DE112018002548T5 - Vergleicher mit invertierenden operationsverstärkern - Google Patents

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Abstract

Eine Schaltung kann eine erste Stromquelle, eine zweite Stromquelle und einen differentiellen invertierenden Operationsverstärker, welcher elektrisch zwischen die erste Stromquelle und die zweite Stromquelle gekoppelt ist, umfassen. Der differentielle invertierende Operationsverstärker kann eine Vielzahl von Lastwiderständen und eine Vielzahl von als Diode geschalteten Metalloxidhalbleitern (MOS) als Begrenzer aufweisen, um den Ausgangshub zu begrenzen und Gleichtaktstörungen zu minimieren.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Offenbarung bezieht sich auf elektrische Verstärkerschaltungen und insbesondere auf einen Vergleicher mit invertierenden Operationsverstärkern.
  • HINTERGRUND
  • Bestimmte herkömmliche Architekturen sind auf rauscharme und schnell arbeitende differentielle Verstärker ausgelegt, die als ein einfaches differentielles Paar mit Lastwiderständen und einer Topologie aus differentiellen, invertierenden Operationsverstärkern wirken. Für rauscharme und schnell arbeitende Anwendungen mag Einfachheit nützlich sein, da eine zusätzliche Komplexität das Rauschverhalten und/oder die Bandbreite verschlechtern kann. Für tragbare, über Batterie betriebene Geräte kann es hilfreich sein, den verfügbaren Strom effizient zu nutzen.
  • 1 illustriert ein Beispiel einer herkömmlichen Topologie 100, welche ein differentielles Paar an Metalloxidhalbleitern („metal oxide semiconductor“, MOS) für verstärkende und Ohmsche Lasten einsetzt. Diese Schaltung sorgt für geringes Rauschen, eine akzeptable Verstärkung und eine hohe Bandbreite. 2 illustriert die Leistungsfähigkeit 200 der in 1 dargestellten Topologie 100 hinsichtlich des Wechselstroms (AC), des Rauschens und des Ansprechverhaltens für die gezeigte Gerätegröße und -technologie.
  • Während ein differentielles Paar mit Lastwiderständen eine rauscharme Topologie darstellt, können Verstärkertopologien eingesetzt werden, welche sowohl auf MOS mit negativem Kanal (NMOS) als auch auf MOS mit positivem Kanal (PMOS) beruhende Konfigurationen differentieller Paare nutzen. Diese Topologien von invertierenden Operationsverstärkern können für eine Verbesserung des Leistungsverhaltens sorgen, da der Vorspannungsstrom zur Erzeugung der Verstärkung (gm) sowohl im NMOS-Paar als auch im PMOS-Paar genutzt wird. 3 illustriert ein Beispiel einer herkömmlichen Topologie differentieller invertierender Operationsverstärker 300, in der der Vorspannungsstrom sowohl durch das differentielle NMOS-Paar als auch durch das differentielle PMOS-Paar fließt, was die verfügbare gm für geeignet optimierte Gerätegrößen effektiv verdoppelt. Eine Nachbildungsvorspannungsschaltung wird dazu eingesetzt, die NMOS- und PMOS-Vorspannungsströme einzustellen. Hierbei wird vcm von extern auf vdd/2 gesetzt und die Nachbildungsvorspannungsschaltung passt sich so an, dass die Gates der PMOS- und NMOS-Stromquellen ebenfalls auf vdd liegen.
  • Der in 3 dargestellte differentielle invertierende Operationsverstärker 300 kann in einer hohen, Signal begrenzenden Stufe wie etwa dem Taktpuffer in der Referenz eingesetzt werden. Dabei treten jedoch erhebliche Probleme auf, die solch ein System für eine schnell arbeitende rauscharme Verstärkerstufe und ein Eingangssignal mit einem großen dynamischen Eingangsbereich ungeeignet machen. Der Vergleicher für einen Analog-zu-Digital-Wandler (ADC) mit schrittweisen Annäherungsregistern („Successive Approximation Register“, SAR) ist eine solcher Anwendungen.
