DE102022212327A1 - Amplifier device and sound generation system - Google Patents

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Guido De Sandre
Manuel Salvatore Santoro
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verstärkervorrichtung zur Verstärkung von differentiellen Signalen mittels des Prinzips eines Klasse G-Verstärkers. Der erfindungsgemäße Verstärker eignet sich besonders zur Verstärkung von differentiellen Signalen zum Betreiben eines Schallwandlers, insbesondere eines Schallwandlers auf Basis eines mikroelektromechanischen Systems mit kapazitiven Membranen.The invention relates to an amplifier device for amplifying differential signals using the principle of a class G amplifier. The amplifier according to the invention is particularly suitable for amplifying differential signals for operating a sound transducer, in particular a sound transducer based on a microelectromechanical system with capacitive membranes.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verstärkervorrichtung für ein differentielles Signal. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine volldifferentielle Verstärkervorrichtung für ein differentielles Signal, das auf einem Prinzip zur Ladungsrückgewinnung beruht, welches die differenzielle Symmetrie der Verstärkerschaltung und ggf. kapazitive Eigenschaften einer Last ausnutzt. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Schallerzeugungssystem mit einer solchen Verstärkervorrichtung.The present invention relates to an amplifier device for a differential signal. In particular, the present invention relates to a fully differential amplifier device for a differential signal which is based on a charge recovery principle which exploits the differential symmetry of the amplifier circuit and, if necessary, capacitive properties of a load. The present invention further relates to a sound generation system with such an amplifier device.

Stand der TechnikState of the art

Obwohl die Verstärkervorrichtung der vorliegenden Erfindung nachfolgend in Zusammenhang mit einem Schallwandler, insbesondere einem Schallwandler auf Basis eines mikroelektromechanischen Systems beschrieben wird, ist die erfindungsgemäße Verstärkervorrichtung nicht auf solche Anwendungen beschränkt. Vielmehr kann das Grundprinzip einer solchen Verstärkervorrichtung auch für beliebige andere Anwendungsfälle eingesetzt werden.Although the amplifier device of the present invention is described below in connection with a sound transducer, in particular a sound transducer based on a microelectromechanical system, the amplifier device according to the invention is not limited to such applications. Rather, the basic principle of such an amplifier device can also be used for any other application.

Schallerzeuger können beispielsweise in Lautsprechern, Ohrhörer oder Ähnlichem genützt werden, um aus einem elektrischen Signal Schallwellen zu generieren. Im Zuge der fortschreitenden Miniaturisierung gewinnen hierbei auch Schallerzeugungselemente auf Basis von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) zunehmend an Bedeutung. Beispielsweise beschreibt die Druckschrift EP 2 582 156 A2 einen elektrostatischen Lautsprecher, der als mikroelektromechanisches System ausgeführt sein kann.Sound generators can be used in loudspeakers, earphones or similar devices to generate sound waves from an electrical signal. As miniaturization progresses, sound generation elements based on microelectromechanical systems (MEMS) are becoming increasingly important. For example, the publication EP 2 582 156 A2 an electrostatic loudspeaker, which can be designed as a microelectromechanical system.

Zur Ansteuerung solcher Schallerzeuger kann beispielsweise ein elektrisches Signal, welches als differentielles Signal vorliegt, mittels eines Verstärkers verstärkt werden und das verstärkte differentielle Signal daraufhin an dem Schallerzeuger bereitgestellt werden.To control such sound generators, for example, an electrical signal, which is present as a differential signal, can be amplified by means of an amplifier and the amplified differential signal can then be provided to the sound generator.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die vorliegende Erfindung schafft eine Verstärkervorrichtung für ein differenzielles Signal sowie ein Schallerzeugungssystem mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.The present invention provides an amplifier device for a differential signal and a sound generation system with the features of the independent patent claims. Further advantageous embodiments are the subject of the dependent patent claims.

Demgemäß ist vorgesehen:Accordingly, it is envisaged:

Eine Verstärkervorrichtung zum Verstärken eines differentiellen Signals mit einem ersten Eingangsanschluss und einem zweiten Eingangsanschluss. Die beiden Eingangsanschlüsse sind jeweils dazu ausgelegt, mit korrespondierenden Anschlüssen einer Signalquelle für das zu verstärkende differentielle Signal verbunden zu werden. Die Verstärkervorrichtung umfasst ferner einen ersten Spannungsversorgungsanschluss, einen zweiten Spannungsversorgungsanschluss, einen dritten Spannungsversorgungsanschluss und einen vierten Spannungsversorgungsanschluss. Der erste Spannungsversorgungsanschluss ist dazu ausgelegt, mit einer ersten Versorgungsspannung verbunden zu werden. Der dritte Spannungsversorgungsanschluss ist dazu ausgelegt, mit einer zweiten Versorgungsspannung verbunden zu werden. Der vierte Spannungsversorgungsanschluss ist dazu ausgelegt, mit einem Bezugspotential verbunden zu werden. Ferner können der dritte Spannungsversorgungsanschluss und der zweite Spannungsversorgungsanschluss elektrisch miteinander verbunden sein. Alternativ können der zweite Spannungsversorgungsanschluss und der dritte Spannungsversorgungsanschluss über eine potentialfreie Spannungsquelle elektrisch miteinander gekoppelt sein. Die Verstärkervorrichtung umfasst ferner eine erste Verstärkerschaltung und eine zweite Verstärkerschaltung. Die erste Verstärkerschaltung umfasst einen ersten Transistor, einen zweiten Transistor, einen dritten Transistor und einen vierten Transistor sowie eine erste Diode und eine zweite Diode. Der erste Transistor ist zwischen dem ersten Spannungsversorgungsanschluss und einem ersten Knotenpunkt angeordnet. Der zweite Transistor ist zwischen dem ersten Knotenpunkt und einem ersten Ausgangsanschluss angeordnet. Der dritte Transistor ist zwischen dem ersten Ausgangsanschluss und einem zweiten Knotenpunkt angeordnet. Der vierte Transistor ist zwischen dem zweiten Knotenpunkt und dem vierten Spannungsversorgungsanschluss angeordnet. Die erste Diode ist zwischen dem zweiten Spannungsversorgungsanschluss und dem ersten Knotenpunkt angeordnet. Die zweite Diode ist zwischen dem dritten Spannungsversorgungsanschluss und dem zweiten Knotenpunkt angeordnet. Die zweite Verstärkerschaltung umfasst einen fünften Transistor, einen sechsten Transistor, einen siebten Transistor und einen achten Transistor sowie eine dritte Diode und eine vierte Diode. Der fünfte Transistor ist zwischen dem ersten Spannungsversorgungsanschluss und einem dritten Knotenpunkt angeordnet. Der sechste Transistor ist zwischen dem dritten Knotenpunkt und einem zweiten Ausgangsanschluss angeordnet. Der siebte Transistor ist zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss und einem vierten Knotenpunkt angeordnet. Der achte Transistor ist zwischen dem vierten Knotenpunkt und dem vierten Spannungsversorgungsanschluss angeordnet. Die dritte Diode ist zwischen dem zweiten Spannungsversorgungsanschluss und dem dritten Knotenpunkt angeordnet. Die vierte Diode ist zwischen dem dritten Spannungsversorgungsanschluss und dem vierten Knotenpunkt angeordnet. Weiterhin ist der erste Eingangsanschluss der Verstärkervorrichtung mit Steueranschlüssen des zweiten Transistors und des dritten Transistors gekoppelt. Ferner ist der zweite Eingangsanschluss mit Steueranschlüssen des sechsten Transistors und des siebten Transistors gekoppelt.An amplifier device for amplifying a differential signal with a first input terminal and a second input terminal. The two input terminals are each designed to be connected to corresponding terminals of a signal source for the differential signal to be amplified. The amplifier device further comprises a first voltage supply terminal, a second voltage supply terminal, a third voltage supply terminal and a fourth voltage supply terminal. The first voltage supply terminal is designed to be connected to a first supply voltage. The third voltage supply terminal is designed to be connected to a second supply voltage. The fourth voltage supply terminal is designed to be connected to a reference potential. Furthermore, the third voltage supply terminal and the second voltage supply terminal can be electrically connected to one another. Alternatively, the second voltage supply terminal and the third voltage supply terminal can be electrically coupled to one another via a potential-free voltage source. The amplifier device further comprises a first amplifier circuit and a second amplifier circuit. The first amplifier circuit comprises a first transistor, a second transistor, a third transistor and a fourth transistor as well as a first diode and a second diode. The first transistor is arranged between the first voltage supply terminal and a first node. The second transistor is arranged between the first node and a first output terminal. The third transistor is arranged between the first output terminal and a second node. The fourth transistor is arranged between the second node and the fourth voltage supply terminal. The first diode is arranged between the second voltage supply terminal and the first node. The second diode is arranged between the third voltage supply terminal and the second node. The second amplifier circuit comprises a fifth transistor, a sixth transistor, a seventh transistor and an eighth transistor as well as a third diode and a fourth diode. The fifth transistor is arranged between the first voltage supply terminal and a third node. The sixth transistor is arranged between the third node and a second output terminal. The seventh transistor is arranged between the second output terminal and a fourth node. The eighth transistor is arranged between the fourth node and the fourth voltage supply terminal. The third diode is arranged between the second voltage supply terminal and the third node. The fourth diode is arranged between the third th voltage supply terminal and the fourth node. Furthermore, the first input terminal of the amplifier device is coupled to control terminals of the second transistor and the third transistor. Furthermore, the second input terminal is coupled to control terminals of the sixth transistor and the seventh transistor.

