DE2462423A1

DE2462423A1 - Operationsverstaerker

Info

Publication number: DE2462423A1
Application number: DE19742462423
Authority: DE
Inventors: Jun Otto Heinrich Schade
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1973-08-09
Filing date: 1974-08-08
Publication date: 1977-02-10
Also published as: FR2240573B1; DE2462423C3; DE2438255C3; JPS5342624B2; SE398424B; AR200615A1; AU7211774A; BR7406412D0; CA1026436A; IT1019817B; NL178632C; FR2240573A1; DE2462423B2; DE2438255B2; DE2438255A1; NL7410394A; USB387171I5; BE818633A; JPS5073549A; SE7409818L

Description

US-Ser.No. 387 171 15. September 1976

RCA 67,236A 7728-74A /Sch/Ro.

RCA Corporation, New York, N.Y., V.St.A.

Operationsverstärker

Die Erfindung betrifft einen Allzweckverstärker hoher Verstärkung mit Differenzeingang, wie er üblicherweise als Operationsverstärker bezeichnet wird. Es besteht ein besonderes Bedürfnis nach einem solchen Verstärker, der in der Lage ist, mit komplementären Metalloxidhalbleitern aufgebaute Transistorschaltungen anzusteuern und der sich aus der gleichen erdunsymmetrischen Spannungsquelle wie die Logikschaltung speisen läßt. Ein solcher Transistor eignet sich für Spannungskomparatoren, wie sie bei der Analog-Digital-Umwandlung verwendet werden. Ein Nachteil der bekannten Operationsverstärker für solche Anwendungen besteht darin, daß ihre Ausgangsspannung nicht den gesamten Bereich der zugeführten Betriebsspannung durchlaufen kann, d.h., sie sind nicht geeignet für den Betrieb aus einer einzigen Spannungsquelle, wenn das Ausgangssignal das Masse-Bezugspotential der Spannungsquelle erreichen soll.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Beseitigung dieses Nachteils und wird gelöst durch die Verwendung eines CMOS-(complementary metal-oxid semiconductor) Inverters als Ausgangsstufe eines solchen Verstärkers. Insbesondere zeichnet sich die Erfindung aus durch einen hochverstärkenden Differenzeingangsverstärker mit Eingangs-, Treiber- und Ausgangsstufen, welche in

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dieser Reihenfolge in direktgekoppelter Kaskadenschaltung angeordnet sind. Die Eingangsstufe enthält einen ersten und einen zweiten Transistor in Form von Stromerhöhungs-Feldeffekttransistoren eines ersten Leitungstyps, die als source-gekoppelter Verstärker geschaltet sind. Als umkehrender bzw. nichtumkehrender Eingang der Eingangsstufe dienen die Gateelektroden des ersten bzw. zweiten Transistors. Die Eingangsstufe enthält ferner einen Stroraspiegelverstärker zur Differenzbildung aus den Strömen des ersten und zweiten Transistors und Zuführung des Differenzstroms zur Basiselektrode eines dritten Transistors. Dieser dritte Transistor bildet zusammen mit einer an seinen Kollektor angeschlossenen Last in Form eines Konstantstromgenerators die Treiberstufe für den Differenzeingangsverstärker. Die Ausgangsstufe dieses Verstärkers wird durch einen CMOS-Inverter mit zwei weiteren komplementären Stromerhöhungs-Feldeffekttransistoren als vierter und fünfter Transistor gebildet. Diese letztgenannten Transistoren sind mit ihren Basen an einen Schaltungspunkt angeschlossen, mit welchem auch der Kollektor des dritten Transistors direkt verbunden ist. Die entsprechenden Drainelektroden sind an den Ausgang des Differenzeingangsverstärkers angeschlossen, ihre Sourceelektroden liegen am Bezugspotential bzw. an einer Betriebsspannung. Diese Kombination von Treiberstufe und Ausgangsstufe ermöglicht es, daß die Signalspannung am Ausgang des Differenzeingangsverstärkers praktisch den gesamten Potentialbereich zwischen Bezugspotential und Betriebsspannungspotential annehmen kann.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand der beiliegenden Fig. näher erläutert.