  • 4 zeigt Ergebnisse 400, die zeigen, dass die Ausgangsgleichtaktspannung bei etwa 850 mV liegt, verglichen mit einer erwünschten Ausgangsgleichtaktspannung von vcm = vdd/2. Da die Gates beider NMOS- und PMOS-Stromquellen über einen in 4 mit vgn bezeichneten Knoten miteinander verbunden sind, beträgt die Spannung knapp die Hälfte von vdd. Das macht die Schaltung empfindlich gegenüber Geräteparametern und schwierig bei der gewünschten Ausgangsgleichtaktspannung zu stabilisieren. 6 zeigt die Ergebnisse 600 einer Monte-Carlo-Simulation von Fehlanpassungen und dass die Ausgangsgleichtaktspannung über einen großen Bereich der Versorgungsspannungsbreite variiert, was die Schaltung ausufernden Schwankungen von Verstärkung und Bandbreite aussetzen kann. Außerdem kann die Schaltung bei extremen Werten der Gleichtaktspannung wegen Problemen mit der Aussteuerungsreserve ausfallen.
  • Zusätzlich zu dem Problem mit den ausufernden Schwankungen der Gleichtaktspannung kann die in 3 dargestellte Schaltung 300 ein vom Signal abhängiges begrenzendes Verhalten zeigen, was in einer SAR-Anwendung nicht erwünscht ist, denn ein solches Verhalten kann Verzerrungen hervorrufen. Ein Vergleich zwischen den 4 und 5 zeigt, dass die Ausgangsgleichtaktspannung und die zwei mit vsp und vsn bezeichneten Gleichtaktquellknoten ein bemerkenswert unterschiedliches Verhalten bei Eingangssignalen von 30 mV einerseits und Eingangssignalen von 500 mV andererseits an den Tag legen.
  • Diese Schaltung 300 weist drei verschiedene Betriebszustände auf, die vom Eingangssignal abhängen: ein niedriges Signal mit keinerlei Begrenzung und dem Betrieb der Eingabegeräte im aktiven Bereich; ein mittleres Signal mit den in den Triodenbetrieb eintretenden Eingangsschaltergeräten, die als Schalter wirken; und ein hohes Signal mit den als Schalter wirkenden Eingangsschaltergeräten und den aufgrund der geringen Aussteuerungsreserve in den Triodenbetrieb eintretenden Stromquellen. Die Betriebszustände mit den niedrigen und mittleren Signalen mögen nicht problematisch sein, aber der Betriebszustand mit dem hohen Signal, in dem die Stromquellen zusammenbrechen, sollte vermieden werden.
  • Ausführungsformen der offenbarten Technologie beschäftigen sich mit diesen und anderen Anwendungsgrenzen im Stand der Technik.
  • Figurenliste
    • 1 illustriert ein Beispiel für eine herkömmliche Topologie, welche ein differentielles Paar an Metalloxidhalbleitern („metal oxide semiconductor“, MOS) für verstärkende und Ohmsche Lasten einsetzt.
    • 2 illustriert die Leistungsfähigkeit der in 1 dargestellten Topologie hinsichtlich des Wechselstroms (AC), des Rauschens und des Ansprechverhaltens.
    • 3 illustriert ein Beispiel einer herkömmlichen Topologie differentieller invertierender Operationsverstärker.
    • 4 illustriert ein Beispiel für ein Antwortverhalten auf niedrige Signale eines invertierenden Operationsverstärkers mit nachgebildeter Vorspannung.
    • 5 illustriert ein Beispiel für ein Antwortverhalten auf hohe Signale eines invertierenden Operationsverstärkers mit nachgebildeter Vorspannung.
    • 6 illustriert ein Beispiel für eine Monte-Carlo-Variation eines invertierenden Operationsverstärkers mit nachgebildeter Vorspannung.
    • 7 illustriert ein Beispiel für einen differentiellen invertierenden Operationsverstärker mit einer getrennten Gleichtaktrückkopplung der nachgebildeten Vorspannung gemäß bestimmten Ausführungsformen der offenbarten Technologie.
    • 8 illustriert ein Beispiel für ein Antwortverhalten auf niedrige Signale des invertierenden Operationsverstärkers mit getrennter Gleichtaktrückkopplung der nachgebildeten Vorspannung wie in 7 gezeigt.
    • 9 illustriert ein Beispiel für ein Antwortverhalten auf hohe Signale des invertierenden Operationsverstärkers mit getrennter Gleichtaktrückkopplung der nachgebildeten Vorspannung wie in 7 gezeigt.
    • 10 illustriert ein Beispiel für eine Monte-Carlo-Variation des invertierenden Operationsverstärkers mit getrennter Gleichtaktrückkopplung der nachgebildeten Vorspannung wie in 7 gezeigt.
    • 11 illustriert ein Beispiel für einen differentiellen invertierenden Operationsverstärker mit einer Ausgangsgleichtaktrückkopplung gemäß bestimmten Ausführungsformen der offenbarten Technologie.
