DE19534065A1

DE19534065A1 - Spannungsverstärkerstufe

Info

Publication number: DE19534065A1
Application number: DE1995134065
Authority: DE
Inventors: Hans Dr Ing Sapotta; Herbert Dipl Ing Stockinger
Original assignee: Temic Telefunken Microelectronic GmbH
Current assignee: Atmel Germany GmbH
Priority date: 1995-09-14
Filing date: 1995-09-14
Publication date: 1996-07-04

Description

Verstärkerstufen zur Spannungsverstärkung werden in der Schaltungstechnik viel fältig eingesetzt und können auf unterschiedlichste Art und Weise realisiert wer den. Spannungsverstärkerstufen auf der Grundlage von MOS-Verstärkertransisto ren kommen wegen ihrer günstigen Rauscheigenschaften vorzugsweise für HF-Anwendungen, insbesondere im Rundfunk- und Fernseh-Bereich zum Einsatz.

Derartige MOS-Spannungsverstärkerstufen besitzen als gesteuerte Stromquelle einen im Sättigungsbereich betriebenen MOS-Verstärkertransistor und einen an der Drain-Elektrode des MOS-Verstärkertransistors gegen die Versorgungsspan nung angeschlossenen Lastwiderstand als Lastelement. Die Spannungsverstärkung dieser Spannungsverstärkerstufe ist durch das Verhältnis der Ausgangsspannung (der infolge des Drainstroms des MOS-Verstärkertransistors am Lastwiderstand abfallenden Spannung) zur Eingangsspannung (der Gate-Source-Spannung des MOS-Verstärkertransistors) gegeben. Unter Berücksichtigung des quadratischen Zusammenhangs zwischen dem Drain-Strom und der Gate-Source-Spannung des MOS-Verstärkertransistors erhält man eine quadratische Abhängigkeit der Aus gangsspannung von der Eingangsspannung; demzufolge hängt die Spannungsver stärkung der Spannungsverstärkerstufe außer von technologischen Parametern auch von der Eingangsspannung ab.

Problematisch hierbei ist, daß sich aufgrund der Spannungsabhängigkeit der Span nungsverstärkung Nicht-Linearitäten (und als Konsequenz hieraus Intermodulatio nen, Mischungen etc.) mit ihren gravierenden Auswirkungen auf die Großsignal festigkeit etc. ergeben und daß sich infolge der technologisch unabhängig vonein ander streuenden Werte für die in die Spannungsverstärkung einfließenden Parame ter (Widerstandwert des Lastwiderstands, Steilheitskonstante und Schwellspan nung des MOS-Verstärkertransistors, Kanalweite und Kanallänge des MOS-Ver stärkertransistors) eine breite herstellungsbedingte Streuung der Spannungsver stärkung ergibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spannungsverstärkerstufe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, bei der diese Probleme ver mieden werden und die vorteilhafte Eigenschaften bezüglich der Spannungsver stärkung (Unabhängigkeit von der Eingangsspannung, Toleranzkompensation) aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei der vorgestellten Spannungsverstärkerstufe wird als Lastelement ein als Diode geschalteter MOS-Transistor mit der gleichen Polarität wie der MOS-Verstärker transistor eingesetzt; als Lastelement fungiert somit ein MOS-Transistor, dessen Source-Elektrode mit der Drain-Elektrode des MOS-Verstärkertransistors und dessen mit der Gate-Elektrode verbundene Drain-Elektrode an die Versorgungs spannung angeschlossen ist. Die zwischen der Drain-Elektrode (Gate-Elektrode) und der Source-Elektrode des MOS-Lasttransistors anliegende Ausgangsspannung hängt vom Strom durch den (aktiven) MOS-Verstärkertransistor ab; man erhält einen linearen Zusammenhang zwischen Eingangsspannung (der Gate-Source-Span nung des MOS-Verstärkertransistors ) und der Ausgangsspannung, so daß die Spannungsverstärkung der Spannungsverstärkerstufe unabhängig von der Ein gangsspannung ist. Da die Spannungsverstärkung der Spannungsverstärkerstufe letztendlich nur von geometrischen Faktoren (Kanalweite, Kanallänge) der beiden MOS-Transistoren abhängt, kann der gewünschte Wert der Spannungsverstärkung durch Vorgabe dieser Parameter eingestellt werden.

