DE102006020485A1

DE102006020485A1 - Operationsverstärker

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Publication number: DE102006020485A1
Application number: DE102006020485A
Authority: DE
Inventors: Wolfram Dr. Kluge; Odile Dequiedt
Original assignee: Atmel Germany GmbH
Current assignee: Atmel Corp
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2006-04-28
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2026-04-29
Also published as: CN101432964B; US7535300B2; WO2007124895A1; DE102006020485B4; EP2013968A1; US20080084245A1; CN101432964A

Abstract

Operationsverstärker, - mit einem Eingangsdifferenzverstärker (A1, A2, A3, A4), der mit einem ersten Eingang (In11, In12, In13, In14) und mit einem zweiten Eingang (In21, In22, In23, In24) verbunden ist, und - mit einer differentiellen Ausgangsstufe (D1, D2, D3, D4), die mit dem Eingangsdifferenzverstärker (A1, A2, A3, A4) und einem ersten Ausgang (O11, O12, O13, O14) und einem zweiten Ausgang (O21, O22, O23, O24) verbunden ist, bei dem - die differentielle Ausgangsstufe (D1, D2, D3, D4) eine Vollbrücke ([MP211, MN211, MP212, MN212], [MP221, MN221, MP222, MN222], [QP231, QN231, QP232, QN232], [QP241, QN241, QP242, QN242]) aufweist, und - die differentielle Ausgangsstufe (D1, D2, D3, D4) eine Konstantstromquelle (CS21, CS22, CS23, CS24) aufweist, die mit der Vollbrücke ([MP211, MN211, MP212, MN212], [MP221, MN221, MP222, MN222], [QP231, QN231, QP232, QN232], [QP241, QN241, QP242, QN242]) zur Speisung eines Stromes (I21, I22, I23, I24) durch die Vollbrücke ([MP211, MN211, MP212, MN212], [MP221, MN221, MP222, MN222], [QP231, QN231, QP232, QN232], [QP241, QN241, QP242, QN242]) verbunden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Operationsverstärker, insbesondere für ein batteriebetriebenes Funksystem.
Verstärker werden für eine Vielzahl von Anwendungsfällen benötigt. So werden Verstärker für Filterschaltungen oder zur Verstärkung von Messsignalen, beispielsweise in Sensorsystemen verwendet. Eine bekannte Verstärkerschaltung ist beispielsweise der Operationsverstärker. Für ein weites Anwendungsgebiet können Verstärker vorteilhafterweise ein breites Frequenzband verstärken. Für einige Anwendungen ist es auch ausreichend, dass der Verstärker als Selektivverstärker lediglich ein schmales Frequenzband im Bereich einer Betriebsfrequenz verstärkt.
Ein Operationsverstärker kann einen Eingangsdifferenzverstärker und eine Ausgangsstufe aufweisen. Ein Operationsverstärker ist beispielsweise in „Analoge Schaltungen", Seifart; 4. Aufl.; Verlag Technik Berlin; 1994; Seiten 276 bis 286 offenbart. Die Eingangsstufe eines Operationsverstärkers ist beispielsweise ein Differenzverstärker. Ein Differenzverstärker ist beispielsweise in „Analoge Schaltungen" Seifart; 4. Aufl.; Verlag Technik Berlin; 1994; Seiten 107 ff. offenbart. Die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers ist proportional zur Differenzspannung zwischen beiden Eingangsklemmen. Gleichtaktspannungen, die an beiden Eingängen in gleicher Amplitude und Phasenlage wirken, werden vom idealen Differenzverstärker nicht verstärkt. Die vorteilhaften Eigenschaften erhält der Differenzverstärker durch seinen weitgehend symmetrischen Aufbau. Die Emitter der beiden Eingangstransistoren können miteinander und mit einer Eingangskonstantstromquelle verbunden sein.
In IEEE Journal of Solid-State Circuits, VOL. 38, NO. 2, Feb. 2003; Seiten 176 ff. ist ein Niederleistungs – 2,4 GHz – Sender/Empfänger – CMOS IC mit einem Differenzverstärker bekannt. Aus IEEE Journal of Solid-State Circuits, VOL. 38, NO. 4, April 2003 ist ein 5,2 GHz Nieder-Rauschen-Verstärker in 0,35 μm CMOS-Technologie mit einem Differenzverstärker bekannt.