    • 12 illustriert ein Beispiel für ein Antwortverhalten auf niedrige Signale des invertierenden Operationsverstärkers mit Ausgangsgleichtaktrückkopplung wie in 11 gezeigt.
    • 13 illustriert ein Beispiel für ein Antwortverhalten auf hohe Signale des invertierenden Operationsverstärkers mit Ausgangsgleichtaktrückkopplung wie in 11 gezeigt.
    • 14 illustriert ein Beispiel für eine Monte-Carlo-Variation des invertierenden Operationsverstärkers mit Ausgangsgleichtaktrückkopplung wie in 11 gezeigt.
    • 15 illustriert ein Beispiel für einen differentiellen invertierenden Operationsverstärker mit einer Ausgangsgleichtaktrückkopplung und Lastwiderständen gemäß bestimmten Ausführungsformen der offenbarten Technologie.
    • 16 illustriert ein Beispiel für ein Antwortverhalten auf niedrige Signale des invertierenden Operationsverstärkers mit Ausgangsgleichtaktrückkopplung und Lastwiderständen wie in 15 gezeigt.
    • 17 illustriert ein Beispiel für ein Antwortverhalten auf hohe Signale des invertierenden Operationsverstärkers mit Ausgangsgleichtaktrückkopplung und Lastwiderständen wie in 15 gezeigt.
    • 18 illustriert ein Beispiel für einen differentiellen invertierenden Operationsverstärker mit auf vcm=vdd/2 gezogenen Lastwiderständen gemäß bestimmten Ausführungsformen der offenbarten Technologie.
    • 19 illustriert ein Beispiel für ein Antwortverhalten auf niedrige Signale eines invertierenden Operationsverstärkers mit auf vcm=vdd/2 gezogenen Lastwiderständen wie in 18 gezeigt.
    • 20 illustriert ein Beispiel für ein Antwortverhalten auf hohe Signale eines invertierenden Operationsverstärkers mit auf vcm=vdd/2 gezogenen Lastwiderständen wie in 18 gezeigt.
    • 21 illustriert ein Beispiel für eine Monte-Carlo-Variation eines invertierenden Operationsverstärkers mit auf vcm=vdd/2 gezogenen Lastwiderständen wie in 18 gezeigt.
    • 22 illustriert ein Beispiel für einen differentiellen invertierenden Operationsverstärker mit auf vcm=vdd/2 gezogenen Lastwiderständen und als Diode geschalteten Begrenzereinrichtungen gemäß bestimmten Ausführungsformen der offenbarten Technologie.
    • 23 illustriert ein Beispiel für ein Antwortverhalten auf niedrige Signale eines invertierenden Operationsverstärkers mit auf vcm=vdd/2 gezogenen Lastwiderständen und als Diode geschalteten Begrenzereinrichtungen wie in 22 gezeigt.
    • 24 illustriert ein Beispiel für ein Antwortverhalten auf hohe Signale eines invertierenden Operationsverstärkers mit auf vcm=vdd/2 gezogenen Lastwiderständen und als Diode geschalteten Begrenzereinrichtungen wie in 22 gezeigt.
    • 25 illustriert ein Beispiel für eine Monte-Carlo-Variation eines invertierenden Operationsverstärkers mit auf vcm=vdd/2 gezogenen Lastwiderständen und als Diode geschalteten Begrenzereinrichtungen wie in 22 gezeigt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Bestimmte Ausführungsvarianten der hierin offenbarten Technologie betreffen die oben erläuterten Gleichtaktprobleme und schaffen eine Ausgangsbegrenzung, um zu verhindern, dass Stromquellen in den Triodenarbeitsbereich eintreten. In bestimmten Ausführungsformen kann Vorspannungsstromeinstellung und Gleichtaktspannungssteuerung getrennt voneinander eingerichtet werden. Als Diode geschaltete Metalloxidhalbleiter („metal oxide semiconductor“, MOS) können als Begrenzer eingesetzt werden, um den Ausgangshub zu begrenzen und Gleichtaktstörungen zu minimieren. Eine differentielle Ohmsche bzw. widerstandsbehaftete Last kann eingesetzt werden, um die Bandbreite zu verbessern und Gleichtaktstörungen zu minimieren. Eine Verbindung von Lastwiderständen kann eingesetzt werden, um eine Gleichtaktspannung (vcm) in Höhe der Hälfte der Drainversorgungsspannung (vdd) zu erzeugen, so dass eine Ausgangsgleichtaktspannungssteuerung nicht benötigt wird. Eine Kombination aus Lastwiderständen und als Diode geschalteten Begrenzern kann eingesetzt werden, um eine unabhängige Optimierung von Verstärkung bzw. Bandbreite zu ermöglichen.
