DE2643677C3

DE2643677C3 - Stromspiegelverstärker mit Feldeffekttransistoren

Info

Publication number: DE2643677C3
Application number: DE2643677A
Authority: DE
Inventors: Bruce David Middlesex N.J. Rosenthal
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1975-10-02
Filing date: 1976-09-28
Publication date: 1986-11-13
Also published as: JPS5244543A; JPS552767B2; DE2643677B2; US4010425A; GB1549310A; FR2326801A1; DE2643677A1; IT1071696B; FR2326801B1; CA1078470A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verstärker und betrifft speziell sogenannte Stromspiegelv,.rstärker mit Feldeffekttransistoren.

Verstärker vom Typ eines »Stromspiegels« sind allgemein bekannt und werden häufig eingesetzt, wenn es auf ein fest vorgeschriebenes Verhältnis zwischen einem Eingangsstrom und einem oder mehreren Ausgangsströmen ankommt. In einem Operationsverstärker oder Vergleicher beispielsweise verwendet man typischerweise Stromspiegel zur Versorgung der verschiedenen Stufen mit Vorstrom und zur Durchführung anderer Operationen wie etwa eine Pegelverschiebung oder eine Umsetzung von Differentialbetrieb (Gegentakt) auf Eintakt in der Eingangsstufe, einer Zwischenstufe oder der Ausgangsstufe. Es sind auch Stromspiegelverstärker mit Feldeffekttransistoren bekannt, worin ein in Sourceschaltung betriebener Eingangs-Feldeffekttransistor mit seiner Gate- und Draineiektrode an eine Eingangsklemme angeschlossen ist und worin ein ebenfalls in Sourceschaltung angeordneter Ausgangs-Feldeffekttransistor mit seiner Gateelektrode an die Eingangsklemme und mit seiner Drainelektrode an eine Ausgangsklemme angeschlossen ist. Das Verhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsstrom (das sogenannte »Spiegelverhältnis«) eines solchen Stromspiegelverstärkers ist in guter Näherung bestimmt durch das Verhältnis der Transkonduktanzen (d.h. der Vorwärts-Übertragungsleitwerte oder Vorwärtssteilheiten) des Eingangs- und des Ausgangs-Feldeffekttransistors und ist somit im wesentlichen unabhängig von den wirklichen Werten dieser Transkonduktanzen.

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Aus der US-PS 38 40 829 ist eine mit MOS-Transistoren mit P-Kanal in integrierter Form aufgebaute Gyratorschaltung bekannt, in der auch Stromspiegel verwendet werden, bei denen zwei Feldeffekttransistoren mit ihren Sourceelektroden an einem Bezugspotential liegen und mit ihren Gateelektroden zusammengeschaltet sind, wobei an diesem als Eingangselektrode dienenden Verbindungspunkt auch die Drainelektrode des einen Feldeffekttrai sistors liegt, während die Drainelektrode des anderen Feldeffekttransistors den Ausgangsanschluß bildeL An den Eingangsanschluß ist ferner die Sourceelektrode eines weiteren Feldeffekttransistors angeschlossen, der mit seiner Drainelektrode an einer Betriebsspannung liegt und dessen Gateelektrode ein Eingangssignal zugeführt wird. Dieser vorgeschaltete Sourcefolger hat zwar eine Spannungsverstärkung von 1 zwischen seiner Gateelektrode und seiner Sourceelektrode, jedoch ist sein Stromübersetzungsfaktor entsprechend einem mit Röhren aufgebauten Kathodenfolger verschieden von 1.