In IEEE International Solid-State Circuits Conference, 1994, Paper FA 14.1 ist ein 3V CMOS Rail-to-Rail Input/Output Operational Amplifier for VLSI Cell Libraries offenbart. In IEEE Journal of Solid-State Circuits, VOL. 35, NO. 4, APRIL 2000 ist ein 1.2 V CMOS Operational Amplifier with Dynamically Biased Output Stage offenbart.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen möglichst einfachen Operationsverstärker für eine möglichst hohe Stromtreiberfähigkeit zu entwickeln.
Diese Aufgabe wird durch einen Operationsverstärker mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Demzufolge ist ein Operationsverstärker mit mindestens einem Eingangsdifferenzverstärker und mindestens einer Ausgangsstufe vorgesehen. Der Eingangsdifferenzverstärker ist mit einem ersten Eingang und mit einem zweiten Eingang verbunden. Die Ausgangsstufe ist differentiell ausgebildet, so dass diese mit einem ersten Ausgang und einem zweiten Ausgang verbunden ist. Ein durch den Operationsverstärker verstärktes Nutzsignal ist an dem ersten Ausgang und an dem zweiten Ausgang dabei gegenphasig.
Die Ausgangsstufe kann mit dem Eingangsdifferenzverstärker indirekt über eine weitere Stufe verbunden sein. Vorzugsweise ist die Ausgangsstufe mit dem Eingangsdifferenzverstärker jedoch direkt verbunden.
Die differentielle Ausgangsstufe weist eine Vollbrücke auf. Die Vollbrücke ist vorzugsweise aus zwei push-pull-Stufen (Gegentaktverstärker) gebildet. Jede push-pull-Stufe bildet dabei einen Zweig der Vollbrücke. Die beiden Zweige sind vorteilhafterweise im Rahmen von Fertigungstoleranzen gleich ausgebildet. Die Lastanschlüsse an der Vollbrücke sind in der Brückendiagonalen ausgebildet.
Weiterhin weist die differentielle Ausgangsstufe eine Konstantstromquelle auf. Die Konstantstromquelle ist mit der Vollbrücke zur Speisung eines Stromes durch die Vollbrücke verbunden. Werden beispielsweise Feldeffekttransistoren in der Vollbrücke verwendet, fließt der Konstantstrom durch die Speisung mittels der Konstantstromquelle über Drain-Source-Strecken der Transistoren. Ein kleiner Anteil fließt bei hohen Frequenzen zudem als Verschiebestrom über die Gate-Kapazitäten und die Gate-Anschlüsse ab oder zu. Werden beispielsweise Bipolartransistoren in der Vollbrücke verwendet, fließt der Konstantstrom durch die Speisung mittels der Konstantstromquelle über Kollektor-Emitter-Strecken der Transistoren. Ein kleiner Anteil fließt zudem als Basisstrom über die Basis-Anschlüsse der Bipolartransistoren ab oder zu. Unter einer Konstantstromquelle ist dabei je nach Flussrichtung des Stromes eine Stromquelle oder eine Stromsenke zu verstehen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vollbrücke einen ersten Zweig mit zwei ersten Transistoren und einen zweiten Zweig mit zwei zweiten Transistoren aufweist. Die ersten Gates beziehungsweise die ersten Basen der zwei ersten Transistoren sind im ersten Zweig der Vollbrücke miteinander und mit einem ersten Ausgang des Eingangsdifferenzverstärkers verbunden. Die zweiten Gates beziehungs weise die zweiten Basen der zwei zweiten Transistoren im zweiten Zweig der Vollbrücke sind miteinander und mit einem zweiten Ausgang des Eingangsdifferenzverstärkers verbunden. Demzufolge liegt an beiden Gate-Anschlüssen beziehungsweise an beiden Basis-Anschlüssen der Transistoren eines der Zweige der Vollbrücke stets dieselbe Spannung an. Es sind keine Stufen zur Einstellung einer für die zwei Gates beziehungsweise zwei Basen eines Zweiges der Vollbrücke unterschiedlichen Bias-Spannung vorgesehen.
