DE102015111129B4

DE102015111129B4 - Dynamikstromquelle für Verstärker-Integratorstufen

Info

Publication number: DE102015111129B4
Application number: DE102015111129.2A
Authority: DE
Inventors: Sandro Herrera
Original assignee: Analog Devices Inc
Current assignee: Analog Devices Inc
Priority date: 2014-07-25
Filing date: 2015-07-09
Publication date: 2018-05-30
Anticipated expiration: 2035-07-10
Also published as: DE102015111129A1; US20160028355A1; US9473075B2

Abstract

Verstärker (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700), der umfasst:einen Integrator (210, 310, 410, 510, 610, 710) mit einem Eingangsanschluss für ein Verstärkereingangssignal (I);eine Ausgangsschaltung mit einem ersten Schaltungsweg, der sich zwischen einem Paar von Versorgungsspannungen (V,V) erstreckt, und ein Paarvon Ausgangselementen darin aufweist, von denen mindestens eines von dem Integrator (210, 310, 410, 510, 610, 710) gesteuert wird;eine Variabel-Strom-Quelle (222, 322, 422, 522, 622, 722) zum Liefern von Strom zu einem zweiten Schaltungsweg, der mindestens einen Abschnitt des Integrators (210, 310, 410, 510, 610, 710) durchläuft;ein Steuersystem zum Steuern derVariabel-Strom-Quelle (222, 322, 422, 522, 622, 722), wobei das System umfasst:ein Impedanzelement (232, 532, 632, 732), das in dem zweiten Schaltungsweg vorgesehen ist und Anschlüsse aufweist, die mit jeweiligen Eingängen der Ausgangselemente gekoppelt sind; undeinen Rückkopplungsreglerzum Erfassen von Betriebsveränderungen in dem Impedanzelement (232, 532, 632, 732), der einen Ausgang zum Steuern der Variabel-Strom-Quelle (222, 322, 422, 522, 622, 722) aufweist.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung betrifft Verstärkersysteme und insbesondere das Verbessern der Symmetrie solcher Systeme.
Bei vielen bipolaren Verstärkerschaltungen ist der maximale Ausgangsstrom normalerweise durch den Basisstrom der Verstärkerausgangsvorrichtungen beschränkt. Diese Ausgangsvorrichtungen sind mit dem Ausgangsanschluss des Verstärkers verbunden und steuern die Last des Verstärkers an. Daher können die Lastansteuerungsfähigkeiten des Verstärkers von den Fähigkeiten der Ausgangsvorrichtungen festgelegt sein.
Eine typische Verstärkerausgangsstufe weist asymmetrische Quellen- und Senkfähigkeiten auf. Der Basisstrom einer der Ausgangsvorrichtungen kann von einem Integrator innerhalb der Ausgangsstufe oder innerhalb der vorangehenden Verstärkungsstufe geliefert werden. Ein typischer nichtkomplementärer Integrator kann große Ströme zu der Basis einer der Ausgangsvorrichtungen liefern, wodurch ermöglicht wird, dass die Ausgangsvorrichtung stark in ihre bezeichnete Richtung zieht (d. h. sie kann einen großen Ausgangsstrom aufnehmen oder ausgeben). Der Basisstrom der anderen Ausgangsvorrichtung kann von einer festen Stromquelle bereitgestellt werden, die die Stärke beschränkt, mit der die Ausgangsvorrichtung in ihre bezeichnete Richtung ziehen kann (d. h. sie beschränkt den maximalen Senk- oder Quellenstrom der Vorrichtung). Somit kann die zweite Ausgangsvorrichtung nicht so stark ziehen wie die erste Ausgangsvorrichtung, und sie kann nicht in der Lage sein, einen so großen Ausgangsstrom zu liefern wie die erste Ausgangsvorrichtung.
Es sind mehrere Vorgehensweisen zum Handhaben der Asymmetrie angewendet worden. Eine Vorgehensweise ist das Verwenden eines Darlington-Ausgangstransistors zum Erhöhen der Stärke der zweiten Ausgangsvorrichtung durch Erhöhen des Verhältnisses von Strom im Kollektoranschluss im Vergleich zu dem Basisanschluss des Ausgangstransistors, d. h. durch Erhöhen des Stromverstärkung Beta des Transistors. Bei dieser Vorgehensweise wird jedoch der Ausgangsspannungsbereich des Verstärkers beeinträchtigt, der um ungefähr ein V_BE verringert wird. Bei einer zweiten Vorgehensweise wird eine positive Rückkopplungsschaltung verwendet, bei der ein Teil des Kollektorstroms des Ausgangstransistors zu dem Basisanschluss des jeweiligen Ausgangstransistors zurückgeführt wird. Aufgrund der Art des Verwendens einer positiven Rückkopplungsschleife kann ein Verstärker, bei dem diese Technik angewendet wird, jedoch instabil werden.
Entsprechend besteht auf dem Sachgebiet Bedarf an einem Verstärkersystem mit einer verbesserten Symmetrie bei Quellen-/Senkoperationen, wobei stabile Betriebsbedingungen geboten werden.
Die US 4,439,743 A beschreibt eine Vorspannungsschaltung für einen nichtschaltenden Leistungsverstärker bei der kein nichtlineares Element in dem Signalübertragungsweg der betreffenden Vorspannungsschaltung vorhanden ist.
Die US 5,444,419 A stellt einen Leistungsverstärker bereit bei dem der Verlust eines Treibertransistors vermindert wird um mittels einer einfachen Struktur eine ausreichende Temperaturkompensation bereitzustellen.
In der US 5,512,859 A wird ein Klassen-AB-Verstärker durch Hinzufügen von zwei steuerbaren Stromquellen an der Eingangsstufe des Verstärkers modifiziert. Die zwei steuerbaren Stromquellen beseitigen zusammen die Offsetspannung und lösen somit das NPN, PNP Beta-Fehlanpassungsproblem.
Figurenliste

1 ist ein Blockschaltbild eines Verstärkersystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine beispielhafte Schaltung, die in einem Verstärkersystem implementiert sein kann, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt eine beispielhafte Schaltung, die in einem Verstärkersystem implementiert sein kann, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt eine beispielhafte Schaltung, die in einem Verstärkersystem implementiert sein kann, gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt eine beispielhafte Schaltung, die in einem Verstärkersystem implementiert sein kann, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 zeigt eine beispielhafte Schaltung, die in einem Verstärkersystem implementiert sein kann, gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 zeigt eine beispielhafte Schaltung, die in einem Verstärkersystem implementiert sein kann, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen ein Verstärkersystem mit einer Variabel-Strom-Quelle zum Liefern eines variablen Stroms, einem Impedanzelement, das auf eine Veränderung des Stroms anspricht, und einem Rückkopplungsregler zum Erzeugen eines Steuersignals auf der Basis der Ladung an dem Impedanzelement bereit. Die Variabel-Strom-Quelle kann einen Strom zu einem Schaltungsweg mit einem Paar von Ausgangselementen und dem Impedanzelement liefern. Die Variabel-Strom-Quelle kann ferner einen Strom zu mindestens einem Abschnitt des Integrators liefern. Das in dem Schaltungsweg vorgesehene Impedanzelement kann Anschlüsse aufweisen, die mit den jeweiligen Eingängen der Ausgangselemente gekoppelt sind. Der Rückkopplungsregler kann
Eingänge, die mit den jeweiligen Anschlüssen des Impedanzelements gekoppelt sind, und einen Ausgang zum Steuern der Variabel-Strom-Quelle aufweisen. Der Rückkopplungsregler kann eine Veränderung des Stroms durch das Impedanzelement detektieren und kann daraus ein Steuersignal erzeugen. Die Variabel-Strom-Quelle kann ihren Ausgangsstrom auf der Basis des Steuersignals variieren.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt ein mehrstufiges Verstärkersystem mit einer Transkonduktanzstufe, einer Integratorstufe und einem Ausgangsspannungspuffer bereit. Die Transkonduktanzstufe kann eine Eingangsspannung in einen Ausgangsstrom konvertieren. Die Integratorstufe kann den Ausgangsstrom aus der Transkonduktanzstufe in eine Ausgangsspannung konvertieren. Der Ausgangsspannungspuffer kann die Ausgangsspannung der Integratorstufe an dem Ausgang des Verstärkersystems reproduzieren und weist ferner eine Variabel-Strom-Quelle und einen Regler auf. Der Regler spricht auf Spannungsveränderungen über die Eingänge von komplementären Ausgangstransistoren an und erzeugt ein Steuersignal zum Variieren der Variabel-Strom-Quelle auf der Basis der Spannungsänderungen.