  • 7 illustriert ein Beispiel für einen differentiellen invertierenden Operationsverstärker 700 mit einer getrennten Gleichtaktrückkopplung der nachgebildeten Vorspannung gemäß bestimmten Ausführungsformen der offenbarten Technologie. In der beispielhaften Auslegung 700 wurde die Nachbildung der Vorspannungsschaltung in zwei Teile getrennt: Der erste Teil ist ein PMOS-Spiegel und mit dem differentiellen PMOS-Paar gekoppelte Stromquelle; und der zweite Teil ist eine durch einen Rückkopplungsverstärker gesteuerte NMOS-Stromquelle. Die NMOS- und PMOS-Stromquellknoten vgn und vgp können getrennt werden, so dass eine der Stromquellen (hier der PMOS) den Vorspannungsstrom liefert und die andere der Stromquellen (hier der NMOS) durch eine Rückkopplungsschleife zum Einstellen der Gleichtaktspannung angepasst wird.
  • In diesem Beispiel 700 wird die Gleichtaktspannung vcm extern mit vdd/2 verbunden und die Schaltung 700 ist dazu ausgelegt, die Mitte der nachgebildeten Vorspannung ebenfalls auf vdd/2 anzupassen. Die Anordnung der Einrichtungen in der nachgebildeten Vorspannung ist so gewählt, dass die Anordnung der Einrichtungen in dem Verstärker nachgeahmt wird.
  • 8, 9 und 10 stellen beispielhafte Diagramme 800, 900 bzw. 1000 des Leistungsverhaltens dar, die zeigen, dass die Ausgangsgleichtaktspannung auf vdd/2 stabilisiert werden kann, aber die Schaltung 700 immer noch signalabhängiges, begrenzendes Verhalten und ausufernde Monte-Carlo-Variation des Ausgangsgleichtaktes aufweist. Für einen Produktionskreislauf können die Auswirkungen solch großer Schwankungen auf die Ausbeute problematisch sein. Das Beispiel zeigt, dass die zwei Stromquellen in eine feste Stromquelle und eine zweite gesteuerte Quelle aufgeteilt sind, um die Ausgangsgleichtaktspannung einzustellen.
  • Das in 8 gezeigte Diagramm 800 zeigt, dass die Schaltung eine hohe Verstärkung, geringe Bandbreite und einen Ausgangsgleichtakt bei 600 mV aufweist. Das in 9 gezeigte Diagramm 900 zeigt, dass die Schaltung eine hohe Verstärkung, geringe Bandbreite und Schwankungen der Ausgangsgleichtaktspannung aufweist. Das in 10 gezeigte Diagramm 1000 zeigt, dass die Schaltung ausufernde Schwankungen der Ausgangsgleichtaktspannung aufweisen kann.
  • 11 illustriert ein Beispiel für einen differentiellen invertierenden Operationsverstärker 1100 mit einer Ausgangsgleichtaktrückkopplung gemäß bestimmten Ausführungsformen der offenbarten Technologie. Die in 11 dargestellte Auslegung 1100 umfasst eine PMOS-Stromquelle und eine NMOS-Stromquelle und eine Ausgangsgleichtaktspannungsrückkopplung. In dem Beispiel erweitert die Auslegung 1100 die Konzepte der in 7 dargestellten Auslegung 700 durch das Erfassen des Gleichtakts am tatsächlichen Ausgang des Verstärkers statt in einer nachgebildeten Vorspannungsschaltung.
  • In diesem Beispiel 1100 wird die Gleichtaktspannung vcm wieder extern mit vdd/2 verbunden. Allerdings wird die Ausgangsgleichtaktspannung bei dieser Schaltung 1100 als direkt durch zwei große Widerstände erfassbar ausgelegt, so dass die Ausgangsgleichtaktspannung direkt auf vdd/2 angepasst werden kann.
  • 12, 13 und 14 illustrieren Diagramme 1200, 1300 bzw. 1400 des Leistungsverhaltens, die zeigen, dass die Ausgangsgleichtaktspannung auf vdd/2 stabilisiert werden kann und nunmehr akzeptable Monte-Carlo-Variation aufweist. 13 zeigt jedoch, dass die Stromquellknoten vsp und vsn bei großen Eingangssignalen die Versorgungsspannung bzw. die Massespannung erreichen. Bedenklich könnte auch die Stabilität der Gleichtaktschleife sein, da die Rückkopplung zusammenbrechen kann, wenn die Stromquellen keine Aussteuerungsreserve mehr übrig haben.