Gemäß einer ersten Ausgestaltungsvariante sind die zwei ersten Transistoren komplementäre Bipolartransistoren und die zwei zweiten Transistoren komplementäre Bipolartransistoren. Gemäß einer zweiten Ausgestaltungsvariante sind die zwei ersten Transistoren komplementäre Feldeffekttransistoren und die zwei zweiten Transistoren komplementäre Feldeffekttransistoren.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Arbeitspunkt der Vollbrücke derart eingestellt ist, dass im Arbeitspunkt der Konstantstrom der Konstantstromquelle zur einen Hälfte durch die zwei ersten Transistoren des ersten Zweiges der Vollbrücke und zur anderen Hälfte durch die zwei zweiten Transistoren des zweiten Zweiges der Vollbrücke fließt. Unter der Hälfte des Stromes wird dabei nicht eine mathematische Hälfte sondern eine hälftige Aufteilung des Stromes im Rahmen der Fertigungstoleranzen des Operationsverstärkers verstanden. Der Ausgangsstrom oder die Ausgangspannung des Operationsverstärkers weist aufgrund dieser Fertigungstoleranzen üblicherweise einen geringen Offset auf.
Vorzugsweise weist der Eingangsdifferenzverstärker einen ersten Eingangstransistor und einen zweiten Eingangstransistor auf. Vorzugsweise sind zudem ein erster Source-Anschluss beziehungsweise ein erster Emitteranschluss des ersten Eingangstransistors und ein zweiter Source- Anschluss beziehungsweise ein zweiter Emitteranschluss des zweiten Eingangstransistors mit einer Eingangskonstantstromquelle verbunden. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Konstantstromquelle der differentiellen Ausgangsstufe und die Eingangskonstantstromquelle des Eingangsdifferenzverstärkers an demselben Versorgungsspannungsanschluss des Operationsverstärkers angeschlossen.
Im Folgenden wird die Erfindung in Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen
1 einen ersten schematischen Schaltplan eines ersten Ausführungsbeispiels eines Operationsverstärkers;
2 einen zweiten schematischen Schaltplan eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Operationsverstärkers;
3 einen dritten schematischen Schaltplan eines dritten Ausführungsbeispiels eines Operationsverstärkers; und
4 einen vierten schematischen Schaltplan eines vierten Ausführungsbeispiels eines Operationsverstärkers.
1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Operationsverstärkers. Ziel dieses Ausführungsbeispiels des Operationsverstärkers ist es, einen möglichst geringen Stromverbrauch oder eine möglichst hohe Stromtreiberfähigkeit bei gegebenem Betriebsstrom zu erreichen. Der Operationsverstärker weist einen Eingangsdifferenzverstärker A1 auf, der mit einem ersten Eingang In₁₁ und mit einem zweiten Eingang In₂₁ des Operationsverstärkers verbunden ist. Weiterhin weist der Operationsverstärker eine differentielle Ausgangsstufe D1 auf, die mit dem Eingangsdifferenzverstärker A1 und einem ersten Ausgang O₁₁ und einem zweiten Ausgang O₂₁ verbunden ist. Die Versorgungsspannung V+ im Ausführungsbeispiel der 1 beträgt 1,8 V.
Die differentielle Ausgangsstufe D1 weist eine Vollbrücke mit den Transistoren M_P211, M_N211, M_P212, und M_N212 auf. Im Ausführungsbeispiel der 1 werden als Transistoren M_P211, M_N211, M_P212, und M_N212 MOSFETs einer CMOS-Technologie verwendet. Alternativ können auch Sperrschichtfeldeffekttransistoren verwendet werden.
Einer der beiden Transistoren, im Ausführungsbeispiel der 1 ist dies der PMOS-Feldeffekttransistor eines Zweiges der Vollbrücke ist dabei nicht mehr mit dem Source-Anschluss an der Betriebsspannung V+ angeschlossen.
Ein erster Zweig der Vollbrücke weist einen PMOS-Transistor M_P211 und einen NMOS-Transistor M_N211 auf, die vorzugsweise komplementär sind. Die Gate-Anschlüsse beider Transistoren M_P211 und M_N211 sind direkt miteinander verbunden. Weiterhin sind die Gate-Anschlüsse beider Transistoren M_P211 und M_N211 mit einem Ausgang O_D11 des Eingangsdifferenzverstärkers A1 verbunden.
Ebenfalls sind die Drain-Anschlüsse beider Transistoren M_P211 und M_N211 direkt miteinander und mit einem Ausgang O₂₁ der Ausgangsstufe D1 verbunden. Der Source-Anschluss des NMOS-Transistor M_N211 ist mit Masse verbunden. Hingegen ist der Source-Anschluss des PMOS-Transistors M_P211 mit einer Konstantstromquelle CS₂₁ verbunden.
Ein zweiter Zweig der Vollbrücke weist ebenfalls einen PMOS-Transistor M_N211 und einen NMOS-Transistor M_N212 auf, die vorzugsweise ebenfalls komplementär sind. Die Gate-Anschlüsse beider Transistoren M_P212 und M_N212 sind direkt miteinander verbunden. Weiterhin sind die Gate- Anschlüsse beider Transistoren M_P212 und M_N212 mit einem Ausgang O_D12 des Eingangsdifferenzverstärkers A1 verbunden.