Durch die Quelleneinstelltechniken, die bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vorgesehen sind, können auf vorteilhafte Weise die Maximal-Ausgangsspannungs-Fähigkeiten eines Verstärkersystems vergrößert werden. Weitere Vorteile von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen das Erhöhen der Verstärkerausgangsspannungsschwankung und das Eliminieren von Oszillationen aufgrund von ungeregelten positiven Rückkopplungsschleifen.
1 ist ein Blockschaltbild eines Verstärkersystems 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Verstärkersystem 100 kann eine Vielzahl von Stufen 110.1-110.N aufweisen, um eine Verstärkung an ein Eingangssignal, das an Eingangsanschlüssen VP und VN bereitgestellt wird, an einem Ausgangsanschluss AUS (engl.: OUT) anzulegen. Wie dargestellt ist, kann das System 100 eine Ausgangsstufe 110.N aufweisen, der eine Vielzahl von Verstärkungsstufen, die einen Integrator 112 aufweisen, vorangeht.
Die Ausgangsstufe 110.N ist als Spannungsfolger dargestellt. Die Spannungsfolgerstufe 110.N kann den Ausgang der Integratorstufe 110.N-1 an dem Ausgangsanschluss AUS (engl.: OUT) des Verstärkersystems 100 puffern. Die Ausgangsstufe 110.N kann einen Spannungsverstärkungsfaktor Eins aufweisen und kann einen Ausgangsstrom zu der Last des Verstärkersystems 100 liefern. Die Ausgangsstufe 110.N kann von einem Impedanzelement und von einer Variabel-Strom-Quelle 114 vorgespannt sein gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie nachstehend beschrieben wird.
Die Stufe 110.N-1 in dem Verstärkersystem 100 ist als Integratorstufe dargestellt. Die Integratorstufe 110.N-1 kann ein Eingangssignal aus einer vorangehenden Stufe 110.N-2 integrieren und eine Ausgangsspannung an einem Ausgangsanschluss AUS (engl.: OU7) des Verstärkersystems 100 bestimmen. Die Integratorstufe 110.N-1 kann von der Variabel-Strom-Quelle 114 in der Ausgangsstufe 110.N vorgespannt sein gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie nachstehend beschrieben wird.
Wie diskutiert worden ist, ist das System 100 typischerweise ein mehrstufiges System. Das System kann weitere Stufen, die über die Ausgangsstufe 110.N und die Integratorstufe 110.N-1 hinausgehen, aufweisen, um das System 100 so anzupassen, dass es individuelle Auslegungsanforderungen erfüllt. Zum Beispiel kann das System 100 auch eine Stufe 110.N-2 aufweisen, die eine Transkonduktanzzelle 116 aufweist. Die Transkonduktanzzelle 116 kann einen Eingangsstrom auf der Basis eines Spannungssignaleingangs in diese zu der Integratorstufe 110.N-1 liefern. Weitere Implementierungen können eine größere Anzahl von Stufen aufweisen, zum Beispiel vier oder mehr, um individuelle Auslegungsanforderungen zu erfüllen.
Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform sind die Verstärkerstufen als Differenzschaltungen dargestellt. Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung können auf unsymmetrische Spannungen, bei denen das Eingangssignal relativ zur Masse definiert ist, angewendet werden.
2 ist ein Schaltbild, das die Kaskade einer Integratorstufe 210 und einer Ausgangsstufe 220 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt. Die Ausgangsstufe kann eine Variabel-Strom-Quelle 222, ein Paar von komplementären Ausgangstransistoren 224, 226 und einen Stromregler 230 aufweisen. Der Stromregler 230 kann eine Rückkopplungsschleife bilden, die einen Ausgang der Stromquelle 222 in Reaktion auf sich verändernde Bedingungen in der Ausgangsstufe 220 moduliert.
Die Integratorstufe 210 kann ein Paar von Transistoren 212, 214, einen Kondensator 216 und eine Stromquelle 218 aufweisen. Eine Basis des ersten Transistors 212 kann mit einem Eingangsanschluss für ein Eingangssignal I_IN gekoppelt sein. Ein Emitter des ersten Transistors 212 kann mit einer Basis des zweiten Transistors 214 und ferner mit der Stromquelle 218 gekoppelt sein, die einen vorbestimmten Strom auf Masse zieht. Ein Kondensator 216 kann den Eingangsanschluss I_IN mit einem Kollektor des zweiten Transistors 214 koppeln. Ein Kollektor des Transistors 214 kann ferner mit einem Stromweg aus der Ausgangsstufe 220, die die Variabel-Strom Quelle 222 aufweist, gekoppelt sein. Ein Kollektor des ersten Transistors 212 kann mit einer Versorgungsspannung V_CC gekoppelt sein.
Die Integratorstufe 210 kann einen Eingangsstrom I_IN integrieren, der eine Ausgangsspannung an einem Ausgangsanschluss AUS über die Ausgangstransistoren 224, 226 bestimmen kann. Die Variabel-Strom-Quelle 222 kann einen Quellenstrom I₂₂₂ für einen Zweig des Integrators 210 liefern, der den Transistor 214 aufweist. Teile dieses Quellenstroms I₂₂₂ können während der Operation des Systems 200 zu den Ausgangstransistoren 224 und/oder 226 abgeleitet werden. Der Stromregler 230 kann ein Steuersignal für die Stromquelle 222 auf der Basis einer Spannungsdifferenz über die Eingangsanschlüsse der Ausgangstransistoren 224 und 226 erzeugen.
Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform kann ein Ausgangstransistor 224 die Ausgangsstromquellenfähigkeiten mit einem maximalen ausgegebenen Ausgang bereitstellen, der dargestellt wird durch: $I_{O U T} = (1 + β_{224}) * I_{224},$
wobei I₂₂₄ eine Menge des Stroms I₂₂₂ darstellt, die zu dem Basisanschluss des Ausgangstransistors 224 abgeleitet wird, wie nachstehend detailliert dargelegt wird, und β₂₂₄ das Verhältnis des Stroms an dem Kollektoranschluss zu dem Strom an dem Basisanschluss des Ausgangstransistors 224 darstellt.
Ein Ausgangstransistor 226 kann die Ausgangsstromsenkfähigkeiten der Ausgangsstufe 220 bereitstellen. In dem Integrator kann ein Transistor 214 einen Strom für den Basisanschluss des Ausgangstransistors 226 bereitstellen. Der Transistor 214 ist in der Lage, eine beträchtliche Menge an Strom aufzunehmen, wodurch ermöglicht wird, dass der Ausgangstransistor 226 einen großen Ausgangsstrom bereitstellt. Der Ausgangsstrom, den der Transistor 226 aufzunehmen in der Lage sein kann, ist angegeben durch: $I_{O U T} = (1 + β_{226}) * I_{226} \approx (1 + β_{226}) * β_{214} * (1 + β_{212}) * I_{I N},$
wobei I₂₂₆ den Basisstrom des Transistors 216 darstellt (und ungefähr der Wert des von dem Transistor 214 zu dem Basisanschluss des Transistors 226 aufgenommenen Stroms sein kann), β₂₂₆ das Verhältnis des Stroms an dem Kollektoranschluss zu dem Strom an dem Basisanschluss des Ausgangstransistors 226 darstellt, β₂₁₂ das Verhältnis des Stroms an dem Kollektoranschluss zu dem Strom an dem Basisanschluss des Transistors 212 darstellt und β₂₁₄ das Verhältnis des Stroms an dem Kollektoranschluss zu dem Strom an dem Basisanschluss des Transistors 214 darstellt.
Der Stromregler 230 kann die Stromquelle 222 zum Variieren des Quellenstroms I₂₂₂ auf der Basis von Veränderungen der Ausgangsspannung der Stufe steuern. Der Stromregler 230 kann ein Impedanzelement 232 und einen Verstärker 234 aufweisen. Das Impedanzelement 232 kann in einem Stromweg zwischen der Stromquelle 222 und dem Integrator 210 vorgesehen sein. Das Impedanzelement 232 kann so ausgelegt sein, dass es den Spannungsabfall über die Basisanschlüsse des Ausgangstransistors 224 und des Ausgangstransistors 226 festlegt. Der Verstärker 234 kann Eingänge von beiden Seiten des Impedanzelements 232 aufnehmen und kann ein Steuersignal zu der Stromquelle 222 auf der Basis der Spannung über diese Eingänge erzeugen. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Verstärker 234 eine Veränderung der Spannung über das Impedanzelement 232 und folglich eine Veränderung des Stroms durch das Impedanzelement 232 detektieren. Der Verstärker 234 kann ferner eine Differenzeingangs-Transkonduktanzzelle sein.
