Leitung 9 verbunden. An den Gateanschlüssen des Transistorpaares 10 liegt
eine Biasspannung Vbias an.
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Bei
der in 4 dargestellten zweiten Ausführungsform ist der Ausgang 3 des
Verstärkers 1 direkt
mit dem hochohmigen Summationsknoten 6 verbunden.
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5 zeigt
die Funktionsweise der in 4 dargestellten
erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung 1 für ideal
arbeitende Transistoren. Ist der an dem ersten Stromeingang 2-1 des
fließenden
Stroms IE1 genau um einen Faktor m größer als
der an den zweiten Stromeingang 2-2 fließende Strom
IE2, befindet sich die Verstärkerschaltung 1 im
Gleichgewicht. Sobald der Strom IE1 etwas
größer ist
als der m-fache Wert von IE2 wird der Gleichgewichtszustand
verlassen und die Verstärkerschaltung 1 liefert
am Ausgang 3 eine Ausgangsspannung, die der positiven Versorgungsspannung
VDD der Verstärkerschaltung 1 entspricht.
Ist der am ersten Stromeingang 2-1 fließende Strom nur etwas kleiner
als der m-fache Wert des an dem Stromeingang 2-2 fließenden Eingangsstroms
IE1 gibt die Verstärkerschaltung 1 eine
Ausgangsspannung, die der negativen Versorgungsspannung Vss entspricht, welche bei dem in 4 dargestellten
Beispiel der Massespannung entspricht.
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Die
vorgesehenen Transistoren werden bei der in 4 dargestellten
zweiten Ausführungsform
durch MOSFET Transistoren gebildet.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform
werden die Transistoren der erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung 1 durch
Bipolartransistoren gebildet.
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Die
Transistoren des Stromspiegels 4 und des Transistorpaares 10 sind
vorzugsweise komplementär zueinander
aufgebaut. Wie man aus 4 erkennen kann, weist der Stromspiegel 4 PMOS-Transistoren auf, während das
Transistorpaar 10 NMOS-Transistoren
umfasst.
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6 zeigt
eine dritte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung 1,
bei der im Vergleich zu der in 4 dargestellten
Ausführungsform
das Transistorenpaar 10 als Kaskodestufe 10 verschaltet
ist. Die Kaskodestufe 10 besteht aus mehreren parallel
verschalteten NMOS-Transistoren 10-1 und einem NMOS-Transistor 10-2,
deren Gateanschlüsse
miteinander verbunden sind. Die Stromdichten in den Transistoren 10-1, 10-2 sind
gleich groß.
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Die
in 6 gezeigte dritte Ausführungsform weist ein weiteres
Transistorenpaar 5 auf, dessen Arbeitsströme I3, I4 das Arbeitsstromverhältnis m
aufweisen. Die Gateanschlüsse
sind dabei miteinander verbunden und erhalten eine Biasvorspannung
Ubias.
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Die
Gateanschlüsse
der NMOS-Transistoren innerhalb der Kaskodestufe 10 werden
mit einer Biasvorspannung Vbias1 versorgt.
Bei der in 6 dargestellten dritten Ausführungsform
ist der Verstärkerausgang 3 nicht,
wie bei der in 4 dargestellten zweiten Ausführungsform
direkt mit dem ersten Stromeingangsanschluss 2-1 verbunden,
sondern von diesem durch die Kaskodestufe 10 entkoppelt.
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Die
in dem Stromspiegel 4, dem Stromquellenpaar 5 und
in der Kaskodestufe 10 eingesetzten Transistoren werden
vorzugsweise derart dimensioniert, dass die gelieferten Arbeitsströme in einem
vorbestimmten Stromverhältnis
m zueinander stehen. Der erfindungsgemäße Verstärker 1 erzwingt ein
bestimmtes Stromverhältnis
m dadurch, dass die auf die jeweiligen Summationsknoten 6, 7 geführten Ströme in einem
bestimmten Verhältnis
zueinander stehen, wobei ein dem Summationspunkt zugeführter Eingangsstrom
den Verstärker 1 aus
seinem Gleichgewichtszustand bringt, so dass am Ausgang des Verstärkers 1 eine
der beiden Versorgungsspannungen VDD, VSS abgegeben wird. Ist der am ersten Signaleingang 2-1 auftretende
Strom mehr als um den Faktor m größer als der an dem zweiten
Stromeingang 2-1 anliegende Strom, wird die positive Versorgungsspannung
VDD abgegeben. Ist umgekehrt der an dem
Stromeingang 2-1 anliegende Strom kleiner als der m-fache
Wert des an dem Stromeingang 2-2 anliegenden Stroms, wird
eine negative Versorgungsspannung Vss durch
die Verstärkerschaltung 1 abgegeben.
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Der
erfindungsgemäße Verstärker 1,
wie er in den 3, 5, 6 dargestellt
ist, ist schaltungstechnisch leicht realisierbar und benötigt bei
einer Integration auf einem Chip eine geringe Fläche.
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Die 3, 5, 6 zeigen
Single-Ended-Ausführungsformen.
Diese lassen sich vorzugsweise auch voll-differentiell aufbauen.
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- 1
- Verstärker
- 2
- Stromeingang
- 3
- Spannungsausgang
- 4
- erstes
Stromquellenpaar
- 5
- zweites
Stromquellenpaar
- 6
- Stromknoten
- 7
- Stromknoten
- 8
- Leitung
- 9
- Leitung
- 10
- Kaskodestufe
- 11
- Leitung
- 12
- PMOS
- 13
- Stromspiegelschaltung
- 14
- Stromeingang
- 15
- Stromausgang