  • Das in 12 gezeigte Diagramm 1200 zeigt, dass die Schaltung eine hohe Verstärkung, geringe Bandbreite und einen Ausgangsgleichtakt bei 600 mV aufweist. Das in 13 gezeigte Diagramm 1300 zeigt, dass die Schaltung eine hohe Verstärkung, geringe Bandbreite und Schwankungen der Ausgangsgleichtaktspannung aufweist. Das in 14 gezeigte Diagramm 1400 zeigt, dass die Schaltung akzeptable Schwankungen der Ausgangsgleichtaktspannung aufweisen kann.
  • 15 illustriert ein Beispiel für einen differentiellen invertierenden Operationsverstärker 1500 mit einer Ausgangsgleichtaktrückkopplung und Lastwiderständen gemäß bestimmten Ausführungsformen der offenbarten Technologie. In diesem Beispiel sind die Werte der Lastwiderstände in dem Verstärker 1500 von den hohen Werten der Gleichtakterfassungswiderstände (z.B. den Widerständen in der in 11 dargestellten Schaltung 1100) auf kleinere Werte reduziert worden (z.B. 3 kΩ). Dies kann die differentielle Ausgangsspannung auf einen Wert des mit dem Doppelten des Lastwiderstandswertes multiplizierten Vorspannungsstroms begrenzen (z.B. Vout_max=Ibias*2*Rload). Der maximale differentielle Ausgangshub kann auf einen Wert eingestellt werden, der hinreichend weit unterhalb der verfügbaren Versorgungsspannung liegt, um eine Aussteuerungsreserve sowohl für die PMOS-Stromquelle als auch für die NMOS-Stromquelle zu schaffen.
  • Analog zu der Auslegung 1100 der 11 wird die Gleichtaktspannung vcm in dieser Auslegung 1500 wieder extern mit vdd/2 verbunden, aber die Ausgangsgleichtaktspannung des Verstärkers wird als direkt durch zwei große Widerstände erfassbar ausgelegt, so dass die Ausgangsgleichtaktspannung direkt auf vdd/2 angepasst werden kann.
  • Die Diagramme 1600 und 1700 für die Leistungsverhalten, die in 16 bzw. 17 dargestellt sind, zeigen, dass der maximale Ausgangshub verringert worden ist, die Bandbreite aufgrund verringerter Verstärkung erhöht worden ist, und der Ausgangsgleichtakt nunmehr gut unter Kontrolle ist. Das in 16 gezeigte Diagramm 1600 zeigt, dass die Schaltung eine verringerte Verstärkung, hohe Bandbreite und einen Ausgangsgleichtakt bei 600 mV aufweist. Das in 17 gezeigte Diagramm 1700 zeigt, dass die Schaltung eine verringerte Verstärkung, hohe Bandbreite und einen Ausgangsgleichtakt bei 600 mV aufweist.
  • Die in 15 gezeigte Schaltung 1500 löst die Probleme mit dem Gleichtakt und der Begrenzung, aber nutzt nach wie vor eine Gleichtaktrückkopplungsschaltung. Die Diagramme 1600 und 1700, die in 16 bzw. 17 dargestellt sind, lassen erkennen, dass es noch Anlass zur Sorge geben kann, dass das Antwortverhalten des Gleichtakts das differentielle Signal stören kann. Es existieren Verfahren, um eine ausreichende Gleichtaktstabilität sicherzustellen und Gleichtaktbeeinflussungen zu minimieren. Die Vermeidung einer Gleichtaktrückkopplungsschleife könnte dabei jedoch hilfreich sein.
  • Bei Analog-zu-Digital-Wandlern (ADC) mit schrittweisen Annäherungsregistern („Successive Approximation Register“, SAR) kann eine extern gefilterte Gleichtaktspannung (vcm) verfügbar sein. 18, die ein Beispiel für einen differentiellen invertierenden Operationsverstärker 1800 mit auf vcm=vdd/2 gezogenen Lastwiderständen gemäß bestimmten Ausführungsformen der offenbarten Technologie darstellt, ist dahingehend modifiziert worden, dass die 3kΩ-Lastwiderstände direkt mit vcm verbunden worden sind. Das ermöglicht die Vermeidung einer Gleichtaktrückkopplungsschleife.
