DE2452542B2 - Differentialverstärker mit hoher Verstärkung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Differentialverstärker mit hoher Verstärkung für kleine Signalamplituden, mit in zwei parallelen Stromkreisen angeordneten, als von einem differentiellen Eingangssignal abhängige Stromquelle wirkenden Eingangstransistoren und damit jeweils in Reihe geschalteten, als gesteuerte Stromquelle wirkenden Ausgangstransistoren, wobei die Eingangstransistoren mit einer Elektrode an einer gemeinsamen Konstantstromquelle angeschlossen sind, während die Ausgangstransistoren mit einer Elektrode an einer Spannungsquelle angeschlossen sind.

Schaltungen dieser Art sind beispielsweise aus der DE-OS 22 29 399 und der DE-OS 23 40 849 bekannt. Solche Verstärker werden oft als Leseverstärker zum Feststellen kleiner Signalamplituden benutzt, die aus kleinen Speicherzellen abgeleitet werden, die in integrierten Schaltungen sehr dicht gepackte Speicheranordnungen bilden.

Man hat schon die verschiedensten Verstärker entwickelt, um die vielen Forderungen zu erfüllen, die Verstärker in dieser Umgebung, d. h. in Verbindung mit

ίο sehr dicht gepackten, auf Halbleiterplättchen angeordneten Speicheranordnungen erfüllen müssen, wobei eine derartige solche Speicheranordnung z. B. in der US-PS 33 87 286 der Anmelderin beschrieben ist. Eine Art in integrierten Schaltungen verwendeter Verstärker weist ein Paar kreuzgekoppelter Feldeffekttransistoren auf. Dieser Verstärker arbeitet für einige Anwendungsgebiete zufriedenstellend, jedoch nur dann, wenn dem Verstärker ein Eingangssignal ausreichend hoher Amplitude zugeführt wird. Ein derartiger Verstärker ist beispielsweise in der US-PS 35 88 844 beschrieben. Die zweite Art von Verstärker ist ein Differentialverstärker, wie er beispielsweise in dem IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 13, Nr. 2, vom Juli 1970, auf den Seiten 484 und 485 beschrieben ist Diese Schaltung verwendet eine Konstantstromquelle, die an einem Ende von zwei parallelen Stromkreisen angeschlossen isi, während eine gemeirsame Spannungsquelle am anderen Ende der parallelen Stromkreise angeschlossen ist. Ein erstes Paar bipolarer Transistoren, d. h. ein Transistor in jedem der parallelen Stromkreise, hat einen gemeinsamen Emitteranschluß an der Konstantstromquelle, und ein zweites Paar von bipolaren Transistoren wird als Lastwiderstand für das erste Paar Transistoren benutzt. Dieser in üblicher Weise aufgebaute Differentialverstärker, der eine Konstantstromquelle und eine gemeinsame Spannungsquelle benutzt, die über zwei parallele Stromkreise miteinander verbunden sind, kann für einige Anwendungsgebiete auch Feldeffekttransistoren benutzen, jedoch nicht dann, wenn eine hohe Verstärkung verlangt wird. Diese mit Feldeffekttransistoren ausgerüsteten Differentialverstärker weisen einen Verstärkungsgrad auf, der im hohen Maße von dem Verhältnis von Länge zu Breite der Feldeffekttransistoren abhängt. Sie haben im allgemeinen einen Verstärkungsgrad von 5 bis 10. Eine andere Art Differentialverstärker ist in der US-PS 33 17 850 beschrieben. Diese Schaltung verwendet Feldeffekttransistoren und Lastwiderstände, die jedoch in der Feldeffekt-Transistortechnik schwierig herzustellen sind.

Aufgabe der Erfindung ist es also, einen neuen Differentialverstärker mit hohem Verstärkungsgrad für sehr kleine Signalamplituden zu schaffen, der sich leicht in integrierter Schaltungstechnik bei sehr hoher Schaltungsdichte oder Schaltkreisdichte unter Verwendung von Feldeffekttransistoren mit isolierter Gate-Elektrode aufbauen läßt. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Ausgangstransistoren mit ihrer Steuerelektrode über je einen Schalttransistor an eine gemeinsame Spannungsquelle anschaltbar sind, wobei die Steuerelektroden der Schalttransistoren an einer gemeinsamen Taktimpulsquelle angeschlossen sind.