Ferner ist aus der US-PS 3S i3 595 eine KorisLantstromschaltung mit einem MOS-Feldeffe*(transistor bekannt, der durch Verbindung seiner Gate-Elektrode mit seiner Drain-Elektrode als Diode geschaltet ist, deren Durchlaßwiderstand über eine zwischen seine Source-E!ektrode und seine Substratelektrode gelegte Spannung so gesteuert wird, daß er auch bei Änderungen der Betriebsspannung einen konstanten Strom an eine Last liefert. Soll diese Last nicht direkt in Reihe mit dem Feldeffekttransistor geschaltet werden, so wird gemäß dieser Literaturstelle der Drainstrom des Feldeffekttransistors als Eingangsstrom für einen Stromspiegel verwendet, dessen Ausgangsstrom wiederum der Last zugeführt wird. Dieser Stromspiegel ist mit zwei Feldeffekttransistoren in üblicher Weise aufgebaut, also Gate- und Drain-Elektrode des Eingangstransistors sind mit einander verbunden und an die Gateelektrode des Ausgangstransistors angeschlossen, wobei dieser Knoten den Eingang des Stromspiegels bildet. Die Source- und Substratelektroden beider Stromspiegeltransistoren sind am Bezugspotential zusammengeschaltet, und der Kollektor des Ausgangstransistors hefen einen dem Eingangsstrom proportionalen Ausgangsstrom. Bei dieser Literaturstelle handelt es sich um kein Stromspiegelproblem, sondern um eine Konstan'stromquelle, der Iediglich /ur Si romübersetzung ein üblicher Stromspiege¹ nuchgeschaltet ist, der mit der Erzeugung des konstanten Stroms nichts zu tun hat.

In einem mit Feldeffekttransistoren bestückten Stromspiegelverstärker gibt es jedoch auch Paramter, 5„ die vom wirklichen Absolutbetrag derTranskonduktanz abhängen. Hierzu gehört als wichtigster Parameter die Eingangsimpedanz des Stromspiegels, die sich in erster Näherung als inverse Funktion der Transkonduktanz des Eingangstransistors ändert. Um eine niedrige Eingangsimpedanz zu erhalten, wie sie bei einem Stromspiegelverstärker allgemein erwünscht ist, war man bisher darauf angewiesen, die Transkonduktanz des Bingangstransistors zu erhöhen. Diese an sich wirksame Maßnahme bedingt aber, daß für ein gegebenes Spiegelverhältnis auch die Transkonduktanz des Ausgangstransistors entsprechend erhöht wird. Feldeffekttransistoren mit hoher Transkonduktanz haben größere Abmessungen als solche mit niedrigerer Transkonduktanz, so daß der Stromspiegel bei Unterbringung in einer integrierten Schaltung mehr Platz auf dem Schaltungsplätten beansprucht. Dies ist ein Nachteil, da hierdurch auf einem Plättchen gegebener

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60 Größe weniger Schaltungen untergebracht werden können, wodurch letztlich Kosten und Aufwand erhöht werden. Es gehört daher zu den Aufgaben der vorliegenden Erfindung, einen aus Feldeffekttransistoren gebildeten Stromspiegelverstärker mit verminderter Eingangsimpedanz zu schaffen, ohne die Transkonduktanz der beiden an der Stromspiegelung beteiligten Transistoren zu erhöhen, so daß man auf einem integrierten Schaltungsplättchen weniger Platz benötigt als in bekannten Fällen.

Die bekannten mit Feldeffekttransistoren bestückten Stromspiegelverstärker haben ferner die unangenehme Eigenschaft, daß während ihres Betriebs Spannungsschwankungen an der Eingangs- und an der Ausgangsklemme des Stromspiegels auftreten. Wenn man den Stromspiegel beispielsweise als aktive Last eine:, Differenzverstärkers verwendet, um eine Umsetzung von Differentialbetrieb auf Eintakt zu erreichen, dann kann dies*? Spannungsänderung zu einer wesentlichen Herabsetzung der Bandbreite de Gesamtschaltung führen, falls der Verstärker so geartci isi daß in ihm eine Kapazitätsvervielfachung infolge des Miller-Effekts stattfindet. Aufgabe der Erfindung ist daher auch die Schaffung eines Differentialstrom/Eintaktstrom-Umsetzers. bei dem nur relativ kleine Änderungen der Eingangsspannung auftreten.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen einschließlich ihrer Weiterbildungen zur Lösung der vorstehend genannten Aufgaben sind in den Patentansprüchen gekennzeichnet. Mit der Erfindung wird im Prinzip am Eingang eines mit Feldeffekttransistoren bestückten Stromspiegelverstärkers eine Impedanzwandlung mit einem Stromverstärkungsfaktor von 1 realisiert. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen näher erläutert.