Ebenfalls sind die Drain-Anschlüsse beider Transistoren M_P212 und M_N212 direkt miteinander und mit einem Ausgang O₂₂ der Ausgangsstufe D1 verbunden. Der Source-Anschluss des NMOS-Transistor M_N212 ist mit Masse verbunden. Hingegen ist der Source-Anschluss des PMOS-Transistors M_N212 mit dem Source-Anschluss des PMOS-Transistors M_P211 des anderen Zweiges der Vollbrücke und mit der Konstantstromquelle CS₂₁ verbunden. Die Konstantstromquelle CS₂₁ ist mit dem positiven Versorgungsspannungsanschluss V+ verbunden.
Die differentielle Ausgangsstufe D1 weist daher die Konstantstromquelle CS₂₁ auf, die mit der Vollbrücke zur Speisung eines Stromes I₂₁ durch die Vollbrücke verbunden ist. Der Strom I₂₁ durch die Vollbrücke ist dabei ausschließlich durch die Konstantstromquelle CS₂₁ festgelegt, sofern durch die Ausgänge O₁₁ oder O₂₁ der Ausgangsstufe D1 kein zusätzlicher Strom den Strom I₂₁ der Konstantstromquelle CS₂₁ überlagert.
Die Konstantstromquelle CS₂₁ dient weiterhin der Arbeitspunkteinstellung der Vollbrücke. Die Spannung V_D1 stellt sich selbstständig ein, indem die Vollbrücke mit der Konstantstromquelle CS₂₁ betrieben ist.
Der Eingangsdifferenzverstärker A1 weist zwei Eingangstransistoren M_P111 und M_P112 auf, die im Ausführungsbeispiel der 1 als PMOS-Feldeffekttransistoren ausgebildet sind. Alternativ können selbstverständlich auch andere Transistortypen, wie Sperrschichtfeldeffekttransistoren verwendet werden. Der Gate-Anschluss des ersten Eingangstransistors M_N211 ist mit einem Eingang In₂₁ des Operationsverstärkers verbunden. Der Gate-Anschluss des zweiten Eingangstransistors M_P112 ist mit dem anderen Eingang In₁₁ des Operationsverstärkers verbunden. Die Source-Anschlüsse beider Eingangstransistoren M_P111 und M_P112 sind direkt miteinander und mit einer Eingangskonstantstromquelle CS₁₁ verbunden. Die Eingangskonstantstromquelle CS₁₁ ist wiederum mit dem positiven Versorgungsspannungsanschluss V+ verbunden.
Der Drain-Anschluss des ersten Eingangstransistors M_P111 ist mit einer weiteren Stromquelle und mit einem ersten Ausgang O_D11 des Eingangsdifferenzverstärkers A1 und somit direkt mit den Gate-Anschlüssen der Transistoren M_P211 und M_N211 der Vollbrücke verbunden. Der Drain-Anschluss des zweiten Eingangstransistors M_P112 ist mit einer wiederum weiteren Stromquelle und mit einem zweiten Ausgang O_D12 des Eingangsdifferenzverstärkers A1 und somit direkt mit den Gate-Anschlüssen der Transistoren M_P212 und M_N212 der Vollbrücke verbunden.
Für die mit der Konstantstromquelle CS₂₁ verbundene Vollbrücke des Ausführungsbeispiels der 1 wird im Gegensatz zu einem AB-Verstärker kein Ansteuerschaltkreis zur Bereitstellung von Bias- und Signalspannung an den Gates der Ausgangstransistoren M_P211, M_N211, M_P212, und M_N212 benötigt. Dies hat den Vorteil dass push-pull-Betrieb dieser Gegentaktstufe erreicht wird, ohne zusätzlichen Aufwand für die Ansteuerung der Ausgangstransistoren M_P211, M_N211, M_P212, und M_N212 zu benötigen. Die maximal zu verstärkende Frequenz wird durch die elektrischen Eigenschaften der Ausgangstransistoren M_P211, M_N211, M_P212, und M_N212 bestimmt und nicht durch zusätzliche Verstärkerstufen verringert.
