DE102010031575B4

DE102010031575B4 - Verstärkerschaltung und Verfahren

Info

Publication number: DE102010031575B4
Application number: DE102010031575.3A
Authority: DE
Inventors: Jörg Eichholz
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2010-07-20
Filing date: 2010-07-20
Publication date: 2016-09-29
Anticipated expiration: 2030-07-21
Also published as: DE102010031575A1

Abstract

Verstärkerschaltung (100, 110, 400) mit folgenden Merkmalen: einer Stromeinstellungsschaltung (101, 401); und einer Differenzverstärkerschaltung (102, 402) mit einem ersten Differenzverstärkereingang (103) und einem zweiten Differenzverstärkereingang (104); wobei die Stromeinstellungsschaltung (101, 401) ausgebildet ist, um basierend auf einer Differenz zwischen einem ersten Potential (U1, U+) an dem ersten Differenzverstärkereingang (103) und einem zweiten Potential (U2, U–) an dem zweiten Differenzverstärkereingang (104) einen Gesamtstrom (Igesamt) durch eine Eingangsdifferenzstufe (105, 405) der Differenzverstärkerschaltung (102, 402) einzustellen, so dass der Gesamtstrom (Igesamt) in einem ersten Zustand, bei Vorliegen eines Unterschieds zwischen dem ersten Potential (U1, U+) und dem zweiten Potential (U2, U–) im Vergleich zu einem zweiten Zustand, in dem das erste Potential (U1, U+) und das zweite Potential (U2, U–) gleich sind, erhöht ist; wobei die Eingangsdifferenzstufe (105, 405) der Differenzverstärkerschaltung (102, 402) einen ersten Eingangstransistor (301) und einen zweiten Eingangstransistor (302) aufweist; wobei ein Steueranschluss des ersten Eingangstransistors (301) mit dem ersten Differenzverstärkereingang (103) verbunden ist; wobei ein Steueranschluss des zweiten Eingangstransistors (302) mit dem zweiten Differenzverstärkereingang (104) verbunden ist; wobei die beiden Eingangstransistoren (301, 302) so ausgebildet sind, dass in dem zweiten Zustand, in dem das erste Potential (U1, U+) gleich dem zweiten Potential (U2, U–) ist, ein Strom (Ilast1) entlang einer Laststrecke des ersten Eingangstransistors (301) gleich einem Strom (Ilast2) entlang einer Laststrecke des zweiten Eingangstransistors (302) ist; wobei die Eingangsdifferenzstufe (105, 405) ferner eine erste variable Stromquelle (313, 312, 408, 407) aufweist, welche ausgebildet ist, um einen ersten variablen Strom (I16, I21) einzuprägen, der sich auf die Laststrecken der beiden Eingangstransistoren (301, 302) in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen dem ersten Potential (U1, U+) und dem zweiten Potential (U2, U–) aufteilt, so dass der erste variable Strom (I16, I21), der sich auf die Laststrecken der beiden Eingangstransistoren (301, 302) aufteilt, in dem ersten Zustand, in dem das erste Potential (U1, U+) verschieden zu dem zweiten Potential (U2, U–) ist, erhöht gegenüber dem zweiten Zustand, in dem das erste Potential (U1, U+) gleich dem zweiten Potential (U2, U–) ist; ...

Description

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschreiben eine Verstärkerschaltung, wie sie beispielsweise zur Verstärkung einer Differenz zweier Eingangspotentiale verwendet werden kann. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können beispielsweise in integrierten Schaltungen, beispielsweise CMOS-Schaltungen ihre Verwendung finden.
Operationsverstärker werden in vielen verschiedenen Anwendungen eingesetzt. Im Folgenden wird ein herkömmlicher Operationsverstärker beschrieben. 5a zeigt ein Schaltbild eines einfachen zweistufigen Operationsverstärkers 500. Der in 5a gezeigte klassische Operationsverstärker 500 besteht aus zwei Verstärkerstufen, einer Eingangsdifferenzstufe 501 und einer weiteren Verstärkerstufe 502. Die Schaltung des Operationsverstärkers 500 ist in 5a mit Stromquellen dargestellt. In 5b sind die Stromquellen aus 5a durch Transistoren realisiert, welche über einen Pin oder Anschluss „I_in” über einer konstanten Spannung an ihren Gates arbeiten.
Eine Stromquelle 503 und eine Stromquelle 504 bilden zusammen die Funktion eines Stromspiegels 505 bzw. eines Stromspiegel-Ausgangsteils, das heißt, ein durch die Stromquelle 503 erzeugter Strom ist gleich oder proportional zu einem durch die Stromquelle 504 erzeugten Strom. Die Stromquelle 503 liefert den Strom bzw. Fußpunktstrom für die Eingangsdifferenzstufe 501 und die Stromquelle 504 liefert den Strom für die Verstärkerstufe 502. Die Verstärkerstufe 502 kann auch als Ausgangsstufe 502 bezeichnet werden. Die Eingangsdifferenzstufe 501 weist einen ersten P-MOS-Eingangstransistor 506 und einen zweiten P-MOS-Eingangstransistor 507 auf. Der erste Eingangstransistor 506 ist mit einem ersten Differenzverstärkereingang 508 des Operationsverstärkers 500 verbunden. Der zweite Eingangstransistor 507 ist mit einem zweiten Differenzverstärkereingang 509 des Operationsverstärkers 500 verbunden.
Wie bereits im Vorherigen erwähnt, ist in 5b die Schaltung des Operationsverstärkers 500 komplett mit Transistoren aufgebaut bzw. dargestellt. Hier wird über den Pin Im ein Eingangsstrom in einen Transistor 510 eingeprägt und ein Transistor 511 fungiert als ein erster Ausgangstransistor des Stromspiegels 505 und übernimmt somit die Funktion der Stromquelle 503. Ein Transistor 512 fungiert als ein zweiter Ausgangstransistor des Stromspiegels 505 und übernimmt somit die Funktion der Stromquelle 504
Ein Nachteil des in den 5a und 5b gezeigten einfachen Operationsverstärkers ist, dass dieser Verstärker für kapazitive Lasten häufig zum Schwingen neigt. Deshalb wurde für diese (kapazitiven) Lasten der sog. Transimpedanzverstärker oder Transkonduktanzverstärker (operational transconductance amplifier – OTA) entwickelt.
6a zeigt ein Schaltbild eines solchen Transkonduktanzverstärkers 600 mit Stromquellen und 6b zeigt ein Schaltbild des Transkonduktanzverstärkers 600 mit Transistoren, welche als Stromquellen arbeiten. Bei dem Transkonduktanzverstärker 600 liefert eine Stromquelle 602 den Strom für eine Eingangsdifferenzstufe 601. Eine erste Stromquelle 603 und eine zweite Stromquelle 604 führen jeweils einen Strom der etwas größer ist als der Strom durch die Stromquelle 602. Im Folgenden wird zur Vereinfachung angenommen, dass ein Strom der Stromquelle 602 gleich einem Strom der Stromquelle 603 und einem Strom der Stromquelle 604 ist. Ist die Eingangsspannungsdifferenz Null, das heißt, ein erstes Potential U₊ ist gleich einem zweiten Potential U_–, dann fließt durch einen ersten P-MOS-Transistor 605 und durch einen zweiten P-MOS-Transistor 606 der halbe Ruhestrom der Stromquelle 602. Ändert sich die Eingangsspannungsdifferenz z. B. derart, dass ein zweiter Eingangstransistor 507 des Transkonduktanzverstärkers 600 nicht mehr leitet, fließt der gesamte Strom der Stromquelle 602 durch einen ersten Eingangstransistor 506 des Transkonduktanzverstärkers 600, der damit den gesamten Strom der Stromquelle 603 deckt. Dadurch leitet der zweite P-MOS-Transistor 606 nicht mehr und wegen eines Stromspiegels 607 mit dem ersten P-MOS-Transistor 605 dieser erste P-MOS-Transistor 605 auch nicht mehr. Der Strom für die Stromquelle 604 wird durch einen Ausgang des Transkonduktanzverstärkers 600 über einen Pin oder Anschluss U_out gespeist, das heißt, der maximal verfügbare Strom dieser Schaltung fließt dann in den Ausgang in die Stromquelle 604 und entlädt U_out bzw. entlädt ein angeschlossenes Bauteil. Ist die Eingangsspannungsdifferenz so, dass der erste Eingangstransistor 506 nicht mehr leitet, so liefert der zweite P-MOS-Transistor 606 den Strom für die Stromquelle 603 und somit fließt auch in dem ersten P-MOS-Transistor 605 die Strommenge von der Stromquelle 603. Da die Stromquelle 604 den gesamten Strom durch den zweiten Eingangstransistor 507 von der Stromquelle 602 erhält, fließt der Strom von dem ersten P-MOS-Transistor 605 aus dem Ausgang U_out heraus und lädt ein angeschlossenes Bauelement um bzw. bewirkt einen entsprechenden Spannungsabfall an einer bevorzugt niederohmigen Last.
Das bedeutet, dass der maximal zur Verfügung stehende Strom am Ausgang U_out zu jedem Zeitpunkt in doppelter Höhe durch die Schaltung fließt und somit zu einem hohen Stromverbrauch führt.
Wie bereits im Vorherigen erwähnt, sind in 6b die Stromquellen 602, 603, 604 durch Transistoren ersetzt worden. Wie in 5b wird auch hier in einen Pin I_in ein Strom von außen eingeprägt. Ein dritter P-MOS-Transistor 608 bildet mit einem vierten P-MOS-Transistor 609 einen Stromspiegel 610 und liefert damit den Strom der Stromquelle 602 aus Abb. 6a. Ein fünfter P-MOS-Transistor 611 bildet mit dem vierten P-MOS-Transistor 609 auch einen Stromspiegel und prägt damit einen Strom, dessen Stromwert dem Stromwert des Stroms der Stromquelle 602 (bzw. ein wenig mehr) entspricht, in einen ersten N-MOS-Transistor 612 ein. Dieser erste N-MOS-Transistor 612 bildet mit einem zweiten N-MOS-Transistor 613 einen Stromspiegel und damit die Stromquelle 603. Weiterhin bildet der erste N-MOS-Transistor 612 mit einem dritten N-MOS-Transistor 614 einen Stromspiegel und damit die Stromquelle 604.
In einer praktischen Realisierung werden der Strom durch die Stromquelle 603 und der Strom durch die Stromquelle 604 so eingestellt, dass deren Stromwerte ein wenig größer sind als der Stromwert des Stroms durch den vierten P-MOS-Transistor 608, also als der Stromwert des Strom der Stromquelle 602. Dies wird beispielsweise dadurch realisiert werden, dass der fünfte P-MOS-Transistor 611 etwas mehr Strom als der vierte P-MOS-Transistor 609 aufnehmen kann, oder die beiden N-MOS-Transistoren 613, 614 etwas mehr Strom als der N-MOS-Transistor 612 aufnehmen können. Dies ist nötig, damit bei maximaler Aufsteuerung (von einem Transistor) keiner der N-MOS-Transistoren 613, 614 keinen Strom mehr führt. Diese (ausgehend von einem Zustand, in dem kein Strom durch den Transistor fließt) dann wieder aufzusteuern, dauert recht lange und würde die Bandbreite des gezeigten Transkonduktanzverstärkers 600 erheblich reduzieren.
Ein Nachteil von Transkonduktanzverstärkerschaltungen ist, wie oben bereits erklärt, das stets der maximal verfügbare Ausgangsstrom zweimal durch die Schaltung fließen muss und zwar auch im Ruhezustand (bei keiner Eingangsdifferenz), was zu einem relativ hohen Leistungsverbrauch führt.
Die WO 00/02310 zeigt in ihrer 4 eine Vorrichtung mit einem Differenzverstärker, einer Rückkopplungskorrekturschaltung sowie einer Stromspiegelschaltung. Die Rückkopplungskorrekturschaltung dient dazu, um einen Zusatzstrom für den Differenzverstärker bereitzustellen, falls ein Ausgangsstrom der von der Stromspiegelschaltung bereitgestellt wird, unter einen vorgegebenen Wert abfällt.
Die EP 0 507 388 A2 zeigt einen Differenzverstärker mit einer signalabhängigen Ruhestromsteuerung. Der Differenzverstärker weist einen ersten Transistor und einen zweiten Transistor zum Generieren eines ersten Stroms und eines zweiten Stroms auf. Weiterhin weist der Differenzverstärker Vergleichseinrichtungen auf, welche den ersten und den zweiten Strom in einen Messstrom wandeln. Ferner weist der Differenzverstärker eine Vergleichseinrichtung auf, welche ein Differenzsignal generiert, falls der erste Strom von dem zweiten Strom abweicht. Bei einer Abweichung des ersten Stroms von dem zweiten Strom wird ein Zusatzruhestrom generiert.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Konzept für eine Verstärkerschaltung zu schaffen, das eine Verringerung der Leistungsaufnahme ermöglicht.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Verstärkerschaltung gemäß Anspruch 1, eine Verstärkerschaltung gemäß Anspruch 19 und ein Verfahren gemäß Anspruch 20.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Verstärkerschaltung mit einer Stromeinstellungsschaltung und einer Differenzverstärkerschaltung. Die Differenzverstärkerschaltung weist einen ersten Differenzverstärkereingang und einen zweiten Differenzverstärkereingang auf. Die Stromeinstellungsschaltung ist ausgebildet, um basierend auf einer Differenz zwischen einem ersten Potential an dem ersten Differenzverstärkereingang und einem zweiten Potential an dem zweiten Differenzverstärkereingang einen Gesamtstrom durch eine Eingangsdifferenzstufe der Differenzverstärkerschaltung einzustellen. Die Einstellung des Gesamtstroms durch die Eingangsdifferenzstufe der Differenzverstärkerschaltung erfolgt dabei so, dass der Gesamtstrom in einem ersten Zustand, bei Vorliegen eines Unterschieds zwischen dem ersten Potential und dem zweiten Potential, im Vergleich zu dem zweiten Zustand, in dem das erste Potential und das zweite Potential gleich sind, erhöht ist.
Es ist ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung, dass ein Gesamtstrom durch eine Eingangsdifferenzstufe einer Differenzverstärkerschaltung nur erhöht dann wird, wenn dieser erhöhte Gesamtstrom zur Verstärkung einer Eingangsspannungsdifferenz bzw. zur Bereitstellung eines großen Ausgangsstroms benötigt wird. Es wurde erkannt, dass eine erhöhte Stromaufnahme, also ein erhöhter Gesamtstrom nur benötigt wird, falls eine Spannungsdifferenz an einem Differenzverstärker ungleich Null ist, also nur in dem Fall, in dem der Differenzverstärker ein Signal zu verstärken hat. In dem Fall, dass die Eingangsspannungsdifferenz gleich Null ist, muss ein Differenzverstärker nicht (oder nur vernachlässigbar wenig) verstärken und ein Strom am Ausgang des Differenzverstärkers ist daher Null (oder vernachlässigbar gering). Eine Gesamtstromaufnahme einer Eingangsdifferenzstufe des Differenzverstärkers ist daher lediglich durch einen Ruhestrom in der Schaltung bestimmt, und der Gesamtstrom kann in diesem Fall abgesenkt werden, ohne dass sich gravierende Nachteile ergeben.
Ein Vorteil von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist, dass eine Gesamtstromaufnahme einer Eingangsdifferenzstufe eines Differenzverstärkers und damit eine Gesamtstromaufnahme des Differenzverstärkers in einem Fall, in welchem eine Eingangsdifferenz an dem Differenzverstärker gleich Null ist, gesenkt gegenüber Differenzverstärkern ist, in welchen keine Einstellung eines Gesamtstroms durch eine Eingangsdifferenzstufe der Differenzverstärker basierend auf einer Eingangsspannungsdifferenz erfolgt.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann die Differenzverstärkerschaltung eine Transkonduktanzverstärkerschaltung sein, welche ausgebildet ist, um abhängig von einer Differenz zwischen dem ersten Potential und dem zweiten Potential einen Ausgangsstrom in einen Differenzverstärkerausgang des Differenzverstärkers einzuprägen. Im Gegensatz zu der in den 6a und 6b gezeigten Transkonduktanzverstärkerschaltung 600 fließt damit, bei einer Verstärkerschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, durch eine Differenzeingangsstufe der Transkonduktanzverstärkerschaltung nicht konstant derselbe Strom. Der Gesamtstrom durch die Eingangsdifferenzstufe der Transkonduktanzverstärkerschaltung variiert mit einer Eingangsspannungsdifferenz an den Differenzverstärkereingängen der Transkonduktanzverstärkerschaltung und ist, beispielsweise im Fall, dass die Eingangsspannungsdifferenz gleich Null ist, niedriger, als ein Strom durch die Eingangsdifferenzstufe des in den 6a und 6b gezeigten Transkonduktanzverstärkers 600.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, ermöglichen damit eine Verstärkerschaltung, die sowohl bei kapazitiver Last stabil bleibt als auch eine niedrigere Gesamtstromaufnahme aufweist, als dies bei dem Transkonduktanzverstärker 600 der Fall ist.
Figurenkurzbeschreibung
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beiliegenden Figuren detailliert beschrieben. Es zeigen:
1a ein Blockschaltbild einer Verstärkerschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
1b ein Blockschaltbild einer Verstärkerschaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 ein Schaltbild einer Stromeinstellungsschaltung einer Verstärkerschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 ein Schaltbild einer Differenzverstärkerschaltung einer Verstärkerschaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 ein Schaltbild einer Verstärkerschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5a und 5b Schaltbilder eines zweistufigen Operationsverstärkers; und
6a und 6b Schaltbilder eines Transkonduktanzverstärkers.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Bevor im Folgenden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass gleiche Elemente oder Elemente gleicher Funktion mit denselben Bezugszeichen versehen sind und dass eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente weggelassen wird. Beschreibungen von Elementen mit gleichen Bezugszeichen sind daher untereinander austauschbar.
