-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion von Zuständen eines Verstärkers außerhalb des Betriebsbereichs und einen Verstärker mit CMOS- oder BiCMOS-Verstärkerschaltung.
-
Zustände eines Verstärkers außerhalb des Betriebsbereichs treten üblicherweise auf, wenn die Eingangssignale des Verstärkers außerhalb des Gleichtakteingangsbereichs liegen, oder wenn sich die Ausgangsspannung des Verstärkers auf Grund eines Lastfehlers oder eines Übersteuerungszustands zu sehr einem der beiden Versorgungspegel nähert. Bei bestimmten Anwendungen wird eine Fehleranzeige benötigt, um einen solchen Zustand außerhalb des Betriebsbereichs zu signalisieren.
-
Traditionell haben analoge Verstärker keinen Detektions- und Anzeigemechanismus für Zustände außerhalb des Betriebsbereichs. Bestenfalls besteht ein herkömmliches Verfahren zur Detektion eines Zustands außerhalb des Betriebsbereichs darin, Komparatoren einzusetzen, die die Eingangs- und/oder Ausgangsspannungen des Verstärkers überwachen und bei einer eingestellten Spannung bezüglich der Versorgungspegel kippen. Da der kritische Zustand der Spannung an den herkömmlichen Überwachungspunkten jedoch hauptsächlich von Temperatur- und Verfahrensschwankungen abhängt, muss die Schwellspannung auf einen Wert festgelegt werden, der nicht der Idealwert ist, wodurch der nutzbare Betriebsbereich des Verstärkers verringert wird. Ein weiteres Problem besteht darin, dass auf Grund der Tatsache, dass sich die Spannung an dem Überwachungspunkt in dem nutzbaren Betriebsbereich linear verhält, jede Ungenauigkeit des Komparators und der Referenzspannung, die in der Detektionsschaltung verwendet werden, direkt zu dem Gesamtdetektionsfehler beiträgt. Als Folge dessen muss eine relativ breite Fehlerspanne in das System integriert werden.
-
US 6,323,703 B1 befasst sich mit einer indirekten Erfassung von Über-Strom-Zuständen in Ausgangstreiberschaltungen. Dies erfolgt mittels einer Schaltung, die zwei in Reihe geschaltete Transistoren und einen Verstärker aufweist, dessen invertierender Eingang mit einem Knoten zwischen den beiden Transistoren verbunden ist und dessen nicht invertierender Eingang mit einem Ausgangsterminal verbunden ist, dessen Strom zu überwachen ist. Dazu steuert der Verstärker über einen der Transistoren einen Strom, aus dem mittels eines Stromspiegels ein replizierter Strom erzeugt wird. Mit Hilfe einer Über-Strom-Erkennungsschaltung kann bestimmt werden, ob der replizierte Strom einer Über-Strom-Bedingung an dem Ausgangsterminal entspricht.
-
Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, ein Verfahren zur Detektion von Zuständen außerhalb des Betriebsbereichs einer CMOS- oder BiCMOS-Verstärkerschaltung bereitzustellen, die den nutzbaren Betriebsbereich erheblich vergrößert, ohne komplizierte und aufwändige Detektionsschaltungen zu erfordern, sowie eine Verstärkerschaltung hierfür bereitzustellen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 2 gelöst.
-
Das Verfahren der Erfindung ist dafür vorgesehen, in CMOS- oder BiCMOS-Verstärkerschaltungen angewendet zu werden, die einen in Reihe mit einem Kaskodentransistor geschalteten Steuertransistor und einen Differenzverstärker mit einem invertierenden Eingang, der mit dem Knoten zwischen dem Steuertransistor und dem Kaskodentransistor verbunden ist, einem nicht invertierenden Eingang, der mit einer Referenzspannungsquelle verbunden ist, und einem Ausgang, der mit dem Gate des Kaskodentransistors verbunden ist, umfassen. Gemäß der Erfindung wird die Spannung an dem Ausgang des Differenzverstärkers überwacht, und es wird ein Fehlerzustand bestimmt, wenn die Spannung einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet oder unterschreitet. Die Erfindung nutzt die Tatsache, dass der Ausgang des Differenzverstärkers eine sehr steile Übertragungsfunktion aufweist, bevor eine Störung der Betriebsspannung („railing”) auftritt. Obwohl die Übertragungsfunktion an dem Ausgang des Differenzverstärkers tatsächlich temperatur- und verfahrensabhängig ist, führt eine solche Abhängigkeit lediglich dazu, dass der Schritt in der Funktion auf höhere oder niedrigere Werte der Betriebsspannung (der Spannungsdifferenz zwischen Eingangsspannung und negativer Rail) geändert wird. Zur exakten Detektion des Auftretens des Schritts in der Übertragungsfunktion ist es lediglich erforderlich, zu detektieren, wann die Spannung an dem Ausgang des Differenzverstärkers einen vorbestimmten Grenzwert über- oder unterschreitet, und der Grenzwert kann ausgewählt werden, ohne eine Fehlerspanne in das System zu integrieren. Dementsprechend wird der nutzbare Betriebsbereich ausgeweitet. Es kann ein einfacher Inverter mit niedriger Genauigkeit und einer relativ hohen Grenzspannung als Fehlerdetektor verwendet werden.