Die maximale Treiberstärke wird erreicht, wenn die Steilheiten der PMOS-Feldeffekttransistoren und der NMOS-Feldeffekttransistoren im Rahmen von Fertigungstoleranzen gleich sind. In diesem Fall kann eine Signalamplitude (Spitze-Spitze) von maximal 2 × I₂₁ von der Vollbrücke an den Ausgängen ... abgegeben werden, wobei in jedem der beiden Zweige ein Ruhestrom von I₂₁/2 fließt.
Für einen zuverlässigen Betrieb des Eingangsdifferenzverstärkers ist es im Ausführungsbeispiel der 1 nur schlecht möglich die Eingangs-Gleichtaktspannung auf die halbe Versorgungsspannung V+/2 von 0,9V zu legen. Die Summe aus Schwellspannung, Vdsat des Verstärkertransistors und Vdsat der Eingangskonstantstromquelle CS₁₁ sind im Ausführungsbeispiel der 1 größer als 0,9 V. Somit kann die praktische Eingangs-Gleichtaktspannung bei 0,6V bis 0,7V liegen, womit eine symmetrische Aussteuerung der Ausgangsstufe D1 nicht erforderlich ist.
Die Gleichtaktregelschaltung, die für den differentiellen Operationsverstärker der 1 bevorzugt verwendet wird, ist in der 1 zur vereinfachten Darstellung nicht gezeigt.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Operationsverstärker als Schaltplan schematisch dargestellt. Die Ausgangsstufe D2 mit der Konstantstromquelle CS₂₂ und den Transistoren M_P221, M_N221, M_P222, und M_N222 unterscheidet sich nicht von der Ausgangsstufe D1 in 1. Hingegen weist der Eingangsdifferenzverstärker A2 einen ersten NMOS-Feldeffekttransistor M_N121 und einen zweiten NMOS-Feldeffekttransistor M_N122 auf, deren Gate-Anschlüsse mit Eingängen In₁₂ und In₂₂ des Operationsverstärkers verbunden sind. Zudem sind die Source-Anschlüsse der Transistoren M_N122, M_N121 mit einer Eingangskonstantstromquelle CS₁₂ verbunden. Die Eingangskonstantstromquelle CS₁₂ ist wiederum mit Masse GND verbunden.
An den Eingängen In₁₂ und In₂₂ liegt ein Eingangssignal an, das sowohl einen Gleichtaktsignalanteil als auch einen Gegentaktsignalanteil aufweisen kann. Unter einem Gleichtaktsignal wird dabei ein Signal verstanden, dass an beiden Eingängen In₁₂ und In₂₂ des Eingangsdifferenzverstärkers A2 mit gleicher Frequenz und gleicher Phasenlage und gleicher Amplitude anliegt. Unter einem Gegentaktsignal wird ein an den Eingängen In₁₂ und In₂₂ anliegendes Signal mit gleicher Frequenz, gleicher Amplitude und einer um 180° verschobenen Phase verstanden. Gleichtaktsignale und Gegentaktsignale können auch einander überlagert sein. Das Gegentaktsignal ist dabei üblicherweise das Nutzsignal.
Das Gegentaktsignal wird durch den Eingangsdifferenzverstärker A2 spannungsverstärkt und gelangt über die Ausgänge O_D12 und O_D22 des Eingangsdifferenzverstärkers A2 an die Gate-Anschlüsse der Transistoren M_P221, M_N221, M_P222, und M_N222 der Ausgangsstufe D2. Die Gate-Elektroden der Transistoren M_P221, M_N221, M_P222, und M_N222 stellen dabei eine kapazitive Impedanz als zusätzliche Last des Eingangsdifferenzverstärkers A2 dar. Je kleiner diese kapazitive Last ausgebildet ist, desto höher kann eine maximale Verstärkungsfrequenz des Eingangsdifferenzverstärkers A2 erzielt werden. Mit Verringerung der kapazitiven Last wird jedoch auch die Gate-Weite der Transistoren M_P221, M_N221, M_P222, und M_N222 der Ausgangsstufe D2 verringert. Dies wiederum verringert die Stromtreibfähigkeit der Ausgangsstufe D2.
In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Operationsverstärker in Form eines Schaltplans schematisch dargestellt. In der 3 werden für den Eingangsdifferenzverstärker A3 und für die Ausgangsstufe D3 Bipolartransistoren Q_P231, Q_N231, Q_P231, Q_P232, Q_N232, Q_N131 und Q_N132 verwendet.