1a zeigt ein Blockschaltbild einer Verstärkerschaltung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Verstärkerschaltung 100 weist eine Stromeinstellungsschaltung 101 und eine Differenzverstärkerschaltung 102 auf. Die Differenzverstärkerschaltung 102 weist einen ersten Differenzverstärkereingang 103 und einen zweiten Differenzverstärkereingang 104 und eine Eingangsdifferenzstufe 105 auf. Die Stromeinstellungsschaltung 101 ist ausgebildet, um basierend auf einer Differenz zwischen einem ersten Potential U₁ an dem ersten Differenzverstärkereingang 103 und einem zweiten Potential U₂ an dem zweiten Differenzverstärkereingang 104 einen Gesamtstrom I_gesamt durch die Eingangsdifferenzstufe 105 der Differenzverstärkerschaltung 102 einzustellen. Die Stromeinstellungsschaltung 101 ist dabei ausgebildet, um den Gesamtstrom I_gesamt so einzustellen, dass der Gesamtstrom I_gesamt in einem ersten Zustand bei Vorliegen eines Unterschieds zwischen dem ersten Potential U₁ und dem zweiten Potential U₂ im Vergleich zu einem zweiten Zustand, in dem das erste Potential U₁ und das zweite Potential U₂ gleich sind, erhöht ist.
Die Differenzverstärkerschaltung 102 kann beispielsweise ausgebildet sein, um eine Differenz zwischen dem ersten Potential U₁ und dem zweiten Potential U₂ zu verstärken und an einem Ausgang 106 eine Ausgangsspannung U_aus oder einen Ausgangsstrom I_aus bereitzustellen die oder der die Differenz beschreibt bzw. von der Differenz abhängig ist. Eine Größe der Ausgangsspannung U_aus oder des Ausgangsstromes I_aus kann in Abhängigkeit von einer Größe der Eingangsdifferenz zwischen dem ersten Potential U₁ und dem zweiten Potential U₂ variieren. Insbesondere kann die Größe der Ausgangsspannung U_aus oder des Ausgangsstromes I_aus zumindest über einen bestimmten Bereich proportional zu der (Eingangsspannungs-)Differenz zwischen dem ersten Potential U₁ und dem zweiten Potential U₂ sein. Die Stromeinstellungsschaltung 101 kann beispielsweise so ausgebildet sein, dass eine Erhöhung des von ihr eingestellten Gesamtstroms I_gesamt durch die Eingangsdifferenzstufe 105 der Differenzverstärkerschaltung 102 abhängig von der Differenz zwischen dem ersten Potential U₁ und dem zweiten Potential U₂ ist. Beispielsweise kann die Erhöhung des Gesamtstroms I_gesamt proportional zu einer Erhöhung der Differenz zwischen dem ersten Potential U₁ und dem zweiten Potential U₂ sein.
In dem oben genannten zweiten Zustand, in dem die Differenz zwischen dem ersten Potential U₁ und dem zweiten Potential U₂ gleich Null (oder vernachlässigbar gering) ist, kann der von der Differenzverstärkerschaltung 102 an ihrem Ausgang 106 bereitgestellte Ausgangsstrom I_aus beispielsweise gleich Null sein, das heißt, es fließt kein Strom aus der Differenzverstärkerschaltung 102 hinaus und auch kein Strom in die Differenzverstärkerschaltung 102 hinein. Eine Größe des Gesamtstrom I_gesamt ist in diesem zweiten Zustand minimal. Der Strom I_gesamt ist daher in diesem zweiten Zustand lediglich ein Ruhestrom, beispielsweise ein konstanter erster Arbeitspunktteilstrom, welcher dazu dient, eine Funktionalität der Differenzverstärkerschaltung 102 zu gewährleisten bzw. zu verhindern, dass Eingangstransistoren der Differenzverstärkerschaltung 102 vollständig ausgeschaltet sind. In dem ersten Zustand, in welchem die Differenz zwischen dem ersten Potential U₁ und dem zweiten Potential U₂ verschieden von Null ist, also in welchem das erste Potential U₁ verschieden von dem zweiten Potential U₂ ist, kann ein Betrag des Ausgangsstrom I_aus größer Null sein, da eine Größe des Betrages des Ausgangsstroms I_aus eine Größe der Differenz zwischen dem ersten Potential U₁ und dem zweiten Potential U₂ angeben bzw. beschreiben kann. Desweiteren kann ein Vorzeichen, also eine Richtung des Ausgangsstroms I_aus, ein Vorzeichen der Differenz zwischen dem ersten Potential U₁ und dem zweiten Potential U₂ angeben bzw. beschreiben, also eine Aussage darüber geben ob das erste Potential U₁ oder das zweite Potential U₂ größer ist. Damit die Differenzverstärkerschaltung 102 den gegenüber dem zweiten Zustand erhöhten Ausgangstrom I_aus an ihrem Ausgang 106 einprägen kann, kann die Stromeinstellungsschaltung 101 den Gesamtstrom I_gesamt durch die Eingangsdifferenzstufe 105 der Differenzverstärkerschaltung 102 so einstellen, dass dieser Gesamtstrom I_gesamt erhöht ist. Mit anderen Worten, bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist eine Stromaufnahme einer Differenzverstärkerschaltung geringer, in einem Zustand, in welchem an einem Eingang der Differenzverstärkerschaltung keine Spannungsdifferenz anliegt, als in einem Zustand, in dem an dem Eingang der Differenzverstärkerschaltung eine Spannungsdifferenz anliegt.
Im Gegensatz dazu ist bei dem in 6a und 6b gezeigten Transkonduktanzverstärker 600 eine Gesamtstromaufnahme der Eingangsdifferenzstufe 601 stets, unabhängig von einer Spannungsdifferenz zwischen den Eingängen des Transkonduktanzverstärkers 600, konstant. Die Stromaufnahme der Eingangsdifferenzstufe 601 des Transkonduktanzverstärkers 600 ist, wie beschrieben, immer mindestens doppelt so groß, wie der von der Stromquelle 602 bereitgestellte Strom.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen, kann die Differenzverstärkerschaltung 102 eine Transkonduktanzverstärkerschaltung sein, welche ausgebildet ist, um abhängig von der Differenz zwischen dem ersten Potential U₁ und dem zweiten Potential U₂ den Ausgangsstrom I_aus an dem Differenzverstärkerausgang 106 des Differenzverstärkers 102 einzuprägen. Einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen daher einen dynamischen Transkonduktanzverstärker, der bei (nahezu) beliebiger kapazitiver Last stabil bleibt.
1b zeigt eine Verstärkerschaltung 110 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Verstärkerschaltung 110 weist, wie auch schon die Verstärkerschaltung 100 gemäß 1a eine Stromeinstellungsschaltung 101 und eine Differenzverstärkerschaltung 102 auf. Analog zu dem vorherigen Ausführungsbeispiel ist auch hier die Stromeinstellungsschaltung 101 ausgebildet, um eine Gesamtstromaufnahme einer Eingangsdifferenzstufe (hier nicht dargestellt) der Differenzverstärkerschaltung 102 basierend auf einer Eingangsspannungsdifferenz zwischen einem ersten Potential U₁ an einem ersten Differenzverstärkereingang 103 der Differenzverstärkerschaltung 102 und einem zweiten Potential U₂ an einem zweiten Differenzverstärkereingang 104 der Differenzverstärkerschaltung 102 einzustellen. Das erste Potential U₁ kann auch als U₊ bezeichnet werden und das zweite Potential U₂ kann auch als U_– bezeichnet werden. Der erste Differenzverstärkereingang der Differenzverstärkerschaltung 102 kann daher auch als ein positiver Eingang bezeichnet werden und der zweite Differenzverstärkereingang 104 kann daher auch als ein negativer Eingang bezeichnet werden.
Die Stromeinstellungsschaltung 101 weist einen ersten Stromeinstellungseingang 112, einen zweiten Stromeinstellungseingang 113 und einen Stromeinstellungsausgang 114 auf. Die Stromeinstellungsschaltung 101 prägt einen variablen Einstellstrom I_dyn an ihrem Stromeinstellungsausgang 114 ein oder stellt den variablen Einstellstrom I_dyn an ihrem Stromeinstellungsausgang 114 bereit. Der erste Stromeinstellungseingang 112 der Stromeinstellungsschaltung 101 ist mit dem ersten Differenzverstärkereingang 103 verbunden und hat somit auch das erste Potential U₁. Der zweite Stromeinstellungseingang 113 ist mit dem zweiten Differenzverstärkereingang 104 verbunden und hat somit auch das zweite Potential U₂.
Die Stromeinstellungsschaltung 101 kann den Gesamtstrom durch die Eingangsdifferenzstufe der Differenzverstärkerschaltung 102 durch Einprägen oder Bereitstellen des variablen Einstellstroms I_dyn an einem dritten Differenzverstärkereingang 111 der Differenzverstärkerschaltung 102 einstellen. Die Stromeinstellungsschaltung 101 kann den variablen Einstellstrom I_dyn in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem ersten Potential U₁ und dem zweiten Potential U₂ bestimmen. Beispielsweise kann ein Betrag des Einstellstroms I_dyn proportional zu der Differenz zwischen dem ersten Potential U₁ und dem zweiten Potential U₂ sein. Die Stromeinstellungsschaltung 101 kann so ausgebildet sein, dass in dem zweiten Zustand, in dem das Potential U₁ gleich dem Potential U₂ ist, der Einstellstrom I_dyn gleich Null ist. Bei einer maximal möglichen Eingangsspannungsdifferenz zwischen dem ersten Potential U₁ und dem zweiten Potential U₂ kann der von der Stromeinstellungsschaltung 101 eingeprägte oder bereitgestellte variable Einstellstrom I_dyn einen Maximalwert erreichen. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann der Einstellstrom I_dyn auch einen Ruhestromanteil aufweisen, so dass der Einstellstrom I_dyn selbst bei keiner Eingangsspannungsdifferenz nie gleich Null wird. Wie bereits beschrieben, kann der Einstellstrom I_dyn auch keinen Ruhestromanteil aufweisen und daher bei keiner Eingangsspannungsdifferenz gleich Null sein. Die Differenzverstärkerschaltung 102 kann beispielsweise so ausgebildet sein, dass in dem Fall, in dem der variable Einstellstrom I_dyn gleich Null ist, also keine Eingangsspannungsdifferenz vorliegt, nur ein geringer Ruhestrom oder Querstrom (beispielsweise ein konstanter Arbeitspunktstromanteil oder ein durch einen konstanten Arbeitspunktstromanteil erzeugter geringer Querstrom) durch die Eingangsdifferenzstufe der Differenzverstärkerschaltung 102 fließt. Erst bei einer Erhöhung des variablen Einstellstroms I_dyn, d. h. bei Vorliegen einer Differenz zwischen dem ersten Potential U₁ und dem zweiten Potential U₂ kommt zu dem Ruhestrom ein variabler Strom hinzu (beispielsweise ein variabler Arbeitspunktstromanteil oder ein durch einen variablen Arbeitspunktstromanteil erzeugter variabler Strom). Dieser variable Strom kann beispielsweise proportional zu der Differenz zwischen dem ersten Potential U₁ und dem zweiten Potential U₂ sein Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann der variable Strom aber auch diskrete Werte annehmen. Beispielsweise kann der variable Strom den Wert Null annehmen, in dem Fall, in dem die Eingangsspannungsdifferenz gleich Null ist und einen anderen konstanten Wert, in dem Fall, in dem die Eingangsspannungsdifferenz ungleich Null ist. Weiterhin sind beliebige andere Abstufungen möglich, beispielsweise kann der variable Strom in einem Bereich einer Eingangsspannungsdifferenz zwischen dem ersten Potential U₁ und dem zweiten Potential U₂ von 0,1 Volt bis 1 Volt einen ersten Wert annehmen, in einem Bereich von 1 Volt bis 2 Volt einen zweiten Wert annehmen und in einem Bereich von 2 Volt bis 5 Volt einen dritten Wert annehmen, usw. Dies kann analog auch für den von der Stromeinstellungsschaltung 101 bereitgestellten variablen Einstellstrom I_dyn gelten.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Stromeinstellungsschaltung 101 ausgebildet sein, um den variablen Einstellstrom I_dyn basierend auf einem Betrag der Differenz zwischen den ersten Potential U₁ und dem zweiten Potential U₂ zu bilden, das heißt, dass ein Vorzeichen der Differenz zwischen dem ersten Potential U₁ und dem zweiten Potential U₂ bei der Bildung des variablen Einstellstroms I_dyn nicht beachtet wird. So kann die Stromeinstellungsschaltung 101 beispielsweise ausgebildet sein, um sowohl bei einer positiven Eingangsspannungsdifferenz zwischen dem ersten Potential U₁ und dem zweiten Potential U₂ einen negativen variablen Einstellstrom I_dyn zu generieren, als auch bei einer negativen Eingangsspannungsdifferenz zwischen dem ersten Potential U₁ und dem zweiten Potential U₂. Das heißt die Stromeinstellungsschaltung 101 erzeugt ein Absenken der Spannung an ihrem Stromeinstellungsausgang 114, so dass der variable Einstellstrom I_dyn von der Differenzverstärkerschaltung 102 in die Stromeinstellungsschaltung 101 fließt. Mit anderen Worten, kann die Stromeinstellungsschaltung 101 an ihrem Ausgang 114 eine Ausgangsspannung U_dyn so bereitstellen, dass diese bei einer Eingangsspannungsdifferenz von Null (zumindest näherungsweise) gleich einer Versorgungsspannungsspannung (bezogen auf ein gemeinsames Bezugspotential (Masse oder GND)) der Stromeinstellungsschaltung 101 und der Differenzverstärkerschaltung 102 ist, und mit einer steigenden Eingangsspannungsdierenz geringer wird.
An dem dritten Differenzverstärkereingang 111 der Differenzverstärkerschaltung 102 kann dies einen Stromfluss hervorrufen, das heißt, der Ausgangsstrom I_dyn kann, wie bereits im Vorherigen beschrieben, negativ sein, also von der Differenzverstärkerschaltung 102 in die Stromeinstellungsschaltung 101 fließen.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Differenzverstärkerschaltung 102 ausgebildet sein, um sowohl bei einer positiven Eingangsspannungsdifferenz als auch bei einer negativen Eingangsspannungsdifferenz zwischen dem ersten Potential U₁ und dem zweiten Potential einen Ausgangsstrom I_aus an ihrem Differenzverstärkerausgang 106 bereitzustellen. Beispielsweise kann die Differenzverstärkerschaltung 102 ausgebildet sein, so dass bei einer positiven Eingangsspannungsdifferenz der an dem Differenzverstärker 106 bereitgestellte Ausgangsstrom I_aus positiv ist und bei einer negativen Eingangsspannungsdifferenz der an dem Differenzverstärkerausgang 106 bereitgestellte Ausgangsstrom I_aus negativ ist. In dem ersten Fall, in welchem der Ausgangsstrom I_aus positiv ist, kann dieser genutzt werden, um einen Schaltungsknoten einer nachfolgenden Stufe zu laden und in dem zweiten Fall, in dem der Ausgangsstrom I_aus negativ ist, kann dieser genutzt werden, um einen angeschlossenen Schaltungsknoten zu entladen, das heißt, der Ausgangsstrom I_aus fließt in die Differenzverstärkerschaltung 102 hinein. So kann beispielsweise in einem Zustand, in welchem das erste Potential U₁ großer als das zweite Potential U₂ ist, der an dem Differenzverstärkerausgang 106 der Differenzverstärkerschaltung 102 eingeprägte Ausgangsstrom I_aus positiv sein und in einem Zustand, in welchem das zweite Potential U₂ größer als das erste Potential U₁ ist, negativ sein. Ein Vorzeichenwechsel des Ausgangsstromes I_aus kann in einem Zustand erfolgen, in dem das erste Potential U₁ gleich dem zweiten Potential U₂ ist.
Es soll nochmals erwähnt werden, dass die Differenzverstärkerschaltung 102 beispielsweise eine Transkonduktanzverstärkerschaltung sein kann. Die Verstärkerschaltung 110 kann daher ein Transkonduktanzverstärker mit einer dynamischen Stromzuschaltung sein, in dem der hohe Ruhestrom (der in dem Transkonduktanzverstärker 600 gemäß den 6a und 6b dauerhaft fließt) nicht fließt, wenn keine (oder eine vernachlässigbar geringe) Eingangsspannungsdifferenz anliegt, das heißt U₁ = U₂.
Die Verstärkerschaltung 110 weist daher eine Zusatzschaltung (die Stromeinstellungsschaltung 101) auf, die in Ruhe, d. h. ohne eine Eingangsspannungsdifferenz, einen geringen Querstrom (in der Differenzverstärkerschaltung 102 oder der Transkonduktanzverstärkerschaltung 102) fließen lässt und erst bei einer Eingangsspannungsdifferenz Stromquellen (der Differenzverstärkerschaltung 102 oder der Transkonduktanzverstärkerschaltung 102) aufsteuert. Diese Zusatzschaltung (die Stromeinstellungsschaltung 101) kann ebenso als Eingangsdifferenzschaltung aufgebaut werden, wie dies im Folgenden anhand der 2 gezeigt ist.
2 zeigt ein Schaltbild einer Stromeinstellungsschaltung 101, wie sie in einer Verstärkerschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel Verwendung finden kann. Im Groben, lässt sich die Funktionalität der Stromeinstellungsschaltung 101 so beschreiben, dass in Abhängigkeit von einer Eingangsspannungsdifferenz ein Einstellstrom I_dyn an einem Stromeinstellungsausgang 114 der Stromeinstellungsschaltung 101 eingeprägt wird.