Vorteilhafterweise ist die Anordnung dabei so getroffen, daß die Steuerelektroden der Ausgangstransistoren je über eine Ladekapazität an dem jeweiligen Ausgangsknotenpunkt angekoppelt sind und daß an jedem der Ausgangsknotenpunkte eine Lastkapazität derart nach Masse angeschlossen ist, daß Ladekapazität

jeweils in Reihe geschaltet sind.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben.

In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild eines gemäß der Erfindung aufgebauten Differentialverstärkers und

F i g. 2 den Spannungsverlauf an den Ausgangsklemmen der in F i g. 1 gezeigten Schaltung.

Der in Fig. 1 gezeigte Differentialverstärker enthält ι ο zwei parallele Stromkreise 10 und 12, die an einem Ende mit einer gemeinsamen Konstantstromquelle 14 verbunden und am anderen Ende an einer gemeinsamen Spannungsquelle VX angeschlossen sind. Die parallelen Stromkreise 10 und 12 enthalten jeweils eine gesteuerte Stromquelle 16, 18 und eine vom Eingangssignal abhängige Stromquelle, die hier als Feldeffekttransistoren 20 und 22 dargestellt sind, die jeweils mit den gesteuerten Stromquellen 16 bzw. 18 in Reihe geschaltet sind. An einem gemeinsamen Punkt 28 der rwischen der gesteuerten Stromquelle 16 und dem Transistor 20 in dem Stromkreis 10 liegt, wird eine Streukapazität 24 nach Massepotential angenommen und an einem gemeinsamen Punkt 30 zwischen der gesteuerten Stromquelle 18 und dem Transistor 22 im Stromkreis 12 liegt eine Streukapazität 26 nach Masse. Die gesteuerte Stromquelle 16 enthält einen Feldeffekttransistor 32, der zwischen + V und dem gemeinsamen Punkt 28 angeschlossen ist, wobei seine Gate-Elektrode 34 mit einem Beleg eines Kondensators 36 verbunden ist, während der andere Beleg des Kondensators 36 an den gemeinsamen Punkt 28 angeschlossen ist. Eine Spannungsquelle Vl ist über einen Transistor 38, der eine Gate-Elektrode 40 aufweist, mit der Gate-Elektrode 34 des Transistors 32 verbunden. An der Gate-Elektrode 40 ist eine mit Φ 1 bezeichnete Taktimpulsquelle angeschlossen. Zwischen der Gate-Elektrode 34 des Transistors 32 und Masse ist eine Streukapazität 42 angedeutet. Die gesteuerte Stromquelle 18 im Stromkreis 12 enthält einen Feldeffekttransistor 44, der zwischen + V und dem gemeinsamen Punkt 30 eingeschaltet ist und dessen Gate-Elektrode 46 mit einem Beleg eines Kondensators 48 verbunden ist, dessen anderer Beleg an dem gemeinsamen Punkt 30 angeschlossen ist. Die Spannungsquelle Vl ist mit der Gate-Elektrode 46 des Transistors 44 über einen Transistor 45 verbunden, der eine Gate-Elektrode 52 aufweist. Die Taktimpulsquelle Φ 1 ist außerdem an der Gate-Elektrode 52 des Transistors 50 angeschlossen. Zwischen der Gate-Elektrode 46 des Transistors 44 und Masse ist eine Streukapazität 54 angedeutet. Der Eingang des Verstärkers mit Vein bezeichnet, ist zwischen der Gate-Elektrode 56 des Transistors 20 und der Gate-Elektrode 58 des Transistors 22 angeschlossen.