Bei Betrieb kann die Stromquelle 222 einen Strom I₂₂₂ zu dem Integrator 210 und infolgedessen dem Impedanzelement 232 liefern. Wenn es erforderlich ist, dass die Ausgangsstufe 200 Strom über den Ausgangstransistor 224 zu dem Ausgangsanschluss AUS ausgibt, kann der Ausgangstransistor 224 Strom (als I₂₂₄ gezeigt) aus der Stromquelle 222 zu seinem Basisanschluss ableiten, wodurch der Strom, der zu dem Integrator 210 geliefert wird, um eine Menge verringert wird, die dem abgeleiteten Strom I₂₂₄ gleich ist. Das Impedanzelement 232, das sich zwischen den Basisanschlüssen der Ausgangstransistoren 224, 226 befinden kann, kann eine Veränderung der Spannung erfahren, die eine Veränderung des Stroms, der durch das Impedanzelement 232 fließt, widerspiegelt. Auf diese Weise kann das Impedanzelement 232 eine Veränderung der Spannung infolge des Ableitens eines Teils des von der Stromquelle 222 gelieferten Stroms durch den Ausgangstransistor 224 erfahren. Der Verstärker 234 kann Veränderungen des Stroms und/oder der Spannung über das Impedanzelement 232 detektieren und kann ein Steuersignal erzeugen, das über eine Rückkopplungsschleife zu der Stromquelle 222 zurückgeführt werden kann. Auf der Basis des Steuersignals kann die Stromquelle 222 ihren Ausgangsstrom (I₂₂₂) einstellen, um die Spannung über das Impedanzelement 232 auf den ursprünglichen Pegel zurückzusetzen.
Entsprechend kann der Stromregler 230 variierende Betriebsbedingungen in der Ausgangsstufe durch Variieren des Ausgangsstroms der Stromquelle 222 ausgleichen. Falls Bedingungen eine Ableitung des Stroms I₂₂₄ in den Basisanschluss des Ausgangstransistors 224 bewirken (die andernfalls eine Verringerung des durch das Impedanzelement 232 verlaufenden Stroms und damit auch der Spannung über dieses bewirken würde), kann der Stromregler 230 bewirken, dass die Stromquelle 222 ihren Ausgangsstrom vergrößert, um den Stromfluss durch das Impedanzelement 232 auf einem beständigen Pegel zu halten. Tatsächlich erhöht die Stromquelle 222 ihren Ausgangsstrom, so dass eine Anpassung an die Erhöhung des Stroms I₂₂₄, der in den Ausgangstransistor 224 fließt, erfolgt. Auf im Wesentlichen gleiche Weise kann, falls aufgrund von Bedingungen die Menge an Strom I₂₂₄, der in den Basisanschluss des Ausgangstransistors 224 abgeleitet wird (die andernfalls eine Erhöhung der Spannung über das Impedanzelement 232 bewirken würde) verringert wird, der Stromregler 230 bewirken, dass die Stromquelle 222 ihren Ausgangsstrom verringert, um den Stromfluss durch das Impedanzelement 232 auf einem beständigen Pegel zu halten. Tatsächlich verringert die Stromquelle 222 ihren Ausgangsstrom, so dass eine Anpassung an die Verringerung des Stroms I₂₂₄, der in den Ausgangtransistor 224 fließt, erfolgt.
Bei einer Ausführungsform kann ein Ruhewert der Stromquelle 222 von den Schaltungskonstrukteuren durch Steuern von Auslegungsparametern des Verstärkers 234 und/oder des Impedanzelements 232, insbesondere durch Festlegen einer Offsetspannung des Verstärkers 234 und/oder Festlegen eines Impedanzwerts des Impedanzelements 232 festgelegt werden.
Der Integrator 210 kann entsprechend einer Vielzahl von Schaltungstopologien implementiert werden. Der Integrator kann so ausgelegt sein, dass er einen Eingangsstrom in die Verstärkerstufe integriert, der eine Ausgangsspannung an einem Ausgangsanschluss der Verstärkerstufe bestimmen kann. 2 zeigt einen beispielhaften Integrator 210, der eine Kaskade von Transistoren 212 und 214 und Kondensator 216 aufweisen kann. Die Stromquelle 222 kann einen Bias-Strom zu dem Transistor 214 des Integrators 210 liefern, und die Stromquelle 218 kann einen Bias-Strom zu dem Transistor 212 liefern.
3 ist ein Schaltbild, das die Kaskade einer Integratorstufe 310 und einer Ausgangsstufe 320 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt. Die Ausgangsstufe 320 kann eine Variabel-Strom-Quelle 322, ein Paar von komplementären Ausgangstransistoren 324, 326 und einen Stromregler 330 aufweisen. Der Stromregler 330 kann eine Rückkopplungsschleife bilden, die den Ausgangsstrom der Variabel-Strom-Quelle 322 in Reaktion auf sich verändernde Bedingungen in der Ausgangsstufe 320 moduliert.
Der Integrator 310 kann ein Paar von Transistoren 312, 314, einen Kondensator 316 und eine Stromquelle 318 aufweisen. Eine Basis des ersten Transistors 312 kann mit einem Eingangsanschluss für das Eingangssignal I_IN gekoppelt sein. Ein Emitter des ersten Transistors kann mit einer Basis des zweiten Transistors 314 und ferner mit der Stromquelle gekoppelt sein, die einen vorbestimmten Strom auf Masse zieht. Ein Kondensator 316 kann den Eingangsanschluss I_IN mit einem Kollektor des zweiten Transistors 314 koppeln. Ein Kollektor des Transistors 314 kann mit einem Stromweg aus der Ausgangsstufe 320, der die Stromquelle 322 aufweist, gekoppelt sein. Ein Kollektor des ersten Transistors 312 kann mit einer Versorgungsspannung V_CC gekoppelt sein.
Der Integrator 310 kann einen Eingangsstrom I_IN integrieren, der eine Ausgangsspannung an einem Ausgangsanschluss AUS (engl.: OUT) über die Ausgangstransistoren 324, 326 bestimmen kann. Die Stromquelle 322 kann einen Quellenstrom für einen Zweig des Integrators 310 liefern, der den Transistor 314 aufweist. Der Stromregler 330 kann ein Steuersignal für die Stromquelle 322 auf der Basis einer Spannungsdifferenz über die Eingangsanschlüsse der Ausgangstransistoren 324 und 326 erzeugen.
Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform kann ein Ausgangstransistor 324 die Ausgangsstromquellenfähigkeiten mit einem maximalen ausgegebenen Ausgang bereitstellen, der dargestellt wird durch: $I_{O U T} = (1 + β_{324}) * I_{324}$
wobei I₃₂₄ der Wert des von der Stromquelle 322 zu dem Basisanschluss des Ausgangstransistors 324 ausgegebenen Stroms sein kann, wie nachstehend detailliert dargelegt wird, und β₃₂₄ das Verhältnis des Stroms an dem Kollektoranschluss zu dem Strom an dem Basisanschluss des Ausgangstransistors 324 darstellt.
Ein Ausgangstransistor 326 kann die Ausgangsstromsenkfähigkeiten der Ausgangsstufe 320 bereitstellen. In dem Integrator 310 kann ein Transistor 314 einen Strom für den Basisanschluss des Ausgangstransistors 326 bereitstellen. Der Transistor 314 ist in der Lage, eine beträchtliche Menge an Strom aufzunehmen, wodurch ermöglicht wird, dass der Ausgangstransistor 326 einen großen Ausgangsstrom bereitstellt. Der Ausgangsstrom, den der Transistor 326 aufzunehmen in der Lage sein kann, ist angegeben durch: $I_{O U T} = (1 + β_{326}) * I_{326} \approx (1 + β_{326}) * β_{314} * (1 + β_{312}) * I_{I N},$
wobei I₃₂₆ den Basisstrom des Transistors 326 ist (und ungefähr der Wert des von dem Transistor 314 zu dem Basisanschluss des Transistors 326 aufgenommen Stroms sein kann), β₃₂₆ das Verhältnis des Stroms an dem Kollektoranschluss zu dem Strom an dem Basisanschluss des Ausgangstransistors 326 darstellt, β₃₁₂ das Verhältnis des Stroms an dem Kollektoranschluss zu dem Strom an dem Basisanschluss des Transistors 312 darstellt und β₃₁₄ das Verhältnis des Stroms an dem Kollektoranschluss zu dem Strom an dem Basisanschluss des Transistors 314 darstellt.