Diese Figur zeigt einen Differenzeingangsverstärker 500 mit MOS-FETs und Bipolartransistoren. Der Verstärker 500 eignet sich zur Einbeziehung in eine einzige monolithische integrierte Schaltung, an deren Anschlüsse B+ und B- eine Betriebsspannung angelegt werden kann.

Der Differenzverstärker 501 arbeitet mit source-gekoppelten FETs 502 und 503, deren Drainelektroden an ein aktives Symme-

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trierglied mit einem Stromverstärker 504 unter Verwendung von NPN-Bipolartransistoren 505 und 506 angeschlossen sind. Der Differenzverstärker 501 ist von der in der USA-Patentschrift Nr. 3 852 697 der gleichen Anmelderin im einzelnen beschriebenen Art.

Die Differenz der zwischen die Anschlüsse 507 und 508 gelegten Eingangssignale wird vom Differenzverstärker 501 zu einem Signal verstärkt, das an den Basis-Emitterübergang eines in Emitterschaltung arbeitenden NPN-Bipolartransistors 509 gelegt wird. Das zweifach verstärkte Signal, das am Kollektor des Transistors 509 erscheint, wird einer Ausgangsstufe 510 in Form eines Komplementär-MOS-Umkehrverstärkers (CMOS-Umkehrstufe) mit einem P-Kanal-MOS-FET 511 und einem N-Kanal-MOS-FET 512 zugeleitet, und diese Ausgangsstufe 510 liefert am Anschluß

513 ein dem zweifach verstärkten Signal entsprechendes Ausgangssignal.

Der Anschluß 514 bildet den Zugang zum Kollektor des Treiberstufen-Transistors 509. Bei Verwendung des Verstärkers 500 in Rückkopplungsschleifen können zwischen die Anschlüsse

514 und 516 nicht dargestellte kapazitive und ohmsche Elemente geschaltet werden, um zur Stabilisierung der Schleife den Verstärkungsgrad und die Phasenverschiebung der Ausgangsstufe zu beeinflussen. Die Anschlüsse 515 und 516 sind an die beiden Enden eines Potentiometers anschließbar, dessen Schleifer mit dem B- -Anschluß verbunden ist und das zur Einstellung des Strompegels im Treiberstufen-Transistor 509 dient. Die Dioden 517-521 dienen als Schutzdioden zur Verhinderung bestimmter überspannungszustände und sind im normalen Betrieb der Schaltung gesperrt (nichtleitend).

Der Widerstand 522 spannt eine Lawinendiode 523 auf den Lawinendurchbruch zur Gewinnung einer gegenüber der B+ Spannung stabilisierten Spannung, die über einen Widerstand 524 auf den Eingang 525 eines Stromverstärkers 530 gekoppelt wird, der zwei parallele Kaskaden-Ausgangsstufen aufweist, deren eine die vereinigten Source-Ströme der Transistoren 502 und 503 liefert

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und deren andere eine Konstantstrom-Kollektorlast für den Transistor 509 bildet. Die beiden Kaskaden-Ausgangsstufen des Stromverstärkers 530 teilen sich in die gleiche gemeinsame Eingangsstufe, so daß an Schaltungselementen gespart wird. Da ihre FETs 531-534 spannungsgesteuerte Bauelemente mit im wesentlichen keinem Eingangsstrombedarf sind, gibt es keine nachteiligen Wechselwirkungen zwischen den beiden Kaskoden-Ausgangsstufen.

Der Eingangsstrom zum Schaltungspunkt 525 ist mit 100/UA bemessen; bei diesem Strompegel ändert sich die Source-Gate-Spannung des FET 535 in der Eingangsstufe des Stromverstärkers 530 bei Temperaturanstiegen praktisch nicht. Bei einem Temperaturanstieg um 100° K steigt'die Lawinendurchbruchspannung der Diode 523 um 0,3 Volt an. Bei dem gleichen Temperaturanstieg erniedrigt sich der Spannungsabfall an den drei Halbleiter-Flächendioden 536, 537, 538 in der Eingangsstufe des Stromverstärkers 530 um 0,5 Volt. Die Summe dieser Spannungsänderungen, d.h. eine Spannungserhöhung um 0,8 Volt bei dem Temperaturanstieg um 100° K, erscheint am Widerstand 524 und ergibt eine im wesentlichen vollkommene Kompensation seines erhöhten Widerstandswertes. (Der Widerstand 524 wird im gleichen Diffusionsverfahrensschritt wie die Basisgebiete der NPN-Bipolartransistoren hergestellt, wenn die Schaltungsanordnung nach Fig. 5 als integrierte Schaltung mit PMOS-NPN-Bipolartransistoren realisiert wird.)