Die Stromeinstellungsschaltung 101 weist eine Eingangsdifferenzstufe 201, eine erste Stromquelle 202, eine zweite Stromquelle 203 und eine dritte Stromquelle 204 auf. Die Eingangsdifferenzstufe 201 weist einen ersten Eingangstransistor 205, welcher ein P-MOS-Transistor ist und einen zweiten Eingangstransistor 206, welcher ein P-MOS-Transistor ist, auf. Der erste Eingangstransistor 205 ist an seinem Gate mit einem ersten Stromeinstellungseingang 112 der Stromeinstellungsschaltung 101 verbunden und der zweite Eingangstransistor 206 ist an seinem Gate mit einem zweiten Stromeinstellungseingang 113 der Stromeinstellungsschaltung 101 verbunden. Die erste Stromquelle 202 ist ausgebildet, um einen ersten Strom I₁ bereitzustellen, welcher sich auf eine Laststrecke des ersten Eingangstransistors 205 und auf eine Laststrecke des zweiten Eingangstransistors 206 verteilt. Die zweite Stromquelle 203 ist mit der Laststrecke des ersten Eingangstransistors 205 verbunden. Die dritte Stromquelle 204 ist mit der Laststrecke des zweiten Eingangstransistors 206 verbunden.
Die zweite Stromquelle 203 ist dabei so eingestellt, dass ein von ihr lieferbarer zweiter Strom I₂ etwas größer, als ein in einem Zustand, in welchem ein erstes Potential U₁ an dem ersten Stromeinstellungseingang 112 gleich einem zweiten Potential U₂ an dem zweiten Stromeinstellungseingang 113 ist, durch die Laststrecke des ersten Eingangstransistors 205 fließender Strom ist.
Analog dazu ist die dritte Stromquelle 204 dabei so eingestellt, dass ein von ihr lieferbarer dritter Strom I₃ etwas größer, als ein in dem Zustand, in dem das erste Potential U₁ gleich dem zweiten Potential U₂ ist, durch die Laststrecke des zweiten Eingangstransistors 206 fließender Strom ist.
Ferner sind die beiden Stromquellen 203, 204 so eingestellt, dass die von ihnen lieferbaren Strom I₂, I₃ gleich groß sind.
Ein erster Ausgangstransistor 207, welcher ein N-MOS-Transistor ist, ist so mit seinem Gate mit der Laststrecke des ersten Eingangstransistors 205 und mit der zweiten Stromquelle 203 verbunden, das eine Gate-Source Spannung des ersten Ausgangstransistors 207 gleich einer Spannung über der zweiten Stromquelle 203 ist. Ist die Spannung über der zweiten Stromquelle 203 genügend groß so leitet damit der erste Ausgangstransistor 207.
Da aber in dem Zustand, in dem das erste Potential U₁ gleich dem zweiten Potential U₂ ist der von den zweiten Stromquelle 203 lieferbare zweite Strom I₂ größer dem durch die durch die Laststrecke des ersten Eingangstransistors 205 fließende Strom ist, bricht die Spannung über der zweiten Stromquelle 203 ein und der erste Ausgangstransistor 207 sperrt.
Ein zweiter Ausgangstransistor 208, welcher ein N-MOS-Transistor ist, ist so mit seinem Gate mit der Laststrecke des zweiten Eingangstransistors 206 und der dritten Stromquelle 204 verbunden, dass eine Gate-Source Spannung des zweiten Ausgangstransistors 208 gleich einer Spannung über der dritten Stromquelle 204 ist. Ist die Spannung über der dritten Stromquelle 204 genügend groß so leitet damit der zweite Ausgangstransistor 208.
Da aber in dem Zustand, in dem das erste Potential U₁ gleich dem zweiten Potential U₂ ist der von den dritten Stromquelle 204 lieferbare dritte Strom I₃ größer dem durch die Laststrecke des zweiten Eingangstransistors 206 fließende Strom ist, bricht die Spannung über der dritten Stromquelle 204 ein und der zweite Ausgangstransistor 208 sperrt.
Die beiden Eingangstransistoren 205, 206 können in ihren Eigenschaften identisch sein. Weiterhin können auch die beiden Ausgangstransistoren 207, 208 in ihren Eigenschaften identisch sein.
Bei Anliegen keiner Eingangsspannungsdifferenz an den Eingangstransistoren 205, 206 fließt daher über jede Laststrecke der beiden Eingangstransistoren 205, 206 der gleiche Strom, das heißt, der Strom I₁ welcher von der ersten Stromquelle 202 eingeprägt wird, verteilt sich gleichmäßig auf die Laststrecken der beiden Eingangstransistoren 205, 206. Mit anderen Worten, es fließt sowohl über die Laststrecke des ersten Eingangstransistors 205 als auch über die Laststrecke des zweiten Eingangstransistors 206 ein Strom in der Größe ½ I₁. Da aber sowohl der, von der zweiten Stromquelle 203, lieferbare Strom I₂ als auch der von der dritten Stromquelle 204 lieferbare Strom I₃ größer als ½ I₁ (größer als die durch die Lastrecken der jeweiligen Eingangstransistoren 205,206 fließenden Ströme) sind, weist sowohl der erste Ausgangstransistor 207 an seinem Gate, als auch der zweite Ausgangstransistor 208 an seinem Gate in diesem Fall eine niedrige Spannung auf. Diese niedrige Spannung ist, wie im Vorherigen beschrieben, durch Einstellen der Stromquellen 202, 203, 204 so gewählt, dass weder der erste Ausgangstransistor 207, noch der zweite Ausgangstransistor 208 leiten. Die beiden Ausgangstransistoren 207, 208 und ein Hilfstransistor 216 sind mit dem Stromeinstellungsausgang 114 verbunden. Der Hilfstransistor 216 sorgt dafür, dass in dem Fall, in dem das erste Potential U₁ gleich dem zweiten Potential U₂ an dem Stromeinstellungsausgang 114 (nahezu das) Versorgungsspannungspotential VDD anliegt.
Wie oben erwähnt, kann in dem Fall, in dem das erste Potential U₁ gleich dem zweiten Potential U₂ ist das Potential am Stromeinstellungsausgang 114 etwas unterhalb dem Versorgungsspannungspotential VDD liegen. Dies ist möglich, da der zusätzliche Strom, welcher an dem Stromeinstellungsausgang 114 generiert wird nicht sofort eingeschaltet wird wenn der Stromeinstellungsausgang 114 etwas unterhalb dem Versorgungsspannungspotential VDD liegt. In diesem Zweig (über die Laststrecke des Hilfstransistor 216) fließt dann ein geringer Strom, so dass die Schaltung schneller reagieren kann. Dies kann beispielsweise erreicht werden, durch Einsetzen eines weiteren N-MOS Transistors zwischen dem Knoten 114 (zwischen dem Stromeinstellungsausgang 114), der damit in den Zweig (in die Laststrecke) des Hilfstransistor 216 etwas Strom einprägt, der aber so klein ist, dass das Potential am Stromeinstellungsausgang 114, so gering vom Versorgungsspanungspotential VDD abweicht, dass an den Stromeinstellungsausgang 114 angeschlossene PMOS-Transistoren (einer nächsten Stufe) noch nicht aufgesteuert werden.
Verändert sich eines der Potentiale U₁, U₂ so erhöht sich ein Strom in einer Laststrecke eines der beiden Eingangstransistoren 205, 206 bis auf den von der zweiten Stromquelle 203 oder der dritten Stromquelle 204 lieferbaren Wert des zweiten Stroms I₂ oder des dritten Strom I₃. Damit wird einer der beiden Ausgangstransistoren 207, 208 leitend und die Spannung an dem Stromeinstellungsausgang 114 sinkt, wodurch ein angeschlossener Schaltungsknoten, beispielsweise einer Differenzverstärkerschaltung 102 entladen wird bzw. wodurch ein Strom in eine Eingangsteilschaltung einer Stromquelle eingeprägt wird.
Wie in 2 gezeigt, kann die Stromeinstellungsschaltung 101 eine vierte Stromquelle 209 aufweisen, welche ausgebildet ist, um einen vierten Strom I₄ einzustellen, zu welchem die Ströme I₁, I₂, I₃ proportional sind.
In 2 ist die erste Stromquelle 202 durch einen Stromspiegel aus einem ersten Stromquellentransistor 210, welcher ein P-MOS-Transistor ist, und aus einem zweiten Stromquellentransistor 211, welcher ein P-MOS-Transistor ist, gebildet. Der erste Stromquellentransistor 210 wirkt mit dem zweiten Stromquellentransistor 211 so zusammen, dass der erste Strom I₁ gleich oder proportional dem vierten Strom I₄ ist. Dies wird erreicht dadurch, dass Gate-Source Spannungen der beiden Stromquellentransistoren 210, 211 gleich sind und dadurch, dass die beiden Stromquellentransistoren 210, 211 von gleichem Transistortyp sind.
Die zweite Stromquelle 203 wird gebildet wird über den ersten Stromquellentransistor 210, einen dritten Stromquellentransistor 212, welcher ein P-MOS-Transistor ist, einen vierten Stromquellentransistor 213, welcher ein N-MOS-Transistor ist, und einen fünften Stromquellentransistor 214, welcher ein N-MOS-Transistor ist.
Die dritte Stromquelle 204 wird aus denselben Transistoren wie die zweite Stromquelle 203 gebildet, mit der Ausnahme, dass der fünfte Stromquellentransistor 214 durch einen sechsten Stromquellentransistor 215, welcher ein N-MOS-Transistor ist, ersetzt ist.
Der erste Stromquellentransistor 210 wirkt mit dem dritten Stromquellentransistor 212 so zusammen, das ein fünfter Strom I₅ gleich oder proportional dem vierten Strom I₄ ist. Der fünfte Strom I₅ wird durch den vierten Stromquellentransistor 213 und fünften Stromquellentransistor 214 gespiegelt, um den zweiten Strom I₂ zu liefern. Weiterhin spiegelt der vierte Stromquellentransistor 213 den fünften Strom I₅ zusammen mit dem sechsten Stromquellentransistor 215, um den dritten Strom I₃ zu liefern.
Wie in 2 gezeigt, kann die Stromeinstellungsschaltung 101 weiterhin dem Hilfstransistor 216 aufweisen, welcher ein P-MOS-Transistor ist und die Funktion eines Wiederstandes hat. Der Hilfstransistor 216 stellt in dem Fall, dass sowohl der erste Ausgangstransistor 207 als auch der zweite Ausgangstransistor 208 nicht leitend sind, an dem Stromeinstellungsausgang 114 Versorgungsspannungspotential bereit.
Im Folgenden soll nun die Verschaltung der einzelnen Transistoren miteinander detailliert beschrieben werden. Substrate von P-MOS-Transistoren sind dabei stets mit einem Versorgungspotentialanschluss 217 (VDD) der Stromeinstellungsschaltung 101 verbunden. Substrate der N-MOS-Transistoren sind dabei jeweils mit einem Masseanschluss 218 (VSS) der Stromeinstellungsschaltung 101 verbunden.
Des Weiteren sind Sourceanschlüsse der N-MOS-Transistoren jeweils mit dem Masseanschluss 218 der Stromeinstellungsschaltung 101 verbunden.
Ein Sourceanschluss des ersten Stromquellentransistors 210, des dritten Stromquellentransistors 212, des zweiten Stromquellentransistors 211 und des Hilfstransistors 216 sind mit dem Versorgungsspannungsanschluss 217 verbunden. Ein Drainanschluss des ersten Stromquellentransistors 210 ist mit einem Gateanschluss des ersten Stromquellentransistors 210, mit einem Gateanschluss des dritten Stromquellentransistors 212, mit einem Gateanschluss des zweiten Stromquellentransistors 211 und mit einem ersten Anschluss der vierten Stromquelle 209 verbunden. Ein zweiter Anschluss der vierten Stromquelle 209 ist mit dem Massenanschluss 218 verbunden. Ein Drainanschluss des dritten Stromquellentransistors 212 ist mit einem Gateanschluss des vierten Stromquellentransistors 213, mit einem Drainanschluss des vierten Stromquellentransistors 213, mit einem Gateanschluss des fünften Stromquellentransistors 214 und mit einem Gateanschluss des sechsten Stromquellentransistors 215 verbunden. Ein Drainanschluss des zweiten Stromquellentransistors 211 ist mit einem Sourceanschluss des ersten Eingangstransistors 205 und mit einem Sourceanschluss des zweiten Eingangstransistors 206 verbunden. Ein Gateanschluss des ersten Eingangstransistors 205 ist mit dem ersten Stromeinstellungseingang 112 verbunden. Ein Gateanschluss des zweiten Eingangstransistors 206 ist mit dem zweiten Stromeinstellungseingang 113 verbunden. Ein Drainanschluss des ersten Eingangstransistors 205 ist mit einem Gateanschluss des ersten Ausgangstransistors 207 und mit einem Drainanschluss des fünften Stromquellentransistors 214 verbunden. Ein Drainanschluss des zweiten Eingangstransistors 206 ist mit einem Gateanschluss des zweiten Ausgangstransistors 208 und mit einem Drainanschluss des sechsten Stromquellentransistors 215 verbunden. Ein Drainanschluss des ersten Ausgangstransistors 207 ist mit einem Drainanschluss des ersten Ausgangstransistors 208, dem Stromeinstellungsausgang 114, einem Drainanschluss des Hilfstransistors 116 und einem Gateanschluss des Hilfstransistors 216 verbunden.
Im Folgenden soll nun nochmals kurz die Funktionsweise der in 2 gezeigten Schaltung erläutert werden. Der zweite Stromquellentransistor 211 bildet über den Stromspiegel mit dem ersten Stromquellentransistor 210 die erste Stromquelle 202. Ebenso bildet der fünfte Stromquellentransistor 214 und der sechste Stromquellentransistor 215, über den vierten Stromquellentransistor 213, über den dritten Stromquellentransistor 212 und über den ersten Stromquellentransistor 210 die zweite Stromquelle 203 bzw. die dritte Stromquelle 204. Die Eingangsspannungsdifferenz liegt dabei an den Eingangstransistoren 205, 206 an.
Die Änderungen gegenüber einer klassischen Differenzstufe (wie sie beispielsweise in 5a gezeigt wurde) bilden die Ausgangstransistoren 207, 208 und der Hilfstransistor 216. Ist die Eingangsspannungsdifferenz U₂ – U₁ gleich Null (oder U₊ – U_– gleich Null) so ist die Schaltung so ausgelegt, dass ein Knoten U2n an dem Gateanschluss des ersten Ausgangstransistors 207 und ein Knoten U1n an dem Gateanschluss des zweiten Ausgangstransistors 208 eine solch kleine Spannung aufweisen, dass die Ausgangstransistoren 207, 208 keinen Strom führen. Das heißt, die Ströme, sind über die Stromspiegel so eingestellt, dass der von der zweiten Stromquelle 203 lieferbare zweite Strom I₂ gleich dem von der dritten Stromquelle lieferbaren dritten Strom I₃ ist und dass die beiden lieferbaren Ströme I₂, I₃ größer ½ I₁ (der durch die Laststrecken der Eingangstransitoren fließenden Ströme) sind.
Damit liegt ein Knoten Idyn (der Stromeinstellungsausgang 114) auf Versorgungsspannungspotential VDD, da die beiden Ausgangstransistoren 207, 208 nicht leitend sind. Wird jetzt die Eingangsspannungsdifferenz ungleich Null (d. h. sind die beiden Potentiale U₁ und U₂ verschieden), wird der erste Strom I₁ aus dem zweiten Stromquellentransistor 211 nicht mehr gleichmäßig auf den ersten Eingangstransistor 205 und den zweiten Eingangstransistor 206 aufgeteilt, einer der beiden Ausgangstransistoren 207, 208 steuert auf und der Knoten Idyn wird auf ein Potential kleiner VDD gezogen. Ist z. B. U₊ größer U_– (U₁ größer U₂) fließt durch den ersten Eingangstransistor 205 weniger Strom als vorher und die Spannung an dem Knoten U2n sinkt tiefer. Da aber durch den ersten Ausgangstransistor 207 schon im Gleichgewicht kein Strom floss, fließt bei noch kleinerer Spannung U2n erst recht kein Strom. Im Gegensatz dazu, fließt durch den zweiten Eingangstransistor 206 mehr Strom und damit steigt das Potential am Knoten U1n und damit am Drainanschluss des sechsten Stromquellentransistors 215. Damit wird der zweite Ausgangstransistor 208 aufgesteuert und es fließt ein Strom durch diesen zweiten Ausgangstransistor 208. Somit reduziert sich das Potential des Knoten Idyn (die Spannung an dem Stromeinstellungsausgang 114 sinkt ab).
Durch ein (in ihren Eigenschaften) identisches Gestalten der beiden Ausgangstransitoren 207, 208 lässt sich erreichen, dass ein Vorzeichen der Eingangsspanungsdifferenz keinen Einfluss auf das Potential an dem Stromeinstellungsausgang 114 hat, so dass nur ein Betrag der Eingangsspanungsdifferenz einen Einfluss auf das Potential an dem Stromeinstellungsausgang 114 hat und damit auf den eingestellten Ausgangsstrom. Jedoch kann es gemäß weiteren Ausführungsbeispielen nötig sein, auch abhängig vom Vorzeichen der Eingangsspanungsdifferenz das Potential an dem Stromeinstellungsausgang 114 einzustellen. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Ausgangstransistoren 207, 208 in ihren Eigenschaften verschieden sind, das heißt sie haben eine unterschiedliche Größe bzw. ein unterschiedliches Breite/Länge Verhältnis. Dadurch erhält man eine größere Flexibilität, insbesondere wenn eine nachfolgende Differenzverstärkerstufe (wie sie beispielsweise in 3 gezeigt) verschieden große Ströme zur Differenzverstärkung in Abhängigkeit von einem Vorzeichen einer Eingangsspannungsdifferenz benötigt.