Der Stromregler 330 kann die Stromquelle 322 zum Variieren des Quellenstroms auf der Basis von Veränderungen der Ausgangsspannung der Stufe steuern. Der Stromregler 330 kann ein Paar von in Reihe geschalteten Dioden 332, 334 und einen Verstärker 336 aufweisen. Die Dioden 332, 334 können in einem Stromweg zwischen der Stromquelle 322 und dem Integrator 310 vorgesehen sein. Die Dioden 332, 334 können so ausgelegt sein, dass sie den Spannungsabfall über die Basisanschlüsse des Ausgangstransistors 324 und des Ausgangstransistors 326 festlegen. Der Verstärker 336 kann Eingänge von beiden Seiten der Dioden 332, 334 aufnehmen und kann ein Steuersignal zu der Stromquelle 322 auf der Basis der Spannung über diese Eingänge erzeugen. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Verstärker 336 eine Veränderung der Spannung über zwei Knotenpunkten und folglich eine Veränderung des Stroms durch die Dioden 332, 334 detektieren. Der Verstärker 336 kann ferner eine Differenzeingangs-Transkonduktanzzelle sein. Die Dioden 332, 334 können als als Dioden geschaltete Transistoren vorgesehen sein.
Bei Betrieb kann die Stromquelle 322 einen Strom mit einem Wert von I₃₂₂ zu dem Integrator 310 und infolgedessen den Dioden 332, 334 liefern. Wenn es erforderlich ist, dass die Ausgangsstufe 300 Strom über den Ausgangstransistor 324 zu dem Ausgangsanschluss AUS ausgibt, kann der Ausgangstransistor 324 Strom (als I₃₂₄ gezeigt) aus der Stromquelle 322 zu seinem Basisanschluss ableiten, wodurch der Strom, der zu dem Integrator 310 geliefert wird, um eine Menge verringert wird, die dem abgeleiteten Strom I₃₂₄ gleich ist. Die Dioden 332, 334, die sich zwischen den Basisanschlüssen der Ausgangstransistoren 324, 326 befinden können, können eine Veränderung der Spannung erfahren, die eine Veränderung des Stroms, der durch die Dioden 332, 334 fließt, widerspiegelt. Auf diese Weise können die Dioden 332, 334 eine Veränderung der Spannung infolge des Ableitens eines Teils des von der Stromquelle 322 gelieferten Stroms durch den Ausgangstransistor 324 erfahren. Der Verstärker 336 kann Veränderungen des Stroms und/oder der Spannung über die Dioden 332, 334 detektieren und kann ein Steuersignal erzeugen, das über eine Rückkopplungsschleife zu der Stromquelle 322 zurückgeführt werden kann. Auf der Basis des Steuersignals kann die Stromquelle 322 ihren Ausgangsstrom (I₃₂₂) einstellen, um die Spannung über die Dioden 332, 334 auf den ursprünglichen Pegel zurückzusetzen.
Entsprechend kann der Stromregler 330 variierende Betriebsbedingungen in der Ausgangsstufe durch Variieren des Ausgangsstroms der Stromquelle 322 ausgleichen. Falls Bedingungen eine Ableitung des Stroms I₃₂₄ in den Basisanschluss des Ausgangstransistors 324 bewirken (die andernfalls eine Verringerung des durch die Dioden 332, 334 verlaufenden Stroms und damit auch der Spannung über diese bewirken würde), bewirkt der Stromregler 330, dass die Stromquelle 322 ihren Ausgangsstrom vergrößert, um den Stromfluss durch die Dioden 332, 334 auf einem beständigen Pegel zu halten. Tatsächlich erhöht die Stromquelle 322 ihren Ausgangsstrom, so dass eine Anpassung an die Erhöhung des Stroms I₃₂₄, der in den Ausgangstransistor 324 fließt, erfolgt. Auf im Wesentlichen gleiche Weise bewirkt, falls aufgrund von Bedingungen die Menge an Strom I₃₂₄, der in den Basisanschluss des Ausgangstransistors 324 abgeleitet wird (die andernfalls eine Erhöhung der Spannung über die Dioden 332, 334 bewirken würde) verringert wird, der Stromregler 330, dass die Stromquelle 322 ihren Ausgangsstrom verringert, um den Stromfluss durch die Dioden 332, 334 auf einem beständigen Pegel zu halten. Tatsächlich verringert die Stromquelle 322 ihren Ausgangsstrom so, dass eine Anpassung an die Verringerung des Stroms I₃₂₄, der in den Ausgangtransistor 324 fließt, erfolgt.
Bei einer Ausführungsform kann ein Ruhewert der Stromquelle 322 von den Schaltungskonstrukteuren durch Steuern von Auslegungsparametern des Verstärkers 336 und/oder der Dioden 332, 334, insbesondere durch Festlegen einer Offsetspannung des Verstärkers 336 und/oder Festlegen des Sättigungsstroms der Dioden 332, 334 festgelegt werden.
Der Integrator 310 kann entsprechend einer Vielzahl von Schaltungstopologien implementiert werden. Der Integrator kann so ausgelegt sein, dass er einen Eingangsstrom in die Verstärkerstufe integriert, der eine Ausgangsspannung an einem Ausgangsanschluss der Verstärkerstufe bestimmen kann. 3 zeigt einen beispielhaften Integrator 310, der eine Kaskade von Transistoren 312 und 314 und Kondensator 316 aufweisen kann. Die Stromquelle 322 kann einen Bias-Strom zu dem Transistor 314 des Integrators 310 liefern, und die Stromquelle 318 kann einen Bias-Strom zu dem Transistor 312 liefern.
4 zeigt zeigt eine Verstärkerstufe 400 gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Verstärkerstufe 400 kann einen Integrator 410 und eine Ausgangsstufe 420 aufweisen. Die Ausgangsstufe 420 kann eine Variabel-Strom-Quelle 422, ein Paar von komplementären Ausgangstransistoren 424, 426 und einen Stromregler 430 aufweisen. Der Stromregler 430 kann eine Rückkopplungsschleife bilden, die einen Ausgangsstrom der Stromquelle 422 in Reaktion auf sich verändernde Bedingungen in der Ausgangsstufe 420 moduliert.
Der Integrator 410 kann ein Paar von Transistoren 412, 414, einen Kondensator 416 und eine Stromquelle 418 aufweisen. Eine Basis des ersten Transistors 412 kann mit einem Eingangsanschluss für ein Eingangssignal I_IN gekoppelt sein. Ein Emitter des ersten Transistors 412 kann mit einer Basis des zweiten Transistors 414 und ferner mit der Stromquelle 418 gekoppelt sein, die einen vorbestimmten Strom auf Masse zieht. Ein Kondensator 416 kann den Eingangsanschluss I_IN mit einem Kollektor des zweiten Transistors 414 koppeln. Ein Kollektor des Transistors 414 kann mit einem Stromweg aus der Ausgangsstufe 420, der die Variabel-Strom Quelle 422 aufweist, gekoppelt sein. Ein Kollektor des ersten Transistors 412 kann mit einer Versorgungsspannung V_CC gekoppelt sein.
Der Integrator 410 kann einen Eingangsstrom I_IN integrieren, der eine Ausgangsspannung an einem Ausgangsanschluss AUS über die Ausgangstransistoren 424, 426 bestimmen kann. Die Stromquelle 422 kann einen Quellenstrom für einen Zweig des Integrators 410 liefern, der den Transistor 414 aufweist. Der Stromregler 430 kann ein Steuersignal für die Stromquelle 422 auf der Basis einer Spannungsdifferenz über die Eingangsanschlüsse der Ausgangstransistoren 424 und 426 erzeugen.