Vorzugsweise werden die beiden MOS-Transistoren vom identischen Leitungstyp (d. h. der MOS-Verstärkertransistor und der MOS-Lasttransistor) - diese können sowohl als N-MOS-Transistoren als auch als P-MOS-Transistoren ausgebildet werden - in einer integrierten Schaltung monolitisch integriert, d. h. sie werden in einem gemeinsamen Technologieprozeß gefertigt; demnach ergeben sich auch gleiche Parameterabweichungen bzw. Toleranzen für die beiden MOS-Transisto ren, insbesondere für deren geometrische Faktoren (Kanalweite/Kanallänge), so daß die Spannungsverstärkung der Spannungsverstärkerstufe weitgehend tole ranzkompensiert ist.

Die Spannungsverstärkerstufe zur Verstärkung von Eingangsspannungen ist auf grund der Rauscheigenschaften der MOS-Transistoren (deren Rauschzahl nimmt bei hohen Quellimpedanzen ein Minimum an) insbesondere zur Signalverstärkung von Signalen mit hoher Quellimpedanz geeignet - bsp. im Autoradio-Bereich zur rauscharmen Verstärkung von AM-Signalen oder FM-Signalen oder zur Span nungsverstärkung im Antennenverstärker. Für Anwendungsfälle, bei denen eine Ausgangsleistung abgegeben werden muß, kann die Spannungsverstärkerstufe um eine Spannungsfolgerstufe erweitert werden, die die benötigte Ausgangsleis tung aufgrund ihrer niedrigen Ausgangsimpedanz bereitstellt; die Spannungsfol gerstufe kann dabei als Sourcefolgerstufe mit einem MOS-Sourcefolger-Transistor oder in BICMOS-Technologie (Bipolartransistoren und MOS-Transistoren auf einem Substrat) als Emitterfolgerstufe mit einem Bipolar-Emitterfolger-Transistor realisiert werden; die Ausgangsspannung der Spannungsverstärkerstufe wird an einem Lastelement der Sourcefolgerstufe abgegriffen, bsp. einem Widerstand oder einer Stromquellenanordnung.

Vorteilhafterweise ist bei der vorgestellten Spannungsverstärkerstufe

- die Spannungsverstärkung nicht von der Eingangsspannung abhängig, so daß Nicht-Linearitäten und die hiermit verbundenen negativen Auswirkungen wie Intermodulationen, Mischvorgänge etc. vermieden werden,
- ein gemeinsamer Technologieprozeß bei der Herstellung der beiden gleicharti gen MOS-Transistoren anwendbar, so daß eine Toleranzkompensation erreicht werden kann,
- die Spannungsverstärkung durch geeignete Wahl bzw. Variation der geometri schen Faktoren der beiden MOS-Transistoren auf einfache Weise auf die ge wünschten Werte einstellbar.

Die Spannungsverstärkerstufe wird im folgenden anhand der Zeichnung mit den Fig. 1 und 2 beschrieben, wobei in der Figur das Schaltbild einer einfachen Spannungsverstärkerstufe und in der Fig. 2 das Schaltbild einer um eine Span nungsfolgerstufe erweiterten Spannungsverstärkerstufe dargestellt ist.