3 zeigt ein Schaltbild einer Differenzverstärkerschaltung 102 (beispielsweise der Differenzverstärkerschaltung 102 aus 1a oder 1b), welche in einer Verstärkerschaltung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung Verwendung finden kann.
Die Differenzverstärkerschaltung 102 weist eine Eingangsdifferenzstufe 105 auf. Die in 3 gezeigte Differenzverstärkerschaltung 102 kann zusammen mit der in 2 gezeigten Stromeinstellungsschaltung 101 eine Verstärkerschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bilden.
Die Eingangsdifferenzstufe 105 weist einen ersten Eingangstransistor 301 und einen zweiten Eingangstransistor 302 auf. Ein Gateanschluss des ersten Eingangstransistors 301 ist mit einem ersten Differenzverstärkereingang 103 der Differenzverstärkerschaltung 102 verbunden und ein Gateanschluss des zweiten Eingangstransistors 302 ist mit einem zweiten Differenzverstärkeranschluss 104 der Differenzverstärkerschaltung 102 verbunden. Ein Potential an dem ersten Differenzverstärkeranschluss 103 kann als erstes Potential U₁ oder als erstes Potential U₊ bezeichnet werden und ein Potential an dem zweiten Differenzverstärkereingang 104 kann als zweites Potential U_– oder als zweites Potential U₂ bezeichnet werden. Die Differenzverstärkerschaltung 102 weist eine erste Strombank auf, welche durch einen ersten Mehrfachstromspiegel gebildet wird. Der erste Mehrfachstromspiegel ist dabei ausgebildet, um einen ersten Strom I₁₁ einzuprägen, welcher sich auf eine Laststrecke des ersten Eingangstransistors 301 und auf eine Laststrecke des zweiten Eingangstransistors 302 verteilt. Die beiden Eingangstransistoren 301, 302 sind so gewählt, dass bei Vorliegen keiner Differenzspannung, d. h. in dem Zustand, in dem das erste Potential U₁ gleich dem zweiten Potential U₂ ist, sich der Strom I₁₁ in gleichen Teilen auf die Laststrecken der beiden Eingangstransistoren verteilt. Der erste Mehrfachstromspiegel ist weiterhin ausgebildet, um einen zweiten Strom I₁₂ einzuprägen, welcher großer als oder gleich grob wie der erste Strom I₁₁ ist. Ferner ist der erste Mehrfachstromspiegel ausgebildet, um einen dritten Strom I₁₃ einzuprägen, welcher großer als oder gleich groß wie der erste Strom I₁₁ ist. Der zweite Strom I₁₂ kann beispielsweise gleich dem dritten Strom I₁₃ sein. Da die Ströme I₁₁, I₁₂, I₁₃ von dem gemeinsamen ersten Mehrfachstromspiegel eingeprägt werden, sind diese Ströme typischerweise proportional zueinander. Eine Größe der Ströme I₁₁, I₁₂, I₁₃ kann über eine erste Stromquelle 303, welche mit dem ersten Mehrfachstromspiegel verbunden ist, beispielsweise über einen externen Anschluss der Differenzverstärkerschaltung 102 eingestellt werden.
Der erste Mehrfachstromspiegel ist so mit dem ersten Eingangstransistor 301 und dem zweiten Eingangstransistor 302 verbunden, dass der erste Strom I₁₁ sich über Sourceanschlüsse der Eingangstransistoren 301, 302 auf die Laststrecken der Eingangstransistoren 301, 302 verteilt. Der zweite Strom I₁₂ wird dagegen an einem Knoten der mit einem Drainanschluss des ersten Eingangstransistors 301 gekoppelt ist eingestellt und der dritte Strom I₁₃ wird an einem Knoten der mit einem Drainanschluss des zweiten Eingangstransistors 302 gekoppelt ist eingestellt.
Wie im Vorherigen beschrieben, ist der zweite Strom I₁₂ so gewählt, dass dieser größer ist als ein durch die Laststrecke des ersten Eingangstransistors 301 fließender Strom I_last1. Die Differenzverstärkerschaltung 102 weist daher einen ersten Stromquellentransistor 304 auf, welcher ein P-MOS-Transistor ist und einen vierten Strom I₁₄ liefert, welcher sich mit dem Strom I_last1 durch die Laststrecke des ersten Eingangstransistors 301 zu dem zweiten Strom I₁₂ aufsummiert. Mit anderen Worten ist der vierte Strom I₁₄ der Anteil des zweiten Stroms I₁₂, welcher nicht über die Laststrecke des ersten Eingangstransistors 301 bereitgestellt wird.
Der erste Stromquellentransistor 304 ist mit einem zweiten Stromquellentransistor 305, welcher ein P-MOS-Transistor ist und einen fünften Strom I₁₅ liefert, verbunden. Der fünfte Strom I₁₅ summiert sich mit einem Strom I_last2 durch die Laststrecke des zweiten Eingangstransistors 302 zu dem dritten Strom I₁₃. Der erste Stromquellentransistor 304 bildet einen Stromspiegel mit dem zweiten Stromquellentransistor 305, das heißt der fünfte Strom I₁₅ ist gleich oder proportional zu dem vierten Strom I₁₄.
Eine Größe eines in der Schaltung in 3 gezeigten siebten Stroms I₁₇, welcher auch an dem Knoten der Ströme I_last1, I₁₂, I₁₄ fließt, ist in dem Zustand, in dem das erste Potential U1 gleich dem zweiten Potential U2 ist gleich null und hat daher keinen Einfluss diese Ströme. Das gleich gilt für einen achten Strom I₁₈, welcher an dem Knoten der Ströme I_last2, I₁₃, I₁₅ fließt.
Der erste Stromquellentransistor 304 entspricht dabei dem Transistor 606 gemäß 6a und der zweite Stromquellentransistor 305 entspricht dabei dem Transistor 605 gemäß 6a. Die beschriebene Schaltung aus dem ersten Mehrfachstromspiegel, sowie den beiden Stromquellentransistoren 304, 305 und den beiden Eingangstransistoren 301, 302 entspricht damit der Schaltung des Transkonduktanzverstärkers 600 aus 6a. Der erste Strom I₁₁ entspricht dabei dem von der ersten Stromquelle 602 bereitgestellten Strom, der zweite Strom I₁₂ entspricht dabei dem von der zweiten Stromquelle 603 bereitgestellten Strom und der dritte Strom I₁₃ entspricht dabei dem von der dritten Stromquelle 604 bereitgestellten Strom mit dem Unterschied, dass diese Ströme bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung bedeutend kleiner gewählt werden könne, da sie lediglich der Arbeitspunkteinstellung dienen und nicht (oder nur geringfügig) mit einem maximal verfügbaren Ausgangsstrom korrelieren.
Die Ströme I₁₁, I₁₂, I₁₃ sind dabei, wie auch schon bei dem Transkonduktanzverstärker 600 gemäß 6a unabhängig von der Eingangsspannungsdifferenz, der erste Mehrfachstromspiegel kann daher auch als eine Arbeitspunktstromeinstellungsschaltung bezeichnet werden, welche ausgebildet ist, um einen von einer Differenz zwischen dem ersten Potential U₁ und dem zweiten Potential U₂ unabhängigen konstanten Arbeitspunktstromanteil (die Ströme I₁₁, I₁₂, I₁₃) einzustellen. Da auch die Größe des vierten Stroms I₁₄ in dem Zustand, in welchem keine Eingangsspannungsdifferenz vorliegt, lediglich auf einer Differenz des Stroms I_last1 durch die Laststrecke des ersten Eingangstransistors 301 und des zweiten Stroms I₁₂ basiert und die Größe des fünften Stroms I₁₅ lediglich auf einer Differenz des Stroms I_last2 durch die Laststrecke des zweiten Eingangstransistors 312 und des dritten Stromes I₁₃ basiert, wird ein Gesamtstrom durch die Differenzeingangsstufe 105, in dem Zustand, in dem keine Eingangsspannungsdifferenz vorliegt, lediglich durch den durch den ersten Mehrfachstromspiegel eingestellten konstanten Arbeitspunktstromanteil bestimmt und ergibt sich zu I₁₂ + I₁₃.
Zusätzlich zu dem ersten Mehrfachstromspiegel, weist die Differenzverstärkerschaltung 102 einen zweiten Mehrfachstromspiegel auf, welcher ausgebildet ist, um einen variablen zweiten Arbeitspunktstromanteil einzuprägen. Eine Größe des variablen zweiten Arbeitspunktstromanteils variiert mit der Differenzeingangsspannung und kann beispielsweise über einen dritten Differenzverstärkereingang 111 der Differenzverstärkerschaltung 102 eingestellt werden. Die Einstellung des variablen zweiten Arbeitspunktstromanteils kann beispielsweise durch die Stromeinstellungsschaltung 101 aus 2 erfolgen, beispielsweise durch Einprägen eines Stromes (beispielsweise des variablen Einstellstroms I_dyn) in den dritten Differenzverstärkereingang 111 oder durch Variieren einer Spannung an dem dritten Differenzverstärkereingang 111. Aufgrund der Möglichkeit, den variablen zweiten Arbeitspunktstromanteil in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem ersten Potential U₁ und dem zweiten Potential U₂ einzustellen und dadurch einen zusätzlichen Strom in die Differenzeingangsstufe 105 einzuprägen, kann in dem Zustand, in dem das erste Potential U₁ gleich dem zweiten Potential U₂ ist, der Gesamtstrom durch die Differenzeingangsstufe 105 geringer gehalten werden als bei dem in 6a gezeigten Transkonduktanzverstärker 600. In dem in 6a gezeigten Transkonduktanzverstärker 600 ist der durch die Differenzverstärkerschaltung 601 fließende Strom stets konstant und insbesondere stets doppelt so groß, wie der maximal an dem Ausgang des Transkonduktanzverstärkers 600 bereitgestellte Strom. Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel kann in dem Zustand, in dem das erste Potential U₁ gleich dem zweiten Potential U₂ ist, der von dem zweiten Mehrfachstromspiegel eingestellte variable zweite Arbeitspunktstromanteil (z. B. der siebte Strom I₁₇ und der achte Strom I₁₈) gleich Null sein, d. h. es werden keine zusätzlichen Ströme in die Eingangsdifferenzstufe 105 eingeprägt, da an dem Ausgang 106 der Differenzverstärkerschaltung 102 kein zusätzlicher Ausgangsstrom benötigt wird.
In dem Zustand, in dem das erste Potential U₁ verschieden von dem zweiten Potential U₂ ist, prägt die Differenzverstärkerschaltung 102 an Ihrem Ausgang 106 einen Ausgangsstrom I. ein, welcher beispielsweise größer ist als der Gesamtstrom (z. B. größer als I₁₂ + I₁₃) durch die Eingangsdifferenzstufe 105, in dem Zustand, in dem das erste Potential U₁ gleich dem zweiten Potential U₂ ist. Dieser erhöhte Ausgangsstrom I_aus kann dabei durch den zweiten Mehrfachstromspiegel durch Einstellen des variablen zweiten Arbeitspunktstromanteils, also beispielsweise durch Bereitstellen eines Zusatzstromes, erreicht werden. Dieser Zusatzstrom addiert sich dann zu dem Gesamtstrom der Differenzeingangsstufe 105. Daher ist ein Gesamtstrom durch die Differenzeingangsstufe 105 in dem Zustand, in dem das erste Potential U₁ verschieden zu dem zweiten Potential U₂ ist, erhöht, gegenüber dem Zustand, in dem das erste Potential U₁ gleich dem zweiten Potential U₂ ist. Während in dem in 6a gezeigten Transkonduktanzverstärker 600 der Stromverbrauch unabhängig von einer Eingangsspannungsdifferenz stets gleich ist, so kann ein Transkonduktanzverstärker, in welchem die Differenzverstärkerschaltung 102 (beispielsweise in Verbindung mit einer Stromeinstellungsschaltung 101) genutzt wird, in dem Zustand, in dem das erste Potential U₁ gleich dem zweiten Potential U₂ ist, einen deutlich gesenkten Stromverbrauch aufweisen. Der erste Mehrfachstromspiegel, welcher den konstanten ersten Arbeitspunktstromanteil bereitstellt, kann dabei so ausgebildet sein, dass der Gesamtstrom durch die Differenzeingangsstufe 105 in dem Zustand, in dem das erste Potential U₁ gleich dem zweiten Potential U₂ ist, um einen vorgegebenen Faktor niedriger ist, als ein Gesamtstrom durch die Differenzeingangsstufe 105 in einem Zustand, in welchem eine Eingangsspannungsdifferenz zwischen dem ersten Potential U₁ und dem zweiten Potential U₂ maximal ist. Der vorgegebene Faktor kann beispielsweise in einem Bereich von 5 bis 10, 10 bis 20, 20 bis 50 oder 50 bis 100 liegen. Insbesondere können Differenzverstärkerschaltungen 102, welche unterschiedliche maximale Ausgangsströme I_aus aufweisen, in dem Zustand, in dem keine Eingangsspannungsdifferenz vorliegt, die gleiche (oder zumindest annähernd die gleiche) Gesamtstromaufnahme ihrer Differenzeingangsstufen 105 aufweisen.
Der zweite Mehrfachstromspiegel ist ausgebildet, um einen sechsten Strom I₁₆, abhängig von der Eingangsspannungsdifferenz einzuprägen, welcher sich mit dem ersten Strom I₁₁ addiert und sich auf den Laststrecken der zweiten Eingangstransistoren 301, 302 verteilt. Der sechste Strom I₁₆ kann in dem Zustand der maximalen Eingangsspannungsdifferenz beispielsweise um einen Faktor 5 bis 10, 10 bis 20, 20 bis 50 oder 50 bis 100 größer sein als der erste Strom I₁₁.
Eine Größe des sechsten Stroms I₁₆ kann beispielsweise in Abhängigkeit von einer Bandbreite der Differenzverstärkerschaltung 102 und/oder in Abhängigkeit davon, wie oft die Differenzverstärkerschaltung 102 eine angeschlossene Last umladen muss, gewählt werden.
Der zweite Mehrfachstromspiegel ist darüber hinaus ausgebildet, um einen siebten Strom I₁₇ und einen achten Strom I₁₈ einzuprägen. Der siebte Strom I₁₇ und der achte Strom I₁₈ können beispielsweise gleich oder proportional zueinander sein. Der sechste Strom I₁₆ kann gleich oder proportional dem siebten Strom I₁₇ und dem achten Strom I₁₈ sein. Insbesondere ist eine Größe die Ströme I₁₇, I₁₈ in dem Zustand, in dem keine Eingangsspannungsdifferenz vorliegt (oder vernachlässigbar gering ist) bevorzugt (aber nicht notwendigerweise) gleich Null. Der siebte Strom I₁₇ wird in den Knoten der mit dem Drainanschluss des ersten Eingangstransistors 301 gekoppelt ist, eingeprägt. Der achte Strom I₁₈ wird in dem Knoten der mit dem Drainanschluss des zweiten Eingangstransistors 302 gekoppelt ist, eingeprägt.
Der Differenzverstärkerausgang 106 der Differenzverstärkerschaltung 102 ist mit dem Drainanschluss des zweiten Eingangstransistors 302 verbunden, so dass der an dem Differenzverstärkerausgang 106 der Differenzverstärkerschaltung 102 bereitgestellte Ausgangsstrom I_aus eine vorzeichenbehaftete Summe aus dem Strom I_last2 durch die Laststrecke des zweiten Eingangstransistors 302, dem dritten Strom I₁₃, dem fünften Strom I₁₅ und dem achten Strom I₁₈ ist.
Der zweite Mehrfachstromspiegel ist so ausgebildet, dass eine Erhöhung der Differenz bzw. eines Betrages der Differenz zwischen dem ersten Potential U₁ und dem zweiten Potential U₂ zu einer Erhöhung des sechsten Stroms I₁₆, welcher sich auf die Laststrecken der beiden Eingangstransistoren 301, 302 verteilt, führt. Weiterhin führt die Erhöhung der Differenz bzw. des Betrages der Differenz zu einer Erhöhung des siebten Stroms I₁₇ und des achten Stroms I₁₈. Erhöht sich beispielsweise das erste Potential U₁ an dem ersten Differenzverstärkereingang 103 der Differenzverstärkerschaltung 102 (und bleibt das zweite Potential U₁ gleich oder senkt sich ab) dann fließt weniger Strom durch die Laststrecke des ersten Eingangstransistors 301 und mehr Strom durch die Laststrecke des zweiten Eingangstransistors 302. Die Ströme I_last1, I_last2, durch die Laststrecken der beiden Eingangstransistoren 301, 302 setzten sich dabei sowohl aus Anteilen des ersten Stromes I₁₁, als auch aus Anteilen des sechsten Stroms I₁₆ zusammen. Da der durch die Laststrecke des ersten Eingangstransistors 301 fließende Strom I_last1 geringer wird, aber der zweite Strom I₁₂, welcher durch den ersten Mehrfachstromspiegel eingestellt ist, konstant bleibt, erhöht sich der von dem ersten Stromquellentransistor 304 gelieferte vierte Strom I₁₄. Da sich, aufgrund der Erhöhung der Eingangsdifferenz zwischen dem ersten Potential U₁ und dem zweiten Potential U₂ auch der von dem zweiten Mehrfachstromspiegel eingeprägte siebte Strom I₁₇ erhöht, muss sich der vierte Strom I₁₄ noch mehr erhöhen, da sich dieser ja auf den siebten Strom I₁₇ und den zweiten Strom I₁₂ verteilt. Der siebte Strom I₁₇ kann dabei in dem Fall der maximalen Eingangsspannungsdifferenz um einen Faktor 5 bis 10, 10 bis 20, 20 bis 50 oder 50 bis 100 größer sein als der zweite Strom I₁₂.
