DE102012005488B4 - Composite op-amp with parallel or serial architecture with active cancellation of nonlinearities - Google Patents
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Abstract
Komposit-Operationsverstärker mit paralleler oder serieller Architektur mit drei Externanschlüssen: ein nicht-invertierender Eingang (+IN), ein invertierender Eingang (–IN) und ein Ausgang (Uo), insbesondere zum Betreiben wie ein rückgekoppelter Standard-Operationsverstärker mit einer Gegenkopplung über ein passives RC-Netzwerk βF, realisiert mit zwei schaltungsidentischen, spannungsgesteuerten Differenzverstärkern, wobei diese auf einem monolithischen Substrat eng benachbart angeordnet und dadurch im Aufbau nahezu identisch sind, nämlich einem Main-Differenzverstärker (M) und einem Aux-Differenzverstärker (A), jeder mit einem invertierenden Eingang (Minus-Eingang bezeichnet), einem nicht-invertierenden Eingang (Plus-Eingang bezeichnet) und mit einem unsymmetrischen Ausgang, und mit zwei gleichartigen Transistoren (NPN-Bipolartransistor, Darlington-Schaltung oder JFET-N-Transistor) in Kollektorschaltung, einem ersten Ausgangstransistor (T31) und einem zweiten Ausgangstransistor (T32), deren Emitter mit den stromgegenkoppelnden Widerständen (RE1 und RE2) im Emitterzweig über eine gemeinsame Konstantstromquelle (CS3) mit einem Anschluß für ein negatives Versorgungspotential (–VEE) verbunden sind, derart beschaltet, dass zwei Vorwärtssignalpfade ausgebildet sind: ein Main-Vorwärtssignalpfad, vom Signaleingang bis zum Signalausgang folgend: der Plus-Eingang des Main-Differenzverstärkers (M), der Basisanschluß und der Emitteranschluß des zweiten Ausgangstransistors (T32) und ein Aux-Vorwärtssignalpfad, vom Signaleingang bis zum Signalausgang folgend: der Plus-Eingang des Aux-Differenzverstärkers (A), der Basisanschluß und der Emitteranschluß des ersten Ausgangstransistors (T31), und dessen Architektur dadurch gekennzeichnet ist, a) dass der Signalausgang des Main-Vorwärtssignalpfades als der Ausgang Uo des Komposit-Operationsverstärkers dient, und b) dass der Main- und der Aux-Vorwärtssignalpfad entweder parallel geschaltet sind: indem der Signaleingang des Main-Vorwärtssignalpfades als der nicht-invertierende Eingang (+IN) des Komposit-Operationsverstärkers dient, der Signaleingang des Aux-Vorwärtssignalpfades als der invertierende Eingang (–IN) des Komposit-Operationsverstärkers dient und die beiden Minus-Eingänge von den Differenzverstärkern (A und M) am Signalausgang des Aux-Vorwärtssignalpfades angeschlossen sind, oder dass der Main- und der Aux-Vorwärtssignalpfade seriell geschaltet sind: indem der Signaleingang des Aux-Vorwärtssignalpfades als der nicht-invertierende Eingang (+IN) des Komposit-Operationsverstärkers dient, die beiden Minus-Eingänge von den Differenzverstärkern (A und M) miteinander verbunden sind und einen elektrischen Anschluß bilden, der als der invertierende Eingang (–IN) des Komposit-Operationsverstärkers dient, und der Eingang des Main-Vorwärtssignalpfades mit dem Ausgang des Aux-Vorwärtssignalpfades verbunden ist.Composite operational amplifier with parallel or serial architecture with three external connections: a non-inverting input (+ IN), an inverting input (-IN) and an output (Uo), especially for operation like a feedback standard operational amplifier with negative feedback via a passive RC network βF, implemented with two circuit-identical, voltage-controlled differential amplifiers, these being arranged closely on a monolithic substrate and thus almost identical in structure, namely a main differential amplifier (M) and an auxiliary differential amplifier (A), each with an inverting input (denoted minus input), a non-inverting input (denoted plus input) and with an asymmetrical output, and with two similar transistors (NPN bipolar transistor, Darlington circuit or JFET-N transistor) in a collector circuit, a first output transistor (T31) and a second output transistor (T32), whose emitters are connected to the current negative resistors (RE1 and RE2) in the emitter branch via a common constant current source (CS3) with a terminal for a negative supply potential (-VEE), wired in such a way that two forward signal paths are formed: a main forward signal path, from the signal input Following up to the signal output: the plus input of the main differential amplifier (M), the base connection and the emitter connection of the second output transistor (T32) and an auxiliary forward signal path, following from the signal input to the signal output: the plus input of the auxiliary differential amplifier ( A), the base terminal and the emitter terminal of the first output transistor (T31), and the architecture of which is characterized in that a) the signal output of the main forward signal path serves as the output Uo of the composite operational amplifier, and b) that the main and the Aux forward signal path are either connected in parallel: by the signal input of the main forward signal path serves as the non-inverting input (+ IN) of the composite operational amplifier, the signal input of the aux forward signal path serves as the inverting input (-IN) of the composite operational amplifier and the two minus inputs from the differential amplifiers (A and M) connected to the signal output of the aux forward signal path, or that the main and the aux forward signal paths are connected in series: in that the signal input of the aux forward signal path serves as the non-inverting input (+ IN) of the composite operational amplifier, the two minus- Inputs from the differential amplifiers (A and M) are connected together and form an electrical connection which serves as the inverting input (-IN) of the composite operational amplifier and the input of the main forward signal path is connected to the output of the auxiliary forward signal path.