Im Betrieb des in F i g. 1 dargestellten Verstärkers wird vor dem Anliegen eines differentiellen Signals bei Vein an den Gate-Elektroden 56 und 58 der Transistoren 20 bzw. 22 ein positiver Taktimpuls aus der Taktimpulsquelle Φ 1 den Gate-Elektroden 40 und 52 der Transistoren 38 bzw. 50 zugeführt, um damit die Spannung Vl den Gate-Elektroden 34 bzw. 46 der Transistoren 32 und 44 zuzuleiten. Die an der Gate-Elektrode 34 liegende Spannung Vl lädt die in Reihe geschalteten Kondensatoren 36 und 24 so weit auf, bis der den Transistor 32 durchfließende Strom gleich dem Strom im Transistor 20 ist und die an der fintP-F.jpli trnHp ^* pnliptTf^nHf» ^nannnncr 1/1 JjJ(Jt die I" Reihe geschalteten Kondensatoren 48 und 26 so lange auf, bis der den Transistor 44 durchfließende Strom gleich dem durch den Transistor 22 fließenden Strom geworden ist Zu diesem Zeitpunkt nimmt der Taktimpuls Φ 1 Erdpotential an und schaltet damit die Transistoren 38 und 50 ab, wodurch die auf den Kondensatoren 36 und 48 liegende Ladung erhalten bleibt Die Schaltung kann nunmehr ein Eingangssignal, wie z. B. ein Gleichstrom-Differentialsignal aufnehmen, das an den Gate-Elektroden 56 und 58 anliegt Dieses Signal, mit Vein bezeichnet, das an den Gate-Elektroden 56 und 58 anliegt, verändert den die Transistoren 20 und 22 durchfließenden Strom. Da die zwischen Gate- und Source-Elektroden der Transistoren 32 und 44 liegenden Spannung durch die auf den Kondensatoren 36 bzw. 48 liegende Ladung festgelegt sind, ändert sich der durch die Transistoren 32 und 44 fließende Strom selbst dann nicht wenn der durch die Transistoren 20 und 22 fließende Strom durch das differentielie Signal Vein geändert worden ist Die Differenz der die Transistoren 20 und 22 durchfließenden Ströme fließt als Differenzstrom in den Kondensator 24 hinein bzw. aus dem Kondensator 26 heraus und erzeugt ein Ausgangssignal, wie es in F i g. 2 der Zeichnung dargestellt ist

In F i g. 2 ist zum Zeitpunkt u> der Taktimpuls aus der Taktimpulsquelle Φ 1 beendet und die Aufladung der Kondensatoren 36 und 48 ist ebenfalls beendet, so daß der die Transistoren 32 bzw. 44 durchfließende Strom festliegt. Zum Zeitpunkt Io sind außerdem die über den Kondensatoren 24 und 26 liegenden Spannungen auf den Wert Vi eingestellt, wodurch der Verstärker für das Eingangssignal bereitgestellt ist. Zum Zeitpunkt f| wird das differentielie Eingangssignal Vein den Gate-Elektroden 56 und 58 zugeleitet. Unter der Annahme, daß das Signal Vein das positive Signal an der Gate-Elektrode 56 erhöht, nimmt der den Transistor 20 durchfließende zu und der vom Kondensator 24 kommende Strom durchfließt zusammen mit dem den Transistor 32 durchfließenden Konstantstem den Transistor 20. Da die auf dem Kondensator 24 liegende Ladung kleiner geworden ist, nimmt die am Punkt 28 liegende Spannung, wie in F i g. 2 bei 60 angegeben, ab und wird zum Zeitpunkt h im wesentlichen konstant. Da das differentielie Eingangssignal Vein das positive Signal an der Gate-Elektrode 56 erhöht hat, hat dadurch gleichzeitig das an der Gate-Elektrode 58 liegende positive Signal entsprechend abgenommen, so daß der den Transistor 22 durchfließende Strom ebenfalls abnimmt. Diese Abnahme des Stroms im Transistor 22 bewirkt, daß der den Transistor 44 durchfließende konstante Strom die Ladung auf dem Kondensator 26 entsprechend erhöht, wodurch auch die am Punkt 30 liegende Spannung entsprechend zunimmt, wie dies durch die Kurve 62 in F i g. 2 dargestellt ist. Die am gemeinsamen Punkt 30 liegende Spannung wird zum Zeitpunkt f2 im wesentlichen konstant.