Bei der in 4 gezeigten Ausführungsform kann ein Ausgangstransistor 424 die Ausgangsstromquellenfähigkeiten mit einem maximalen ausgegebenen Ausgang bereitstellen, der dargestellt wird durch: $I_{O U T} = (1 + β_{424}) * I_{424},$
wobei I₄₂₄ der Wert des von der Stromquelle 422 zu dem Basisanschluss des Ausgangstransistors 424 ausgegebenen Stroms sein kann, wie nachstehend detailliert dargelegt wird, und β₄₂₄ das Verhältnis des Stroms an dem Kollektoranschluss zu dem Strom an dem Basisanschluss des Ausgangstransistors 424 darstellt.
Ein Ausgangstransistor 426 kann die Ausgangsstromsenkfähigkeiten der Ausgangsstufe 420 bereitstellen. In dem Integrator kann ein Transistor 414 einen Strom für den Basisanschluss des Ausgangstransistors 426 bereitstellen. Der Transistor 414 ist in der Lage, eine beträchtliche Menge an Strom aufzunehmen, wodurch ermöglicht wird, dass der Ausgangstransistor 426 einen großen Ausgangsstrom bereitstellt. Der Ausgangsstrom, den der Transistor 426 aufzunehmen in der Lage sein kann, ist angegeben durch: $I_{O U T} = (1 + β_{426}) * I_{426} \approx (1 + β_{426}) * β_{414} * (1 + β_{412}) * I_{I N},$
wobei I₄₂₆ der Basisstrom des Transistors 416 ist (und ungefähr der Wert des von dem Transistor 414 zu dem Basisanschluss des Transistors 426 aufgenommen Stroms sein kann), β₄₂₆ das Verhältnis des Stroms an dem Kollektoranschluss zu dem Strom an dem Basisanschluss des Ausgangstransistors 426 darstellt, β₄₁₂ das Verhältnis des Stroms an dem Kollektoranschluss zu dem Strom an dem Basisanschluss des Ausgangstransistors 412 darstellt und β₄₁₄ das Verhältnis des Stroms an dem Kollektoranschluss zu dem Strom an dem Basisanschluss des Transistors 414 darstellt.
Der Stromregler 430 kann die Stromquelle 422 zum Variieren des Quellenstroms auf der Basis von Veränderungen der Ausgangsspannung der Stufe steuern. Der Stromregler 430 kann ein Paar von in Reihe geschalteten Dioden 431, 432, ein Paar von Erfassungstransistoren 433, 434, einen Widerstand 435, eine Stromquelle 436 und einen weiteren Transistor 437 aufweisen.
Die Transistoren 433 und 434 können Eingänge in den Stromregler 430 darstellen, die einen Spannungsabfall über die Dioden 431 und 432 erfassen. Die Transistoren 433, 434 und der Widerstand 435 können einen ersten Stromweg zwischen den Versorgungsspannungen V_CC und V_EE bilden. Die Transistoren 433, 434 können die Eingangs-Transkonduktanzstufe des Stromreglers 430 bilden. Die Dioden 431, 432 können als als Dioden geschaltete Transistoren vorgesehen sein.
Die Stromquelle 436 kann einen vorbestimmten Strom zu einem hochohmigen Knotenpunkt N1 in dem Stromregler 430, der mit einem Ausgang der Stromquelle 422 gekoppelt ist, liefern. Der Transistor 437 kann eine Bias-Spannung VBIAS, die an seine Basis angelegt ist, aufweisen und kann einen Bias-Strom aufweisen, der gleich dem Ausgangsstrom der Stromquelle 436 plus dem Eingangsstrom der Stromquelle 422 ist. Ein Strom, der von dem Knotenpunkt N1 durch den Bias-Transistor 437 fließt, fließt ferner durch den Widerstand 435. Ein Strom von dem Transistor 437, der den Strom übersteigt, welcher von der Stromquelle 436 ausgegeben wird, kann in die Stromquelle 422 eingegeben werden. Der Kaskodentransistor 437, die Stromquelle 436 und der gemeinsam genutzte Widerstand 435 können eine Strompufferstufe bilden, die den Signalstrom von der Eingangs-Transkonduktanzstufe des Stromreglers 430 zu dem Knotenpunkt N1, dem Ausgang des Stromreglers 430 transportiert. Bei einer Ausführungsform kann der Widerstand 435 durch eine (nicht gezeigte) Stromquelle ersetzt sein, die eine feste Menge an Strom aufnimmt.
Die Stromquelle 422 ist als Widerstand 427 und Transistor 428, die zwischen der Versorgungsspannung V_CC und der ersten Diode 431 in Reihe geschaltet sind, dargestellt. Eine Basis des Transistors 428 kann mit dem Knotenpunkt N1 in dem Stromregler 430 gekoppelt sein und kann den Eingangs-Knotenpunkt der Stromquelle 422 darstellen. Ein Kollektor des Transistors 428 kann den Ausgangs-Knotenpunkt der Stromquelle 422 darstellen.
Wenn die Spannungen über die Dioden 431, 432 im Betrieb variieren, kann der Strom in den Transistoren 433, 434 ebenfalls variieren, wodurch bewirkt wird, dass eine variierende Spannung an dem Widerstand 435 präsentiert wird. Variationen der Spannung an dem Widerstand 435 können entsprechende Variationen bei dem Strom, der von dem Kaskodentransistor 437 geleitet wird, bewirken. Somit wird dann, wenn der Kaskodentransistor 437 weniger Strom aufnimmt, eine kleinere Menge an Strom aus der Basis des Transistors 428 in die Stromquelle 422 gezogen und wird der Ausgangsstrom der Stromquelle 422 verringert. Auf im Wesentlichen gleiche Weise wird dann, wenn der Kaskodentransistor 437 eine größere Menge an Strom aufnimmt, mehr Strom aus der Basis des Transistors 428 in die Stromquelle 422 gezogen und wird der Ausgangsstrom der Stromquelle 422 vergrößert. Somit kann der Stromregler 430 den Strom modulieren, der von der Stromquelle 422 ausgegeben wird.
Wahlweise kann der Stromregler 430 ferner einen Kondensator 438 oder eine andere Schaltungsanordnung zum Festlegen der Frequenzantwort des Stromreglers 430 aufweisen. Der Kondensator 438 kann Spitzen oder andere Signaltransienten, die in der Schaltung unerwünscht sind, filtern.
5 ist ein Schaltbild, das die Kaskade einer Integratorstufe 510 und einer Ausgangsschaltung 520 gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung darstellt. Die Ausgangsstufe 520 kann eine Variabel-Strom-Quelle 522, ein Paar von komplementären Ausgangstransistoren 524, 526 und einen Stromregler 530 aufweisen. Wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen kann der Stromregler 530 eine Rückkopplungsschleife bilden, die einen Ausgang der Variabel-Strom-Quelle 522 in Reaktion auf sich verändernde Bedingungen in der Ausgangsstufe 520 moduliert.
Der Integrator 510 kann ein Paar von Transistoren 512, 514, einen Kondensator 516 und eine Stromquelle 518 aufweisen. Eine Basis des ersten Transistors 512 kann mit einem Eingangsanschluss für ein Eingangssignal I_IN gekoppelt sein. Ein Emitter des ersten Transistors kann mit einer Basis des zweiten Transistors 514 und ferner mit der Stromquelle 518 gekoppelt sein, die einen vorbestimmten Strom auf Masse zieht. Ein Kondensator 516 kann den Eingangsanschluss I_IN mit einem Kollektor des zweiten Transistors 514 koppeln. Ein Kollektor des Transistors 514 kann mit einem Stromweg aus der Ausgangsstufe 520, der die Variabel-Strom Quelle 522 aufweist, gekoppelt sein. Ein Kollektor des ersten Transistors 512 kann mit einer Versorgungsspannung V_CC gekoppelt sein.
Der Integrator 510 kann einen Eingangsstrom I_IN integrieren, der eine Ausgangsspannung an einem Ausgangsanschluss AUS über die Ausgangstransistoren 524, 526 bestimmen kann. Die Stromquelle 522 kann einen Quellenstrom für einen Zweig des Integrators 510 bereitstellen, der den Transistor 514 aufweist. Der Stromregler 530 kann ein Steuersignal für die Stromquelle 522 auf der Basis des Stroms erzeugen, der in den Elementen fließt, die eine Spannungsdifferenz über die Eingangsanschlüsse der Ausgangstransistoren 524 und 526 festlegen.