Description
Einleitung: Die Erfindung betrifft einen für den Einsatz in der Audiotechnik bevorzugten VF-(voltage feedback)-Komposit-Operationsverstärker mit paralleler oder serieller Architektur mit aktiver Aufhebung von Nichtlinearitäten. Die beiden Architekturen sind mit identischen Bauelementen ausgestaltet, intern jedoch unterschiedlich beschaltet. Der Komposit-Operationsverstärker setzt sich aus zwei schaltungsidentischen, spannungsgesteuerten Differenzverstärkern und aus einem Feedforward-Spannungsfolger mit zwei emittergekoppelten Transistoren in Kollektorschaltung zusammen. Die parallele und serielle Architektur besitzen verschiedene Schleifenverstärkung, sodass der Einfluss vom Parameter „Schleifenverstärkung” auf nichtlineare Verzerrungen mit einer Vergleichsmessung genauer untersucht werden kann.Introduction: The invention relates to a VF (voltage feedback) composite operational amplifier with parallel or serial architecture with active cancellation of non-linearities which is preferred for use in audio technology. The two architectures are designed with identical components, but internally wired differently. The composite operational amplifier is composed of two circuit-identical, voltage-controlled differential amplifiers and of a feedforward voltage follower with two emitter-coupled transistors in the collector circuit. The parallel and serial architectures have different loop gain, so the influence of the loop gain parameter on non-linear distortion can be more accurately examined with a comparative measurement.
In der Audiotechnik kommen heute diverse monolitische integrierte Schaltungen zum Einsatz, welche als „Audio-Operationsverstärker” bezeichnet werden. Der hier in Betracht gezogene Audio-Operationsverstärker ist für typische Anwendungen gedacht, d. h. wenn der gewünschte Verstärkungsfaktor mit der negativen Gegenkoppelung auf einen Wert zwischen 1 und 10 eingestellt wird (Aktivfilter, Spannungsfolger, Verstärkerstufe usw.). Besondere Sorgfalt bezüglich der Stabilität muss auf den Schaltungsentwurf bei einem Verstärkungsfaktor gleich eins verwendet werden.In audio technology today various monolithic integrated circuits are used, which are referred to as "audio op-amp". The audio op-amp considered here is intended for typical applications, i. H. when the desired amplification factor with the negative feedback is set to a value between 1 and 10 (active filter, voltage follower, amplifier stage, etc.). Particular care for stability must be applied to the circuit design with a unity gain.