F i g. 1 zeigt das Schaltbild eines Stromspiegelverstärkers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 zeigt eine Abwandlung des Strcmspie^elverstärkers nach Fig. 1;

F i g. 3 zeigt eine Modifikation des Stromspiegelverstr.kers nach Fig. 2 zur Differentialstrom/Eintaktstrom-Umsetzung;

Fig.4 und 5 zeigen weitere Abwandlungen der Schaltung nach Fig.3 zur Differentialspannung/Eintaktstrom-Umsetzung.

Der Stromspiegelverstärker nach F i g. 1 enthält einen Transistor 10, dessen Source- und Substratanschlüsse mit einer »gemeinsamen« Klemme 1 und dessen Gate- und Drainanschlüsse mit einem Schaltungsknoten A verhunden sind. Ein weiterer Transistor 20 ist mit seinen Source- und Substratanschlüssen an die gemeinsame Klemme I angeschlossen, während seine Gatc.Uktrode mit dem Schaltungsknoten A und seine Drainelektrode mit einer Ausgangsklemme 3 verbunden ist. Ein dritter Transistor 30 liegt mit seinen Source- und Substraianschlüssen an einer Eingangsklemme 2, mit seiner Gateelek'.rode an der gemeinsamen Klemme 1 und mit seiner D/ainelektrode am Schaltungsknoten A.

Bei den Transistoren 10 und 20 handelt es sich um Feldeffekttransistoren in Metall-Oxid-Halbleiterbauweise (MOS-Feldeffekttransistoren) eines hesCimmten Leitungstyps (im vorliegenden Fall mit N-leitendem Kanal), und der Transistor 30 ist ein MOS-Feldeffekttransistor des entgegengesetzten Leitungstyps (hier also mit P-Ieitendem Kanal). Je nach den relativen Betriebspotentialen der Schaltung können diese Leitungstypen in bestimmten Fällen auch jeweils umgekehrt sein, sie müssen nur in der angedeuteten Weise

zueinander komplementär sein. Das heißt, die Transistoren 10 und 20 können P-Kanal-Feldeffekttransistoren und der Transistor 30 kann ein N-Kanal-Feldeffekttransistorsein.

Es sei angenommen, daß die gemeinsame Klemme 1 im Betrieb der Schaltung mit einem Bezugspotential wie z. B. Masse verbunden ist, während der Eingangsklemme 2 ein Eingangsstrom I₂ zugeführt wird. Der Strom I₂, der durch die hintereinandergeschalteten Stromleitungsstrecken (Kanäle) der Feldeffekttransistoren 30 und 10 fließt, bewirkt, daß der Feldeffekttransistor 10 im Sättigungsbereich seiner Drainkennlinien betrieben wird und am Schaltungsknoten A ein positives Potential entsteht. Da die Gateelektrode des Feldeffekttransistors 10 mit dem Knoten A verbunden ist, ergibt sich ein Gegenkopplungseffekt, der das Potential des Knotens A auf einen Gleichgewichtswert stabilisiert. Dieser Gleichgewichtswert hängt ab von /2 und verschiedenen Parametern des Feldeffekttransistors 10 wie z. B. dessen Vorwärts-Übertragungsleitwert (Transkonduktanz) gm\ü und dessen Schwellenspannung V_{1 ia}. Der Feldeffekttransistor 10 befindet sich deswegen im Sättigungsbereich, weil seine Gate- und Drainelektroden gemeinsam mit dem Knoten Λ verbunden sind und davon ausgegangen wird, daß der Strom I₂ durch die Stromleitungsstrecke dieses Transistors fließt. Hierdurch ist zwangsläufig die bekannte Ungleichheitsbedingung für den Sättigungsbetrieb erfüllt, d. h. die Drainspannung ist zwangsläufig größer als die Gatespannung minus der Schwellenspannung (d. h. Vj > V_g- V₁).