Der Eingangsdifferenzverstärker A3 weist npn-Bipolartransistoren Q_N232 und Q_N131 als Eingangstransistoren auf. Die Basen der Eingangstransistoren Q_N232 Und Q_N131 sind mit den Eingängen In₁₃ Und In₂₃ des Operationsverstärkers verbunden. Die Emitter der Eingangstransistoren Q_N232 und Q_N131 sind mit einer Eingangskonstantstromquelle CS₁₃ verbunden, die wiederum mit Masse GND verbunden ist.
Die Ausgangsstufe D3 weist einen ersten Zweig mit einem komplementären npn-Bipolartransistor Q_N231 und pnp-Bipolartransistor Q_P231 auf, deren Basen miteinander und mit einem Ausgangs O_D13 des Eingangsdifferenzverstärkers A3 verbunden sind. Weiterhin sind die Kollektoren des npn-Bipolartransistors Q_N231 und des pnp-Bipolartransistors Q_P231 miteinander und mit einem Ausgang O₁₃ der Ausgangsstufe D3 verbunden. Der Emitter des npn-Bipolartransistors Q_N231 Ist mit einer Konstantstromquelle CS₂₃ verbunden, die wiederum mit Masse GND verbunden ist. Der Emitter des pnp-Bipolartransistors Q_P231 ist hingegen mit der positiven Versorgungsspannung V+ verbunden.
Weiterhin weist die Ausgangsstufe D3 einen zweiten Zweig mit einem komplementären npn-Bipolartransistor Q_N232 und pnp-Bipolartransistor Q_P232 auf. Der Emitter des npn-Bipolartransistors Q_N232 Ist mit dem Emitter des npn-Bipolartransistors Q_N231 und mit der Konstantstromquelle CS₂₃ verbunden. Demzufolge ist sowohl die Konstantstromquelle CS₂₃ der Ausgangsstufe D3 als auch die Eingangskonstantstromquelle CS₁₃ des Eingangsdifferenzverstärkers A3 mit demselben Versorgungsspannungspotential (hier GND) verbunden.
Das Ausführungsbeispiel der 3 ist besonders für kleine Versorgungsspannungen durch eine Batterie geeignet. Hierzu sind vorzugsweise besonders kleine Basis-Emitter-Spannungen im Arbeitspunkt und hohe Stromverstärkungsfaktoren der Bipolartransistoren vorteilhaft. Für besonders hohe Frequenzen werden vorteilhafterweise Heterobipolartransistoren, beispielsweise mit einem Mischkristall aus Silizium-Germanium verwendet.
4 zeigt ein wiederum anderes Ausführungsbeispiel eines Operationsverstärkers anhand eines schematischen Schaltplans. Im Unterschied zu 3 weist der Eingangsdifferenzverstärker A4 pnp-Bipolartransistoren Q_P141 und Q_P142 als Eingangstransistoren auf. Die Basen der Eingangstransistoren Q_P141 und Q_P142 sind mit den Eingängen In₁₄ und In₂₄ des Operationsverstärkers verbunden. Die Emitter der Eingangstransistoren Q_P141 und Q_P142 sind mit einer Eingangskonstantstromquelle CS₁₄ verbunden, die wiederum mit der positiven Versorgungsspannung V+ verbunden ist. Das Ausführungsbeispiel der 4 weist den Vorteil auf, dass die Basisströme der Transistoren Q_P241, Q_N241, Q_P242 Und Q_N242 nicht durch Extrastufen separat eingestellt werden müssen, sondern durch die Stromverteilung des Stromes I₂₄ der Konstantstromquelle CS₂₄ automatisch in ihrem Arbeitspunkt eingestellt werden. Vorteilhafterweise weisen die Transistoren Q_P241, Q_N241, Q_P242 und Q_N242 hierzu eine im Rahmen der Fertigungstoleranzen gleiche Stromverstärkung auf.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele der vier Figuren beschränkt. Ebenfalls können in dem Eingangsdifferenzverstärker und/oder in der Ausgangsstufe auch gemischt Bipolartransistoren und Feldeffekttransistoren verwendet werden. Ebenfalls ist es möglich im Eingangsdifferenzverstärker und/oder in der Ausgangsstufe Transistoren in Kaskodeschaltung oder in Darlingtonschaltung zu verwenden um eine höhere Spannungsverstärkung oder Stromverstärkung zu erzielen.
Der Eingangsdifferenzverstärker ist vorteilhafterweise zusammen mit der differentiellen Ausgangsstufe auf einem Halbleiterchip als integrierte Schaltung ausgebildet.