Eine Größe des siebten Stroms I₁₇ kann beispielsweise in Abhängigkeit von einer Bandbreite der Differenzverstärkerschaltung 102 und/oder in Abhängigkeit davon, wie oft die Differenzverstärkerschaltung 102 eine angeschlossene Last umladen muss, gewählt werden.
Der vierte Strom I₁₄ wird über den Stromspiegel gebildet durch den ersten Stromquellentransistor 304 und den zweiten Stromquellentransistor 305 gespiegelt und stellt den fünften Strom I₁₅ ein. Da der durch die Laststrecke des zweiten Eingangstransistors 302 fließende Strom I_last2 erhöht ist, aber der dritte Strom I₁₃ konstant ist, ist der Anteil des fünften Stromes I₁₅ an dem dritten Strom I₁₃ kleiner, im Vergleich zu dem Anteil des vierten Stroms I₁₄ an dem zweiten Strom I₁₂. Vielmehr kann aufgrund des erhöhten Stroms I_last2 durch die Laststrecke des zweiten Eingangstransistors 302 der dritte Strom I₁₃ von diesem Strom I_last2 abgedeckt werden und es kann eventuell sogar zumindest ein Teil des achten Stroms I₁₈ von diesem Strom I_last2 abgedeckt werden.
Da aber der siebte Strom I₁₇ gleich dem achten Strom I₁₈ ist, ist der fünfte Strom I₁₅ größer als die Summe aus dem achten Strom I₁₈ und dem dritten Strom I₁₃. Der Differenzanteil des fünften Strom I₁₅ (welcher nicht für den dritten Strom I₁₃ und den achten Strom I₁₈ benötigt wird) wird als Ausgangsstrom I_aus an dem Differenzverstärkerausgang 106 bereitgestellt.
In dem Fall, dass das zweite Potential U₂ größer als das erste Potential U₁ ist, so ist der Strom I_last1 durch die Laststrecke des ersten Eingangstransistors 301 erhöht und der Anteil des vierten Stromes I₁₄ an dem zweiten Strom I₁₂ sinkt und kann sogar gegen Null werden. Es sei aber darauf hingewiesen, dass durch die Erhöhung des siebten Stroms I₁₇ der gesamte vierte Strom I₁₄ trotzdem größer sein kann als in dem Fall, in dem das erste Potential U₁ gleich dem zweiten Potential U₂ ist. Der vierte Strom 114 wird wieder über den Stromspiegel zwischen dem ersten Stromquellentransistor 304 und dem zweiten Stromquellentransistor 305 gespiegelt, um den fünften Strom I₁₅ zu bilden. Der fünfte Strom I₁₅ ist dann wieder identisch oder proportional zu dem vierten Strom I₁₄. Da das zweite Potential U₂ gestiegen ist, sperrt der zweite Eingangstransistor 302 mehr und der Strom I_last2 durch die Laststrecke des zweiten Eingangstransistors 302 sinkt und damit erhöht sich der Anteil des fünften Stromes I₁₅ an dem dritten Strom I₁₃. Der Anteil des fünften Stromes I₁₅ an dem dritten Strom I₁₃ ist damit größer als der Anteil des vierten Stromes I₁₄ an dem zweiten Strom I₁₂. Da aber der von dem zweiten Mehrfachstromspiegel eingeprägte achte Strom I₁₈ proportional oder gleich dem von dem zweiten Mehrfachstromspiegel eingestellten siebten Strom I₁₇ ist, können der fünfte Strom I₁₅ und der durch die Laststrecke des zweiten Eingangstransistors 302 fließende Strom I_last2 nicht die Ströme I₁₃, I₁₈ bereitstellen, die Differenz wird daher über den Ausgangsstrom I_aus von dem Differenzverstärkerausgang 106 bereitgestellt.
Im Folgenden soll die Schaltung aus 3 nochmal mit Hilfe von Formeln erläutert werden. Dabei wird angenommen, dass die variablen Stromquellen und die konstanten Stromquellen so eingestellt sind, dass gilt: I₁₁ = I₁₂ = I₁₃, I₁₆ = I₁₇ = I₁₈.
Ausgehend von einem Gleichgewichtszustand, in welchem das erste Potential U₁ gleich dem zweiten Potential U₂ ist, gilt: I_last1 = I_last2 = ½(I₁₁ + I₁₆) = I₁₄ = I_I5, I_aus = I₁₇ = I₁₈ = I₁₆ = 0.
Erhöht sich das erste Potential U₁ und bleibt das zweite Potential U₂ gleich oder senkt sich ab, so sperrt der erste Eingangstransistor 301 mehr und über seine Laststrecke fließt weniger Strom als über die Laststrecke des zweiten Eingangstransistors 302. Desweiteren erhöhen sich die Ströme I₁₇, I₁₈, I₁₆, es gilt: I_last1 < I_last2, I₁₇ = I₁₈ = I₁₆ ≠ 0.
Dies resultiert in einem Anstieg der Ströme I₁₄ und I₁₅ wobei gilt: I₁₄ = I₁₅ = (I₁₂ + I₁₇ – I_last1) > (I₁₃ + I₁₈ – I_last2).
Da weiterhin gilt: I_aus = I₁₅ – (I₁₃ + I₁₈ – I_last2), folgt: I_aus > 0 und I_aus = I_last2 – I_last1.
Es wird ersichtlich, dass in dem Fall, in dem der Strom I_last1 durch die Laststrecke des ersten Eingangstransistors 301 gleich Null ist, der Ausgangsstrom I_aus nur durch den Strom I_last2 durch die Laststrecke des zweiten Eingangstransistors 302 bestimmt wird. Also gilt in dem Fall in dem I_last1 = 0: I_aus = I₁₁ + I₁₆.
Erhöht sich das zweite Potential U₂ und bleibt das erste Potential U₁ gleich oder senkt sich ab, so sperrt der zweite Eingangstransistor 302 mehr und über seine Laststrecke fließt weniger Strom als über die Laststrecke des ersten Eingangstransistors 301. Desweiteren erhöhen sich die Ströme I₁₇, I₁₈, I₁₆, es gilt: I_last1 > I_last2, I₁₇ = I₁₈ = I₁₆ ≠ 0.
Dies resultiert in einem Anstieg der Ströme I₁₄ und I₁₅ wobei gilt: I₁₄ = I₁₅ = (I₁₂ + I₁₇ – I_last1) < (I₁₃ + I₁₈ – I_last2).
Da weiterhin gilt: I_aus = I₁₅ – (I₁₃ + I₁₈ – I_last2), folgt: I_aus < 0 und I_aus = I_last2 – I_last1.
Es wird ersichtlich, dass in dem Fall, in dem der Strom I_last2 durch die Laststrecke zweiten Eingangstransistors 302 gleich Null ist, der Ausgangsstrom I_aus nur durch den Strom I_last1 durch die Laststrecke des ersten Eingangstransistors 301 bestimmt wird. Also gilt in dem Fall in dem I_last2 = 0: I_aus = –(I₁₁ + I₁₆.)
Mit anderen Worten, in dem Fall, in dem das erste Potential U₁ größer als das zweite Potential U₂ ist, ist der an dem Differenzverstärkerausgang 106 bereitgestellte Ausgangsstrom I_aus positiv, und in dem Fall, in dem das zweite Potential U₂ großer als das erste Potential U₁ ist, ist der an dem Differenzverstärkerausgang 106 bereitgestellte Ausgangsstrom I_aus negativ.
Der Ausgangsstrom I_aus ergibt sich also aus der Differenz zwischen der Summe der Ströme I_last2 und I₁₅ einerseits und der Summe der Ströme I₁₃ und I₁₈ andererseits, wobei die Ströme I_last2 und I₁₅ in den Ausgangsknoten 106 hineinfließen und die Ströme I₁₃ und I₁₈ aus dem Ausgangsknoten 106 herausfließen.
Der erste Mehrfachstromspiegel, welcher den konstanten ersten Arbeitspunktstromanteil einstellt, ist in der in 3 gezeigten Schaltung durch die Stromquelle 303, einen dritten Stromquellentransistor 306, welcher ein P-MOS-Transistor ist, einen vierten Stromquellentransistor 307, welcher ein P-MOS-Transistor ist, einen fünften Stromquellentransistor 308, welcher ein P-MOS-Transistor ist, einen sechsten Stromquellentransistor 309, welcher ein N-MOS-Transistor ist, einen siebten Stromquellentransistor 310, welcher ein N-MOS-Transistor ist, und einen achten Stromquellentransistor 311, welcher ein N-MOS-Transistor ist, gebildet. Die erste Stromquelle 303 stellt einen Strom an dem dritten Stromquellentransistor 306 ein. Dieser Strom von dem dritten Stromquellentransistor 306 wird zu dem vierten Stromquellentransistor 307 gespiegelt, um den ersten Strom I₁₁ zu bilden, und zu dem fünften Stromquellentransistor 308 gespiegelt, welcher über einen weiteren Stromspiegel seinen Strom in den sechsten Stromquellentransistor 309 eingespiegelt bzw. einprägt. Der in den sechsten Stromquellentransistor 309 eingespiegelte Strom wird über einen Zweifachstromspiegel, der durch die Stromquellentransistoren 309, 310, 311 gebildet ist, in den siebten Stromquellentransistor 310 als der zweite Strom I₁₂ und in den achten Stromquellentransistor 311 als der dritte Strom I₁₃ gespiegelt. Es wird ersichtlich, dass die Ströme I₁₁, I₁₂, I₁₃ im Wesentlichen (also abgesehen von parasitären Effekten bzw. Sättigungseffekten) unabhängig von der Eingangsspannungsdifferenz zwischen dem ersten Potential U₁ und dem zweiten Potential U₂ eingestellt werden und dass deren Größe lediglich auf dem durch die erste Stromquelle 303 vorgegebenen Strom basiert, welcher beispielsweise ein Offseteinstellstrom sein kann.
Die Verschaltung des dritten Stromquellentransistors 306 mit dem vierten Stromquellentransistor 307 kann daher auch als eine erste Konstantstromquelle bezeichnet werden, welche den ersten Strom I₁₁ einprägt. Die Verschaltung des sechsten Stromquellentransistors 309 mit dem siebten Stromquellentransistor 310 kann auch als eine zweite Konstantstromquelle bezeichnet werden, welche den zweiten Strom I₁₂ einprägt. Die Verschaltung des sechsten Stromquellentransistors 309 mit dem achten Stromquellentransistor 311 kann auch als eine dritte Konstantstromquelle bezeichnet werden, welche den dritten Strom I₁₃ einprägt. Konstantstromquelle bedeutet dabei, dass ein durch diese Stromquelle eingeprägter Strom unabhängig (bzw. zumindest im Wesentlichen unabhängig) von einer Eingangsspannungsdifferenz der Differenzverstärkerschaltung 102 ist.
Die zweite Mehrfachstromspiegelanordnung, welche den variablen zweiten Arbeitspunktstromanteil einstellt, wird gebildet durch einen neunten Stromquellentransistor 312, welcher ein P-MOS-Transistor ist, einen zehnten Stromquellentransistor 313, welcher ein P-MOS-Transistor ist, einen elften Stromquellentransistor 314, welcher ein N-MOS-Transistor ist, einen zwölften Stromquellentransistor 315, welcher ein N-MOS-Transistor ist einen dreizehnten Stromquellentransistor 316, welcher ein N-MOS-Transistor ist und einen vierzehnten Stromquellentransistor 317, welcher ein P-MOS-Transistor ist. Der neunte Stromquellentransistor 312 ist mit dem dritten Differenzverstärkereingang 111 verbunden. An dem dritten Differenzverstärkereingang 111 kann in dem Zustand, in dem das erste Potential U₁ gleich dem zweiten Potential U₂ ist, Versorgungsspannungspotential anliegen (beispielsweise eingestellt durch die Stromeinstellungsstellungsschaltung 101 aus 2) so dass der neunte Stromquellentransistor 312 sperrt und kein Strom über dessen Laststrecke fließt. Sinkt dahingegen das Potential an dem dritten Differenzverstärkereingang 111 ab, so fließt ein Strom durch die Laststrecke des neunten Stromquellentransistors 312. Dieser Strom durch die Laststrecke des neunten Stromquellentransistors 312 wird über einen Stromspiegel, der den neunten Stromquellentransistor 312 und den zehnten Stromquellentransistor 313 umfasst, gespiegelt, um den sechsten Strom I₁₆ zu bilden. Hieraus wird ersichtlich, dass in dem Fall, dass das erste Potential U₁ gleich dem zweiten Potential U₂ ist, kein Strom durch die Laststrecke des neunten Stromquellentransistors 312 fließt und damit auch der sechste Strom I₁₆ gleich Null ist.
Der durch die Laststrecke des neunten Stromquellentransistors 312 fließende Strom wird weiterhin über einen Stromspiegel, der den neunten Stromquellentransistors 312 und den vierzehnten Stromquellentransistor 317 umfasst, gespiegelt, um einen Laststreckenstrom des vierzehnten Stromquellentransistors 317 und des elften Stromquellentransistors 314 zu bilden. Der Laststreckenstrom des elften Stromquellentransistors 314 wird über einen Stromspiegel der den elften Stromquellentransistor 314 und den zwölften Stromquellentransistor 315, umfasst, gespiegelt, um den siebten Strom I₁₇ zu bilden. Weiterhin wird der Laststreckenstrom des elften Stromquellentransistors 314 über einen Stromspiegel der den elften Stromquellentransistor 314 und den dreizehnten Stromquellentransistor 316 umfasst, gespiegelt, um den achten Strom I₁₈ zu bilden. Die Verschaltung des neunten Stromquellentransistors 312 mit dem zehnten Stromquellentransistor 313 kann daher als eine erste variable Stromquelle bezeichnet werden, welche den sechsten Strom I₁₆ einprägt. Die Verschaltung des elften Stromquellentransistors 314 mit dem zwölften Stromquellentransistor 315 kann als eine zweite variable Stromquelle bezeichnet werden, welche den siebten Strom I₁₇ einprägt. Die Verschaltung des elften Stromquellentransistors 314 mit dem dreizehnten Stromquellentransistor 316 kann als eine dritte variable Stromquelle bezeichnet werden, welche den achten Strom I₁₈ einprägt. Eine variable Stromquelle zeichnet sich hier dadurch aus, dass eine Größe des von ihr eingeprägten Stromes abhängig von dem Potential an dem dritten Differenzverstärkereingang 111 ist und damit abhängig von einer Differenz zwischen dem ersten Potential U₁ und dem zweiten Potential U₂.
Zusammenfassend stellt die erste Mehrfachstromquelle den konstanten ersten Arbeitspunktstromanteil durch Einstellen der Ströme I₁₁, I₁₂ und I₁₃ ein. Die zweite Mehrfachstromquelle stellt den variablen zweiten Arbeitspunktstromanteil durch Einstellen der Ströme I₁₆, I₁₇ und I₁₈ ein.
Im Folgenden soll der genaue strukturelle Aufbau der in 3 gezeigten Schaltung beschrieben werden. Substrate aller P-MOS-Transistoren sind dabei mit einem Versorgungsspannungsanschluss 320 der Differenzverstärkerschaltung 102 verbunden und Substrate der N-MOS-Transistoren sind dabei mit einem Masseanschluss 330 der Differenzverstärkerschaltung 102 verbunden. Weiterhin sind Sourceanschlüsse aller N-MOS-Transistoren der Differenzverstärkerschaltung 102 mit dem Masseanschluss 330 verbunden.
Ein Sourceanschluss des neunten Stromquellentransistors 312, des dritten Stromquellentransistors 306, des fünften Stromquellentransistors 308, des ersten Stromquellentransistors 304, des vierten Stromquellentransistors 307, des zehnten Stromquellentransistors 310 und des zweiten Stromquellentransistors 305 sind mit dem Versorgungsspannungsanschluss 320 verbunden.
Ein Gateanschluss des neunten Stromquellentransistors 312 ist mit einem Drainanschluss des neunten Stromquellentransistors 312, mit einem Gateanschluss des zehnten Stromquellentransistors 313 und mit einem Gateanschluss des vierzehnten Stromquellentransistor 317 verbunden. Ein Gateanschluss des dritten Stromquellentransistors 306 ist mit einem Drainanschluss des dritten Stromquellentransistors 306, einem ersten Anschluss der ersten Stromquelle 303, einem Gateanschluss des fünften Stromquellentransistors 308 und einem Gateanschluss des vierten Stromquellentransistors 307 verbinden. Ein Drainanschluss des fünften Stromquellentransistors 308 ist mit einem Drainanschluss des sechsten Stromquellentransistors 309, mit einem Gateanschluss des sechsten Stromquellentransistors 309, mit einem Gateanschluss des siebten Stromquellentransistors 310 und mit einem Gateanschluss des achten Stromquellentransistors 311 verbunden. Ein Gateanschluss des ersten Stromquellentransistors 304 ist mit einem Drainanschluss des ersten Stromquellentransistors 304, mit einem Gateanschluss des zweiten Stromquellentransistors 305, einem Drainanschluss des zwölften Stromquellentransistors 315, einem Drainanschluss des siebten Stromquellentransistors 310 und einem Drainanschluss des ersten Eingangstransistors 301 verbunden. Ein Drainanschluss des vierten Stromquellentransistors 307 ist mit dem Sourceanschluss des ersten Eingangstransistors 301, dem Sourceanschluss des zweiten Eingangstransistors 302 und einem Drainanschluss des zehnten Stromquellentransistors 313 verbunden. Ein Drainanschluss des zweiten Stromquellentransistors 305 ist mit dem Differenzverstärkerausgang 306, dem Drainanschluss des zweiten Eingangstransistors 302, einem Drainanschluss des achten Stromquellentransistors 311 und einem Drainanschluss des dreizehnten Stromquellentransistors 316 verbunden. Der Gateanschluss des ersten Eingangstransistors 301 ist mit dem ersten Differenzverstärkereingang 103 verbunden und der Gateanschluss des zweiten Eingangstransistors 302 ist mit dem zweiten Differenzverstärkereingang 104 verbunden. Ein Drainanschluss des elften Stromquellentransistors 314 ist mit einem Gateanschluss des ersten Stromquellentransistors 314, mit einem Gateanschluss des zwölften Stromquellentransistors 315, mit einem Gateanschluss des dreizehnten Stromquellentransistors 316 und mit einem Sourceanschluss des vierzehnten Stromquellentransistor 317 verbunden. Ein zweiter Anschluss der ersten Stromquelle 303 ist mit dem Masseanschluss 230 verbunden.