Wie erwähnt, stabilisiert sich das Potential des Knotens A auf einen Wert, der hauptsächlich von I₂, gm\o und V, 10 abhängt. Die Gatespannung des Feldeffekttransistors 20 ist daher proportional dem Eingangsstrom I₂. Wenn davon ausgegangen wird, daß die Ausgangskicmmc 3 mii einer Stromquelle für einen Strom /3 verbunden ist, daß ferner der Feldeffekttransistor 20 in der Sättigung ist und daß die Schwellenspannung V, 20 des Feldeffekttransistors 20 gleich derjenigen des Feldeffekttransistors 10 ist, dann gilt für das Verhältnis der Ströme h und /j näherungsweise:

II)

Diese Gleichung besagt, daß die Transkonduktanz des Transistors 20 (d. h. die Größe gimo) etwa gleich derjenigen des Transistors 10 (d. h. der Größe gm_l0) sein sollte, wenn ein Stromspiegelverhältnis von 1 erreicht werden soll, d. n. wenn der Ausgangsstrom I₃ gleich dem Eingangsstrom I₂ sein solL Für andere Stromspiegelverijältnisse müssen die Transkonduktanzen entsprechend bemessen werden. So muß beispielsweise zur Erzielung einer Stromverstärkung (h> I₂) die Transkonduktanz des Transistors 20 größer als diejenige des Transistors 10 sein (d. h. gm₂o>gmw), während für eine Stromdämpfung (h > h) das Umgekehrte gilt (d. h. gmm < gm_xa).

Wenn der Feldeffekttransistor 30 in der Schaltung «> fortgelassen und die Klemme 2 direkt mit dem Knoten A verbunden wäre, dann würde sich die Eingangsimpedanz R, des Stromspiegelverstärkers nach F i g. 1 in guter Näherung nach folgender Gleichung bestimmen:

wobei gdsio der differentielle Drainleitwert des Transistors 10 im Sättigungsbereich ist. Für die typischen handelsüblichen Transistoren gilt gm>gds, so daß sich die Gleichung (2) auf folgenden Ausdruck vereinfacht:

65 R₁

g'"io

(3)

' " g»i

(2)

Das bei den bisher bekannten Stromspiegelverstärketn mit Feldeffekttransistoren auftretende Problem, welches sich insbesondere bei der Ausführung in integrierter Schaltung ergibt, sei nun mit Hilfe der Gleichungen (1) und (3) näher erläutert Es sei daran erinnert, daß der Ausdruck in Gleichung (S), der die Dimension eines reziproken Leitwerts hat, denjenigen Wert darstellt, den die Eingangsimpedanz R₁ des Stromspiegelverstärkers nach Fig. 1 haben würde, wenn der Transistor 30 in der Schaltung fortgelassen und die Klemme 2 direkt mit dem Knoten A verbunden wäre. Zur Verminderung der Eingangsimpedanz ist es offensichtlich notwendig, die Transkonduktanz gm^ zu erhöhen. Die Gleichung (1) besagt jedoch, daß für jedes gegebene Spiegelverhältnis eine Erhöhung von gmio mit einer proportionalen Erhöhung von gtnio einhergehen muß. Da die Transkonduktanz eines Feldeffekttransistors direkt von der Geometrie des Elements abhängt, müßte aiso hier die Größe der beiden Transistoren (d. h. der Feldeffekttransistoren 10 und 20) erhöht werden, wenn man die Eingangsimpedanz herabsetzen will. Ein solches Vorgehen ist jedoch wegen des teuren Halbleitermaterials kostspielig.

Dieses Problem der Abhängigkeit der Eingangsimpedanz vom Spiegelverhältnis wird gemäß der Erfindung dadurch überwunden, daß in der Eingangsstufe des Stromspiegelverstärkers ein Impedanzwandler mit einem SifünivcfSiäfiCüngSiaKiör VGH ι VOrgCSCuCH WiPu.