Gemäß der Fig. 1 besteht die Spannungsverstärkerstufe aus einem in Source-Grundschaltung betriebenen MOS-Verstärkertransistor T1 (Gate-Elektrode G1, Source-Elektrode S1, Drain-Elektrode D1, Kanalweite W1, Kanallänge L1) als gesteuerter Stromquelle und einem als Diode geschalteten MOS-Lasttransistor T2 (Gate-Elektrode G2, Source-Elektrode S2, Drain-Elektrode D2, Kanalweite W2, Kanallänge L2). Zwischen der mit Bezugspotential GND verbundenen Source-Elektrode S1 und der Gate-Elektrode G1 des MOS-Verstärkertransistors T1 ist die Eingangsspannungsquelle U_B angeschlossen; die Drain-Elektrode D1 des MOS-Verstärkertransistors T1 (Drain-Strom I_D) ist mit der Source-Elektrode S2 des MOS-Lasttransistors T2 verbunden, die miteinander verbundenen Gate-Elektrode G2 und Drain-Elektrode D2 des MOS-Lasttransistor T2 sind an die Versorgungs spannung U_S angeschlossen. Die Eingangsspannung U_IN der Spannungsver stärkerstufe und der durch die Spannungsverstärkerstufe fließende Strom wird vom MOS-Verstärkertransistor T1 durch dessen Gate-Source-Spannung und des sen Drain-Strom I_D festgelegt, die Ausgangsspannung U_OUT der Spannungsver stärkerstufe als Funktion des Drain-Stroms I_D vom MOS-Lasttransistors T2 als dessen Drain-Source-Spannung; die Betriebsspannung UB wird so gewählt, daß beide MOS-Transistoren T1, T2 im Sättigungsbereich sind.

Für den Zusammenhang zwischen der Ausgangsspannung U_OUT und der Ein gangsspannung U_IN erhält man hiermit folgende lineare Beziehung:

mit:
L1, L2 als Kanallänge der MOS-Transistoren T1, T2,
W1, W2 als Kanalweite der MOS-Transistoren T1, T2,
U_TH als Schwellspannung des MOS-Verstärkertransistors T1.

Die Spannungsverstärkung V_U = U_OUT/U_IN ergibt sich aus (Gl. 1) demnach zu:

Somit ist die Spannungsverstärkung V_U lediglich durch das Verhältnis von Geo metriedaten der beiden MOS-Transistoren T1, T2 bestimmt, kann also sehr präzise und in einer integrierten Schaltungsanordnung unabhängig von technolo gischen Schwankungen eingestellt werden.

Beispielsweise wird bei der Anwendung der Spannungsverstärkerstufe zum Emp fang von Funksignalen eine Antenne mit einem LC-Schwingkreis an den Eingang der Spannungsverstärkerstufe angeschlossen, wobei die Länge der Empfangsan tenne klein gegenüber der Wellenlänge der Funksignale ist. Als MOS-Transisto ren der Spannungsverstärkerstufe sind ein N-Kanal-MOS-Transistor als Ver stärkertransistor T1 und ein N-Kanal-MOS-Transistor als Lasttransistor T2 vorge sehen; zur Vorgabe einer Spannungsverstärkung V_U = 10 werden die Kanalweite und die Kanallänge der beiden N-Kanal-MOS-Transistoren T1, T2 zu L1 = 1 µm, L2 = 1 µm, W1 = 1000 µm, W2 = 10 µm gewählt.

Gemäß der Fig. 2 besteht die erweiterte Spannungsverstärkerstufe aus den bei den anhand der Fig. 1 beschriebenen MOS-Transistoren T1 und T2 und einer Sourcefolgerstufe als Spannungsfolgerstufe, die durch den mit seiner Gate-Elek trode G3 an die Source-Elektrode S2 des Lasttransistors T2 angeschlossenen N-MOS-Sourcefolger-Transistor T3 realisiert ist. Als Source-Lastelement des Sourcefolger-Transistors T3 ist der Widerstand R1 gegen Bezugspotential GND angeschlossen, an dem die Ausgangsspannung U_OUT der Spannungsverstärkerstufe anliegt; vorteilhafterweise wird bei dieser Konfiguration ein zusätzlicher Line aritätsgewinn der Spannungsverstärkung ermöglicht, da der einen gewissen Klirrfaktor hervorrufende Body-Effekt des MOS-Lasttransistors T2 durch den Body-Effekt des Sourcefolger-Transistors T3 kompensiert wird.