Weiterhin ist vorgesehen:Furthermore, it is planned:

Ein Schallerzeugungssystem mit einem mikroelektromechanischen Schallerzeuger und einer erfindungsgemäßen Verstärkervorrichtung. Hierbei ist der mikroelektromechanische Schallerzeuger mit den Ausgangsanschlüssen der Verstärkervorrichtung elektrisch gekoppelt.A sound generation system with a microelectromechanical sound generator and an amplifier device according to the invention. The microelectromechanical sound generator is electrically coupled to the output terminals of the amplifier device.

Der Schallerzeuger kann insbesondere ein mikroelektromechanisches System mit einer elektrostatisch angesteuerten Membran umfassen.The sound generator can in particular comprise a microelectromechanical system with an electrostatically controlled membrane.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Für die Verstärkung akustischer Signale sind Verstärker wünschenswert, welche bis zu einer maximal auftretenden Amplitude eine möglichst lineare Verstärkung ermöglichen. Hierbei treten die maximalen Amplituden solcher Signale jedoch nur relativ selten auf. Über weite Bereiche hinweg treten dagegen nur Signale auf, welche im Vergleich zu der maximal möglichen Amplitude nur eine geringe Signalhöhe aufweisen. Daher sind für die Verstärkung akustischer Signale beispielsweise sogenannte Klasse G-Verstärker vorteilhaft.To amplify acoustic signals, amplifiers are desirable that allow for as linear an amplification as possible up to a maximum amplitude. However, the maximum amplitudes of such signals only occur relatively rarely. Over large areas, however, only signals occur that have a low signal level compared to the maximum possible amplitude. So-called Class G amplifiers, for example, are therefore advantageous for amplifying acoustic signals.

Vor diesem Hintergrund ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Verstärkervorrichtung zu schaffen, welche differentielle Signale wie beispielsweise elektrische Signale für eine akustische Wiedergabe auf effiziente Weise verstärken kann. Insbesondere ist es wünschenswert, eine Verstärkervorrichtung zu schaffen, welche eine effiziente Verstärkung von Signalen für eine akustische Wiedergabe mittels eines Schallwandlers, insbesondere eines mikroelektromechanischen Schallwandlers mit einer kapazitiven Membran ermöglicht.Against this background, it is an aim of the present invention to provide an amplifier device which can efficiently amplify differential signals such as electrical signals for acoustic reproduction. In particular, it is desirable to provide an amplifier device which enables efficient amplification of signals for acoustic reproduction by means of a sound transducer, in particular a microelectromechanical sound transducer with a capacitive membrane.

Die vorliegende Erfindung schafft hierzu eine Verstärkervorrichtung, welche dazu in der Lage ist, unter Verwendung von rein positiven Versorgungsspannungen ein differentielles Signal effizient zu verstärken. Hierbei ist insbesondere ausreichend, neben einer Versorgungsspannung mit einer ausreichenden Marge bezüglich der maximal zu verstärkenden Spannungsamplitude eine weitere Versorgungsspannung im Bereich der Gleichtaktspannung oder gegebenenfalls leicht unterhalb der Gleichtaktspannung bereitzustellen.The present invention provides an amplifier device which is able to efficiently amplify a differential signal using purely positive supply voltages. In this case, in addition to a supply voltage with a sufficient margin with respect to the maximum voltage amplitude to be amplified, it is particularly sufficient to provide a further supply voltage in the range of the common-mode voltage or possibly slightly below the common-mode voltage.

Die vorliegende Erfindung schafft hierbei eine Verstärkervorrichtung für eine vollständigen Differenzverstärker zur Verstärkung differenzielle Signale. Hierbei ist es ein besonderer Satz des erfindungsgemäßen Konzepts, eine differenzielle Symmetrie einer Last an diesem Differenzverstärker auszunutzen. Insbesondere kann es sich bei der Belastung des Differenzverstärkers um eine symmetrische kapazitiven Belastung handeln. Dabei kann durch das erfindungsgemäße Konzept eine Ladungsrückgewinnung von der Last am Ausgang des Verstärkers erreicht werden. Somit kann die für die Verstärkung erforderliche Leistung in dem Differenzverstärker minimiert werden.The present invention creates an amplifier device for a complete differential amplifier for amplifying differential signals. A special feature of the inventive concept is to exploit a differential symmetry of a load on this differential amplifier. In particular, the load on the differential amplifier can be a symmetrical capacitive load. The inventive concept can achieve charge recovery from the load at the output of the amplifier. The power required for amplification in the differential amplifier can thus be minimized.

Auch wenn der Gegenstand der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf eine Implementierung mittels bipolarer Transistoren beschrieben wird, ist es ebenso möglich die in den verschiedenen Ausführungsformen beschriebenen Ideen und Varianten auf eine MOS-Transistor-Implementierung zu übertragen.Even if the subject matter of the present invention is described with reference to an implementation using bipolar transistors, it is also possible to transfer the ideas and variants described in the various embodiments to a MOS transistor implementation.