Dieser Impedanzwandler macht die Eingangsimpedanz praktisch unabhängig vom Spiegelverhältnis, so daß man für die Feldeffekttransistoren 10 und 20 Elemente geringer Ausdehnung verwenden kann, wodurch Halbleitermaterial eingespart wird. Der Impedanzwandler beansprucht natürlich selbst einen gewissen Raum, er kann jedoch derart realisiert werden, daß insgesamt weniger Raum benötigt wird als man andernfalls für ein gegebenes Spiegelverhältnis und eine gegebene Eingangsimpedanz brauchen würde.

Die vorstehend erwähnte Impedanzwandlung mit einem Stromverstärkungsfaktor von 1 wird im Stromspiegelverstärker nach F i g. 1 durch den in Gatesdialtung angeordneten komplementären Feldeffekttransistor 30 bewirkt Die Arbeitsweise des Feldeffekttransistors 30 und seine komplexe Wechselwirkung mit den Feldeffekttransistoren 10 und 20 läßt sich sehr leicht durchschauen, wenn man fürs erste annimmt daß der Feldeffekttransistor 30 durch irgendwelche Mittel im Sättigungsbereich seiner Drainkennlinien betrieben wird. Diese »Mittel«, die eine weitere Ausgestaltung des Erfindungsgedankciia darstellen, werden an späterer Stelle noch ausführlicher beschrieben.

Unter der Voraussetzung also, daß der Feldeffekttransistor 30 im Sättigungsbereich betrieben wird (ebenso wie aus den obengenannten Gründen der Feldeffekttransistor 10), hängt das Spiegelverhältnis wie im obigen Fall (Gleichung 1) vom Verhältnis der Transkonduktanzen der Feldeffekttransistoren 20 und 10 ab. Die an der Eingangsklemme 2 gemessene Eingangsimpedanz Ri ist jedoch hier nicht mehr durch

die obengenannten reziproken Leitwertausdrücke der Gleichung (1) oder (2) bestimmt. Vielmehr gilt für Ä,· jetzt folgende Näherung:

[l/(ß»'io + fitkiu)] +

wobei rc'sio den differentiellen Drainwiderstand (Sättigungsbereich) des Feldeffekttransistors 30 darstellt.

Die Gleichung (4) läßt sich vereinfachen, wenn man auch hier die der Gleichung (2) zugrunde liegende Voraussetzung gelten läßt (d.h. gwio>gds\o) und berücksichtigt, daß bei typischen handelsüblichen Transistoren das Produkt (gm_i0) ■ (rdx) viel größer als 1 ist, so daß:

κ, %

io

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Ein Vergleich der Gleichungen (5) und (3) zeigt, daß ausgehend von einem gegebenen Wert für gm\o der Eingangswiderstand des aus drei Transistoren gebildeten Stromspiegelverstärkers nach F i g. 1 (Gleichung 5) durch geeignete Wahl der Parameter des Feldeffekttransistors 30 kleiner gemacht werden kann als der Eingangswidersland des weiter oben als Annahme diskutierten Stromspiegels mit zwei Transistoren (Feldeffekttransistoren 10 und 20, Gleichung 3). Das Maß 'ieser Verbesserung (d. h. der Verminderung des Eingangswiderstands) läßt sich erkennen, wenn man für die allgemeinen Ausdrücke in den Gleichungen (3) und (5) spezielle Werte annimmt. Wenn z. B. £/»10-100χ 10-⁶ Siemens und gm»·*400χ 10-⁶ Siemens und rcfejo—10⁴ Ohm ist, dann hätte der aus zwei Transistoren bestehende Stromspiegelverstärker einen Eingangswiderstand von 10 000 Ohm, während der Eingangswiderstand des aus drei Transistoren bestehenden Slromspiegelverslärkers nur die Hälfte dieses Werts, also 5000 Ohm betragen würde.