Claims

1. Spannungsverstärkerstufe mit einem in Source-Grundschaltung betriebenen MOS-Verstärkertransistor (T1), dessen Gate-Elektrode (G1) mit einer die Ein gangsspannung (U_IN) liefernden Eingangsspannungsquelle (U_B), und dessen Source-Elektrode (S1) mit Referenzpotential (GND) verbunden ist und an dessen Drain-Elektrode (D1) ein Lastelement gegen die Versorgungsspannung (U_S) angeschlossen ist, an dem die Ausgangsspannung (U_OUT) anliegt, gekennzeichnet dadurch, daß als Lastelement ein als Diode geschalteter MOS-Lasttransistor (T2) der gleichen Polarität wie der MOS-Verstärkertransistor (T1) vorgesehen ist, daß die Drain-Elektrode (D1) des MOS-Verstärkertransistors (T1) mit der Source-Elektrode (S2) des MOS-Lasttransistors (T2) verbunden ist, und daß die mit der Drain-Elektrode (D2) des MOS-Lasttransistors (T2) verbundene Gate-Elektrode (G2) des MOS-Lasttransistors (T2) an die Versorgungsspannung (U_S) angeschlossen ist.

2. Spannungsverstärkerstufe nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der MOS-Verstärkertransistor (T1) und der MOS-Lasttransistor (T2) auf einem ge meinsamen Substrat monolithisch integriert sind.

3. Spannungsverstärkerstufe nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß am MOS-Lasttransistor (T2) eine die Ausgangsspannung (U_OUT) liefernde Span nungsfolgerstufe zwischen der Versorgungsspannung (U_S) und Bezugspotential (GND) angeschlossen ist.

4. Spannungsverstärkerstufe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsfolgerstufe als Sourcefolgerstufe einen MOS-Sourcefolger-Transistor (T3) vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie den MOS-Verstärkertransistor (T1) auf weist, daß die Gate-Elektrode (G3) des MOS-Sourcefolger-Transistors (T3) mit der Drain-Elektrode des MOS-Verstärkertransistors (T1) und die Drain-Elektrode (D3) des MOS-Sourcefolger-Transistors (T3) mit der Versorgungsspannung (U_S) verbunden ist, und daß die Ausgangsspannung (U_OUT) an der Source-Elektrode (S3) des MOS-Sourcefolger-Transistors (T3) gegen Bezugspotential (GND) an liegt.

5. Spannungsverstärkerstufe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsfolgerstufe als Emitterfolgerstufe einen Bipolar-Emitterfolger-Tran sistor vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie den MOS-Verstärkertransistor (T1) aufweist, daß die Basis-Elektrode des Bipolar-Emitterfolger-Transistors mit der Drain-Elektrode des MOS-Verstärkertransistors (T1) und die Kollektor-Elektrode des Bipolar-Emitterfolger-Transistors (T3) mit der Versorgungsspannung (U_S) verbunden ist, und daß die Ausgangsspannung (U_OUT) an der Emitter-Elektrode des Bipolar-Emitterfolger-Transistors (T3) gegen Bezugspotential (GND) anliegt.

6. Spannungsverstärkerstufe nach einem der Ansprüche 3 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Spannungsfolgerstufe einen an Bezugspotential (GND) angeschlossenen Widerstand (R1) aufweist, an dem die Ausgangsspannung (U_OUT) anliegt.

7. Spannungsverstärkerstufe nach einem der Ansprüche 3 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Spannungsfolgerstufe eine an Bezugspotential (GND) angeschlossene Stromquellenschaltung aufweist, an der die Ausgangsspannung (U_OUT) anliegt.