Gemäß einer Ausführungsform sind der dritte Spannungsversorgungsanschluss und der zweite Spannungsversorgungsanschluss an einem dritten Knotenpunkt elektrisch miteinander verbunden. Insbesondere kann an diesem dritten Knotenpunkt als zweite Versorgungsspannung eine Gleichtaktspannung bereitgestellt werden, die in etwa Hälfte der elektrischen Spannung an dem ersten Spannungsversorgungsanschluss entspricht. Ferner kann die Verstärkervorrichtung in dieser Ausführungsform einen ersten Kondensator umfassen, der zwischen dem dritten Knotenpunkt und dem vierten Spannungsversorgungsanschluss, also dem Bezugspotential angeordnet ist. Auf diese Weise kann eine besonders einfache Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verstärkervorrichtung realisiert werden.According to one embodiment, the third voltage supply connection and the second voltage supply connection are electrically connected to one another at a third node. In particular, a common-mode voltage can be provided at this third node as the second supply voltage, which corresponds to approximately half the electrical voltage at the first voltage supply connection. Furthermore, the amplifier device in this embodiment can comprise a first capacitor, which is arranged between the third node and the fourth voltage supply connection, i.e. the reference potential. In this way, a particularly simple embodiment of the amplifier device according to the invention can be realized.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist zwischen dem dritten Spannungsversorgungsanschluss und dem zweiten Spannungsversorgungsanschluss eine potentialfreie Spannungsquelle angeordnet. In diesem Fall kann als zweite Versorgungsspannung an dem dritten Spannungsversorgungsanschluss eine elektrische Spannung bereitgestellt werden, die kleiner ist als die Gleichtaktspannung bzw. die Hälfte der elektrischen Spannung an dem ersten Spannungsversorgungsanschluss. Hierbei kann durch die potentialfreie Spannungsquelle an dem zweiten Spannungsversorgungsanschluss eine elektrische Spannung bereitgestellt werden, die höher ist als die Gleichtaktspannung bzw. die Hälfte der elektrischen Spannung an dem ersten Spannungsversorgungsanschluss. Insbesondere kann durch die potentialfreie Spannungsquelle eine elektrische Spannung bereitgestellt werden, sodass eine Differenz zwischen Gleichtaktspannung und der elektrischen Spannung an dem dritten Spannungsversorgungsanschluss einer Differenz entspricht zwischen dem zweiten Spannungsversorgungsanschluss und der Gleichtaktspannung.According to an alternative embodiment, a potential-free voltage source is arranged between the third voltage supply connection and the second voltage supply connection. In this case, an electrical voltage that is lower than the common mode voltage or half the electrical voltage at the first voltage supply connection can be provided as the second supply voltage at the third voltage supply connection. In this case, an electrical voltage that is higher than the common mode voltage or half the electrical voltage at the first voltage supply connection can be provided by the potential-free voltage source at the second voltage supply connection. In particular, an electrical voltage can be provided by the potential-free voltage source such that a difference between the common mode voltage and the electrical voltage at the third power supply terminal corresponds to a difference between the second power supply terminal and the common mode voltage.

Gemäß einer Ausführungsform der Verstärkervorrichtung mit der potentialfreien Spannungsquelle ist zwischen dem zweiten Spannungsversorgungsanschluss und dem dritten Spannungsversorgungsanschluss ein zweiter Kondensator angeordnet. Hierdurch können die Spannungsverhältnisse an den Spannungsversorgungsanschlüssen stabilisiert werden.According to one embodiment of the amplifier device with the potential-free voltage source, a second capacitor is arranged between the second voltage supply connection and the third voltage supply connection. This allows the voltage conditions at the voltage supply connections to be stabilized.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zwischen dem zweiten Spannungsversorgungsanschluss und dem vierten Spannungsversorgungsanschluss ein dritter Kondensator angeordnet. Auch hierdurch können die Spannungsverhältnisse stabilisiert werden.According to a further embodiment, a third capacitor is arranged between the second voltage supply connection and the fourth voltage supply connection. This also allows the voltage conditions to be stabilized.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zwischen dem dritten Spannungsversorgungsanschluss und dem vierten Spannungsversorgungsanschluss ein vierter Kondensator angeordnet.According to a further embodiment, a fourth capacitor is arranged between the third voltage supply terminal and the fourth voltage supply terminal.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst die potentialfreie Spannungsquelle eine Ladungspumpe, beispielsweise eine Dickson-Ladungspumpe. Mittels einer solchen Dickson-Ladungspumpe kann auf einfache, zuverlässige Weise eine potentialfreie Spannungsquelle realisiert werden, wie sie zur Stabilisierung der Spannungsdifferenz zwischen dem zweiten und dritten Spannungsversorgungsanschluss erforderlich ist.According to one embodiment, the potential-free voltage source comprises a charge pump, for example a Dickson charge pump. By means of such a Dickson charge pump, a potential-free voltage source can be realized in a simple, reliable manner, as is required for stabilizing the voltage difference between the second and third voltage supply connection.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Verstärkervorrichtung dazu ausgelegt, an dem ersten Ausgangsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss eine kapazitive Last zu treiben. Insbesondere kann hierbei die kapazitive Belastung an dem ersten Ausgangsanschluss und an dem zweiten Ausgangsanschluss zumindest annähernd gleich sein.According to one embodiment, the amplifier device is designed to drive a capacitive load at the first output terminal and the second output terminal. In particular, the capacitive load at the first output terminal and at the second output terminal can be at least approximately the same.

Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.The above embodiments and developments can be combined with one another as desired, provided this makes sense. Further embodiments, developments and implementations of the invention also include combinations of features of the invention described above or below with regard to the exemplary embodiments that are not explicitly mentioned. In particular, the person skilled in the art will also add individual aspects as improvements or additions to the respective basic forms of the invention.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:

  • 1: ein Prinzipschaltbild einer Verstärkervorrichtung;
  • 2: ein Prinzipschaltbild einer Verstärkervorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
  • 3: ein Prinzipschaltbild einer Verstärkervorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform;
  • 4: ein Prinzipschaltbild einer Verstärkervorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
  • 5: ein Prinzipschaltbild einer Verstärkervorrichtung gemäß noch einer weiteren Ausführungsform.
Further features and advantages of the invention are explained below with reference to the figures.
  • 1 : a schematic diagram of an amplifier device;
  • 2 : a schematic diagram of an amplifier device according to an embodiment;
  • 3 : a schematic diagram of an amplifier device according to a further embodiment;
  • 4 : a schematic diagram of an amplifier device according to another embodiment; and
  • 5 : a schematic diagram of an amplifier device according to yet another embodiment.

Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments

1 zeigt ein Prinzipschaltbild einer Verstärkervorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform. Die Verstärkervorrichtung 1 kann zwischen einem ersten Eingangsanschluss I1 und einem zweiten Eingangsanschluss I2 ein differentielles elektrisches Signal bereitgestellt bekommen. Beispielsweise kann dieses differentielle elektrische Signal von einer vorgeschalteten Treiberstufe Tr bereitgestellt werden. Hierbei kann es sich zum Beispiel um ein elektrisches Signal für ein wiederzugebendes Audiosignal handeln. Die Verstärkervorrichtung 1 verstärkt dieses differentielle Signal zwischen dem ersten Eingangsanschluss I1 und dem zweiten Eingangsanschluss I2 und gibt das verstärkte Signal an den Ausgangsanschlüssen 01 und 02 aus. Durch das an den Ausgangsanschlüssen 01 und 02 bereitgestellte Signal kann grundsätzlich eine beliebige Komponente oder nachgeschaltete Schaltung gespeist werden. Beispielsweise kann durch das verstärkte Ausgangssignal zwischen dem ersten Ausgangsanschluss 01 und dem zweiten Ausgangsanschluss 02 ein Schallwandler, insbesondere ein Schallwandler auf Basis eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS) beispielsweise mit einer kapazitiven Membran angesteuert werden. In dem Prinzipschaltbild gemäß 1 ist dies durch die beiden Belastungskapazitäten C_L1 und C_L2 dargestellt. Insbesondere können die beiden kapazitiven Lasten C_L1 und C_L2 zumindest annähernd gleich groß sein. 1 shows a basic circuit diagram of an amplifier device 1 according to an embodiment. The amplifier device 1 can be provided with a differential electrical signal between a first input connection I1 and a second input connection I2. For example, this differential electrical signal can be provided by an upstream driver stage Tr. This can be, for example, an electrical signal for an audio signal to be reproduced. The amplifier device 1 amplifies this differential signal between the first input connection I1 and the second input connection I2 and outputs the amplified signal at the output connections 01 and 02. In principle, any component or downstream circuit can be fed by the signal provided at the output connections 01 and 02. For example, the amplified output signal between the first output connection 01 and the second output connection 02 can be used to control a sound transducer, in particular a sound transducer based on a microelectromechanical system (MEMS), for example with a capacitive membrane. In the basic circuit diagram according to 1 This is represented by the two load capacitances C_L1 and C_L2. In particular, the two capacitive loads C_L1 and C_L2 can be at least approximately the same size.

Die Verstärkervorrichtung 1 kann an einem ersten Spannungsversorgungsanschluss V1 mit einer ersten Spannungsquelle 30 verbunden werden. Diese erste Spannungsquelle 30 kann beispielsweise eine elektrische Spannung bereitstellen, deren Spannungshöhe ausreichend groß ist, um mit einer entsprechenden Sicherheitsreserve eine Verstärkung von Signalen bis zu einer maximal zu erwartenden Amplitude zu erreichen. Ferner kann die Verstärkervorrichtung 1 an einem vierten Spannungsversorgungsanschluss V4 mit einem Bezugspotential verbunden werden. Darüber hinaus ist in der Verstärkervorrichtung 1 ein zweiter Spannungsversorgungsanschluss V2 und ein dritter Spannungsversorgungsanschluss V3 vorgesehen. Insbesondere kann beispielsweise der dritte Spannungsversorgungsanschluss V3 mit einer weiteren, zweiten Spannungsquelle 31 verbunden werden. Wie nachfolgend noch erläutert wird, kann diese zweite Spannungsquelle 31 eine elektrische Spannung bereitstellen, die im Bereich der ausgegebenen Gleichtaktspannung der Verstärkervorrichtung 1 liegt, was im Allgemeinen der halben Spannung der ersten Spannungsquelle 30 entspricht. Alternativ kann durch diese weitere Spannungsquelle 31 auch eine elektrische Spannung bereitgestellt werden, die unterhalb der Gleichtaktspannung, insbesondere in einem Spannungsbereich zwischen Bezugspotential und halber Spannung der ersten Spannungsquelle 30 liegt.The amplifier device 1 can be connected to a first voltage source 30 at a first voltage supply terminal V1. This first voltage source 30 can, for example, provide an electrical voltage whose voltage level is sufficiently high to ensure a voltage amplification of signals up to a maximum expected amplitude. Furthermore, the amplifier device 1 can be connected to a reference potential at a fourth voltage supply connection V4. In addition, a second voltage supply connection V2 and a third voltage supply connection V3 are provided in the amplifier device 1. In particular, for example, the third voltage supply connection V3 can be connected to a further, second voltage source 31. As will be explained below, this second voltage source 31 can provide an electrical voltage that is in the range of the output common-mode voltage of the amplifier device 1, which generally corresponds to half the voltage of the first voltage source 30. Alternatively, this further voltage source 31 can also provide an electrical voltage that is below the common-mode voltage, in particular in a voltage range between the reference potential and half the voltage of the first voltage source 30.

Die Spannungsquelle 31 muss nicht sehr leistungsfähig sein, da aufgrund der Links/Rechts-Symmetrie der Schaltung und im Falle einer kapazitiven Last die Ladungsmenge, die von einer Seite (z. B. vom Ausgangsknoten 01) in den Knoten V3 fließt, zumindest annähernd gleich groß ist wie die Ladung, die aus dem Knoten V3 zur anderen Seite (z. B. in den Knoten 02) fließt.The voltage source 31 does not have to be very powerful because, due to the left/right symmetry of the circuit and in the case of a capacitive load, the amount of charge flowing from one side (e.g. from the output node 01) into the node V3 is at least approximately equal to the charge flowing from the node V3 to the other side (e.g. into the node 02).

Die Verstärkervorrichtung 1 umfasst zwei Verstärkerschaltungen 21 und 22. Jede dieser Verstärkerschaltungen 21 bzw. 22 wird aus vier in Serie geschalteten Transistoren T1 bis T4 bzw. T5 bis T8 gebildet.The amplifier device 1 comprises two amplifier circuits 21 and 22. Each of these amplifier circuits 21 and 22 is formed from four transistors T1 to T4 and T5 to T8 connected in series.

In der ersten Verstärkerschaltung 21 ist ein erster Transistor T1 zwischen dem ersten Spannungsversorgungsanschluss V1 und einem ersten Knotenpunkt K1 angeordnet. Ein zweiter Transistor T2 ist zwischen diesem ersten Knotenpunkt und dem ersten Ausgangsanschluss 01 angeordnet. Ein dritter Transistor T3 ist zwischen dem ersten Ausgangsanschluss 01 und einem zweiten Knotenpunkt K2 angeordnet. Der vierte Transistor T4 schließlich ist zwischen dem zweiten Knotenpunkt K2 und dem vierten Spannungsversorgungsanschluss V4, also dem Bezugspotential angeordnet. Zwischen dem zweiten Spannungsversorgungsanschluss V2 und dem ersten Knotenpunkt K1 ist eine erste Diode D1 angeordnet. Analog ist zwischen dem dritten Spannungsversorgungsanschluss V3 und dem zweiten Knotenpunkt K2 eine zweite Diode D2 in entgegengesetzter Orientierung angeordnet. Die Steueranschlüsse des zweiten Transistors T2 und des dritten Transistors T3 sind mit dem ersten Eingangsanschluss I1 elektrisch gekoppelt. Ferner ist zwischen dem ersten Spannungsversorgungsanschluss V1 und dem ersten Ausgangsanschluss 01 eine Serienschaltung der beiden Bauelemente 11 und 12 angeordnet. Beispielsweise kann es sich bei dem ersten Bauelement 11 um einen elektrischen Widerstand handeln und bei dem zweiten Bauelement 12 um eine Zener-Diode. Der Knotenpunkt zwischen den beiden Bauelementen 11 und 12 kann mit dem Steueranschluss des ersten Transistors T1 verbunden sein. Auf gleiche Weise kann zwischen dem ersten Ausgangsanschluss 01 und dem vierten Spannungsversorgungsanschluss V4, also dem Bezugspotential eine Serienschaltung der beiden Bauelemente 13 und 14 vorgesehen sein. Hierbei kann es sich beispielsweise bei dem dritten Bauelement 13 um eine Diode, insbesondere eine Zener-Diode handeln und bei dem vierten Bauelement 14 um einen elektrischen Widerstand oder Ähnliches. Der Knotenpunkt zwischen den beiden Bauelementen 13 und 14 kann mit dem Steueranschluss des vierten Transistors T4 verbunden sein.In the first amplifier circuit 21, a first transistor T1 is arranged between the first voltage supply connection V1 and a first node K1. A second transistor T2 is arranged between this first node and the first output connection O1. A third transistor T3 is arranged between the first output connection O1 and a second node K2. Finally, the fourth transistor T4 is arranged between the second node K2 and the fourth voltage supply connection V4, i.e. the reference potential. A first diode D1 is arranged between the second voltage supply connection V2 and the first node K1. Similarly, a second diode D2 is arranged in the opposite orientation between the third voltage supply connection V3 and the second node K2. The control connections of the second transistor T2 and the third transistor T3 are electrically coupled to the first input connection I1. Furthermore, a series connection of the two components 11 and 12 is arranged between the first voltage supply connection V1 and the first output connection O1. For example, the first component 11 can be an electrical resistor and the second component 12 a Zener diode. The node between the two components 11 and 12 can be connected to the control terminal of the first transistor T1. In the same way, a series connection of the two components 13 and 14 can be provided between the first output terminal 01 and the fourth voltage supply terminal V4, i.e. the reference potential. In this case, for example, the third component 13 can be a diode, in particular a Zener diode, and the fourth component 14 can be an electrical resistor or similar. The node between the two components 13 and 14 can be connected to the control terminal of the fourth transistor T4.