Die Eingangsdifferenzstufe 105 wird gebildet aus dem vierten Stromquellentransistor 307, dem ersten Eingangstransistor 301, dem zweiten Eingangstransistor 302, dem siebten Stromquellentransistor 310 und dem achten Stromquellentransistor 311.
Im Folgenden soll die in 3 gezeigte Schaltung des Differenzverstärkers 102 nochmals mit Bezug auf den in 6a und 6b gezeigten einfachen Transkonduktanzverstärker 600 erläutert werden. Die Stromquellentransistoren 307, 310, 311 (entsprechen den Transistoren 608, 613, 614 in 6b) bilden wieder Stromquellen, die über die erste Stromquelle 303, den dritten Stromquellentransistor 306 und die erste Stromquelle 303, den fünften Stromquellentransistor 308 und den sechsten Stromquellentransistor 309 Stromspiegel bilden (entsprechen dem Pin I_in als Stromeingang und dem Transistor 609 sowie dem Transistor 611 und dem Transistor 612 in 6b). Wie gekennzeichnet, bilden die Transistoren 307, 301, 302, 310, 311 die Eingangsdifferenzstufe 105. Der erste Stromquellentransistor 304 und der zweite Stromquellentransistor 305 entsprechen genau den Transistoren 606 und 605 in der 6b. Die anderen Transistoren bilden eine Zusatzstufe, die mit dem Knoten Idyn als Eingangspin oder Eingangsanschluss (mit dem dritten Differenzverstärkereingang 111) der Stufe dieser Differenzverstärkerschaltung 102 einen Zusatzstrom generieren, wenn die Eingangsdifferenz ungleich Null ist. Sinkt der Knoten Idyn deutlich unter Versorgungsspannung, beginnt der neunte Stromquellentransistor 312 an zu leiten. Dieser bildet dann mit dem zehnten Stromquellentransistor 313 einen Stromspiegel und der Zusatzstrom wird in die Eingangsdifferenzstufe 105 über den zehnten Stromquellentransistor 313 (als sechster Strom I₁₆) eingespeist. Der elfte Stromquellentransistor 314 leitet den Strom von dem vierzehnten Stromquellentransistor 317 und bildet über den zwölften Stromquellentransistor 315 und den dreizehnten Stromquellentransistor 316 einen weiteren Stromspiegel, die den Zusatzstrom (als siebten Strom I₁₇ und achten Strom I₁₈) parallel zu dem siebten Stromquellentransistor 310 und dem achten Stromquellentransistors 311 von der N-Kanal Transistorseite einspeisen. Dabei sind die Ströme I₁₇ gleich I₁₈ und gleich so groß wie der sechste Strom I₁₆ von dem zehnten Stromquellentransistor 313.
In dem Fall, in dem das erste Potential U₁ gleich dem zweiten Potential U₂ ist, und sich der erste Strom I₁₁ in gleichen Teilen auf die Laststrecken der Eingangstransistoren 301, 302 verteilt und die Ströme I₁₇, I₁₈ gleich Null sind, ist damit der vierte Strom I₁₄ gleich dem Strom I_last1 durch die Laststrecke des ersten Eingangstransistors 301 und gleich dem fünften Strom I₁₅ und dem durch die Laststrecke des zweiten Eingangstransistors fließenden I_last2. Eine Größe dieser Ströme I_last1, I_last2, I₁₄, I₁₅ ist dann jeweils die Hälfte von dem Strom I₁₁. Summiert ergibt sich dann ein Gesamtstrom durch die Eingangsdifferenzstufe 105 von 2*I₁₁. Im Gegensatz zu dem in den 6a, 6b gezeigten Transkonduktanzverstärker 600 kann der Strom I₁₁ aber unabhängig von dem maximal bereitgestellten Ausgangsstrom I_aus ausgewählt werden und insbesondere um ein Vielfaches kleiner sein als dieser, so dass bei der in der 3 gezeigten Differenzverstärkerschaltung 102 ein Stromverbrauch im Ruhezustand (wenn das erste Potential U₁ gleich dem zweiten Potential U₂ ist), um ein Vielfaches geringer gehalten werden kann. Da die Ströme I₁₁, I₁₂, I₁₃ konstant sind und diese Ströme selbst bei einer maximalen Eingangsspannungsdifferenz gering sind, können die Transistoren 307, 310, 311 in ihren Dimensionen kleiner sein, als die Transistoren 608, 613, 614, des Transkonduktanzverstärkers 600. Die Transistoren 301, 302, 304, 305, 313, 315, 316, welche in Abhängigkeit von der Eingangsspannungsdifferenz höhere Ströme führen können, können dagegen größer ausgelegt sein als die Transistoren 307, 310, 311.
4 zeigt ein Schaltbild einer Verstärkerschaltung 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Verstärkerschaltung 400 kann beispielsweise eine Zusammenfassung und Vereinfachung der Stromeinstellungsschaltung 101 aus 2 und der Differenzverstärkerschaltung 102 aus 3 sein. Die Verstärkerschaltung 400 weist eine Stromeinstellungsschaltung 401 und eine Differenzverstärkerschaltung 402 auf. Die Verstärkerschaltung 400 kann beispielsweise eine konkrete Ausführung der in 1a gezeigten abstrakt dargestellten Verstärkerschaltung 100 sein, wobei die Stromeinstellungsschaltung 401 dabei die Stromeinstellungsschaltung 101 ist und die Differenzverstärkerschaltung 402 die Differenzverstärkerschaltung 101 ist. Eine Eingangsdifferenzstufe 405 der Differenzverstärkerschaltung 402 kann beispielsweise die Eingangsdifferenzstufe 105 der Differenzverstärkerschaltung 102 sein.
Die Stromeinstellungsschaltung 401 ist ausgebildet, um basierend auf einer Differenz zwischen einem ersten Potential U₁ an einem ersten Differenzverstärkereingang 103 der Differenzverstärkerschaltung 402 und einem zweiten Potential U₂ an einem zweiten Differenzverstärkereingang 104 der Differenzverstärkerschaltung 402 einen Gesamtstrom I_gesamt durch die Eingangsdifferenzstufe 405 der Differenzverstärkerschaltung 402 einzustellen, so dass der Gesamtstrom I_gesamt in einem ersten Zustand bei Vorliegen eines Unterschieds zwischen dem ersten Potential U₁ und dem zweiten Potential U₂ im Vergleich zu einem zweiten Zustand, in dem das erste Potential U₁ und das zweite Potential U₂ gleich sind, erhöht ist.
Die Stromeinstellungsschaltung 401 ist ausgebildet, um den Gesamtstrom durch die Eingangsdifferenzstufe 405 durch Einprägen eines variablen Arbeitspunktstromanteils I_var in der Differenzverstärkerschaltung 402 einzustellen. Der variable Arbeitspunktstromanteil I_var kann dabei beispielsweise der Einstellstrom I_dyn gemäß 1b sein.
Die Stromeinstellungsschaltung 401 kann dabei ferner so ausgebildet sein, dass in einem Fall, in dem das erste Potential U₁ gleich dem zweiten Potential U₂ ist der eingeprägte variable Arbeitspunktstromanteil I_var gleich Null ist. Die Differenzverstärkerschaltung 402 kann dabei so ausgebildet sein, dass eine Erhöhung des Gesamtstroms I_gasamt durch die Differenzeingangsstufe 405 proportional zu einer Erhöhung des durch die Stromeinstellungsschaltung 401 eingeprägten variablen Arbeitsstromanteils I_var ist. Ein Betrag des Gesamtstroms durch die Eingangsdifferenzstufe 405 ist in dem Fall, in dem das erste Potential U₁ gleich dem zweiten Potential U₂ ist, minimal.
Die Stromeinstellungsschaltung 401 ist ähnlich der in der 2 gezeigten Stromeinstellungsschaltung 101, mit den Unterschieden, dass der Hilfstransistor 216, welcher an dem Ausgang 114 der Stromeinstellungsschaltung 101 das Versorgungsspannungspotential bereitstellt, nicht mehr benötigt wird, und dass die Stromquelle 209 der Stromeinstellungsschaltung 101 durch einen Verstärkereingang 406 ersetzt wurde, welcher der Einstellung der Ströme für die Stromquellen 202, 203, 204, einstellt. Die Funktionalität der Stromeinstellungsschaltung 401 ist dieselbe, wie die Funktionalität der Stromeinstellungsschaltung 101 in 2. Das heißt, abhängig von der Eingangsspannungsdifferenz leitet entweder ein erster Ausgangstransistor 207 der Stromeinstellungsschaltung 401 oder ein zweiter Ausgangstransistor 208 der Stromeinstellungsschaltung 401 oder keiner beiden Ausgangstransistoren 207, 208 leitet. Leitet einer der beiden Ausgangstransistoren 207, 208 so führt dies zu einer Verringerung der Spannung an einem Stromeinstellungsausgang 114 (an einem Knoten Idyn) der Stromeinstellungsschaltung 401 gegenüber dem Fall, in dem keiner der beiden Ausgangstransistoren 207, 208 leitet (in dem keine Eingangsspannungsdifferenz vorliegt). Diese Verringerung der Spannung kann einen Stromfluss in den Stromeinstellungsausgang 114 hervorrufen. Der durch eine Laststrecke des ersten Ausgangstransistor 207 oder des zweiten Ausgangstransistor 208 fließende Strom (von dem Knoten Idyn) ist der von der Stromeinstellungsschaltung 401 eingeprägte variable Arbeitsstromanteil I_var. Dieser variable zweite Arbeitspunktstromanteil I_var addiert sich an dem Knoten Idyn mit einem konstanten ersten Arbeitspunktstromanteil I_fix zu einem gesamten Arbeitspunktstrom I_arbeit. Der variable Arbeitspunktstromanteil I_var, ist, wie im Zusammenhang mit 2 beschrieben, abhängig von der Eingangsspannungsdifferenz und kann unabhängig oder abhängig von einem Vorzeichen der Eingangsspannungsdifferenz sein. Der konstante erste Arbeitspunktstromanteil I_fix ist gleich dem Gesamtarbeitspunktstrom I_arbeit in dem Fall, in dem das erste Potential U₁ gleich dem zweiten Potential U₂ ist. Ist dies der Fall, so fließt in der Eingangsdifferenzstufe 405 ein minimaler Gesamtstrom I_gesamt, welcher auch als Ruhestrom bezeichnet werden kann. Erhöht sich der Gesamtarbeitspunktstrom I_arbeit aufgrund einer Erhöhung des variablen zweiten Arbeitspunktstromanteils I_var, so erhöht sich auch der Gesamtstrom I_gesamt durch die Eingangsdifferenzstufe 405 und damit auch ein an einem Ausgang 106 der Differenzverstärkerschaltung 402 bereitgestellter bzw. bereitstellbarer maximaler Ausgangsstrom I_aus.
Die Differenzverstärkerschaltung 402 ähnelt der in 3 gezeigten Differenzverstärkerschaltung 102, wobei die erste konstante Stromquelle und die erste variable Stromquelle zu einer gemeinsamen ersten variablen Stromquelle zusammengefasst worden sind, die zweite Konstantstromquelle und die zweite variable Stromquelle zu einer gemeinsamen zweiten variablen Stromquelle zusammengefasst worden sind, und die dritte Konstantstromquelle und die dritte variable Stromquelle zu einer gemeinsamen dritten variablen Stromquelle zusammengefasst worden sind. Das heißt, alle Stromquellen der Differenzverstärkerschaltung 402 sind abhängig von der Eingangsdifferenz zwischen dem ersten Potential U₁ und dem zweiten Potential U₂. In dem Fall, in dem das erste Potential U₁ gleich dem zweiten Potential U₂ ist, kann die erste Stromquelle beispielsweise einen ersten Strom I₂₁ einprägen, dessen Größe gleich dem ersten Strom I₁₁ aus 3 ist. Ein von der zweiten variablen Stromquelle eingeprägter zweiter Strom I₂₂ kann beispielsweise gleich dem Strom zweiten I₁₂ aus 3 sein. Ein durch die dritte variable Stromquelle eingeprägter dritter Strom I₂₃ kann beispielsweise gleich dem dritten Strom I₁₃ aus 3 sein. Erhöht sich die Eingangsspannungsdifferenz, so erhöhen sich auch die durch die drei variablen Stromquellen eingeprägten Ströme I₂₁, I₂₂, I₂₃. So kann sich beispielsweise der erste Strom I₂₁ um einen Wert, der dem sechsten Strom I₁₆ aus 3 entspricht, erhöhen. Der zweite Strom I₂₂ kann sich um einen Wert, der dem siebten Strom I₁₇ aus 3 entspricht, erhöhen und der dritte Strom I₂₃ kann sich um einen Wert, der dem achten Strom I₁₈ aus 3 entspricht, erhöhen Die in 4 gezeigte Realisierung der Differenzverstärkerschaltung 402 mit drei variablen Stromquellen, anstatt mit drei variablen und drei konstanten Stromquellen, kann daher mit weniger Transistoren, und damit verbunden, mit weniger Kosten realisiert werden.
Die durch die variablen Stromquellen eingeprägten Ströme I₂₁, I₂₂, I₂₃ werden über einen Mehrfachstromspiegel mit dem Gesamtarbeitspunktstrom I_arbeit eingestellt und sind daher zumindest proportional zu diesem.
Der erste Strom I₂₁ wird gebildet durch einen ersten Stromspiegel bestehend aus einem ersten Stromquellentransistor 407 der Differenzverstärkerschaltung 402, welcher ein P-MOS-Transistor ist und einem zweiten Stromquellentransistor 408 der Differenzverstärkerschaltung 402 welcher ein P-MOS-Transistor ist. Der erste Stromquellentransistor 407 der Differenzverstärkerschaltung 402 und der zweite Stromquellentransistor 408 der Differenzverstärkerschaltung 402 spiegeln den Gesamtarbeitspunktstrom um den ersten Strom I₂₁ als Laststreckenstrom des zweiten Stromquellentransistors 408 der Differenzverstärkerschaltung 402 zu bilden.
Über einen zweiten Stromspiegel der Differenzverstärkerschaltung 402 umfassend den ersten Stromquellentransistor 407 der Differenzverstärkerschaltung 402 und einen dritten Stromquellentransistor 409, welcher ein P-MOS-Transistor der Differenzverstärkerschaltung 402 ist, wird der Gesamtarbeitspunktstrom I_arbeit in einen vierten Stromquellentransistor 410, welcher ein N-MOS-Transistor der Differenzverstärkerschaltung 402 ist, eingespiegelt. Der vierte Stromquellentransistor 410 der Differenzverstärkerschaltung 402 bildet einen dritten Stromspiegel mit einem fünften Stromquellentransistor 411, welcher ein N-MOS Transistor der Differenzverstärkerschaltung 402 ist, um den zweiten Strom I₂₂ einzuprägen. Weiterhin bildet der vierte Stromquellentransistor 410 einen vierten Stromspiegel mit einem sechsten Stromquellentransistor 412 der Differenzverstärkerschaltung 402, um den dritten Strom I₂₃ einzuprägen. Basierend auf dieser Stromspiegelverkettung wird deutlich, dass die Ströme I₂₁, I₂₂, I₂₃ abhängig und bevorzugt proportional zu von dem Gesamtarbeitspunktstrom I_arbeit sind. Weiterhin weist die Differenzverstärkerschaltung 402 einen fünften Stromspiegel, gebildet aus einem ersten Ausgangstransistor 304 und einem zweiten Ausgangstransistor 305 auf. Eine Funktion der beiden Ausgangstransistoren 304, 305 ist identisch einer Funktion der beiden Ausgangstransistoren 304, 305 in 3. Das heißt, ein durch eine Laststrecke des ersten Ausgangstransistors 304 der Differenzverstärkerschaltung 402 fließender vierter Strom I₂₄ wird über diesen fünften Stromspiegel in den zweiten Ausgangstransistor 305 der Differenzverstärkerschaltung 402 eingespiegelt, um einen fünften Strom I₂₅ über eine Laststrecke des zweiten Ausgangstransistors 305 der Differenzverstärkerschaltung 402 zu bilden. Der fünfte Stromspiegel umfassend den ersten Ausgangstransistor 304 und den zweiten Ausgangstransistor 305 kann auch als Ausgangsstromspiegel bezeichnet werden.
Der zweite Strom I₂₂ setzt sich, wie auch bei dem in 6a und 6b gezeigten Transkonduktanzverstärker 600, aus dem Laststreckenstrom des ersten Ausgangstransistors 304 der Differenzverstärkerschaltung 402, also aus dem vierten Strom I₂₄, und einem Laststreckenstrom I_last1 des ersten Eingangstransistors 301 zusammen. Der dritte Strom I₂₃ setzt sich aus dem Laststreckenstrom des zweiten Ausgangstransistors 305 der Verstärkerschaltung 402, also dem fünften Strom I₂₅, dem Ausgangsstrom I_aus und dem Strom I_last2 durch die Laststrecke des zweiten Eingangstransistors 302 zusammen. Der Ausgangsstrom I_aus ist damit: I_aus = (I_last2 + I₂₅) – I₂₃.