Die Differenz zwischen den Kurven 60 und 62 in Fig.2 gibt die Größe und Polarität der an den Ausgangsklemmen in Fig. 1 der Zeichnung, die mit Vaus bezeichnet sind, auftretende Ausgangsspannung an. Natürlich, wenn die eingangsseitig zugeführte differertielle Eingangsspannung Vein an der Gate-Elektrode 56 mit einer Spannung anliegt, die die positive Spannung an der Elektrod 56 verringert und die positive Spannung an der Elektrode 58 erhöht, dann nimmt die am gemeinsamen Punkt 28 liegende Spannung, wie durch die Kurve 62 angedeutet, zu und

Kurve 60 gezeigt, ab. Da die Feldeffekttransistoren 20 und 22 als vom Eingangssignal abhängige Stromquellen arbeiten, ist leicht einzusehen, daß mit Zunahme der Amplitude des Eingangssignals Vein die Amplitudendifferenz zwischen den Kurven 60 und 62 an jedem gegebenen Zeitpunkt nach fi zunimmt. Es sollte ferner klar sein, daß die in F i g. 2 bei Vi angedeutete Spannung die am gemeinsamen Punkt 28 und am gemeinsamen Punkt 30 vor dem Anliegen des Eingangssignals Vein liegende Anfangsspannung ist, so daß die an den Ausgangsklemmen Vaus liegende Spannungsdifferenz null ist. In der Praxis kann allerdings an den Ausgangsklemmen Vaus eine kleine Differenzspannung auftreten, die auf mögliche Änderungen der Parameter zurückzuführen sein kann, die während der Verarbeitung in die Schaltung eingeführt worden sind. Diese kleine konstante Spannung wird die verstärkte Ausgangsspannung nicht wesentlich beeinflussen.

Bei einem Verstärker, der gemäß der Erfindung aufgebaut und mit zufriedenstellenden Ergebnissen betrieben wurde, lagen die Spannungen Vi und + V bei 10 Volt und die Taktimpulse hatte eine Spannungsamplitude von +15 Volt und die den Gate-Elektroden 56 und 58 zugeführten Gleichspannungen lagen zwischen +1 und +4 Volt, während der von der Konstantstromquelle oder Konstantstromsenke gelieferte Strom /o etwa 40 Mikroampere betrug, wenn die Feldeffekttransistoren in ihrem Sättigungsbereich arbeiteten. Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers lag zwischen 20 und 30 mit Eingangssignalen Vein, die etwa zwischen 20 Millivolt und einer Maximalspannung lagen, die natürlich durch die elektrischen Grenzwerte der in dem Verstärker verwendeten Feldeffekttransistoren begrenzt ist. Die Spannungsverstärkung wird in gewissem Maße durch die in F i g. 1 der Zeichnung angedeuteten Streukapazitäten 42 und 54 beeinflußt. Hat man die Streukapazitäten so klein als irgendmöglich gemacht, kann man die Spannungsverstärkung, falls erwünscht, dadurch erhöhen, daß man die Werte der Kondensatoren 36 und 48 vergrößert. Das Ansprechverhalten auf Einschwingvorgänge der Schaltung wird dadurch verbessert, daß man die Streukapazitäten 24 und 26 möglichst klein macht Wird ein noch besseres Ansprechverhalten im Einschwingbereich gefordert, nachdem die Streukapazitäten 24 und 26 möglichst klein gemacht sind, kann der Strom k der Konstantstromquelle 14 erhöht werden. Als Konstantstromquelle 14 kann man einfach einen Feldeffekttransistor verwenden, an dessen Gate-Elektrode eine entsprechende Gleichspannung liegt. Diese Gleichspannung sollte kleiner sein, als die an den Steuerelektroden 56 und 58 der Transistoren 20 bzw. 22 liegende Gleichspannungskomponente. Für optimale Arbeitsweise sollte ebenfalls sorgfältig darauf geachtet werden, daß die Transistoren 20, 22, 32 und 44 in ihrem Sättigungsbereich betrieben werden.