Die zweite Verstärkerschaltung 22 ist analog zu der ersten Verstärkerschaltung 21 aufgebaut und umfasst die vier Transistoren T5 bis T8 sowie die beiden Dioden D3 und D4. Der fünfte Transistor T5 ist zwischen dem ersten Spannungsversorgungsanschluss V1 und einem dritten Knotenpunkt K3 angeordnet. Der sechste Transistor T6 ist zwischen dem dritten Knotenpunkt K3 und dem zweiten Ausgangsanschluss 02 angeordnet. Der siebte Transistor T7 ist zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss 02 und einem vierten Knotenpunkt K4 angeordnet. Der achte Transistor T8 ist zwischen dem vierten Knotenpunkt K4 und dem vierten Spannungsversorgungsanschluss V4, also dem Bezugspotential angeordnet. Zwischen dem zweiten Spannungsversorgungsanschluss V2 und dem dritten Knotenpunkt K3 ist eine dritte Diode D3 angeordnet. Analog ist zwischen dem dritten Spannungsversorgungsanschluss V3 und dem vierten Knotenpunkt K4 eine vierte Diode D4 angeordnet, die umgekehrt zu der dritten Diode D3 orientiert ist. Die Steueranschlüsse des sechsten Transistors T6 und des siebten Transistors T7 sind mit dem zweiten Eingangsanschluss I2 gekoppelt. Ferner ist zwischen dem ersten Spannungsversorgungsanschluss V1 und dem zweiten Ausgangsanschluss 02 eine Serienschaltung der Bauelemente 15 und 16 angeordnet. Der Knotenpunkt zwischen den beiden Bauelementen 15 und 16 ist mit dem Steueranschluss des fünften Transistors T5 verbunden. Weiter ist zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss 02 und dem vierten Spannungsversorgungsanschluss V4, also dem Bezugspotential die Serienschaltung aus den beiden Bauelementen 17 und 18 angeordnet, wobei der Knotenpunkt zwischen den Bauelementen 17 und 18 mit dem Steueranschluss des achten Transistors T8 verbunden ist.The second amplifier circuit 22 is constructed analogously to the first amplifier circuit 21 and comprises the four transistors T5 to T8 and the two diodes D3 and D4. The fifth transistor T5 is arranged between the first voltage supply connection V1 and a third node K3. The sixth transistor T6 is arranged between the third node K3 and the second output connection O2. The seventh transistor T7 is arranged between the second output connection O2 and a fourth node K4. The eighth transistor T8 is arranged between the fourth node K4 and the fourth voltage supply connection V4, i.e. the reference potential. A third diode D3 is arranged between the second voltage supply connection V2 and the third node K3. Similarly, a fourth diode D4 is arranged between the third voltage supply connection V3 and the fourth node K4, which is oriented in the opposite direction to the third diode D3. The control connections of the sixth transistor T6 and the seventh transistor T7 are coupled to the second input connection I2. Furthermore, a series circuit of the components 15 and 16 is arranged between the first voltage supply connection V1 and the second output connection O2. The node between the two components 15 and 16 is connected to the control connection of the fifth transistor T5. Furthermore, the series circuit of the two components 17 and 18 is arranged between the second output connection O2 and the fourth voltage supply connection V4, i.e. the reference potential, wherein the node between the components 17 and 18 is connected to the control connection of the eighth transistor T8.

Diese vorbeschriebene Grundform einer Verstärkervorrichtung 1 zur Verstärkung von differentiellen Signalen bildet die Basis für die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen von Verstärkervorrichtungen 1 gemäß der vorliegenden Erfindung.This above-described basic form of an amplifier device 1 for amplifying differential signals forms the basis for the embodiments of amplifier devices 1 according to the present invention described below.

2 zeigt eine schematische Darstellung einer Verstärkervorrichtung 1 zur Verstärkung von differentiellen Eingangssignalen gemäß einer Ausführungsform. In dieser Ausführungsform ist zwischen dem zweiten Spannungsversorgungsanschluss V2 und dem dritten Spannungsversorgungsanschluss V3 eine potentialfreie Spannungsquelle 20 vorgesehen. Grundsätzlich können hierbei beliebige geeignete Konzepte für die Realisierung einer potentialfreien Spannungsquelle vorgesehen sein. Zum Beispiel kann als potentialfreie Spannungsquelle 20 eine Dickson-Ladungspumpe eingesetzt werden, wie sie nachfolgend noch näher erläutert wird. 2 shows a schematic representation of an amplifier device 1 for amplifying differential input signals according to an embodiment. In this embodiment, a potential-free voltage source 20 is provided between the second voltage supply connection V2 and the third voltage supply connection V3. In principle, any suitable concepts for the implementation of a potential-free voltage source can be provided here. For example, a Dickson charge pump can be used as the potential-free voltage source 20, as will be explained in more detail below.

Weiterhin ist zwischen dem dritten Spannungsversorgungsanschluss V3 und dem vierten Spannungsversorgungsanschluss V4, also dem Bezugspotential ein erster Kondensator C1 angeordnet, und zwischen dem zweiten Spannungsversorgungsanschluss V2 und dem vierten Spannungsversorgungsanschluss V4, also dem Bezugspotential ist ein zweiter Kondensator C2 angeordnet.Furthermore, a first capacitor C1 is arranged between the third voltage supply terminal V3 and the fourth voltage supply terminal V4, i.e. the reference potential, and a second capacitor C2 is arranged between the second voltage supply terminal V2 and the fourth voltage supply terminal V4, i.e. the reference potential.

An dem ersten Spannungsversorgungsanschluss V1 kann eine ausreichend hohe elektrische Spannung bereitgestellt werden, um auch die maximal zu erwartenden Amplituden des differentiellen Eingangssignals verstärken zu können. An dem dritten Spannungsversorgungsanschluss V3 kann darüber hinaus von einer weiteren Spannungsquelle 31 eine elektrische Spannung bereitgestellt werden, die unterhalb der von der Verstärkervorrichtung 1 ausgegebenen Gleichtaktspannung liegt.A sufficiently high electrical voltage can be provided at the first voltage supply terminal V1 in order to be able to amplify the maximum expected amplitudes of the differential input signal. At the third voltage supply terminal V3, an electrical voltage can also be provided by a further voltage source 31 which is below the common mode voltage output by the amplifier device 1.