  • Die Diagramme 1900 und 2000 für die Leistungsverhalten, die in 19 bzw. 20 dargestellt sind, zeigen, dass die Störungen der Ausgangsgleichtaktspannung und der mit vsp und vsn bezeichneten Gleichtaktquellknoten im Vergleich zu beispielsweise den in den 16 und 17 dargestellten Diagrammen 1600 bzw. 1700 substantiell verringert worden sind. Das in 19 gezeigte Diagramm 1900 zeigt, dass die Schaltung eine verringerte Verstärkung, hohe Bandbreite und einen Ausgangsgleichtakt bei 600 mV aufweist. Das in 20 gezeigte Diagramm 2000 zeigt, dass die Schaltung eine verringerte Verstärkung, hohe Bandbreite und einen Ausgangsgleichtakt bei 600 mV aufweist.
  • 21 illustriert ein Beispiel für eine Monte-Carlo-Variation 2100 des invertierenden Operationsverstärkers 1800 mit der Ausgangsgleichtaktspannungsrückkopplung, die in 18 dargestellt ist. Das in 21 dargestellte Diagramm 2100 zeigt, dass die Schaltung eine akzeptable Schwankung der Ausgangsgleichtaktspannung aufweist.
  • Die in 18 dargestellte Schaltung 1800 kann ein akzeptables Leistungsverhalten für die Verstärkungsstufe in einem SAR-Vergleicher ergeben. Allerdings kann die Verstärkung durch die oben genannte Limitierung in der Ausgangsspannung eingeschränkt sein (z.B. Vout_max=Ibias*2*Rload). Die Verstärkung kann die gesamte differentielle gm multipliziert mit dem Doppelten von Rload sein (z.B. Av=gm*2*Rload). Die gm kann auf Ibias bezogen sein, so dass die maximale Ausgangsspannung die Verstärkung limitieren kann.
  • Es kann für Mechanismen gesorgt werden, die es erlauben, die Verstärkung unabhängig anzupassen, um Verstärkung, Bandbreite und Rauschen der Schaltung 1800 zu optimieren. 22 illustriert ein Beispiel für einen differentiellen invertierenden Operationsverstärker 2200 mit auf vcm=vdd/2 gezogenen Lastwiderständen und als Diode geschalteten Begrenzereinrichtungen gemäß bestimmten Ausführungsformen der offenbarten Technologie. Die Hinzunahme von als Diode geschalteten Begrenzereinrichtungen in der in 22 dargestellten Schaltung 2200 vermeidet die Beschränkung der maximalen Ausgangsspannung, und die Lastwiderstände können wie gewünscht in ihrem Wert erhöht werden (z.B. 6 kΩ in diesem Fall).
  • 23 und 24 illustrieren jeweils das Antwortverhalten der Schaltung 2200 und 25 zeigt eine akzeptable Variation von Bereich zu Bereich der Ausgangsgleichtaktspannung. Das in 23 gezeigte Diagramm 2300 zeigt, dass die Schaltung 2200 akzeptable Verstärkung, Bandbreite und Ausgangsgleichtakt aufweist. Das in 24 gezeigte Diagramm 2400 zeigt, dass die Schaltung 2200 akzeptable Verstärkung, Bandbreite und Ausgangsgleichtakt aufweist. Das Diagramm 2400 zeigt zudem, dass die Schaltung 2200 ein verringertes Ausgangssignal aufweist, ohne Verstärkung bei niedrigen Signalen aufgeben zu müssen, und darüber hinaus eine saubere, schnelle Begrenzung hat (z.B. im Vergleich zum in 20 illustrierten Diagramm 2000).
  • 25 illustriert ein Beispiel für eine Monte-Carlo-Variation 2500 eines invertierenden Operationsverstärkers 2200 mit auf vcm=vdd/2 gezogenen Lastwiderständen und als Diode geschalteten Begrenzereinrichtungen wie in 22 gezeigt. Das in der 25 gezeigte Diagramm 2500 zeigt, dass die Schaltung 2200 eine akzeptable Schwankung des Ausgangsgleichtaktes aufweist.
  • Ausführungsformen der Erfindung können in integrierte Schaltungen wie etwa Schallverarbeitungsschaltungen oder andere Audioschaltungen implementiert werden. Daraus folgt, dass die integrierten Schaltungen in Audiogeräten wie etwa Kopfhörern, Mobiltelefonen, tragbaren Computern, Soundbars, Audiobasisstation, Verstärkern, Lautsprechern usw. eingesetzt werden können.