-
Die Erfindung stellt auch einen Verstärker mit CMOS- oder BiCMOS-Verstärkerschaltung bereit, die einen in Reihe mit einem Kaskodentransistor geschalteten Steuertransistor und einen Differenzverstärker mit einem invertierenden Eingang, der mit dem Knoten zwischen dem Steuertransistor und dem Kaskodentransistor verbunden ist, einem nicht invertierenden Eingang, der mit einer Referenzspannungsquelle verbunden ist, und einem Ausgang, der mit dem Gate des Kaskodentransistors verbunden ist, umfasst. Der Verstärker umfasst ferner einen Spannungsdetektor mit einem Eingang, der mit dem Ausgang des Differenzverstärkers verbunden ist. Der Spannungsdetektor stellt als Reaktion darauf, wenn die Spannung an dem Ausgang des Differenzverstärkers einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet oder unterschreitet, ein Fehlerausgangssignal bereit. Wiederum hängt die Erfindung von der sehr steilen Übertragungsfunktion an dem Ausgang des Differenzverstärkers ab, bevor eine Sättigung bei Betriebsspannungspegel („railing”) auftritt, wie oben erläutert wurde, und sie erreicht im Vergleich zu dem herkömmlichen Ansatz einen erweiterten Betriebsbereich. In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird der Spannungsdetektor durch einen Inverter gebildet, und die vorbestimmte Grenzspannung ist die Gate-Schwellspannung des Inverters. Ein Inverter ist eine einfache elementare Struktur, die wenig Platz auf dem Chip erfordert. Die Schwellspannung des Inverters muss nicht sehr exakt eingestellt werden, da die Übertragungsfunktion an dem Ausgang des Differenzverstärkers sehr steil ist. Als Alternative zu einem Inverter kann ein einfacher Komparator mit niedriger Genauigkeit verwendet werden.
-
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:
-
1 einen Schaltplan einer Impedanzwandlerschaltung;
-
2 einen Graphen der Ausgangsspannung an einem Differenzverstärker in 1 im Vergleich zu der Betriebsspannung;
-
3 einen Schaltplan eines ersten Ausführungsbeispiels; und
-
4 einen Schaltplan eines zweiten Ausführungsbeispiels.
-
Die Impedanzwandlerschaltung in 1 ist dafür vorgesehen, kritische Transistoren in ihrem optimalen Betriebspunkt über verschiedene Betriebsbedingungen (Temperatur, Verfahrensabweichung, Eingangs- und Ausgangsspannungsbereiche, Strombereiche etc.) zu halten und die Ausgangsimpedanz von Stromspiegeln zu verbessern. Die CMOS- oder BiCMOS-Schaltung enthält einen mit einem N-Kanal-Kaskodentransistor MSC in Reihe geschalteten N-Kanal-Steuertransistor MS und einen Differenzverstärker A1. Der Differenzverstärker A1 hat einen invertierenden Eingang, der mit dem Knoten zwischen dem Steuertransistor und dem Kaskodentransistor verbunden ist, einen nicht invertierenden Eingang, der mit einer Referenzspannungsquelle VRDS verbunden ist, und einen Ausgang, der mit dem Gate des Kaskodentransistors MSC verbunden ist. Eine Steuerspannung VGS wird an das Gate des Steuertransistors MS angelegt, und der Drain des Kaskodentransistors MSC senkt einen Ausgangsstrom IOUT ab. Eine ähnliche Struktur kann mit einem P-Kanal-Transistor als Stromquelle statt als Stromsenke aufgebaut werden.