Die potentialfreie Spannungsquelle 20 kann die elektrische Spannung von der zweiten Spannungsquelle 31 anheben, sodass an dem zweiten Spannungsversorgungsanschluss V2 eine elektrische Spannung oberhalb der von der Verstärkervorrichtung 1 ausgegebenen Gleichtaktspannung an dem zweiten Spannungsversorgungsanschluss V2 bereitgestellt wird.The potential-free voltage source 20 can increase the electrical voltage from the second voltage source 31 so that an electrical voltage above the common-mode voltage output by the amplifier device 1 is provided at the second voltage supply terminal V2.

Wenn die Verstärkervorrichtung 1 den ersten Ausgangsanschluss 01 von einer minimalen Spannung, die nahe dem Bezugspotential zuzüglich einer geringen Reserve von beispielsweise 1V liegt, auf die Maximalspannung treibt, die nahe dem Spannungsniveau der ersten Versorgung 30 abzüglich einer geringen Reserve von beispielsweise -1V liegt, treibt sie gleichzeitig den zweiten Ausgangsanschluss 02 von der Maximalspannung auf die Minimalspannung. Entsprechend wird eine kapazitive Last C_L1 am ersten Ausgangsanschluss 01 geladen, während eine kapazitive Last C_L2 am zweiten Ausgangsanschluss 02 entladen wird. In dem Zeitintervall, in dem die Spannung über der kapazitive Last C_L1 am ersten Ausgangsanschluss 01 niedriger ist als die Spannung an V2, wird die gesamte von C_L2 entnommene Ladung mit Hilfe der potentialfreien Spannungsquelle 20 auf C_L1 übertragen.When the amplifier device 1 drives the first output terminal 01 from a minimum voltage, which is close to the reference potential plus a small reserve of, for example, 1V, to the maximum voltage, which is close to the voltage level of the first supply 30 minus a small reserve of, for example, -1V, it simultaneously drives the second output terminal 02 from the maximum voltage to the minimum voltage. Accordingly, a capacitive load C_L1 at the first output terminal 01 is charged, while a capacitive load C_L2 at the second output terminal 02 is discharged. In the time interval in which the voltage across the capacitive load C_L1 at the first output terminal 01 is lower than the voltage at V2, the entire charge drawn from C_L2 is transferred to C_L1 by means of the potential-free voltage source 20.

In analoger Weise kann auch bei entsprechenden Spannungsverhältnissen , in dem die Spannung über der kapazitive Last C_L1 am ersten Ausgangsanschluss 01 höher ist als die Spannung an V2, wird die gesamte von C_L1 entnommene Ladung mit Hilfe der potentialfreien Spannungsquelle 20 auf C_L2 übertragen werden.In an analogous manner, under corresponding voltage conditions, in which the voltage across the capacitive load C_L1 at the first output terminal 01 is higher than the voltage at V2, the entire charge taken from C_L1 will be transferred to C_L2 with the aid of the potential-free voltage source 20.

Liegt an dem ersten Ausgangsanschluss 01 eine Spannung über der Last C_L1 an, die größer ist als die Spannung an dem zweiten Spannungsversorgungspunkt V2, während die Spannung an dem zweiten Ausgangsanschluss 02 geringer ist als die Spannung an dem dritten Spannungsversorgungspunkt V3, wird der erste Ausgangsanschluss 01 vollständig von dem ersten Spannungsversorgungspunkt V1 gespeist, während der zweite Ausgangsanschluss 02 vollständig von dem Bezugspotenzial am vierten Spannungsversorgungsanschluss V4gespeist wird. Analoges gilt auch bei umgekehrter Richtung, wenn an dem zweiten Ausgangsanschluss 02 eine Spannung über der Last C_L2 anliegt, die größer ist als die Spannung an dem zweiten Spannungsversorgungspunkt V2, während die Spannung an dem ersten Ausgangsanschluss 02 geringer ist als die Spannung an dem dritten Spannungsversorgungspunkt V3.If a voltage is present at the first output terminal 01 across the load C_L1 that is greater than the voltage at the second voltage supply point V2, while the voltage at the second output terminal 02 is less than the voltage at the third voltage supply point V3, the first output terminal 01 is completely fed by the first voltage supply point V1, while the second output terminal 02 is completely fed by the reference potential at the fourth voltage supply terminal V4. The same applies in the opposite direction if a voltage is present at the second output terminal 02 across the load C_L2 that is greater than the voltage at the second voltage supply point V2, while the voltage at the first output terminal 02 is less than the voltage at the third voltage supply point V3.

3 zeigt ein Prinzipschaltbild einer Verstärkervorrichtung 1 gemäß einer alternativen Ausführungsform. Die Ausführungsform gemäß 3 unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen Ausführungsform insbesondere dadurch, dass anstelle des ersten Kondensators C1 und des zweiten Kondensators C2, die jeweils mit dem Bezugspotential, d.h. dem vierten Spannungsversorgungsanschluss V4 verbunden sind. Ferner ist in diesem Fall ein dritter Kondensator C3 zwischen dem zweiten Spannungsversorgungsanschluss V2 und dem dritten Spannungsversorgungsanschluss V3 vorgesehen. Ein solcher dritter Kondensator C3 muss dabei lediglich auf die Spannungsdifferenz zwischen dem zweiten Spannungsversorgungsanschluss V2 und dem dritten Spannungsversorgungsanschluss V3, also der elektrischen Spannung über der potentialfreien Spannungsquelle 20 ausgelegt sein. 3 shows a schematic diagram of an amplifier device 1 according to an alternative embodiment. The embodiment according to 3 differs from the previously described embodiment in particular in that instead of the first capacitor C1 and the second capacitor C2, which are each connected to the reference potential, ie the fourth voltage supply connection V4. Furthermore, in this case a third capacitor C3 is provided between the second voltage supply connection V2 and the third voltage supply connection V3. Such a third capacitor C3 only has to be designed for the voltage difference between the second voltage supply connection V2 and the third voltage supply connection V3, i.e. the electrical voltage across the potential-free voltage source 20.

Optional kann zwischen dem dritten Spannungsversorgungsanschluss V3 und dem vierten Spannungsversorgungsanschluss V4, also dem Bezugspotential ebenfalls ein Kondensator, beispielsweise der erste Kondensator C1 vorgesehen sein.Optionally, a capacitor can also be connected between the third power supply terminal V3 and the fourth power supply terminal V4, i.e. the reference potential, at For example, the first capacitor C1 can be provided.

Als potenzialfreie Spannungsquelle können beispielsweise Schaltungsanordnungen in Form von Ladungspumpen oder ähnlichem eingesetzt werden. Zum Beispiel kann als eine solche Ladung. Je eine sogenannte Dickson-Ladungspumpe genutzt werden. Da deren grundlegendes Schaltungsprinzip als bekannt angesehen werden kann, wird auf weitergehende Details hierzu verzichtet. Soll verständig sind darüber hinaus auch beliebige andere geeignete Ladungspumpen-Schaltungen oder andere Schaltungen zur Bereitstellung einer potenzialfreien Spannungsquelle möglich.Circuit arrangements in the form of charge pumps or similar can be used as a potential-free voltage source. For example, a so-called Dickson charge pump can be used as such a charge. Since its basic circuit principle can be considered to be known, further details are omitted. In addition, any other suitable charge pump circuits or other circuits for providing a potential-free voltage source are also possible.