  • Die voranstehend beschriebenen Versionen der offenbarten Gegenstände können viele Vorteile aufweisen, die entweder beschrieben worden sind oder für einen Durchschnittsfachmann ersichtlich sein würden. Dennoch sind nicht unbedingt alle dieser Vorteile oder Merkmale in allen Versionen der offenbarten Vorrichtungen, Systeme oder Verfahren erforderlich.
  • Zusätzlich dazu bezieht sich diese schriftliche Beschreibung auf bestimmte Merkmale. Es sollte klar sein, dass die Offenbarung in dieser Beschreibung alle möglichen Kombinationen dieser bestimmten Merkmale umfassen soll. Wo beispielsweise ein bestimmtes Merkmal im Kontext eines bestimmten Aspektes oder einer bestimmten Ausführungsform offenbart worden ist, kann dieses Merkmal auch im Rahmen des Möglichen im Kontext anderer Aspekte und Ausführungsformen eingesetzt werden.
  • Außerdem können die definierten Schritte oder Handlungen in jedweder Reihenfolge oder gleichzeitig ausgeführt werden, wo Bezug in dieser Anmeldung auf ein Verfahren mit zwei oder mehr definierten Schritten oder Handlungen genommen wird, es sei denn, dass der Kontext diese Möglichkeiten ausschließt.
  • Zudem wird der Begriff „umfassen“ und seine grammatikalischen Äquivalente in dieser Offenbarung so benutzt, dass damit ausgesagt wird, dass andere Komponenten, Merkmale, Schritte, Prozesse, Handlungen etc. optional ebenso präsent sein können. Beispielsweise kann ein Artikel, der Komponenten A, B und C „umfasst“ nur die Komponenten A, B und C beinhalten oder er kann die Komponenten A, B und C gemeinsam mit ein oder mehreren anderen Komponenten beinhalten.
  • Weiterhin werden Richtungsbezeichnungen wie etwa „rechts“ und „links“ aus Gründen der leichteren Lesbarkeit in Bezug auf die Darstellungen in den Zeichnungen verwendet. Die offenbarten Gegenstände können aber eine Vielzahl von Orientierungen im tatsächlichen Gebrauch oder in unterschiedlichen Implementierungsvarianten einnehmen. Daher muss ein Merkmal, welches in den Zeichnungen vertikal, horizontal, links oder rechts dargestellt ist, nicht notwendigerweise die gleiche Orientierung oder Richtung in allen Implementierungsvarianten aufweisen.
  • Auch wenn spezifische Ausführungsformen der Erfindung zu Zwecken der Erläuterung dargestellt und beschrieben worden sind, sollte es klar sein, dass verschiedentliche Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Grundgedanken und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Demgemäß sollte die Erfindung nicht weiter als durch die beigefügten Ansprüche eingeschränkt angesehen werden.

Claims (15)

  1. Eine Anordnung mit differentiellem invertierenden Operationsverstärker, umfassend: eine p-Kanal-Metalloxidhalbleiter-Stromquelle; einen p-Kanal-Metalloxidhalbleiter-Stromquellenspiegel, welcher mit der p-Kanal-Metalloxidhalbleiter-Stromquelle gekoppelt ist und dazu ausgelegt ist, einen Vorspannungsstrom bereitzustellen; eine n-Kanal-Metalloxidhalbleiter-Stromquelle; einen Rückkopplungsverstärker, welcher dazu ausgelegt ist, die n-Kanal-Metalloxidhalbleiter-Stromquelle so anzupassen, dass eine Gleichtaktspannung eingestellt wird; und einen differentiellen invertierenden Operationsverstärker, welcher elektrische zwischen die p-Kanal-Metalloxidhalbleiter-Stromquelle und die n-Kanal-Metalloxidhalbleiter-Stromquelle gekoppelt ist, und welcher eine Vielzahl von Lastwiderständen und eine Vielzahl von als Diode geschalteten Metalloxidhalbleitern (MOS) als Begrenzereinrichtungen aufweist.
  2. Die Anordnung mit differentiellem invertierenden Operationsverstärker gemäß Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Lastwiderständen dazu ausgelegt ist, die Optimierung von Verstärkung und Bandbreite zu ermöglichen.
  3. Die Anordnung mit differentiellem invertierenden Operationsverstärker gemäß Anspruch 1, wobei die Vielzahl als Diode geschalteten Metalloxidhalbleitern (MOS) als Begrenzereinrichtungen dazu ausgelegt ist, unabhängig von der Vielzahl von Lastwiderständen den Ausgangshub zu begrenzen und Gleichtaktstörungen zu minimieren.