Stand der Technik: Wie aus der Feedback-Theorie bekannt, wirkt eine zu große Leerlaufverstärkung (etwa 120 dB) bei herkömmlichen monolithischen Operationsverstärkern derer Stabilität entgegen, wobei nichtlineare Verzerrungen durch eine starke Gegenkopplung nicht vollständig neutralisiert sondern teilweise stark unterdrückt werden. Abgesehen vom Stabilitätsproblem besitzen Standard-OV, sowohl monolithische als auch diskret aufgebaute Schaltungen, keine Mechanismen zur Reduzierung von Nichtlinearitäten am Ort ihrer Entstehung. Eine der wenigen Ausnahmen ist der FET-OV Typ OPA2604 von Texas Instruments oder der BJT-OV Typ AD797 von Analog Devices, siehe [1]: AES Preprint 3231, Wurcer Scott, „An Operational Amplifier Architecture with a Single Gain Stage and Distortion Cancellation” sowie die Patentschrift [2]:
Nichtlinearität am Eingang verursacht ein nichtlineares Verhalten von Kapazitäten und Widerständen am Eingang und die Übertragungskennlinie des Differenzverstärkers, siehe [3]: William H. Gross, „Source Resistance Induced Distortion in Op Amps”, Design Note 84. Tests für „output linearity” zeigen, dass bei großem Pegel Verzerrunen in Abhängigkeit vom Ausgangsstrom mit Oberschwingungen gerader und ungerader (dominant) 2–3 mal grösser sind im Vergleich zum Verzerrungsanteil aufgrund von der Eingang-Nichlinearität, siehe den Bericht von Samuel Groner, „Operational Amplifier Distortion”, October 19, 2009, mit den Verzerrungsmessungen an diversen OVn. Induzierte Nichtlinearität infolge der Basis-Emitter-Spannungsmodulation mit dem Ausgangsstrom lässt sich folgendermaßen reduzieren: Der Strom jedes Verstärkerelements in Klasse A soll im Wechselstrombetrieb möglichst wenig abweichen von seinem Wert im statischen Arbeitspunkt (Ruhepunkt). Diese Technik „der Aufhebung von Wechselstromanteilen” ist beispielsweise aus der Zusammenfassung von [6]:
Eine Kreuzanordnung mit zwei MOS-Transistoren ist aus der Patentschrift [7]:
In der Patentschrift [10]:
Der Erfindung liegt die Hauptaufgabe zur Grunde, optimale Schaltungsanordnung des eingangs genannten Audio-Operationsverstärkers zu definieren, wobei induzierte Nichtlinearitäten aktiv reduziert werden, ohne große Schleifenverstärkung anwenden zu müssen. Ein rückgekoppelter VF-Operationsverstärker mit optimaler Architektur für Audioanwendungen soll möglichst exakt folgende Eigenschaften besitzen, aufgelistet nach ihrer Wichtigkeit: 1. geringe nichtlineare Verzerrungen im Wechselstrombetrieb, 2. eine Open-Loop-Übertragungsfunktion in Form einer 1-Pol-Funktion (dominanter RC-Pol) für bedingungslose Stabilität, 3. hohe Gleichtakt-(CMRR) sowie Versorgungsspannungsunterdrückung (PSRR) und 4. geringe Offsetspannung und einfache Realisierung.The main object of the invention is to define an optimal circuit arrangement of the aforementioned audio operational amplifier, wherein induced non-linearities are actively reduced without having to apply large loop amplification. A feedback VF operational amplifier with optimal architecture for Audio applications should have as closely as possible the following properties, listed according to their importance: 1. low-level nonlinear distortion in AC mode, 2. an open-loop transfer function in the form of a 1-pole (dominant RC pole) function for unconditional stability, 3. high Common mode (CMRR) and supply voltage rejection (PSRR); and 4. low offset voltage and ease of implementation.
Die Aufgabe ist mit einem Komposit-Design und mit einer Feedforward-Architektur der Ausgangstufe gelöst: Bei den Komposit-Verstärkern werden generell mindestens zwei konventionelle Operationsverstärker so beschaltet, dass gesamte Performance besser werden, als wenn jeder einzelne Operationsverstärker die Funktion allein hätte übernehmen müssen. Also frequenzgangkompensierte Standard-OV wie Typ LM833 (dual) oder LM837 (quad) von National Semiconductor oder Typ NE5534 (mit externer Frequenzgangkompensation für Verstärkung gleich eins) von Texas Instruments können beispielsweise eingesetzt werden. Die Erfindung sieht jedoch den Einsatz von nicht-frequenzgangkompensierten Differenzverstärkern mit einer 1-Po1-Übertragungsfunktion wie bei OTA vor, auch wenn eine verringerte Schleifenverstärkung in Kauf genommen werden muss. So können effizient dynamische Verzerrungen (TIM- und SID-Typ) in Entstehung unterbunden werden. Erfindungsgemäße Schaltungsanordnung verbindet den Vorteil der Feedforward-Architektur, nämlich die Gestaltungsfreiheit beim Schaltungsentwurf einer symmetrischen Struktur (für hohen CMRR- und PSRR-Faktor), mit dem Vorteil der Feedback-Architektur, nämlich einfache Einstellung des Verstärkungsfaktors.The task is solved with a composite design and with a feedforward architecture of the output stage: In composite amplifiers, at least two conventional operational amplifiers are generally connected in such a way that overall performance is better than if each individual operational amplifier had to perform the function alone. For example, frequency-response-compensated standard OVs such as LM833 (dual) or LM837 (quad) from National Semiconductor or type NE5534 (with external equalizer gain compensation for one) from Texas Instruments can be used. However, the invention provides for the use of non-frequency response compensated differential amplifiers with a 1-Po1 transfer function as in OTA, even if a reduced loop gain must be accepted. Thus, dynamic distortions (TIM and SID type) can be effectively prevented from occurring. Circuitry according to the invention combines the advantage of the feedforward architecture, namely the design freedom in the circuit design of a symmetrical structure (for high CMRR and PSRR factor), with the advantage of the feedback architecture, namely simple adjustment of the amplification factor.