4 zeigt ein Prinzipschaltbild einer Verstärkervorrichtung 1 gemäß einer alternativen Ausführungsform. 4 shows a schematic diagram of an amplifier device 1 according to an alternative embodiment.

Die Ausführungsform gemäß 4 unterscheidet sich von den zuvor beschriebenen Ausführungsformen insbesondere dadurch, dass der zweite Spannungsversorgungsanschluss V2 und der dritte Spannungsversorgungsanschluss V3 elektrisch miteinander verbunden, also sozusagen kurzgeschlossen sind. An dem dritten Spannungsversorgungsanschluss V3 bzw. dem zweiten Spannungsversorgungsanschluss V2 kann dabei durch die zweiten Spannungsquelle 31 eine elektrische Spannung in der Höhe der Gleichtaktspannung bzw. der halben elektrischen Spannung von der ersten Spannungsquelle 30 bereitgestellt werden. Der zweite bzw. dritte Spannungsversorgungsanschluss V2, V3 ist über einen Kondensator C1 mit dem vierten Spannungsversorgungsanschluss V4 bzw. dem Bezugspotential verbunden. Auf diese Weise kann eine besonders einfache Variante der erfindungsgemäßen Verstärkervorrichtung 1 realisiert werden.The embodiment according to 4 differs from the previously described embodiments in particular in that the second voltage supply connection V2 and the third voltage supply connection V3 are electrically connected to one another, i.e. are short-circuited, so to speak. An electrical voltage of the same level as the common-mode voltage or half the electrical voltage from the first voltage source 30 can be provided by the second voltage source 31 at the third voltage supply connection V3 or the second voltage supply connection V2. The second or third voltage supply connection V2, V3 is connected to the fourth voltage supply connection V4 or the reference potential via a capacitor C1. In this way, a particularly simple variant of the amplifier device 1 according to the invention can be realized.

Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Verstärkervorrichtung 1 können auch in beliebiger geeigneter Weise abgewandelt bzw. kombiniert werden.The previously described embodiments of the amplifier device 1 can also be modified or combined in any suitable manner.

5 schließlich zeigt beispielsweise eine Kombination der zuvor beschriebenen Varianten. 5 Finally, for example, a combination of the previously described variants is shown.

Die erste und zweite Verstärkerschaltung 21, 22 umfassen dabei jeweils eine Serienschaltung aus jeweils sechs Transistoren T1, T2a, T2b, T3a, T3b und T4 bzw. T5, T6a, T6b, T7a, T7b und T8.The first and second amplifier circuits 21, 22 each comprise a series circuit of six transistors T1, T2a, T2b, T3a, T3b and T4 or T5, T6a, T6b, T7a, T7b and T8.

Wie aus 5 dabei zu erkennen ist, wird an einem mittleren Spannungsversorgungsanschluss V5 eine elektrische Spannung in Höhe einer Gleichtaktspannung, also in etwa der halben elektrischen Spannung der Spannung am ersten Spannungsversorgungsanschluss V1 bereitgestellt. Ferner wird an dem dritten Spannungsversorgungsanschluss V3 eine elektrische Spannung bereitgestellt, die etwas geringer ist als die Gleichtaktspannung bzw. die halbe elektrische Spannung am ersten Spannungsversorgungsanschluss V1. Dabei ist zwischen dem zweiten Spannungsversorgungsanschluss V2 und dem dritten Spannungsversorgungsanschluss V3 die potentialfreie Spannungsquelle 20 angeordnet. Durch eine solche erweiterte Verstärkervorrichtung 1 kann die Effizienz der Verstärkung der differentiellen Signale noch weiter gesteigert werden.As from 5 As can be seen, an electrical voltage at the level of a common-mode voltage, i.e. approximately half the electrical voltage of the voltage at the first voltage supply connection V1, is provided at a middle voltage supply connection V5. Furthermore, an electrical voltage is provided at the third voltage supply connection V3 which is slightly lower than the common-mode voltage or half the electrical voltage at the first voltage supply connection V1. The potential-free voltage source 20 is arranged between the second voltage supply connection V2 and the third voltage supply connection V3. The efficiency of the amplification of the differential signals can be increased even further by means of such an extended amplifier device 1.

Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine Verstärkervorrichtung zur Verstärkung von differentiellen Signalen mittels des Prinzips eines Klasse G-Verstärkers. Der erfindungsgemäße Verstärker eignet sich besonders zur Verstärkung von differentiellen Signalen zum Betreiben eines Schallwandlers, insbesondere eines Schallwandlers auf Basis eines mikroelektromechanischen Systems mit kapazitiven Membranen.In summary, the present invention relates to an amplifier device for amplifying differential signals using the principle of a class G amplifier. The amplifier according to the invention is particularly suitable for amplifying differential signals for operating a sound transducer, in particular a sound transducer based on a microelectromechanical system with capacitive membranes.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 2582156 A2 [0003]EP 2582156 A2 [0003]

Claims (9)