Bei der in 5 gezeigten Ausführungsform kann ein Ausgangstransistor 524 die Ausgangsstromquellenfähigkeiten mit einem maximalen ausgegebenen Ausgang bereitstellen, der dargestellt wird durch: $I_{O U T} = (1 + β_{524}) * I_{524},$
wobei I₅₂₄ der Wert des von der Stromquelle 522 zu dem Basisanschluss des Ausgangstransistors 524 ausgegebenen Stroms sein kann, wie nachstehend detailliert dargelegt wird, und β₅₂₄ das Verhältnis des Stroms an dem Kollektoranschluss zu dem Strom an dem Basisanschluss des Ausgangstransistors 524 darstellt.
Ein Ausgangstransistor 526 kann die Ausgangsstromsenkfähigkeiten der Ausgangsstufe 520 bereitstellen. In dem Integrator kann ein Transistor 514 einen Strom für den Basisanschluss des Ausgangstransistors 526 bereitstellen. Der Transistor 514 ist in der Lage, eine beträchtliche Menge an Strom aufzunehmen, wodurch ermöglicht wird, dass der Ausgangstransistor 526 einen großen Ausgangsstrom bereitstellt. Der Ausgangsstrom, den der Transistor 526 aufzunehmen in der Lage sein kann, ist angegeben durch: $\begin{array}{l} \begin{array}{r} I_{O U T} = (1 + β_{526}) * I_{526} \approx (1 + β_{526}) * β_{514} * (1 + β_{512}) * I_{I N} \end{array} \\ \begin{matrix} I_{O U T} = (1 + β_{226}) * I_{226} \approx (1 + β_{226}) * β_{214} * (1 + β_{212}) * I_{I N} & , \end{matrix} \end{array}$
wobei I₅₂₆ der Basisstrom des Transistors 516 ist (und ungefähr der Wert des von dem Transistor 514 zu dem Basisanschluss des Transistors 526 aufgenommenen Stroms sein kann), β₅₂₆ das Verhältnis des Stroms an dem Kollektoranschluss zu dem Strom an dem Basisanschluss des Ausgangstransistors 526 darstellt, β₅₁₂ das Verhältnis des Stroms an dem Kollektoranschluss zu dem Strom an dem Basisanschluss des Transistors 512 darstellt und β₅₁₄ das Verhältnis des Stroms an dem Kollektoranschluss zu dem Strom an dem Basisanschluss des Transistors 514 darstellt.
Der Stromregler 530 kann die Stromquelle 522 zum Variieren des Quellenstroms auf der Basis von Betriebsveränderungen in der Ausgangsstufe steuern. Der Stromregler 530 kann ein Impedanzelement 532, einen Verstärker 534, einen Stromspiegel 536 und eine Stromsenke 538 aufweisen. Das Impedanzelement 532 kann in einem Stromweg vorgesehen sein, durch den Strom von der Stromquelle 522 zu dem Integrator 510 läuft. Der Stromspiegel 536 umfasst einen gemeinsamen Knotenpunkt, der mit dem Ausgang der Stromquelle 522 und mit der Basis des Transistors 524 verbunden ist, einen Eingangs-Knotenpunkt, der mit dem Impedanzelement 532 verbunden ist, und einen Ausgangs-Knotenpunkt, der mit einem Eingang des Verstärkers 534 und mit einem Ausgang der Stromsenke 538 (als Knotenpunkt N2 gezeigt) verbunden ist. Der Stromspiegel 536 kann Strom, der durch das Impedanzelement 532 zu dem Knotenpunkt N2 fließt, mit einer Stromverstärkung G spiegeln. Die Stromsenke 538 kann einen vorbestimmten Strom I_REF aus dem Knotenpunkt N2 aufnehmen. Jede Differenz zwischen dem Strom, der von dem Stromspiegel 536 zu dem Knotenpunkt N2 geliefert wird, und dem Strom, der von der Stromsenke 538 aus dem Knotenpunkt N2 aufgenommen wird, kann als Strom I₅₃₄ zu dem Eingang des Verstärkers 534 geliefert werden.
Die Stromquelle 522 kann einen Strom mit einem Wert von I₅₂₂ zu dem gemeinsamen Knotenpunkt des Stromspiegels 536 liefern. Der Strom I₅₂₂ kann auf den Eingangs-Knotenpunkt des Stromspiegels 536, der das Impedanzelement 532 aufweist, und den Ausgangs-Knotenpunkt des Stromspiegels 536 (d. h. den Knotenpunkt N2) aufgeteilt werden. An dem Knotenpunkt N2 wird der von dem Stromspiegel 536 gelieferte Strom mit dem Ausgangsstrom der Stromsenke 538 I_REF verglichen. Falls diese Ströme nicht gleich sind, kann dies bewirken, dass der Verstärker 534 ein Steuersignal erzeugt, das über eine Rückkopplungsschleife zu der Stromquelle 522 zurückgeführt werden kann. Auf der Basis des Steuersignals kann die Stromquelle 522 ihren Ausgangsstrom(I₅₂₂) einstellen, um eine Gleichheit zwischen dem von dem Stromspiegel 536 gelieferten Strom und dem Ausgangsstrom der Stromsenke 538 wiederherzustellen. Wenn dies auf effektive Weise geschieht, wird die Stromquelle 522 gesteuert, um sicherzustellen, dass der Strom, der durch das Impedanzelement 532 (I₅₃₂) fließt, gleich I_REF / G ist, wobei G die Verstärkung des Stromspiegels 536 darstellt. G kann typischerweise auf 1 gesetzt sein, es kann jedoch auch so angepasst sein, dass es individuelle Auslegungsanforderungen erfüllt.
Wenn es erforderlich ist, dass die Ausgangsstufe 520 Strom über den Ausgangstransistor 524 zu dem Ausgangsanschluss AUS ausgibt, kann der Ausgangstransistor 524 Strom (als I₅₂₄ gezeigt) aus der Stromquelle 522 zu seinem Basisanschluss ableiten, wodurch der Strom I₅₃₂, der durch das Impedanzelement verläuft, verkleinert wird und ferner der Strom, der von dem Stromspiegel 536 zu dem Knotenpunkt N2 geliefert wird, ebenfalls verkleinert wird. Der Vergleich am Knotenpunkt N2 kann bewirken, dass der Verstärker 534 die Stromquelle 522 so steuert, dass diese ihren Ausgang vergrößert und den Strom I₅₃₂ an dem Impedanzelement 532 auf I_REF / G zurückführt.
Entsprechend kann der Stromregler 530 variierende Betriebsbedingungen in der Ausgangsstufe 520 durch Variieren des Ausgangsstroms der Stromquelle 522 ausgleichen. Falls Bedingungen eine Ableitung des Stroms I₅₂₄ in den Basisanschluss des Ausgangstransistors 524 bewirken (die andernfalls eine Verringerung des durch das Impedanzelement 532 verlaufenden Stroms bewirken würde), kann der Stromregler 530 bewirken, dass die Stromquelle 522 ihren Ausgangsstrom vergrößert, um den Stromfluss durch das Impedanzelement 532 auf einem beständigen Pegel zu halten. Tatsächlich erhöht die Stromquelle 522 ihren Ausgangsstrom, so dass eine Anpassung an die Erhöhung des Stroms I₅₂₄, der in den Ausgangstransistor 524 fließ, erfolgt. Auf im Wesentlichen gleiche Weise kann, falls aufgrund von Bedingungen die Menge an Strom I₅₂₄, der in den Basisanschluss des Ausgangstransistors 524 abgeleitet wird (die andernfalls eine Erhöhung des Stroms durch das Impedanzelement 532 bewirken würde) verringert wird, der Stromregler 530 bewirken, dass die Stromquelle 522 ihren Ausgangsstrom verringert, um den Stromfluss durch das Impedanzelement 532 auf einem beständigen Pegel zu halten. Tatsächlich verringert die Stromquelle 522 ihren Ausgangsstrom, so dass eine Anpassung an die Verringerung des Stroms I₅₂₄, der in den Ausgangtransistor 524 fließt, erfolgt.
Bei einer Ausführungsform kann ein Ruhewert der Stromquelle 522 von den Schaltungskonstrukteuren durch Steuern von Auslegungsparametern des Verstärkers 536 und/oder der Stromsenke 538, insbesondere durch Festlegen der Stromverstärkung G des Stromspiegels 536 und durch Festlegen des Ausgangsstroms I_REF der Stromsenke 538 festgelegt werden.