M_N211, M_N212, M_N121, M_N122,: Feldeffekttransistoren (NMOS, N-SFET)
M_N221, M_N222
M_P111, M_P112, M_P211, M_P212,: Feldeffekttransistoren (PMOS, P-SFET)
M_P221, M_P222
Q_N131, Q_N132, Q_N231, Q_N232,: npn-Bipolartransistor
Q_N241, Q_N242
Q_P231, Q_P232, Q_P141, Q_P142,: pnp-Bipolartransistor
Q_P241, Q_P242
CS₁₁, CS₂₁, CS₁₂, CS₂₂,: Stromquelle, Stromsenke
CS₁₃, CS₂₃, CS₁₄, CS₂₄
V+: positiver Versorgungsspannungsanschluss
GND: Masse-Anschluss
In₁₁, In₂₁, In₁₂, In₂₂, In₁₃,: Eingang des Eingangsdifferenzverstärkers;
In₂₃, In₁₄, In₂₄: Eingang des Operationsverstärkers
O_D11, O_D21, O_D12, O_D22,: Ausgang des Eingangsdifferenzverstärkers
O_D13, O_D23, O_D14, O_D24
O₁₁, O₂₁, O₁₂, O₂₂, O₁₃,: Ausgang der Ausgangsstufe; Ausgang des
O₂₃, O₁₄, O₂₄: Operationsverstärkers
A1, A2, A3, A4: Eingangsdifferenzverstärker
D1, D2, D3, D4: Ausgangsstufe
I: Strom
V: Spannung

Claims

Operationsverstärker, – mit einem Eingangsdifferenzverstärker (A1, A2, A3, A4), der mit einem ersten Eingang (In₁₁, In₁₂, In₁₃, In₁₄) und mit einem zweiten Eingang (In₂₁, In₂₂, In₂₃, In₂₄) verbunden ist, und – mit einer differentiellen Ausgangsstufe (D1, D2, D3, D4), die mit dem Eingangsdifferenzverstärker (A1, A2, A3, A4) und einem ersten Ausgang (O₁₁, O₁₂, O₁₃, O₁₄) und einem zweiten Ausgang (O₂₁, O₂₂, O₂₃, O₂₄) verbunden ist, bei dem – die differentielle Ausgangsstufe (D1, D2, D3, D4) eine Vollbrücke ([M_P211, M_N211, M_P212, M_N212], [M_P221, M_N221, M_P222, M_N222], [Q_P231, Q_N231, Q_P232, Q_N232], [Q_P241, Q_N241, Q_P242, Q_N242]) aufweist, und – die differentielle Ausgangsstufe (D1, D2, D3, D4) eine Konstantstromquelle (CS₂₁, CS₂₂, CS₂₃, CS₂₄) aufweist, die mit der Vollbrücke ([M_P211, M_N211, M_P212, M_N212], [M_P221, M_N221, M_P222, M_N222], [Q_P231, Q_N231, Q_P232, Q_N232], [Q_P241, Q_N241, Q_P242, Q_N242]) zur Speisung eines Stromes (I₂₁, I₂₂, I₂₃, I₂₄) durch die Vollbrücke ([M_P211, M_N211, M_P212, M_N212], [M_P221, M_N221, M_P222, M_N222], [Q_P231, Q_N231, Q_P232, Q_N232], [Q_P241, Q_N241, Q_P242, Q_N242]) verbunden ist.
Operationsverstärker nach Anspruch 1, bei dem – die Vollbrücke ([M_P211, M_N211, M_P212, M_N212], [M_P221, M_N221, M_P222, M_N222], [Q_P231, Q_N231, Q_P232, Q_N232], [Q_P241, Q_N241, Q_P242, Q_N242]) einen ersten Zweig mit zwei ersten Transistoren ([M_P211, M_N211], [M_P221, M_N221], [Q_P231, Q_N231], [Q_P241, Q_N241]) aufweist, – die Vollbrücke ([M_P211, M_N211, M_P212, M_N212], [M_P221, M_N221, M_P222, M_N222], [Q_P231, Q_N231, Q_P232, Q_N232], [Q_P241, Q_N241, Q_P242, Q_N242]) einen zweiten Zweig mit zwei zweiten Transistoren ([M_P212, M_N212], [M_P222, M_N222], [Q_P232, Q_N232], [Q_P242, Q_N242]) aufweist, – die ersten Gates beziehungsweise die ersten Basen der zwei ersten Transistoren ([M_P211, M_N211], [M_P221, M_N221], [Q_P231, Q_N231], [Q_P241, Q_N241]) im ersten Zweig der Vollbrücke ([M_P211, M_N211, M_P212, M_N212], [M_P221, M_N221, M_P222, M_N222], [Q_P231, Q_N231, Q_P232, Q_N232], [Q_P241, Q_N241, Q_P242, Q_N242]) miteinander und mit einem ersten Ausgang (O_D11, O_D12, O_D13, O_D14) des Eingangsdifferenzverstärkers (A1, A2, A3, A4) verbunden sind, und – die zweiten Gates beziehungsweise die zweiten Basen der zwei zweiten Transistoren ([M_P212, M_N212], [M_P222, M_N222], [Q_P232, Q_N232], [Q_P242, Q_N242]) irrt zweiten Zweig der Vollbrücke ([M_P211, M_N211, M_P212, M_N212], [M_P221, M_N221, M_P222, M_N222], [Q_P231, Q_N231, Q_P232, Q_N232], [Q_P241, Q_N241, Q_P242, Q_N242]) miteinander und mit einem zweiten Ausgang (O_D21, O_D22, O_D23, O_D24) des Eingangsdifferenzverstärkers (A1, A2, A3, A4) verbunden sind.