Die Schaltung nach Fig. 1 enthält nun einen Transistor mehr (d. h. den Feldeffekttransistor 30) als der einfache aus zwei Transistoren (10 und 20) bestehende Stromspiegelverstärker nach dem Stand der Technik. Indem man jedoch gm$, groß gegenüber gnt\o macht, kann der Eingangswiderstand R, der Schaltung relativ klein gemacht werden, ohne daß man den Wert von gmw oder gmza irgendwie ändern muß. Das heißt, für ein gegebenes Spiegelverhältnis können die Feldeffekttransistoren 10 und 20 Elemente relativ kleiner Ausdehnung (niedriges gm) sein. Obwohl die Schaltung einen Transistor mehr hat, kann der bei gegebenem Ri von der Schaltung beanspruchte Raum kleiner sein als im Falle des aus zwei Transistoren bestehenden Stromspiegelverstärkers. Als Beispiel sei der Fall angenommen, daß man zur Erzielung eines gegebenen R, beim Stand der Technik die Flächen der Feldeffekttransistoren 10 und 20 jeweils um d?n Faktor 10 erhöhen müßte. Wenn die Flächen der Transistoren 10 und 20 ursprünglich jeweils 1 Flächeneinheit betragen haben, dann beträgt die nunmehr für die modifizierte Schaltung benötigte Fläche somit 20 Einheiten. Dasselbe Ergebnis wie oben läßt sich (in guter Näherung) mit der Schaltung nach Fig. 1 erzielen, indem man einen gesonderten Feldeffekttransistor 30 von etwa 10 Flächeneinheiten vorsieht, während man die Größe der Feldeffekttransistoren 10 und 20 auf

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₆₅ ihrem ursprünglichen Wert von jeweils 1 Flächeneinheit beläßt. In diesem Fall beträgt aber die für die Schaltung benötigte Gesamtfläche nur 12 Einheiten.

Bisher wurde davon ausgegangen, daß die Feldeffekttransistoren 10 und 30 beide im Sättigungsbereich betrieben werden. Wie oben erwähnt, ergibt sich ein solcher Betrieb für den Feldeffekttransistor 10 infolge seiner Gate-Drain-Verbindung. Wenn andererseits aber geeignete (weiter unten ausführlich beschriebene) Mittel fehlen, könnte der Feldeffekttransistor 30 in denjenigen Bereich seines Betriebsverhaltens treten, wo er als Triode wirkt. Da der differentielle Drainwiderstand (rdt_}a) des Feldeffekttransistors 30 im Triodenbereich typischerweise um eine oder mehrere Größenordnungen niedriger ist als im Sättigungsbereich (d. h. rdt<rds), hat der Triodenbetrieb zur Folge, daß der Feldeffekttransistor 30 die Eingangsimpedanz des Stromspiegels erhöht statt vermindert. Dies läßt sich vermeiden, wenn man Λ geringer als einen Minimalwert macht, indem iran dafür sorgt, daß das Verhältnis der effektiven Schwellenspannungen V,_(cq der Feldeffekttransistoren 10 und 30 der folgenden Ungleichung genügt:

Ku-(Tl*. > Ku-ΙΤ,Η. 16)

Esgibtzwei verschiedeneWege.umdieser Ungleichung zu genügen. Im Beispiel nach Fig. 1 werden bestimmte Parameter der Bauelemente (etwa die Dicke der Oxidschicht an der Gateelektrode, die Dielektrizitätskonstante dieser Oxidschicht, der Dotierungsgrad des Substrats und dergleichen) so gewählt, daß die Ungleichung (6) erfüllt wird. Gemäß einer anderen Methode, die in Fig.2 veranschaulicht ist, wird die Schwellenspannung des Feldeffekttransistors 30 durch Anlegen einer Substratvorspannung erhöht, um die Ungleichung (6) zu erfüllen.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist die Substratelektrode des Transistors 30 von der Drainelektrode dieses Transistors abgetrennt und statt dessen mit einer Vorspannungsklemme 4 verbunden. Die grundsätzlichen Schwellenspannungen der Feldeffekttransistoren 10 und 30 können irgendeinen beliebigen passenden Wert haben. Im Betrieb wird jedoch die Klemme 4 eine derart bemessene Vorspannung angelegt, daß die effektive Schwellenspannung des Feldeffekttransistors 30 höher ist als die Schwellenspannung des Feldeffekttransistors 10, so daß der Ungleichung (6) genügt wird. Ansonsten ist die Betriebsweise dieselbe, wie sie vorstehend für den Stromspiegelverstärker nach F i g. 1 beschrieben wurde.