Verstärkervorrichtung (1) zum Verstärken eines differentiellen Signal, mit: einem ersten Eingangsanschluss (I1) und einem zweiten Eingangsanschluss (12), wobei der erste Eingangsanschluss (I1) und der zweite Eingangsanschluss (12) dazu jeweils ausgelegt sind, mit korrespondierenden Anschlüssen einer Signalquelle des zu verstärkenden differentiellen Signals verbunden zu werden; einem ersten Spannungsversorgungsanschluss (V1), der dazu ausgelegt ist, mit einer ersten Versorgungsspannung (30) verbunden zu werden; einem zweiten Spannungsversorgungsanschluss (V2); einem dritten Spannungsversorgungsanschluss (V3), der dazu ausgelegt ist, mit einer zweiten Versorgungsspannung (31) verbunden zu werden, wobei der dritte Spannungsversorgungsanschluss (V3) und der zweite Spannungsversorgungsanschluss (V2) entweder elektrisch miteinander verbunden sind oder über eine potentialfreie Spannungsquelle (20) miteinander elektrisch gekoppelt sind; einem vierten Spannungsversorgungsanschluss (V4), der dazu ausgelegt ist, mit einem Bezugspotential verbunden zu werden; einer ersten Verstärkerschaltung (21), mit einem ersten Transistor (T1), der zwischen dem ersten Spannungsversorgungsanschluss (V1) und einem ersten Knotenpunkt (K1) angeordnet ist, einem zweiten Transistor (T2), der zwischen dem ersten Knotenpunkt (K1) und einem ersten Ausgangsanschluss (01) angeordnet ist, einem dritten Transistor (T3), der zwischen dem ersten Ausgangsanschluss (01) und einem zweiten Knotenpunkt (K2) angeordnet ist, einem vierten Transistor (T4), der zwischen dem zweiten Knotenpunkt (K2) und dem vierten Spannungsversorgungsanschluss (V4) angeordnet ist, einer ersten Diode (D1), die zwischen dem zweiten Spannungsversorgungsanschluss (V2) und dem ersten Knotenpunkt (K1) angeordnet ist, einer zweiten Diode (D2), die zwischen dem dritten Spannungsversorgungsanschluss (V3) und dem zweiten Knotenpunkt (K2) angeordnet ist; und einer zweiten Verstärkerschaltung (22), mit einem fünften Transistor (T5), der zwischen dem ersten Spannungsversorgungsanschluss (V1) und einem dritten Knotenpunkt (K3) angeordnet ist, einem sechsten Transistor (T6), der zwischen dem dritten Knotenpunkt (K3) und einem zweiten Ausgangsanschluss (02) angeordnet ist, einem siebten Transistor (T7), der zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss (02) und einem vierten Knotenpunkt (K4) angeordnet ist, einem achten Transistor (T8), der zwischen dem vierten Knotenpunkt (K4) und dem vierten Spannungsversorgungsanschluss (V4) angeordnet ist, einer dritten Diode (D3), die zwischen dem zweiten Spannungsversorgungsanschluss (V2) und dem dritten Knotenpunkt (K3) angeordnet ist, einer vierten Diode (D4), die zwischen dem dritten Spannungsversorgungsanschluss (V3) und dem vierten Knotenpunkt (K4) angeordnet ist, wobei der erste Eingangsanschluss (I1) mit Steueranschlüssen des zweiten Transistors (T2) und des dritten Transistors (T3) gekoppelt ist, und der zweite Eingangsanschluss (12) mit Steueranschlüssen des sechsten Transistors (T6) und des siebten Transistors (T7) gekoppelt ist.Amplifier device (1) for amplifying a differential signal, comprising: a first input terminal (I1) and a second input terminal (12), wherein the first input terminal (I1) and the second input terminal (12) are each designed to be connected to corresponding terminals of a signal source of the differential signal to be amplified; a first voltage supply terminal (V1) designed to be connected to a first supply voltage (30); a second voltage supply terminal (V2); a third voltage supply terminal (V3) designed to be connected to a second supply voltage (31), wherein the third voltage supply terminal (V3) and the second voltage supply terminal (V2) are either electrically connected to one another or are electrically coupled to one another via a potential-free voltage source (20); a fourth voltage supply terminal (V4) designed to be connected to a reference potential; a first amplifier circuit (21) with a first transistor (T1) arranged between the first voltage supply terminal (V1) and a first node (K1), a second transistor (T2) arranged between the first node (K1) and a first output terminal (01), a third transistor (T3) arranged between the first output terminal (01) and a second node (K2), a fourth transistor (T4) arranged between the second node (K2) and the fourth voltage supply terminal (V4), a first diode (D1) arranged between the second voltage supply terminal (V2) and the first node (K1), a second diode (D2) arranged between the third voltage supply terminal (V3) and the second node (K2); and a second amplifier circuit (22), with a fifth transistor (T5) arranged between the first voltage supply terminal (V1) and a third node (K3), a sixth transistor (T6) arranged between the third node (K3) and a second output terminal (02), a seventh transistor (T7) arranged between the second output terminal (02) and a fourth node (K4), an eighth transistor (T8) arranged between the fourth node (K4) and the fourth voltage supply terminal (V4), a third diode (D3) arranged between the second voltage supply terminal (V2) and the third node (K3), a fourth diode (D4) arranged between the third voltage supply terminal (V3) and the fourth node (K4), wherein the first input terminal (I1) is coupled to control terminals of the second transistor (T2) and the third transistor (T3), and the second input terminal (12) is coupled to control terminals of the sixth transistor (T6) and the seventh transistor (T7). Verstärkervorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei der dritte Spannungsversorgungsanschluss (V3) und der zweite Spannungsversorgungsanschluss (V2) an einem dritten Knotenpunkt elektrisch miteinander verbunden sind, wobei die Verstärkervorrichtung (1) einen ersten Kondensator (C1) umfasst, der zwischen dem dritten Knotenpunkt und dem vierten Spannungsversorgungsanschluss (V4) angeordnet ist, und wobei die zweite Versorgungsspannung (31) dazu ausgelegt ist, eine Gleichtaktspannung bereitzustellen, die in etwa der Hälfte einer elektrischen Spannung der ersten Versorgungspannung (30) entspricht.Amplifier device (1) according to Claim 1 , wherein the third voltage supply terminal (V3) and the second voltage supply terminal (V2) are electrically connected to one another at a third node, wherein the amplifier device (1) comprises a first capacitor (C1) arranged between the third node and the fourth voltage supply terminal (V4), and wherein the second supply voltage (31) is designed to provide a common mode voltage which corresponds approximately to half an electrical voltage of the first supply voltage (30). Verstärkervorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei zwischen dem dritten Spannungsversorgungsanschluss (V3) und dem zweiten Spannungsversorgungsanschluss (V2) eine potentialfreie Spannungsquelle (20) angeordnet ist, und wobei die zweite Versorgungsspannung (31) dazu ausgelegt ist, eine elektrische bereitzustellen, die in kleiner ist als die Hälfte einer elektrischen Spannung der ersten Versorgungspannung (30).Amplifier device (1) according to Claim 1 , wherein a potential-free voltage source (20) is arranged between the third voltage supply terminal (V3) and the second voltage supply terminal (V2), and wherein the second supply voltage (31) is designed to provide an electrical voltage which is less than half an electrical voltage of the first supply voltage (30). Verstärkervorrichtung (1) nach Anspruch 3, mit einen zweiten Kondensator (C3), der zwischen dem zweiten Spannungsversorgungsanschluss (V2) und dem dritten Spannungsversorgungsanschluss (V3) angeordnet ist.Amplifier device (1) according to Claim 3 , with a second capacitor (C3) arranged between the second voltage supply terminal (V2) and the third voltage supply terminal (V3). Verstärkervorrichtung (1) nach Anspruch 3 oder 4, mit einen dritten Kondensator (C2), der zwischen dem zweiten Spannungsversorgungsanschluss (V2) und dem vierten Spannungsversorgungsanschluss (V4) angeordnet istAmplifier device (1) according to Claim 3 or 4 , with a third capacitor (C2) arranged between the second voltage supply terminal (V2) and the fourth voltage supply terminal (V4) Verstärkervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, mit einem weiteren Kondensator (C1), der zwischen dem dritten Spannungsversorgungsanschluss (V3) und dem vierten Spannungsversorgungsanschluss (V4) angeordnet ist.Amplifier device (1) according to one of the Claims 3 until 5 , with a further capacitor (C1) arranged between the third voltage supply terminal (V3) and the fourth voltage supply terminal (V4). Verstärkervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei die potentialfreie Spannungsquelle eine Dickson-Ladungspumpe umfasst.Amplifier device (1) according to one of the Claims 3 until 6 , wherein the potential-free voltage source comprises a Dickson charge pump. Schallerzeugungssystem, mit: einen mikroelektromechanischen Schallerzeuger; und einer Verstärkervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7; wobei der Schallerzeuger mit den Ausgangsanschlüssen (01, 02) der Verstärkervorrichtung (1) elektrisch gekoppelt ist.Sound generating system, comprising: a microelectromechanical sound generator; and an amplifier device (1) according to one of the Claims 1 until 7 ; wherein the sound generator is electrically coupled to the output terminals (01, 02) of the amplifier device (1). Schallerzeugungssystem nach Anspruch 8, wobei der Schallerzeuger ein mikroelektromechanisches System mit einer elektrostatisch angesteuerten Membrane umfasst.Sound generation system according to Claim 8 , wherein the sound generator comprises a microelectromechanical system with an electrostatically controlled membrane.
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