  4. Die Anordnung mit differentiellem invertierenden Operationsverstärker gemäß Anspruch 1, weiterhin mit einer differentiellen Ohmschen Last, welche dazu ausgelegt ist, die Bandbreite zu verbessern und die Gleichtaktspannungsrückkopplungssteuerung zu minimieren.
  5. Die Anordnung mit differentiellem invertierenden Operationsverstärker gemäß Anspruch 4, wobei die p-Kanal-Metalloxidhalbleiter-Stromquelle eine Spannung vdd aufweist.
  6. Die Anordnung mit differentiellem invertierenden Operationsverstärker gemäß Anspruch 5, wobei die Gleichtaktspannung vdd/2 beträgt.
  7. Ein Verfahren zur Implementierung einer Topologie mit differentiellem invertierenden Operationsverstärker, umfassend: Empfangen eines ersten Stroms von einer p-Kanal-Metalloxidhalbleiter-Stromquelle an einem differentiellen invertierenden Operationsverstärker, welcher elektrische zwischen einen Eingang und einen Ausgang gekoppelt ist; Empfangen eines zweiten Stroms von einer n-Kanal-Metalloxidhalbleiter-Stromquelle an dem differentiellen invertierenden Operationsverstärker; Erzeugen einer Gleichtaktspannung unter Nutzung der n-Kanal-Metalloxidhalbleiter-Stromquelle und einem Rückkopplungsverstärker, welcher mit der n-Kanal-Metalloxidhalbleiter-Stromquelle gekoppelt ist; Begrenzen des Ausgangshubs durch eine Vielzahl von Lastwiderständen des differentiellen invertierenden Operationsverstärkers, welche elektrisch zwischen die p-Kanal-Metalloxidhalbleiter-Stromquelle und die n-Kanal-Metalloxidhalbleiter-Stromquelle gekoppelt sind; und Begrenzen des Ausgangshubs und Minimierung von Gleichtaktstörungen durch Nutzen einer Vielzahl von als Diode geschalteten Metalloxidhalbleitern (MOS) als Begrenzereinrichtungen des differentiellen invertierenden Operationsverstärkers, welche elektrisch zwischen die p-Kanal-Metalloxidhalbleiter-Stromquelle und die n-Kanal-Metalloxidhalbleiter-Stromquelle gekoppelt sind.
  8. Das Verfahren gemäß Anspruch 7, weiterhin mit einem Verbessern einer Bandbreite und einem Minimieren der Gleichtaktspannungsrückkopplungssteuerung durch eine differentielle Ohmsche Last.
  9. Das Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei die p-Kanal-Metalloxidhalbleiter-Stromquelle eine Spannung vdd aufweist.
  10. Das Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei die Gleichtaktspannung vdd/2 beträgt.
  11. Ein differentieller invertierender Operationsverstärker für den Einsatz in einer Schaltungsanordnung mit ersten und zweiten Stromquellen, welcher umfasst: eine Vielzahl von Lastwiderständen, welche dazu ausgelegt sind, die Optimierung von Verstärkung und Bandbreite zu ermöglichen; und einer Vielzahl als Diode geschalteten Metalloxidhalbleitern (MOS) als Begrenzereinrichtungen, welche dazu ausgelegt sind, unabhängig von der Vielzahl von Lastwiderständen den Ausgangshub zu begrenzen und Gleichtaktstörungen zu minimieren.
  12. Der differentielle invertierende Operationsverstärker gemäß Anspruch 11, wobei die erste Stromquelle eine p-Kanal-Metalloxidhalbleiter-Stromquelle ist.
  13. Der differentielle invertierende Operationsverstärker gemäß Anspruch 12, wobei die zweite Stromquelle eine n-Kanal-Metalloxidhalbleiter-Stromquelle ist.
  14. Der differentielle invertierende Operationsverstärker gemäß Anspruch 13, wobei die Schaltung weiterhin eine Vielzahl von Lastwiderständen aufweist, welche dazu ausgelegt ist, eine Gleichtaktspannung bereitzustellen.
  15. Der differentielle invertierende Operationsverstärker gemäß Anspruch 13, wobei die Schaltung weiterhin eine differentielle Ohmsche Last aufweist, welche dazu ausgelegt ist, die Bandbreite zu verbessern und die Gleichtaktspannungsrückkopplungssteuerung zu minimieren.
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