Ls wurde erwähnt, daß die Erfüllung der Ungleichung (6) eine notwendige Bedingung ist, um den Feldeffekttransistor 30 mit Sicherheit im Sättigungsbetrieb zu halten, und wenn dies garantiert ist (und das vorgeschriebene Transkonduktanzverhältnis besteht), wird der Vorteil einer verminderten Eingangsimpedanz erzielt. Dies wird nachstehend als »normale Betriebsweise« bezeichnet Ein weiteres Merkmal des in F i g. 1 oder 2 gezeigten Stromspiegelverstärkers besteht darin, daß der Feldeffekttransistor 30 unter gewissen Bedingungen auch bei erfüllter Ungleichung (6) noch zum Triodenverhalten gezwungen werden kann, um eine zweite Betriebsart der Schaltung zu ermöglichen. Diese Betriebsart, die nachstehend als »hochohmige Betriebsweise« bezeichnet wird, erreicht man, indem man den Eingangsstrom h höher werden läßt als den obenerwähnten gegebenen Wert Mit der hochohmigen

Betriebsweise kann in bestimmten Anwendungsfällen der Vorteil einer Strombegrenzung erzielt werden.

Diese hochohmige Betriebsweise sei nachstehend näher erläutert. Die Spannung am Knoten A ist eine Funktion verschiedener Parameter des Feldeffekttransistors 10 und auch des Stroms /2, wie es oben erläutert wurde. Wenn h steigt, dann wird auch die Spannung am Knoten A höher. Wenn /₂ einen derartigen Wert hat, daß der Betrag der Drain-Source-Spannung des Transistors 30 kleiner ist als der Betrag der Differenz zwischen der Gate-Source-Spannung und de der Schwellenspannung, dann gerät der Feldeffekttransistor 30 in den Triodenbetrieb.

17)

R, =t η//.,,, + I/gin,,

(8)

II \/|i:^ U^l

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Wenn diese Ungleichung (7) erfüllt ist, dann ist die an der Eingangsklemme 2 gemessene Eingangsimpedanz in guter Näherung:

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wobei R₁ und gtri\o wie oben definiert sind und rdho der differentielle Drainwidersland des Feldeffekttransistors 30 im Triodenbereich ist. Der erste Ausdruck der vorstehenden Gleichung (8) stellt den »Ganz-ein«- Widt aand des Feldeffekttransistors 30 dar und ist vernachlässigbar klein. Der letztgenannte Ausdruck ist jedoch ziemlich groß, in Wirklichkeit (unter den gegebenen Annahmewerten für gm-n und gmw) viel größer als der durch die Gleichung (5) gegebene gesamte Eingangswiderstand. Dies hat letztlich zur Folge, daß sich der Feldeffekttransistor 30 in der Sättigung befindet und R,(gegeben durch die Gleichung 5) niedrig ist, wenn der Eingangsstrom h kleiner als ein gegebener Wert ist. Wenn h diesen gegebenen Wert

am Knoten A entwickelten Spannung in den Triodenbereich gezwungen (d. h., die Ungleichung 7 wird erfüllt), und R₁ ändert sich auf einen hohen Wert (Gleichung 8). Die Stromstärke, bei welcher diese Impedanzänderung erfolgt, hängt von den Parametern der Feldeffekttransistoren 10 und 30 ab und läßt sich mit den bekannten Methoden der Schaltungsanalyse errechnen.