Die Wahl der Anzahl der Dioden im Spannungsstabilisator 536, 537, 538 des Stromverstärkers 531, 532, 535 kann dann im Hinblick auf die Temperaturkompensation von Ι_ουτ getroffen werden. Da die Spannung V__c eines FET mit typischer Geometrie bei Drainstromwerten über 100 ,uA mit ansteigender Temperatur anzusteigen beginnt, ermöglicht die verfügbare Erniedrigung des Spannungsabfalls der Dioden 536-538 mit ansteigender Temperatur eine Temperaturkompensation von I_OüT in manchen Anwendungsfällen, wo bei bekannten Schaltungsanordnungen eine

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solche Kompensation unmöglich wäre. Dieser Vorteil dieser Schaltung kann sich selbst dann bemerkbar machen, wenn nV_„_ den Wert ^{von V}GS3O9 übersteigt.

Aufgrund der bei der hier beschriebenen Schaltung ermöglichten niedrigeren Spannung an den in Kaskode geschalteten FETs 531 und 532 des Stromverstärkers 530 kann den Eingängen 507 und 508 des Differenzverstärkers 501 ein größeres Gleichtaktsignal zugeleitet werden. Aufgrund der erniedrigten Spannung an den in Kaskode geschalteten FETs 533 und 534 des Stromverstärkers 530 kann die Kollektorspannung des Treiberstufen-Transistors 509 über einen größeren Teil des Spannungsbereiches zwischen B- und B+ verlaufen. Dieser Umstand, in Verbindung mit der Verwendung einer CMOS-ümkehr-Ausgangsstufe, die eine Signalspannungsverstärkung aufweist, statt einer Emitterfolger-Ausgangsstufe, die keine solche Verstärkung aufweist, ermöglicht Schwingamplituden der Ausgangs signalspantiung am Ausgang 513 über im wesentlichen den gesamten Spannungsbereich von B-bis B+. Ferner kann aufgrund der hohen Lastimpedanz, die an der Drainelektrode des FET 534 dem Kollektor des Transistors 509 dargeboten wird, und aufgrund der hohen Steilheit des NPN-Bipolartransistors die Treiberstufe eine sehr hohe Spannungsverstärkung, nämlich in der Gegend von 8000, aufweisen. Der P-Kanal-MOS-Transistor 534 ergibt eine bessere aktive Last ein lateraler PNP-Bipolartransistor, da er weder die Frequenzbeschränkungen noch die nichtlineare Stromverstärkung, die für einen lateralen PNP-Bipolartransistor typisch sind, aufweist. Somit stellt der Verstärker 500 eine verbesserte Kombination aus Operationsverstärkertreiber- und Endstufe dar.