Weiterhin weist die Verstärkerschaltung 400 einen Konstantstromspiegel auf, welcher über den vierten Stromquellentransistor 213 der Stromeinstellungsschaltung 401 und über einen siebten Stromquellentransistor 413, welcher ein N-MOS-Transistor der Differenzverstärkerschaltung 402 ist, den konstanten ersten Arbeitspunktstromanteil I_fix bildet.
Im Folgenden soll die in 4 gezeigte Schaltung detailliert beschrieben werden. Substrate von P-MOS-Transistoren sind dabei stets mit einem Versorgungsspannungsanschluss 414 der Verstärkerschaltung 400 verbunden und Substrate von N-MOS-Transistoren sind dabei stets mit einem Massenanschluss 415 der Verstärkerschaltung 400 verbunden. Weiterhin sind Sourceanschlüsse aller N-MOS-Transistoren mit dem Massenanschluss 415 verbunden.
Ein Sourceanschluss des ersten Stromquellentransistors 210 der Stromeinstellungsschaltung 401, des dritten Stromquellentransistors 212 der Stromeinstellungsschaltung 401, des zweiten Stromquellentransistors 211 der Stromeinstellungsschaltung 401, des ersten Stromquellentransistors 407 der Differenzverstärkerschaltung 402, des dritten Stromquellentransistors 409 der Differenzverstärkerschaltung 402, des ersten Ausgangstransistors 304 der Differenzverstärkerschaltung 402, des zweiten Stromquellentransistors 408 der Differenzverstärkerschaltung 402 und des zweiten Ausgangstransistors 305 der Differenzverstärkerschaltung 402 sind mit dem Versorgungsspannungsanschluss 414 verbunden. Ein Drainanschluss des ersten Stromquellentransistors 210 der Stromeinstellungsschaltung 401 ist mit einem Gateanschluss des ersten Stromquellentransistors 210 der Stromeinstellungsschaltung 401, einem Gateanschluss des dritten Stromquellentransistors 212 der Stromeinstellungsschaltung 401, einem Gateanschluss des zweiten Stromquellentransistors 211 der Stromeinstellungsschaltung 401 und mit einem dritten Differenzverstärkereingang 406 (einem Knoten I_in) verbunden. Ein Drainanschluss des dritten Stromquellentransistors 212 der Stromeinstellungsschaltung 401 ist mit einem Gateanschluss und einem Drainanschluss des vierten Stromquellentransistors 213 der Stromeinstellungsschaltung 401, einem Gateanschluss des fünften Stromquellentransistors 214 der Stromeinstellungsschaltung 401, mit einem Gateanschluss des sechsten Stromquellentransistors 215 der Stromeinstellungsschaltung 401 und mit einem Gateanschluss des siebten Stromquellentransistors 413 der Differenzverstärkerschaltung 402 verbunden. Ein Drainanschluss des zweiten Stromquellentransistors 211 der Stromeinstellungsschaltung 401 ist verbunden mit einem Sourceanschluss des ersten Eingangstransistors 205 der Stromeinstellungsschaltung 401 und einem Sourceanschluss des zweiten Eingangstransistors 206 der Stromeinstellungsschaltung 401. Ein Gateanschluss des ersten Stromquellentransistors 205 der Stromeinstellungsschaltung 401 ist mit einem ersten Eingang 416 der Verstärkerschaltung 400 und mit dem Differenzverstärkereingang 103 verbunden. Ein Gateanschluss des zweiten Eingangstransistors 206 der Stromeinstellungsschaltung 401 ist mit einem zweiten Eingang 417 der Verstärkerschaltung 400 und dem Differenzverstärkereingang 104 verbunden. Ein Drainanschluss des ersten Eingangstransistors 205 der Stromeinstellungsschaltung 401 ist mit einem Gateanschluss des ersten Ausgangstransistors 207 der Stromeinstellungsschaltung 401 und einem Drainanschluss des fünften Stromquellentransistors 214 der Stromeinstellungsschaltung 401 verbunden. Ein Drainanschluss des zweiten Eingangstransistors 206 der Stromeinstellungsschaltung 401 ist mit einem Gateanschluss des zweiten Ausgangstransistors 208 der Stromeinstellungsschaltung 401 und einem Drainanschluss des sechsten Stromquellentransistors 215 der Stromeinstellungsschaltung 401 verbunden. Ein Drainanschluss des ersten Ausgangstransistors 207 der Stromeinstellungsschaltung 401 ist mit einem Drainanschluss des zweiten Ausgangstransistors 208 und mit dem Stromeinstellungsschaltungsausgang 114 (also mit dem Knoten Idyn) verbunden. Ein Drainanschluss des siebten Stromquellentransistors 413 der Differenzverstärkerschaltung 402 ist mit dem Stromeinstellungsausgang 114 der Stromeinstellungsschaltung 401 und mit einem Drain- und einem Gateanschluss des ersten Stromquellentransistors 407 der Differenzverstärkerschaltung 402 verbunden. Der Gateanschluss des ersten Stromquellentransistors 407 der Differenzverstärkerschaltung 402 ist ferner mit einem Gateanschluss des dritten Stromquellentransistors 409 der Differenzverstärkerschaltung 402 und einem Gateanschluss des zweiten Stromquellentransistors 408 der Differenzverstärkerschaltung 402 verbunden. Ein Drainanschluss des dritten Stromquellentransistors 409 ist mit einem Drainanschluss und einem Sourceanschluss des vierten Stromquellentransistors 410 der Differenzverstärkerschaltung 402, einem Gateanschluss des fünften Stromquellentransistors 411 der Differenzverstärkerschaltung 402 und einem Gateanschluss des sechsten Stromquellentransistors 412 der Differenzverstärkerschaltung 402 verbunden. Der Schaltungsknoten an dem Drainanschluss des dritten Stromquellentransistors 409 der Differenzverstärkerschaltung 402 kann auch als U_dynn bezeichnet werden. Der Schaltungsknoten an dem Gateanschluss des dritten Stromquellentransistors 409 der Differenzverstärkerschaltung 402 kann auch als U_dynp bezeichnet werden. Ein Gateanschluss und ein Drainanschluss des ersten Ausgangstransistors 304 der Differenzverstärkerschaltung 402 sind mit einem Gateanschluss des zweiten Ausgangstransistors 305 der Differenzverstärkerschaltung 402, einem Drainanschluss des fünften Stromquellentransistors 411 der Differenzverstärkerschaltung 402 und einem Drainanschluss des ersten Eingangstransistors 301 der Differenzverstärkerschaltung 402 verbunden. Ein Drainanschluss des zweiten Stromquellentransistors 408 der Differenzverstärkerschaltung 402 ist mit einem Sourceanschluss des ersten Eingangstransistors 301 der Differenzverstärkerschaltung 402 und einem Sourceanschluss des zweiten Eingangstransistors 302 der Differenzverstärkerschaltung 402 verbunden. Ein Gateanschluss des ersten Eingangstransistors 301 der Differenzverstärkerschaltung 402 ist mit dem ersten Differenzverstärkereingang 103 verbunden Ein Gateanschluss des zweiten Eingangstransistors 302 der Differenzverstärkerschaltung 402 ist mit dem zweiten Differenzverstärkereingang 304 verbunden. Ein Drainanschluss des zweiten Ausgangstransistors 305 der Differenzverstärkerschaltung 402 ist mit dem Differenzverstärkerausgang 106, einem Drainanschluss des zweiten Eingangstransistors 302 der Differenzverstärkerschaltung 402 und einem Drainanschluss des sechsten Stromquellentransistors 412 der Differenzverstärkerschaltung 402 verbunden.
Die Funktion der in 4 gezeigten Verstärkerschaltung 400 soll nun noch mal kurz erläutert werden.
Der Eingangsknoten I_in, also der dritte Verstärkereingang 406, entspricht dem der Schaltung in der bzw. der der Stromquelle 303 in 3. Die Stromquellentransistoren 307, 313 der Differenzverstärkerschaltung 302 wurden in der Differenzverstärkerschaltung 402 zu dem Stromquellentransistor 408 zusammengefasst. Die Stromquellentransistoren 310, 315 wurden zu dem Stromquellentransistor 411 zusammengefasst. Die Stromquellentransistoren 311, 316 wurden zu dem Stromquellentransistor 412 zusammengefasst. Die Knoten U_dynp und U_dynn enthalten also jetzt einen konstanten Spannungsanteil (bestimmt durch den konstanten ersten Arbeitspunktstromanteil I_fix), der immer anliegt, und der einen Ruhestrom (einen Ruhegesamtstrom durch die Eingangsdifferenzstufe 405) bestimmt und einen Spannungsanteil (bestimmt durch den variablen zweiten Arbeitspunktstromanteil I_var), der nur bei U₊ ungleich U_– (U₁ ungleich U₂) hinzukommt und der den dynamischen Strom hinzuaddiert. Wie auch bei der Differenzverstärkerschaltung 102 wird über den Weg des ersten Stromquellentransistors 210 der Stromeinstellungsschaltung 401, des dritten Stromquellentransistors 212 der Stromeinstellungsschaltung 401 und den vierten Stromquellentransistor 213 der Stromeinstellungsschaltung 401 eine statische Spannung an einem Knoten U_biasn definiert, die über den siebten Stromquellentransistor 413 der Differenzverstärkerschaltung 402, den ersten Stromquellentransistor 407 der Differenzverstärkerschaltung 402 und über den dritten Stromquellentransistor 409 der Differenzverstärkerschaltung 402 den Ruhestrom in den zweiten Stromquellentransistor 408 der Differenzverstärkerschaltung 402 einprägt. Derselbe Strom wird über den vierten Stromquellentransistor 410 der Differenzverstärkerschaltung 402 in den fünften Stromquellentransistor 411 und den sechsten Stromquellentransistor 412 der Differenzverstärkerschaltung 402 eingeprägt. Gibt es jetzt eine Spannungsdifferenz am Eingang, das heißt, U₊ ungleich U_– (U₁ ungleich U₂), wird wie bei der Stromeinstellungsschaltung 101 aus 2 entweder über den ersten Ausgangstransistor 207 oder über den zweiten Ausgangstransistor 208 der Stromeinstellungsschaltung 401 ein Zusatzstrom (der variable zweite Arbeitspunktstromanteil I_var.) in den siebten Stromquellentransistor 413 (in den Knoten I_dyn) der Differenzverstärkerschaltung 402 (bzw. addiert sich zu dem konstanten ersten Arbeitspunktstromanteil I_fix) eingespeist und durch die oben beschriebenen Stromspiegel dieser erhöhte Strom (I_arbeit = I_fix + I_var) in den zweiten Stromquellentransistor 408, den fünften Stromquellentransistor 411 und den sechsten Stromquellentransistor 412 der Differenzverstärkerschaltung 402 eingespeist bzw. eingespiegelt.
Ein Versorgungsspannung VDD der Verstärkerschaltung 400 (an ihrem Versorgungsspannungsanschluss 414) und auch der Verstärkerschaltung 100, 110 kann beispielsweise in einem Bereich von 1 V–10 V liegen. Konkrete Werte für eine Versorgungsspannung können beispielsweise 3,3 Volt oder 5 Volt sein.
Eine Eingangsspannung, beispielsweise an einem Differenzverstärkereingang von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, kann beispielsweise in einem Bereich von 0 V–10 V liegen. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann eine Eingangsspannung auch negative Werte annehmen. Wie im Vorherigen bereits beschrieben, kann eine Eingangsspanngsdifferenz bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung sowohl positive, als auch negative Werte annehmen.
Wie bereits im Vorherigen erwähnt, kann die Differenzverstärkerschaltung 402 eine Transkonduktanzverstärkerschaltung sein, das heißt, die Verstärkerschaltung 400 kann eine Operationsverstärkerschaltung sein, welche aus einer Transkonduktanzverstärkerschaltung und einer Zusatzschaltung (beispielsweise die Stromeinstellungsschaltung 401) besteht, die bei einer Eingangsspannungsdifferenz einen Zusatzstrom in der Transkonduktanzverstärkerschaltung generiert.
Obwohl im Vorherigen die Schaltungen jeweils MOSFET-Transistoren, also sowohl P-MOSFET als auch N-MOSFET aufwiesen, so kann gemäß weiteren Ausführungsbeispielen eine Verstärkerschaltung auch auf Basis einer anderen Technologie, beispielsweise auf Basis einer Bipolartechnologie aufgebaut werden. Ein Sourceanschluss kann daher im Allgemeinen auch als ein Quellenanschluss bezeichnet werden, ein Drainanschluss kann im Allgemeinen auch als ein Senkenanschluss bezeichnet werden und ein Gateanschluss kann im Allgemeinen auch als ein Steuer- oder Toranschluss bezeichnet werden. Beispielsweise kann ein P-MOS Transistor beispielsweise durch einen pnp-Transistor ersetzt werden und ein N-MOS Transistor beispielsweise durch einen npn-Transistor ersetzt werden. Natürlich kann auch eine komplementäre Schaltungsstruktur verwendet werden, so können beispielsweise alle Transistoren gespiegelt werden (das heißt aus jedem N-MOS Transistor oder N-FET wird einen P-MOS Transistor oder P-FET und umgekehrt).
Obwohl in den gezeigten Schaltungen Substratanschlüsse der P-MOS Transistoren jeweils mit Versorgungsspannungspotential verbunden sind, so kann es gemäß weiteren Ausführungsbeispielen sinnvoll sein, das Substrat bzw. den Wannenanschluss der P-MOS Transistoren mit den Sourceanschlüssen der P-MOS Transistoren zu verbinden, dies kann insbesondere bei den Eingangsdifferenztransistoren der Fall sein.
Obwohl in dem gezeigten Ausführungsbeispielen die Eingangstransistoren sowohl in der Stromeinstellungsschaltung, als auch in der Differenzverstärkerschaltung als P-Kanaltransistoren (genauer als P-Kanal-MOSFET) realisiert sind, so können gemäß weiteren Ausführungsbeispielen die Eingangstransistoren auch als N-Kanaltransistoren (genauer N-Kanal-MOSFET) realisiert sein.
Die in den Ausführungsbeispielen gezeigte Realisierung von Stromspiegeln kann gemäß weiteren Ausführungsbeispielen auch variiert werden, beispielsweise unter Nutzung einer Kaskodeschaltung oder eines Wilsonstromspiegels oder anderen. Insbesondere können Substrate der Transistoren bei weiteren Ausführungsbeispielen nicht mit Versorgungsspannungspotential VDD oder Masse VSS verbunden sein.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eine dynamische Transkonduktanzverstärkerschaltung schaffen können, bei welcher eine Stromaufnahme in einem Fall ist, in dem eine Eingangsdifferenz gleich Null ist, gesenkt gegenüber einem Fall, in dem eine Eingangsdifferenz ungleich Null ist. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung kennen, beispielsweise basierend auf der Eingangsspannungsdifferenz, einen Zusatzstrom in einer Differenzverstärkerschaltung eines solchen dynamischen Transkonduktanzverstärkers erzeugen.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen damit bei Verstärkerschaltungen, insbesondere in dem Fall, dass ein Ausgangsstrom an einem Ausgang der Verstärkerschaltung zur Verfügung gestellt werden muss, einen niedrigeren Gesamtstromverbrauch.
Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ein Verfahren zur Verstärkung einer Differenz zwischen einem ersten Potential und einem zweiten Potential, unter Verwendung einer Eingangsdifferenzstufe, an deren Eingängen das erste Potential und das zweite Potential anliegen. Das Verfahren umfasst ein Einstellen eines Gesamtstromes durch eine Eingangsdifferenzstufe, so dass der Gesamtstrom in einem ersten Zustand, bei Vorliegen eines Unterschieds zwischen dem ersten und dem zweiten Potential gegenüber einem zweiten Zustand, in dem das erste Potential und das zweite Potential gleich sind, erhöht ist.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.