Man sieht also, daß gemäß der Erfindung ein einfach aufgebauter Verstärker geschaffen wurde, der keine besonders großen Feldeffekttransistoren benötigt und der doch in der Lage ist, sehr kleine Eingangssignale festzustellen und trotzdem einen Verstärkungsfaktor von 20 bis 30 aufweist. Die kleinen Eingangssignale Vein können größenordnungsmäßig bei ¹Ao der kleinsten Amplitude von Eingangssignalen liegen, die durch kreuzgekoppelte Feldeffekttransistoren in einem Verstärker feststellbar sind, wie dies oben bereits angegeben wurde.

Obgleich die hier beschriebene Ausführungsform des Verstärkers gemäß der Erfindung zwei Parallelstromkreise 10 und 12 verwendet, die an einer gemeinsamen Konstantstromquelle 14 angeschlossen sind, kann der gemäß der Erfindung aufgebaute Verstärker auch dadurch abgewandelt werden, daß die gemeinsame Konstantstromquelle 14 weggelassen und nur eine gesteuerte Stromquelle 16 und den damit in Reihe geschalteten Transistor 20 benutzt, wobei diese Reihenschaltung durch die Konstantspannung + V erregt wird. Die am gemeinsamen Punkt oder Verbindungspunkt 28 dieses so abgewandelten Verstärkers auftretende Ausgangsspannung ergibt eine an sich etwas kleinere Verstärkung als man sie mit der vollständigen Schaltung gemäß F i g. 1 erzielt Für manche Anwendungsgebiete arbeitet der so modifizierte und damit vereinfachte Verstärker durchaus zufriedenstellend.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patetitansprüche:

1. Differentialverstärker mit hoher Verstärkung für kleine Signalamplituden, mit in zwei parallelen Stromkreisen angeordneten, als von einem differentiellen Eingangssignal abhängige Stromquelle wirkenden Eingangstransistoren und damit jeweils in Reihe geschalteten, als gesteuerte Stromquelle wirkenden Ausgangstransistoren, wobei die Eingangstransistoren (20, 22) mit einer Elektrode an einer gemeinsamen Konstantstromquelle (14, /o) angeschlossen sind, während die Ausgangstransistoren (32,44) mit einer Elektrode an einer Spannungsquelle (+ V) angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangstransistoren (32, 44) mit ihrer Steuerelektrode über je einen Schalttransistor (38, 50) an eine gemeinsame Spannungsquelle anschaltbar sind, wobei die Steuerelektroden (40,52) der Schalttransistoren (38, 50) an einer gemeinsamen Taktimpulsquelle (Φ 1) angeschlossen sind.

2. Differentialverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektroden (34, 46) der Ausgangstransistoren je über eine Ladekapazität (36,48) an dem jeweiligen Ausgangsknotenpunkt (28,30) angekoppelt sind.

3. Differentialverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem der Ausgangsknotenpunkte (28, 30) eine Lastkapazität (28, 30) derart nach Masse angeschlossen ist, daß Ladekapazität (36, 48) und Lastkapazität (24, 26) jeweils in Reihe geschaltet sind.

4. Differentialverstärker nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

daß die eingangssignalabhängigen Eingangstransistoren (20, 22), die als gesteuerte Stromquelle wirkenden Ausgangstransistoren (32, 44) und die Schalttransistoren (38, 50) Feldeffekttransistoren sind,

daß dabei die Eingangstransistoren (20, 22) an ihren Gateelektroden (56, 58) durch die differentielle Eingangsspannung ansteuerbar sind,
daß die Gateelektroden (34,46) der Ausgangstransistoren an je einer Elektrode der Schalttransistoren (38, 50) angeschlossen sind, deren Gateelektroden (40,52) mit der gemeinsamen Taktimpulsquelle (Φ 1) verbunden sind und

daß die Ausgangstransistoren (32, 44) und die Eingangstransistoren zwischen der Konstantstromquelle (14) und einer gemeinsamen Spannungsquelle (+ V) in Reihe geschaltet sind.