Operationsverstärker nach Anspruch 2, bei dem die zwei ersten Transistoren komplementäre Bipolartransistoren ([Q_P231, Q_N231], [Q_P241, Q_N241]) und die zwei zweiten Transistoren komplementäre Bipolartransistoren ([Q_P232, Q_N232], [Q_P242, Q_N242]) sind.
Operationsverstärker nach Anspruch 2, bei dem die zwei ersten Transistoren komplementäre Feldeffekttransistoren ([M_P211, M_N211], [M_P221, M_N221]) und die zwei zweiten Transistoren komplementäre Feldeffekttransistoren ([M_P212, M_N212], [M_P222, M_N222]) sind.
Operationsverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Arbeitspunkt der Vollbrücke ([M_P211, M_N211, M_P212, M_N212], [M_P221, M_N221, M_P222, M_N222], [Q_P231, Q_N231, Q_P232, Q_N232], [Q_P241, Q_N241, Q_P242, Q_N242]) derart eingestellt ist, dass der Konstantstrom (I₂₁, I₂₂, I₂₃, I₂₄) der Konstantstromquelle (CS₂₁, CS₂₂, CS₂₃, CS₂₄) zur einen Hälfte durch die zwei ersten Transistoren ([M_P211, M_N211], [M_P221, M_N221], [Q_P231, Q_N231, [Q_P241, Q_N241]) des ersten Zweiges der Vollbrücke ([M_P211, M_N211, M_P212, M_N212], [M_P221, M_N221, M_P222, M_N222], [Q_P231, Q_N231, Q_P232, Q_N232], [Q_P241, Q_N241, Q_P242, Q_N242]) und zur anderen Hälfte durch die zwei zweiten Transistoren ([M_P212, M_N212], [M_P222, M_N222], [Q_P232, Q_N232], [Q_P242, Q_N242]) des zweiten Zweiges der Vollbrücke ([M_P211, M_N211, M_P212, M_N212], [M_P221, M_N221, M_P222, M_N222], [Q_P231, Q_N231, Q_P232, Q_N232], [Q_P241, Q_N241, Q_P242, Q_N242]) fließt.
Operationsverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem – der Eingangsdifferenzverstärker (A1, A2, A3, A4) einen ersten Eingangstransistor (M_P111, M_N121, Q_N131, Q_P141) und einen zweiten Eingangstransistor (M_P112, M_N122, Q_N132, Q_P142) aufweist, – ein erster Source-Anschluss beziehungsweise ein erster Emitteranschluss des ersten Eingangstransistors (M_P111, M_N121, Q_N131, Q_P141) und ein zweiter Source-Anschluss beziehungsweise ein zweiter Emitteranschluss des zweiten Eingangstransistors (M_P112, M_N122, Q_N132, Q_P142) mit einer Eingangskonstantstromquelle (CS₁₁, CS₁₂, CS₁₃, CS₁₄) verbunden sind, und – die Konstantstromquelle (CS₂₁, CS₂₂, CS₂₃, CS₂₄) der differentiellen Ausgangsstufe (D1, D2, D3, D4) und die Eingangskonstantstromquelle (CS₁₁, CS₁₂, CS₁₃, CS₁₄) des Eingangsdifferenzverstärkers (A1, A2, A3, A4) an demselben Versorgungsspannungsanschluss (V+, GND) angeschlossen sind.