Claims

Verstärkerschaltung (100, 110, 400) mit folgenden Merkmalen: einer Stromeinstellungsschaltung (101, 401); und einer Differenzverstärkerschaltung (102, 402) mit einem ersten Differenzverstärkereingang (103) und einem zweiten Differenzverstärkereingang (104); wobei die Stromeinstellungsschaltung (101, 401) ausgebildet ist, um basierend auf einer Differenz zwischen einem ersten Potential (U₁, U₊) an dem ersten Differenzverstärkereingang (103) und einem zweiten Potential (U₂, U_–) an dem zweiten Differenzverstärkereingang (104) einen Gesamtstrom (I_gesamt) durch eine Eingangsdifferenzstufe (105, 405) der Differenzverstärkerschaltung (102, 402) einzustellen, so dass der Gesamtstrom (I_gesamt) in einem ersten Zustand, bei Vorliegen eines Unterschieds zwischen dem ersten Potential (U₁, U₊) und dem zweiten Potential (U₂, U_–) im Vergleich zu einem zweiten Zustand, in dem das erste Potential (U₁, U₊) und das zweite Potential (U₂, U_–) gleich sind, erhöht ist; wobei die Eingangsdifferenzstufe (105, 405) der Differenzverstärkerschaltung (102, 402) einen ersten Eingangstransistor (301) und einen zweiten Eingangstransistor (302) aufweist; wobei ein Steueranschluss des ersten Eingangstransistors (301) mit dem ersten Differenzverstärkereingang (103) verbunden ist; wobei ein Steueranschluss des zweiten Eingangstransistors (302) mit dem zweiten Differenzverstärkereingang (104) verbunden ist; wobei die beiden Eingangstransistoren (301, 302) so ausgebildet sind, dass in dem zweiten Zustand, in dem das erste Potential (U₁, U₊) gleich dem zweiten Potential (U₂, U_–) ist, ein Strom (I_last1) entlang einer Laststrecke des ersten Eingangstransistors (301) gleich einem Strom (I_last2) entlang einer Laststrecke des zweiten Eingangstransistors (302) ist; wobei die Eingangsdifferenzstufe (105, 405) ferner eine erste variable Stromquelle (313, 312, 408, 407) aufweist, welche ausgebildet ist, um einen ersten variablen Strom (I₁₆, I₂₁) einzuprägen, der sich auf die Laststrecken der beiden Eingangstransistoren (301, 302) in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen dem ersten Potential (U₁, U₊) und dem zweiten Potential (U₂, U_–) aufteilt, so dass der erste variable Strom (I₁₆, I₂₁), der sich auf die Laststrecken der beiden Eingangstransistoren (301, 302) aufteilt, in dem ersten Zustand, in dem das erste Potential (U₁, U₊) verschieden zu dem zweiten Potential (U₂, U_–) ist, erhöht gegenüber dem zweiten Zustand, in dem das erste Potential (U₁, U₊) gleich dem zweiten Potential (U₂, U_–) ist; wobei die Eingangsdifferenzstufe (105, 405) eine zweite variable Stromquelle (314, 315, 409, 410, 411) und eine dritte variable Stromquelle (314, 316, 409, 410, 412) aufweist, wobei die zweite variable Stromquelle (314, 315, 409, 410, 411) mit der Laststrecke des ersten Eingangstransistors (301) verbunden ist und die dritte variable Stromquelle (314, 316, 409, 410, 412) mit der Laststrecke des zweiten Eingangstransistors (302) verbunden ist; wobei die zweite variable Stromquelle (314, 315, 409, 410, 411) und die dritte variable Stromquelle (314, 316, 409, 410, 412) so verschaltet sind, dass ein von der zweiten variablen Stromquelle (314, 315, 409, 410, 411) eingeprägter zweiter variabler Strom (I₁₇, I₂₂) proportional oder gleich einem von der dritten variablen Stromquelle (314, 316, 409, 410, 412) eingeprägten dritten variablen Strom (I₁₈, I₂₃) ist; und wobei die zweite variable Stromquelle (314, 315, 409, 410, 411) und die dritte variable Stromquelle (314, 316, 409, 410, 412) so ausgebildet sind, dass der zweite variable Strom (I₁₇, I₂₂) und der dritte variable Strom (I₁₈, I₂₃) in dem ersten Zustand, in dem das erste Potential (U₁, U₊) verschieden von dem zweiten Potential (U₂, U_–) ist, gegenüber dem zweiten Zustand, in dem das erste Potential (U₁, U₊) gleich dem zweiten Potential (U₂, U_–) ist, erhöht sind.
Verstärkerschaltung (100, 110, 400) gemäß Anspruch 1, bei dem die Differenzverstärkerschaltung (102, 402) eine Transkonduktanzverstärkerschaltung (102, 402) ist, welche ausgebildet ist, um abhängig von einer Differenz zwischen dem ersten Potential (U₁, U₊) und dem zweiten Potential (U₂, U_–) einen Ausgangsstrom (I_aus) an einem Differenzverstärkerausgang (106) der Transkonduktanzverstärkerschaltung (102, 402) einzuprägen.
Verstärkerschaltung (100, 110, 400) gemäß Anspruch 2, bei der die Transkonduktanzverstärkerschaltung (102, 402) so ausgebildet ist, dass in dem ersten Zustand, in dem ein Unterschied zwischen dem ersten Potential (U₁, U₊) und dem zweiten Potential (U₂, U_–) vorliegt, der an dem Differenzverstärkerausgang (106) eingeprägte Ausgangsstrom (I_aus) erhöht gegenüber dem zweiten Zustand ist, in dem das erste Potential (U₁, U₊) gleich dem zweiten Potential (U₂, U_–) ist.
Verstärkerschaltung (100, 110, 400) gemäß Anspruch 3, bei der die Transkonduktanzverstärkerschaltung (102, 402) so ausgebildet ist, dass eine Erhöhung des Gesamtstroms (I_gesamt) durch die Eingangsdifferenzstufe (105, 405) in dem ersten Zustand, in dem das erste Potential (U₁, U₊) verschieden von dem zweiten Potential (U₂, U_–) ist, in Bezug auf den zweiten Zustand, in dem das erste Potential (I₁, U₊) gleich dem zweiten Potential (U₂, U_–) ist, proportional zu einer Erhöhung des Ausgangsstroms (I_aus) ist.
Verstärkerschaltung (100, 110, 400) gemäß einem der Ansprüche 3 oder 4, bei der die Transkonduktanzverstärkerschaltung (102, 402) so ausgebildet ist, dass ein Betrag des an dem Differenzverstärkerausgang (106) eingeprägten Ausgangsstroms (I_aus) in dem zweiten Zustand, in dem das erste Potential (U₁, U₊) gleich dem zweiten Potential (U₂, U_–) ist, gleich Null ist.
Verstärkerschaltung (100, 110, 400) gemäß Anspruch 5, bei der die Transkonduktanzverstärkerschaltung (102, 402) so ausgebildet ist, dass in einem Zustand, in welchem das erste Potential (U₁, U₊) größer als das zweite Potential (U₂, U_–) ist, der an dem Differenzverstärkerausgang (106) eingeprägte Ausgangsstrom (I_aus) positiv ist, und in einem Zustand, in welchem das zweite Potential (U₂, U_–) größer als das erste Potential (U₁, U₊) ist, der an dem Differenzverstärkerausgang (106) eingeprägte Ausgangsstrom (I_aus) negativ ist und wobei der Ausgangsstrom (I_aus) einen Vorzeichenwechsel in dem zweiten Zustand hat, in dem das erste Potential (U₁, U₊) gleich dem zweiten Potential (U₂, U_–) ist.
Verstärkerschaltung (400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Differenzverstärkerschaltung (102, 402) eine Arbeitspunktstromeinstellungsschaltung (303, 306, 307, 308, 309, 310, 311, 210, 212, 213, 413) aufweist, welche ausgebildet ist, um einen von einer Differenz zwischen dem ersten Potential (U₁, U₊) und dem zweiten Potential (U₂, U_–) unabhängigen konstanten ersten Arbeitspunktstromanteil (I_fix, I₁₁, I₁₂, I₁₃) einzustellen, wobei der Gesamtstrom (I_gasamt) durch die Differenzeingangsstufe (105, 405) in dem zweiten Zustand, in dem das erste Potential (U₁, U₊) gleich dem zweiten Potential (U₂, U_–) ist, durch den konstanten ersten Arbeitspunktstromanteil (I_fix, I₁₁, I₁₂, I₁₃) bestimmt wird.
Verstärkerschaltung (400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Eingangsdifferenzstufe (105, 405) so ausgebildet ist, dass der von der zweiten variablen Stromquelle (314, 315, 409, 410, 411) eingeprägte zweite variable Strom (I₁₇, I₂₂) und der von der dritten variablen Stromquelle (314, 316, 409, 410, 412) eingeprägte dritte variable Strom (I₁₈, I₂₃) in dem zweiten Zustand, in dem das erste Potential (I₁, U₊) gleich dem zweiten Potential (U₂, U_–) ist, gleich oder größer dem von der ersten variablen Stromquelle (313, 312, 408, 407) eingeprägten ersten variablen Strom (I₁₆, I₂₁) sind.
Verstärkerschaltung (400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Differenzverstärkerschaltung (402) eine erste Stromspiegelanordnung (407, 409, 410, 408, 411, 412) aufweist, welche ausgebildet ist, um basierend auf einer Summation eines durch die Stromeinstellungsschaltung (401) eingestellten variablen zweiten Arbeitspunktstromanteils (I_var) und eines eingeprägten konstanten ersten Arbeitspunktstromanteils (I_fix) zu einem Gesamtstrom (I_arbeit), der sich aus der Summation ergibt, proportionale Ströme (I₂₁, I₂₂, I₂₃) in der ersten variablen Stromquelle (407, 408), in der zweiten variablen Stromquelle (409, 410, 411) und in der dritten variablen Stromquelle (409, 410, 412) der Eingangsdifferenzstufe (405) einzustellen.
Verstärkerschaltung (400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der die Differenzverstärkerschaltung (402) eine Ausgangsstromspiegelanordnung (304, 305) aufweist, wobei die Ausgangsstromspiegelanordnung (304, 305) ausgebildet ist, um einen Ausgangsstrom (I_aus) der Differenzverstärkerschaltung (402) so einzustellen, dass eine Summe aus einem durch die Laststrecke des zweiten Eingangstransistors (302) fließenden Strom (I_last2), aus einem durch die Ausgangsstromspiegelanordnung (304, 305) eingeprägten Strom (I₂₅) und aus dem Ausgangsstrom (I_aus) gleich dem von der dritten variablen Stromquelle (409, 410, 412) eingestellten dritten variablen Strom (I₂₃) ist, wobei der durch die Ausgangsstromspiegelanordnung (304, 305) eingeprägte Strom (I₂₅) proportional oder gleich einer Differenz zwischen einem durch die Laststrecke des ersten Eingangstransistors (301) fließenden Strom (I_last1) und dem durch die zweite variable Stromquelle (409, 410, 411) eingestellten zweiten variablen Strom (I₂₂) ist.
Verstärkerschaltung (100, 110, 400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der die Stromeinstellungsschaltung (101, 401) ausgebildet ist, um basierend auf einer Differenz zwischen dem ersten Potential (U₁, U₊) und dem zweiten Potential (U₂, U_–) einen variablen Arbeitspunktstromanteil (I_var, I_dyn) in die Differenzverstärkerschaltung (102, 402) einzuprägen.
Verstärkerschaltung (100, 110, 400) gemäß Anspruch 11, bei der die Stromeinstellungsschaltung (101, 401) so ausgebildet ist, dass in dem zweiten Zustand, in dem das erste Potential (U₁, U₊) gleich dem zweiten Potential (U₂, U_–) ist, der in die Differenzverstärkerschaltung (402) eingeprägte variable Arbeitspunktstromanteil (I_var, I_dyn) gleich Null ist.
Versstärkerschaltung (100, 110, 400) gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12, bei der die Stromeinstellungsschaltung (101, 401) ausgebildet ist, um eine Größe des eingeprägten variablen Arbeitspunktstromanteils (I_var, I_dyn), abhängig von einem Betrag der Differenz zwischen dem ersten Potential (U₁, U₊) und dem zweiten Potential (U₂, U_–) einzustellen, wobei ein Vorzeichen der Differenz keinen Einfluss auf die Größe des eingeprägten variablen Arbeitspunktstromanteils (I_var, I_dyn) hat.
Verstärkerschaltung (100, 110, 400) gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12, bei der die Stromeinstellungsschaltung (101, 401) ausgebildet ist, um eine Größe des eingeprägten variablen Arbeitspunktstromanteils (I_var, I_dyn) abhängig von einem Betrag der Differenz zwischen dem ersten Potential (U₁, U₊) und dem zweiten Potential (U₂, U_–) und abhängig von einem Vorzeichen der Differenz einzustellen, so dass die Größe des eingeprägten variablen Arbeitspunktstromanteils (I_var, I_dyn) in einem ersten Fall, in dem die Differenz zwischen dem ersten Potential (U₁, U₊) und dem zweiten Potential (U₂, U_–) größer null ist, verschieden zu einem zweiten Fall, in dem die Differenz zwischen dem ersten Potential (U₁, U₊) und dem zweiten Potential (U₂, U_–) kleiner null ist, ist, wobei ein Betrag der Differenz in dem ersten Fall gleich einem Betrag der Differenz in dem zweiten Fall ist.
Verstärkerschaltung (100, 110, 400) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, bei der die Stromeinstellungsschaltung (101, 401) einen ersten Ausgangstransistor (207) und einen zweiten Ausgangstransistor (208) aufweist, wobei die beiden Ausgangstransistoren (207, 208) der Stromeinstellungsschaltung (101, 401) so verschaltet sind, dass bei einer positiven Differenz zwischen dem ersten Potential (U₁, U₊) und dem zweiten Potential (U₂, U_–) der variable Arbeitspunktstromanteil (I_var, I_dyn) ein Laststreckenstrom des ersten Ausgangstransistors (207) der Stromeinstellungsschaltung (101, 401) ist und bei einer negativen Differenz zwischen dem ersten Potential (U₁, U₊) und dem zweiten Potential (U₂, U_–) der variable Arbeitspunktstromanteil (I_var, I_dyn) ein Laststreckenstrom des zweiten Ausgangstransistors (208) der Stromeinstellungsschaltung (101, 401) ist.
Verstärkerschaltung (100, 110, 400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, bei der ein erster Eingangstransistor (301) und ein zweiter Eingangstransistor (302) der Differenzverstärkerschaltung (102, 402) P-MOS-Transistoren oder N-MOS-Transistoren sind.
Verstärkerschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, welche mindestens einen Stromspiegel aufweist, welcher als eine Kaskodenschaltung oder als ein Wilsonstromspiegel gebildet ist.
Verstärkerschaltung (100, 110, 400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, welche ausgebildet ist, um basierend auf einer Differenz zwischen dem ersten Potential (U₁, U₊) und dem zweiten Potential (U₂, U_–) einen zu der Differenz proportionalen Ausgangsstrom (I_aus) bereitzustellen, wobei in einem Fall, in dem das erste Potential (U₁, U₊) größer als das zweite Potential (U₂, U_–) ist, der bereitgestellte Ausgangsstrom (I_als) negativ ist und in einem Fall, in dem das zweite Potential (U₂, U_–) größer als das erste Potential (U₁, U₊) ist, der bereitgestellte Ausgangsstrom (I_aus) positiv ist.
Verstärkerschaltung (100, 110, 400) mit folgenden Merkmalen: einer Stromeinstellungsschaltung (101, 401); und einer Differenzverstärkerschaltung (102, 402) mit einem ersten Differenzverstärkereingang (103) und einem zweiten Differenzverstärkereingang (104); wobei die Stromeinstellungsschaltung (101, 401) ausgebildet ist, um basierend auf einer Differenz zwischen einem ersten Potential (U₁, U₊) an dem ersten Differenzverstärkereingang (103) und einem zweiten Potential (U₂, U_–) an dem zweiten Differenzverstärkereingang (104) einen Gesamtstrom (I_gesamt) durch eine Eingangsdifferenzstufe (105, 405) der Differenzverstärkerschaltung (102, 402) einzustellen, so dass der Gesamtstrom (I_gesamt) in einem ersten Zustand, bei Vorliegen eines Unterschieds zwischen dem ersten Potential (U₁, U₊) und dem zweiten Potential (U₂, U_–) im Vergleich zu einem zweiten Zustand, in dem das erste Potential (U₁, U₊) und das zweite Potential (U₂, U_–) gleich sind, erhöht ist; wobei die Stromeinstellungsschaltung (101, 401) ausgebildet ist, um basierend auf einer Differenz zwischen dem ersten Potential (U₁, U₊) und dem zweiten Potential (U₂, U_–) einen variablen Arbeitspunktstromanteil (I_var, I_dyn) in die Differenzverstärkerschaltung (102, 402) einzuprägen; und wobei die Stromeinstellungsschaltung (101, 401) einen ersten Ausgangstransistor (207) und einen zweiten Ausgangstransistor (208) aufweist, wobei die beiden Ausgangstransistoren (207, 208) der Stromeinstellungsschaltung (101, 401) so verschaltet sind, dass bei einer positiven Differenz zwischen dem ersten Potential (U₁, U₊) und dem zweiten Potential (U₂, U_–) der variable Arbeitspunktstromanteil (I_var, I_dyn) ein Laststreckenstrom des ersten Ausgangstransistors (207) der Stromeinstellungsschaltung (101, 401) ist und bei einer negativen Differenz zwischen dem ersten Potential (U₁, U₊) und dem zweiten Potential (U₂, U_–) der variable Arbeitspunktstromanteil (I_var, I_dyn) ein Laststreckenstrom des zweiten Ausgangstransistors (208) der Stromeinstellungsschaltung (101, 401) ist.
Verfahren zur Verstärkung einer Differenz zwischen einem ersten Potential und einem zweiten Potential, unter Verwendung einer Eingangsdifferenzstufe, an deren Eingängen das erste Potential und das zweite Potential anliegen, wobei das Verfahren ein Einstellen eines Gesamtstromes durch eine Eingangsdifferenzstufe, so dass der Gesamtstrom in einem ersten Zustand, bei Vorliegen eines Unterschieds zwischen dem ersten und dem zweiten Potential gegenüber einem zweiten Zustand, in dem das erste Potential und das zweite Potential gleich sind, erhöht ist, umfasst; wobei in dem zweiten Zustand, in dem das erste Potential gleich dem zweiten Potential ist, ein Strom entlang einer Laststrecke eines ersten Eingangstransistors der Eingangsdifferenzstufe gleich einem Strom entlang einer Laststrecke eines zweiten Eingangstransistors der Eingangsdifferenzstufe ist; wobei ferner ein erster variabler Strom eingeprägt wird, der sich auf die Laststrecken der beiden Eingangstransistoren in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen dem ersten Potential und dem zweiten Potential aufteilt, so dass der erste variable Strom, der sich auf die Laststrecken der beiden Eingangstransistoren aufteilt, in dem ersten Zustand, in dem das erste Potential verschieden zu dem zweiten Potential ist, erhöht gegenüber dem zweiten Zustand, in dem das erste Potential gleich dem zweiten Potential ist, ist; wobei eine variable Stromquelle mit der Laststrecke des ersten Eingangstransistors verbunden ist und eine weitere variable Stromquelle mit der Laststrecke des zweiten Eingangstransistors verbunden ist; wobei ein von der variablen Stromquelle eingeprägter zweiter variabler Strom proportional oder gleich einem von der weiteren variablen Stromquelle eingeprägten dritten variablen Strom ist; und wobei der zweite variable Strom und der dritte variable Strom in dem ersten Zustand, in dem das erste Potential verschieden von dem zweiten Potential ist, gegenüber dem zweiten Zustand, in dem das erste Potential gleich dem zweiten Potential ist, erhöht sind.