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Claims

Patentansprüche

[Iy) Verstärker mit Differenzeingang, bei dem eine Eingangs-, eine Treiber- und eine Ausgangsstufe in dieser Reihenfolge zu einer direktgekoppelten Kaskadenschaltung zusammengeschaltet sind und die Eingangsstufe zwei Stromerhöhungs-Feldeffekttransistoren eines ersten Leitungstyps in source-gekoppelter Differenzverstärkerschaltung enthält, deren Gateelektroden mit dem umkehrenden bzw. dem nichtumkehrenden Eingangsanschluß der Eingangsstufe verbunden sind, die ferner einen Stromspiegelverstärker enthält, mit dessen Eingangs-bzw. Ausgangsanschluß die Drainelektroden des ersten bzw. zweiten Transistors verbunden sind und der einen beiden Anschlüssen gemeinsamen, an ein Bezugspotential gelegten Anschluß aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberstufe in an sich bekannter Weise einen dritten, bipolaren Transistor (509) eines zweiten, zum ersten Leitungstyp komplementären Leitungstyps aufweist, an dessen Basis der Ausgangsanschluß des Stromspiegelverstärkers (104) direkt angeschlossen ist und dessen Emitter mit dem Bezugspotential (B-) verbunden ist und dessen Kollektor an eine Last in Form eines Konstantstromgenerators (533, 534) angeschlossen ist, und daß eine CMOS-Inverter-Ausgangsstufe (510) mit einem vierten und fünften Transistor (512 bzw. 511) in Form von Stromerhöhungs-Feldeffekttransistoren vorgesehen ist, deren Gateelektroden zusammengeschaltet und mit dem Kollektor des dritten Transistors (509) direkt verbunden sind und deren Drainelektroden mit dem Ausgangsanschluß des Differenzeingangsverstärkers (502, 503) verbunden sind, und daß der vierte Transistor (512) vom zweiten Leitungstyp ist und mit seiner Sourceelektrode an das Bezugspotential angeschlossen ist, während der fünfte Transistor (511) vom ersten Leitungstyp ist und mit seiner Sourceelektrode an die Betriebsspannung (B+) angeschlossen ist, derart, daß das am Ausgang des Differenzverstärkers erscheinende Ausgangssignal mit Hilfe dieser Treiber- und Ausgangsstufenschaltung praktisch bis zum Bezugspotential verlaufen kann.

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2.) Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die als Konstantstromgenerator ausgebildete Last für den dritten Transistor (509) einen sechsten und einen siebten Transistor (533 bzw. 534) in Form von Stromerhöhungs-Feldeffekttransistoren vom ersten Leitungstyp in Kaskodenschaltung enthält, daß Source- und Gateelektrode des sechsten Transistors an die Betriebsspannung bzw. eine erste Vorspannung zur Bestimmung des Treiberstroms des sechsten Transistors, und damit des erzeugten KonstantStroms, angeschloßen sind, während die Drainelektroden des sechsten und siebten Transistors an die Sourceelektrode des siebten Transistors bzw. an den Verbindungspunkt der Gateelektroden des vierten und fünften Transistors (512 bzw. 511) angeschlossen sind und Gateelektrode des siebten Transistors (534)an eine zweite Vorspannung angeschlossen ist, welche bezüglich der Betriebsspannung die erste Vorspannung um einen Betrag überschreitet, der kleiner als die erste Vorspannung ist, derart, daß der sechste Transistor (533) mit einer Source-Drain-Spannung arbeitet, die wesentlich kleiner als seine Source-Gate-Spannung ist, so daß das am Ausgang des Differenzverstärkers erscheinende Signal praktisch bis zur Betriebsspannung verlaufen kann.
3.) Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß ein achter und ein neunter Transistor (531 bzw. 532) gleicher Art wie der sechste bzw. siebte Transistor (533 bzw. 534) in Kaskodeschaltung vorgesehen sind, daß Source- und Gateelektrode des achten Transistors (531) mit der Betriebsspannung bzw. der ersten Vorspannung verbunden sind und Source- und Gateelektrode des neunten Transistors · (532) mit der Drainelektrode des achten Transistors bzw. der zweiten Vorspannung verbunden sind und daß der Kollektor des neunten Transistors an den Verbindungspunkt der Sourceelektroden des ersten und zweiten Transistors zur Lieferung ihrer kombinierten Sourceströme angeschlossen ist.
4.) Verstärker nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß ein zehnter Transistor (535)

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als Stromerhöhungs-Feldeffekttransistor mit einer Drain-Gate-Verbindung zur Selbstvorspannung versehen und mit seiner Sourceelektrode an die Betriebsspannung angeschlossen ist, und daß
der Drainelektrode dieses Transistors ein Strom über eine Reihenschaltung von in Durchlaßrichtung vorgespannten Dioden (536, 537, 538) zugeführt wird, derart, daß die erste Vorspannung am drainseitigen Ende und die zweite Vorspannung am anderen Ende dieser Reihenschaltung erzeugt wird.

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