Die erfindungsgemäße Lösung der Hauptaufgabe ist durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gegeben: Die Unteransprüche 2 bis 4 enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.The solution according to the invention of the main object is given by the characterizing features of patent claim 1: The
Beschreibung der Erfindung: Die Zeichnung
Grundgedanke der Erfindung zur Aufhebung von Nichtlinearitäten am Eingang besteht darin, die beiden Eingänge von zwei nahezu identischen Differenzverstärkern immer in Reihe miteinander zu beschalten, jedoch in Bezug auf Polarität entgegengesetzt, damit die Spannungen zwischen den beiden Eingängen in Summe voneinander abgezogen werden können. Zwei mögliche Architekturen mit dem Designmerkmal sind gefunden, abhängig davon, wie jeweilige Vorwärtssignalpfade von den beiden Differenzverstärkern intern beschaltet sind: parallel,
Im Gegenzug weist serielle Architektur eine größere Schleifenverstärkung auf und bietet dadurch ein deutlich besseres Potenzial für Fehlerkorrektion durch eine Gegenkopplung. Aus diesem Grund kann generell hier die Frage nicht beantwortet werden, welche der beiden Architekturen geringere Verzerrungen verursacht. Außerdem hat serielle Architektur bei gleicher Schleifenverstärkung den Vorteil, nämlich bessere Stabilität für die Verstärkung gleich eins im Vergleich mit dem Fall, wenn die beiden Differenzverstärker konventionell in Reihe und mit einer Über-alles-Gegenkopplung betrieben werden. Siehe [5]: JAES Vol. 39, No. 3, 1991 March, J. Scott and G. Spears, ”On the Advantages of Nested Feedback Loops, und vergleiche dort
Grundgedanke der Erfindung zur Aufhebung von Nichtlinearitäten am Ausgang beruht auf dem Prinzip der Aufhebung von Wechselstromanteilen. Im Wechselstrombetrieb und bei einer Verstärkung > 1 sind die Widerstände RE1 und RE2 immer mit identischen Stromamplituden in Gegenphase durchflossen. Zusätzliche Transistor-Kreuzanordnung mit den Transistoren T41 und T42 bewirkt folgende Vorteile: Zum ersten kann einen größeren Spannungshub am Ausgang bei gleichem Strom der Konstantstromquelle CS3 und bei gleicher Last erzeugt werden, da die Transistoren T4x sich als nichtlineare Widerstände verhalten. Folglich kann mit kleinem Strom der Konstantstromquelle CS3 die Leistungsaufnahme verringert werden. Zum zweiten ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Basis-Widerstandswerte (RB1 und RB2) bei einer nominaler Last (standardweise 600 Ohm) und einer Verstärkung > 1 so einzustellen, dass der Emitterstrom vom Ausgangstransistor T32 im Wechselstrombetrieb nahezu konstant bleibt.The basic idea of the invention for eliminating nonlinearities at the output is based on the principle of cancellation of alternating current components. In AC operation and with a gain> 1, the resistors RE1 and RE2 are always traversed with identical current amplitudes in the opposite phase. Additional transistor cross-arrangement with the transistors T41 and T42 has the following advantages: Firstly, a larger voltage swing can be generated at the output at the same current of the constant current source CS3 and at the same load, since the transistors T4x behave as non-linear resistors. Consequently, with a small current of the constant current source CS3, the power consumption can be reduced. Secondly, according to the invention, the base resistance values (RB1 and RB2) are set at a nominal load (600 ohms by default) and a gain> 1 so that the emitter current from the output transistor T32 remains nearly constant in AC operation.
Dimensionierung des Differenzverstärkers am Eingang: Die Funktionsweise eines Differenzverstärkers wird nachstehend in Bezug auf
Ein Differenzverstärker mit Bipolar-Transistoren erzeugt Verzerrungen durch kubische Kennlinie, wodurch im Signalspektrum die ungeradzahligen Harmonischen (k3, k5, k7 usw.) enthalten sind, siehe
A differential amplifier with bipolar transistors generates distortions due to cubic characteristic, which in the signal spectrum, the odd harmonics (k3, k5, k7, etc.) are included, see
Ungeradzahlige Harmonische deuten auf ein härteres Übersteuerungsverhalten hin. Das geht aus der graphischen Darstellung der Funktion 1n((1 + x)/(1 – x)) (= Umkehrfunktion von tanh(x)) hervor, welche links und rechts parallel zur Y-Achse eine asymptotische Begrenzug aufweist, siehe
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