Der Integrator 510 kann entsprechend einer Vielzahl von Schaltungstopologien implementiert werden. Der Integrator kann so ausgelegt sein, dass er einen Eingangsstrom in die Verstärkerstufe integriert, der eine Ausgangsspannung an einem Ausgangsanschluss der Verstärkerstufe bestimmen kann. 5 zeigt einen beispielhaften Integrator 510, der eine Kaskade von Transistoren 512 und 514 und Kondensator 516 aufweisen kann. Die Stromquelle 522 kann einen Bias-Strom zu dem Transistor 514 des Integrators 510 liefern, und die Stromquelle 518 kann einen Bias-Strom zu dem Transistor 512 liefern.
In der vorstehenden Beschreibung der vorliegenden Erfindung sind Schaltungsausführungsformen beschrieben worden, bei denen eine Variabel-Strom-Quelle einen Bias-Strom zu einer Ausgangsvorrichtung liefert, die dann, wenn sie aktiv ist, eine Ausgangsspannung AUS auf eine erste Versorgungsspannung V_CC zieht. Bei diesen Beispielen wird eine zweite Ausgangsvorrichtung von einem Integrator so gesteuert, dass die Ausgangsspannung auf eine zweite Versorgungsspannung V_EE gezogen wird. Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung sind nicht darauf beschränkt. Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglichen die Ausrichtung der Stromquellen und Integratoren so, dass sie invertiert sind - um zu bewirken, dass eine Variabel-Strom-Quelle einen Bias-Strom zu einer Ausgangsvorrichtung liefert, die die Ausgangsspannung auf VEE zieht und um zu bewirken, dass ein Integrator eine Ausgangsvorrichtung steuert, die die Ausgangsspannung auf V_CC zieht. Bei solchen Ausführungsformen sind bei den in 2-5 gezeigten Schaltungstopologien die Typen von in diesen Schaltungen verwendeten Transistoren invertiert. 6 zeigt ein Beispiel für eine solche Inversion, die 2 entspricht. Inversionen der in 3-5 gezeigten Schaltungen können ebenfalls erfolgen.
Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung gelten auch für Ausgangsstufen mit unterschiedlichen Schaltungstopologien. Eine solche Topologie ist in 7 gezeigt, in der eine Integratorstufe 710 und eine Ausgangsstufe als Kaskade geschaltet sind. Bei diesem Beispiel kann die Integratorstufe 710 ein Paar von Transistoren 712, 714, einen Kondensator 716 und eine Stromsenke 718 aufweisen. Die Transistoren 712, 714 der Integratorstufe 710 (und Transistoren 724, 726 der Ausgangsstufe 720, die nachstehend diskutiert werden) sind als MOS-Transistoren dargestellt, sie können jedoch auch als BJT-Transistoren, JFET-Transistoren oder jede andere Transistortechnologie vorgesehen sein.
Bei dieser Ausführungsform kann das Eingangssignal I_IN zu einem Gate eines ersten Transistors 712 und zu einem ersten Anschluss des Kondensators 716 geliefert werden. Eine Source des Transistors 712 kann mit einem Anschluss der Stromsenke 718 und mit einem Gate des zweiten Transistors 714 gekoppelt sein. Ein Drain des ersten Transistors 712 kann mit einer Versorgungsspannung V_CC verbunden sein, während ein Drain des zweiten Transistors 714 mit einem Stromzweig von der Ausgangsstufe 720 verbunden sein kann. Eine Source des zweiten Transistors 714 und ein zweiter Anschluss der Stromsenke 718 können mit einer zweiten Versorgungsspannung V_EE verbunden sein.
Die Ausgangsstufe 720 kann eine Variabel-Strom-Quelle 722, ein Paar von Ausgangstransistoren 724, 726 und einen Stromregler 730 aufweisen. Der Stromregler 730 ist mit einer Architektur dargestellt, die der der Ausführungsform von 2 im Wesentlichen gleich ist - er kann ein Impedanzelement 732 und einen Verstärker 734 aufweisen. Anschlüsse des Impedanzelements 732 können mit Gates der Ausgangstransistoren 724, 726 verbunden sein. Anschlüsse des Verstärkers 734 können ebenfalls mit Gates der Ausgangstransistoren 724, 726 und damit auch mit den Anschlüssen des Impedanzelements verbunden sein. Ein Ausgang des Verstärkers 734 kann mit einem Steuereingang der Stromquelle 722 verbunden sein. Alternativ kann der Stromregler 730 entsprechend jeder der anderen in 3-5 dargestellten Ausführungsformen ausgebildet sein.
Bei der Ausführungsform von 7 kann ein zweiter Anschluss des Kondensators 716 mit dem Gate des Transistors 724 in der Ausgangsstufe 720 verbunden sein. Bei Betrieb kann durch Variationen in dem Eingangssignal INN bewirkt werden, dass Ströme I₇₁₆ in den und aus dem Kondensator 716 fließen. Solche Variationen können von dem Stromregler 730 als Ströme zu dem/aus dem Kondensator 716 erfasst werden, die aus dem/in das Impedanzelement 732 abgeleitet werden. Der Stromregler 730 kann Steuersignale zu der Stromquelle 722 liefern, um deren Zufuhr von Strom zum Wirken gegen die Ableitung von Strom zu erhöhen oder zu verringern.
Mehrere Ausführungsformen der Erfindung sind hier spezifisch dargestellt und/oder beschrieben worden. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass Modifikationen und Variationen von den vorstehenden Lehren abgedeckt sind und in den Umfang der beiliegenden Patentansprüche fallen, ohne dass dadurch vom Wesen und vorgesehenen Schutzumfang der Erfindung abgewichen wird. Weitere Variationen, die mit den oben beschriebenen Prinzipien im Einklang stehen, sind zulässig.

Claims

Verstärker (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700), der umfasst: einen Integrator (210, 310, 410, 510, 610, 710) mit einem Eingangsanschluss für ein Verstärkereingangssignal (I_IN); eine Ausgangsschaltung mit einem ersten Schaltungsweg, der sich zwischen einem Paar von Versorgungsspannungen (V_CC,V_EE) erstreckt, und ein Paarvon Ausgangselementen darin aufweist, von denen mindestens eines von dem Integrator (210, 310, 410, 510, 610, 710) gesteuert wird; eine Variabel-Strom-Quelle (222, 322, 422, 522, 622, 722) zum Liefern von Strom zu einem zweiten Schaltungsweg, der mindestens einen Abschnitt des Integrators (210, 310, 410, 510, 610, 710) durchläuft; ein Steuersystem zum Steuern derVariabel-Strom-Quelle (222, 322, 422, 522, 622, 722), wobei das System umfasst: ein Impedanzelement (232, 532, 632, 732), das in dem zweiten Schaltungsweg vorgesehen ist und Anschlüsse aufweist, die mit jeweiligen Eingängen der Ausgangselemente gekoppelt sind; und einen Rückkopplungsreglerzum Erfassen von Betriebsveränderungen in dem Impedanzelement (232, 532, 632, 732), der einen Ausgang zum Steuern der Variabel-Strom-Quelle (222, 322, 422, 522, 622, 722) aufweist.
Verstärker (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700) nach Anspruch 1, der ferner einen Verstärkerausgangsanschluss (AUS) umfasst, welcher mit einem Zwischen-Knotenpunkt zwischen den Ausgangselementen gekoppelt ist.
Verstärker (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Betriebsveränderungen eine Veränderung der Spannung auf der Basis einer Ableitung von Strom zu mindestens einem des Paars von Ausgangselementen umfassen.
Verstärker (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700) nach Anspruch 3, wobei das Impedanzelement ein Paar von Dioden (332, 334, 431, 432) umfasst.
Verstärker (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700) nach Anspruch 3, wobei das Impedanzelement ein Paar von als Dioden (332, 334, 431, 432) geschaltete Transistoren umfasst.
Verstärker (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Betriebsveränderungen eine Veränderung des Stroms auf der Basis einer Ableitung von Strom zu mindestens einem des Paars von Ausgangselementen umfassen.
Verstärker (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rückkopplungsregler einen Verstärker mit Eingängen umfasst, die mit den Anschlüssen des Impedanzelements (232, 532, 632, 732) gekoppelt sind, und ein Ausgang des Verstärkers der Ausgang des Rückkopplungsreglers ist.