-
Die Schaltung funktioniert dadurch, dass der Verstärker A1 trotz der unterschiedlichen Spannungszustände an dem Knoten eine konstante Betriebsspannung VRDS' in dem Transistor MS aufrechterhält, indem die Gate-Ansteuerung des Kaskodentransistors MSC angepasst wird. Anwendungen des Verfahrens enthalten unter anderem die verbesserte Gleichtaktunterdrückung und den erweiterten Eingangsbereich von Verstärkern. Es kann ebenfalls in Ausgangsstufen mit hoher Ausgangsspannung angewendet werden.
-
Wenn sich die Spannung an dem Knoten der negativen Rail (bzw. Versorgungsschiene) annähert, beginnt der Transistor MSC als Triode zu fungieren, und der Verstärker A1 kompensiert dies durch Erhöhung der Gate-Ansteuerung. Folglich wird die Spannung in dem Stromquellentransistor MS konstant und außerhalb des Triodenbereichs gehalten. Wenn diese Spannung weiter verringert wird, wird die Ausgangsspannung von A1 gesättigt und ist nicht mehr in der Lage, die konstante Spannung in MS aufrechtzuerhalten, und somit fungiert MS als Triode. Dieser Zustand kann zu einem Übermaß an Fehlfunktionen in dem gesamten Schaltkreis führen und muss demnach in vielen Fällen detektiert und gemeldet werden.
-
Das herkömmliche Verfahren zur Detektion des Zustands außerhalb des nutzbaren Betriebsbereichs besteht in der Überwachung der Spannung an dem Eingangs-/Ausgangsanschluss (zum Beispiel Knoten IOUT in 1) durch einen Komparator, so dass der Komparator kippt, wenn die Spannung an dem Knoten unter der vorbestimmten Referenzspannung liegt. Diese Erfindung schlägt vor, dass es mehrere Vorteile bietet, stattdessen den Ausgang von A1 (Knoten VGSC) zu überwachen.
-
Diese Vorteile kann man durch Betrachtung der 2 sehen. In der Figur ist Vm_lin, die Spannung an dem herkömmlichen Überwachungspunkt, graphisch im Vergleich zu der Betriebsspannung (der Differenz zwischen der Eingangsspannung und der negativen Rail) dargestellt. Da die Spannung hier linear ist, tragen die Genauigkeit des Komparators und der Referenz direkt zu einem Fehler in der Detektionsschaltung bei, und deshalb muss eine Fehlerspanne in das System integriert sein. Außerdem muss, da die Eingangsspannung, bei der sich MS nicht mehr linear verhält, temperatur- und verfahrensabhängig ist, der Kipppunkt des Komparators ebenfalls um die für Temperatur und Verfahren integrierten Spannen von der tatsächlichen Grenze entfernt festgelegt werden. Hieraus ergibt sich ein verringerter nutzbarer Bereich.
-
VGSC in 2 ist die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers A1. Obwohl die Ausgangsspannung VGSC eine temperatur- und verfahrensabhängige Abweichung aufweist, ist ihr Verhalten durch eine sehr steile Übertragungsfunktion gekennzeichnet. Auf Grund der sehr steilen Übertragungsfunktion des Ausgangssignals A1 (Knoten VGSC) kann das Fungieren der Stromquelle MS als Triode an diesem Punkt detektiert werden, ohne dass Genauigkeit in der Detektionsschaltung benötigt wird. Konkret ist ein einfacher Inverter mit einer relativ hoch eingestellten Schwellspannung ausreichend. Es müssen keine zusätzlichen Spannen für Prozessgrenzen oder Temperaturen berücksichtigt werden. Auf Grund der steilen Übertragungsfunktion an dem Knoten VGSC wurden die Genauigkeitsanforderungen für die Detektionsschaltung beseitigt. Hieraus ergibt sich zusätzlich zu dem erweiterten Betriebsbereich und der erweiterten Detektion der tatsächlichen Betriebsgrenze eine erhebliche Einsparung der Fläche und der Komplexität der Schaltung. Die Detektionsschaltung kann ein einfacher Inverter sein, dessen Schwellspannung durch Bemessung auf dem Chip oder durch Pegelverschiebung angepasst wird. Alternativ hierzu könnte ein einfacher, kleiner Komparator verwendet werden, da dessen Fehler nicht direkt zu der Detektionsgenauigkeit beiträgt.
-
In dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Zustand, in dem die Eingangssignale des Verstärkers außerhalb des gültigen Gleichtakteingangsbereichs (CMIR, „common mode input range”) liegen, detektiert. 3 zeigt eine Standardverstärker-Eingangsstufe zusätzlich mit der vorgeschlagenen CMIR-Fehlerdetektion. Das Eingangspaar MIN1, MIN2 ist als N-Kanal-MOS-Transistoren gezeigt, aber dasselbe würde für P-Kanal- oder bipolare Transistoren gelten. Das Eingangspaar wird durch eine kaskodierte Schwanzstromquelle betrieben. Für die meisten Eingangsstufen ist lediglich die Detektion eines der CMIR-Grenzwerte kritisch (bei n-Dotierung der negative Grenzwert und bei p-Dotierung der positive Grenzwert), da der andere Grenzwert die Rail-Spannung enthält.
-
Wie in 1 wird ein Ausgangsimpedanz-Wandlerverfahren angewendet, um die Gleichtaktunterdrückung zu verbessern und den CMIR auszuweiten, indem das Gate des Schwanzstrom-Quellkaskodentransistors MSC mit einem Differenzverstärker A1 betrieben wird. Hier verwendet der Differenzverstärker A1 als Referenz eine Spannungsquelle VDSAT, die die Sättigungsspannung des Schwanzstrom-Quelltransistors MS abbildet, der den Strom durch einen als Diode geschalteten NMOS-Transistor MN3 spiegelt.
-
Durch die Detektion der Sättigung des Differenzverstärkers A1 an einem der Versorgungspegel kann das Abweichen von dem gültigen Gleichtakteingangsbereich mit einem einfachen Inverter I1, dessen Schwellspannung hoch eingestellt ist, (oder mit einem der ähnlichen, oben beschriebenen Verfahren) genau detektiert werden. Der Hauptvorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass es den genauen Grenzwert detektiert, bei dem die Schaltung den linearen Betrieb verlässt, und deshalb erfordert es keine zusätzliche integrierte Spanne oder die Erzeugung von Referenzspannungen, wie es erforderlich wäre, wenn Komparatoren für die Überwachung der Eingangsspannungen bei INP und INN verwendet werden. Folglich wird der nutzbare CMIR mit einer verlässlichen CMIR-Fehlerdetektion vergrößert.
-
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das detektiert, wenn das Ausgangssignal einer Ausgangsstufe mit relativ hoher Ausgangsspannung außerhalb dessen gültigen Bereichs liegt. In Hochspannungsausgangsstufen ist es für die Schaltungsfläche, die Stabilitäts- und Linearitätsanforderungen vorteilhaft, Niederspannungstransistoren MN und MP als Hauptausgangsvorrichtungen zu verwenden und diese wie gezeigt mit den Kaskodentransistoren MPHV und MNHV zu kaskodieren. Die Transistoren MPHV und MNHV können für Anwendungen, die eine hohe Spannungsabgabe benötigen, Hochspannungstransistoren sein. Durch dynamische Ansteuerung der Gates der Hochspannungs-Kaskodentransistoren MPHV und MNHV unter Verwendung der Differenzverstärker A1 und A2 ist es selbst mit einem weiten Ausgangsstrombereich möglich, den Ausgangsspannungshub zu maximieren, während die Schaltungsfläche minimiert wird.
-
Wenn die Ausgangsspannung einer der Rails zu nahe kommt, fungieren die Hauptausgangstransistoren MN und MP als Trioden, und die Leerlaufverstärkung des Verstärkers nimmt ab, und das Verstärkerausgangssignal VOUT kann ungültig werden. Wiederum kann dieser Zustand angezeigt werden, ohne dass zusätzliche Schaltungen benötigt werden, indem detektiert wird, wenn die Differenzverstärker A1 und A2 an einem Versorgungspegel in Sättigung sind. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel stellen die Inverter eine Fehleranzeige bereit, wenn der zugehörige Verstärker A1 oder A2 gesättigt ist (d. h. dessen Ausgangsspannung nähert sich der Rail-Spannung). Dieses Verfahren detektiert den genauen Grenzwert, bei dem die Schaltung den linearen Betrieb verlässt, und deshalb erfordert es keine zusätzliche integrierte Spanne oder die Erzeugung von Referenzspannungen, wie es erforderlich wäre, wenn Komparatoren für die Überwachung der Ausgangsspannung VOUT verwendet werden. Folglich wird der nutzbare Ausgangsbereich mit einer verlässlichen Ausgangsüberlastungs-Fehlerdetektion vergrößert.