Verstärker (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700) nach Anspruch 1, wobei der Rückkopplungsregler umfasst: einen Stromspiegel (536), der einen Eingangs-Knotenpunkt, einen Ausgangs-Knotenpunkt und einen gemeinsamen Knotenpunkt aufweist, wobei sich der gemeinsame Knotenpunkt und der Eingangs-Knotenpunkt in dem zweiten Schaltungsweg befinden, eine Stromsenke, die mit dem Ausgangs-Knotenpunkt des Stromspiegels gekoppelt ist, und einen Verstärker mit einem Eingang, der mit dem Ausgangs-Knotenpunkt des Stromspiegels (536) gekoppelt ist, wobei ein Ausgang des Verstärkers der Ausgang des Rückkopplungsreglers ist.
Verstärker (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Integrator (210, 310, 410, 510, 610, 710) ferner eine Kaskade aus einem Paar von Integratorelementen und einem Kondensator (216, 316, 416, 516, 616, 716) umfasst, wobei mindestens ein Integratorelement mit dem zweiten Schaltungsweg gekoppelt ist und der Kondensator (216, 316, 416, 516, 616, 716) in einem dritten Schaltungsweg vorgesehen ist, dervon dem Eingangsanschluss zu dem zweiten Schaltungsweg vorgesehen ist.
Verstärker (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Variabel-Strom-Quelle (222, 322, 422, 522, 622, 722) einen Widerstand und ein Steuerelement aufweist, die in dem zweiten Schaltungsweg vorgesehen sind.
Verstärker (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700) nach Anspruch 1, wobei der Rückkopplungsregler so ausgelegt ist, dass er eine Veränderung der Spannung über das Paar von Eingängen detektiert.
Verstärker (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700) nach Anspruch 11, wobei der Rückkopplungsregler den Ausgang auf der Basis der detektierten Spannungsveränderung erzeugt.
Verstärker (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700) nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Rückkopplungsregler ferner aufweist: ein Paar von Abtastelementen, die in einem dritten Schaltungsweg vorgesehen sind; eine Stromquelle und einen Transistor, die in einem vierten Schaltungsweg vorgesehen sind; und einen Kondensator, der mit einer des Paars von Versorgungsspannungen (V_CC, V_EE) und dem vierten Schaltungsweg gekoppelt ist, wobei die detektierte Veränderung der Spannung in den Kondensator integriert ist, um den Ausgang zu bilden.
Verstärker (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700) nach Anspruch 1, wobei der Rückkopplungsregler so ausgelegt ist, dass er eine Veränderung des Stroms in dem Impedanzelement (232, 532, 632, 732) detektiert.
Verstärker (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700) nach Anspruch 14, wobei der Rückkopplungsregler den Ausgang auf der Basis der detektierten Stromveränderung erzeugt.
Verfahren zum Erzeugen eines dynamischen Stroms in einem Verstärkersystem (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700), das umfasst: Steuern wenigstens eines ersten Ausgangselements oder eines zweiten Ausgangselements eines Ausgangsschaltkreises mittels eines Integrators (210, 310, 410, 510, 610, 710), wobei der Ausgangsschaltkreis einen ersten Schaltungsweg aufweist, dersich zwischen einem Paarvon Versorgungsspannungen (V_CC, V_EE) erstreckt und das erste und das zweite Ausgangselement hierin aufweist; Liefern von Strom von einer Variabel-Strom-Quelle (222, 322, 422, 522, 622, 722) entlang eines zweiten Schaltungswegs, der einen Eingangsanschluss des ersten Ausgangselements, ein Impedanzelement, einen Eingangsanschluss des zweiten Ausgangselements und einen Abschnitt des Integrators aufweist; Erfassen einer Veränderung der Spannung über die jeweiligen Eingangsanschlüsse des ersten und zweiten Ausgangselements; Erzeugen eines Steuersignals auf der Basis der Veränderung der Spannung; und Variieren des Stroms, der von der Variabel-Strom-Quelle (222, 322, 422, 522, 622, 722) geliefert wird, auf der Basis des Steuersignals zum Aufstocken eines Stroms, der von derVariabel-Strom-Quelle (222, 322, 422, 522, 622, 722) von dem ersten Ausgangselement abgezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 16, das ferner das Integrieren eines Eingangsstroms (I_IN) durch den Integrator (210, 310, 410, 510, 610, 710) in den Verstärker (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700) und das Bestimmen einer Ausgangsspannung an einem Ausgangsanschluss (AUS) des Verstärkers (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700) zwischen dem ersten und zweiten Ausgangselement umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, das ferner das Abtasten derVeränderung der Spannung über das Impedanzelement (232, 532, 632, 732) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Erzeugungsschritt ferner das Integrieren derVeränderung der Spannung zum Entwickeln des Steuersignals umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Erzeugungsschritt ferner das Verstärken der Veränderung der Spannung zum Entwickeln des Steuersignals umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, das ferner das Zuführen des Steuersignals zu derVariabel-Strom-Quelle (222, 322, 422, 522, 622, 722) umfasst.
Verfahren zum Erzeugen eines dynamischen Stroms in einem Verstärkersystem (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700), das umfasst: Steuern wenigstens eines von einem ersten Ausgangselement oder einem zweiten Ausgangselement eines Ausgangsschaltkreises mittels eines Integrators (210, 310, 410, 510, 610, 710), wobei der Ausgangsschaltkreis einen ersten Schaltungsweg aufweist, der sich zwischen einem Paar von Versorgungsspannungen (V_CC, V_EE) erstreckt und das erste und das zweite Ausgangselement in diesem aufweist; Liefern von Strom von einer Variabel-Strom-Quelle (222, 322, 422, 522, 622, 722) entlang eines zweiten Schaltungswegs, der einen Eingangsanschluss des ersten Ausgangselements, ein Impedanzelement (232, 532, 632, 732), einen Eingangsanschluss des zweiten Ausgangselements und einen Abschnitt des Integrators (210, 310, 410, 510, 610, 710) aufweist; Erfassen eines Stroms durch das Impedanzelement hindurch; Erzeugen eines Steuersignals auf der Basis des erfassten Stroms; und Variieren des Stroms, der durch die Variabel-Strom-Quelle (222, 322, 422, 522, 622, 722) geliefert wird, auf der Basis des Steuersignals zum Aufstocken eines Stroms, der von der Variabel-Strom-Quelle (222, 322, 422, 522, 622, 722) durch das erste Ausgangselement abgezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 22, das ferner das Integrieren eines Eingangsstroms durch den Integrator (210, 310, 410, 510, 610, 710) in den Verstärker (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700) und das Bestimmen einer Ausgangsspannung an einem Ausgangsanschluss (AUS) des Verstärkers zwischen dem ersten und zweiten Ausgangselement umfasst.
Verfahren nach Anspruch 22, das ferner das Abtasten der Veränderung des Stroms durch das Impedanzelement (232, 532, 632, 732) hindurch umfasst.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei der Erzeugungsschritt ferner das Integrieren der Veränderung des Stroms zum Entwickeln des Steuersignals umfasst.
Verfahren nach Anspruch 22, das ferner das Zuführen des Steuersignals zu der Variabel-Strom-Quelle (222, 322, 422, 522, 622, 722) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei das Erfassen des Stroms durch das Impedanzelement (532) hindurch das Spiegeln des Stroms durch das Impedanzelement (532) hindurch mittels eines Stromspiegels (536) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei das erste Ausgangselement einen ersten Bipolartransistor (224, 324, 424, 524, 624) und das zweite Ausgangselement einen zweiten Bipolartransistor (226, 326, 426, 526, 626) umfasst, und das Verfahren weiterhin das Steuern einer Ausgangsspannung mittels des ersten (224, 324, 424, 524, 624) und zweiten (226, 326, 426, 526, 626) Bipolartransistors umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das erste Ausgangselement einen ersten Bipolartransistor (224, 324, 424, 524, 624) und das zweite Ausgangselement einen zweiten Bipolartransistor (226, 326, 426, 526, 626) umfasst, und das Verfahren weiterhin das Steuern einer Ausgangsspannung mittels des ersten (224, 324, 424, 524, 624) und zweiten (226, 326, 426, 526, 626) Bipolartransistors umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Paar von Ausgangselementen einen ersten Bipolartransistor (224, 324, 424, 524, 624) und einen zweiten Bipolartransistor (226, 326, 426, 526, 626) umfasst.