Wie erwähnt, läßt sich mit der hochohmigen Betriebsweise eine Strombegrenzung erzielen, die in bestimmten Anwendungsfällen von Vorteil ist. Ein solcher Fall ist beispielsweise dann gegeben, wenn der an der Eingangsklemme 2 zugeführte Eingangsstrom aus einer Signalquelle kommt, deren äquivalenter Ausgangswiderstand (nach T h e ν e η i n) kleiner ist als der durch die Gleichung (8) gegebene Widerstand aber größer als der durch die Gleichung (5) gegebene Widerstand. In der normalen Betriebsweise würde der Strom h somit hauptsächlich durch die Werte der Theveninschen Äquivalentspannung und des Theveninschen Äquivalentwiderstands bestimmt werden, während in der hochohmigen Betriebsweise dieser Strom hauptsächlich durch die Thevenin-Spannung und R, nach Gleichung (8) bestimmt und somit begrenzt würde. Natürlich ist die äquivalente Ausgangsimpedanz aller realen Quellen in der Praxis kleiner als unendlich, und daher tritt immer eine Strombegrenzung in gewissem Maß ein, wenn der Feldeffekttransistor 30 aus dem Sättigungsbereich in den Triodenbereich übergeht. Das vorstehende Beispiel einer Quellenimpedanz, Jie zwischen den durch die Gleichungen (5) und (8) bestimmten Widerststdswerten liegt, stellt lediglich den optimalen

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65 Fall dar, bei dta die stärkste Strombegrenzungswirkung beobachtet werden kann. Dieses Beispiel ist natürlich für den Hauptzweck der Erfindung nicht so wesentlich.

Die Fig.3 zeigt eine abgewandelte Form des Stromspiegelverstärkers nach Fig.2, bei der eine weitere Eingangsklemme 5 und ein zusätzlicher P-Kanal-Feldeffekttransistor 40 vom Anreicherungstyp vorgesehen ist Der Feldeffekttransistor 40 ist mit seiner Sourceelektrode an die Eingangsklemme 5, mit seiner Gaieelektrode an die gemeinsame Klemme 1, mit seiner Drainelektrode an die Ausgangsklemme 3 und mit seiner Substratelektrode an die Vorspannungsklemme 4 angeschlossen. Dieser modifizierte Stromspiegelverstärker nach Fig.3 wandelt die Differential- oder Gegentaktströme h und /5 in einen Eintaktsirom urn. Das heißt, aus den Eingangsströmen /2 und /5 wird durch Differential/Eintakt-Umsetzung ein Ausgangsstrom /„ erzeugt, dessen Richtung von den relativen Beträgen der Eingangsströme h und /5 und vom Stromspiegelverhältnis (Gleichung 3) abhängt. Der Betrag des Ausgangsstroms |/t| hängt ebenfalls von diesen Faktoren und außerdem noch von bestimmten anderen Faktoren ab, unter anderem von den Betriebsarten der Feldeffekttransistoren 40 und 20 und von der Natur der an die Ausgangsklemme 3 angeschlossenen Last (nicht dargestellt).

Der Feldeffekttransistor 40 dient einem ähnlichen Zweck wie der Feldeffekttransistor 30, nämlich einer Verminderung der Eingangsimpedanz an der Eingangsklemme 5. Dies bringt u. a. einen besonderen Vorteil für den Fall, daß der Stromspiegel nach F i g. 3 als aktive Last in einem Differenzverstärker verwendet wird. Wie bereits weiter oben angedeutet wurde, können nämlich durch die verminderte Eingangsimpedanz an beiden Eingangsklemmen die dort auftretenden Spannungsänderungen mogiichsi gering gehaiien werden. Solche Spannungsänderungen würden ansonsten zu einer unerwünschten Kapazitätsvervielfachung durch den Miller-Effekt in der die Eingangsströme liefernden Quelle führen, wodurch die Bandbreite dti Gesamtschaltung unvertretbar stark begrenzt werden würde. Um den besagten Zweck zu erfüllen, sollten die Parameter des Feldeffekttransistors 40 in ähnlicher Weise gewählt werden, wie es für den Feldeffekttransistor 30 beschrieben wurde.

Die Art und Weise, wie diese Wahl durchzuführen ist und wie die Schaltung insgesamt funktioniert, wird nachstehend anhand eines speziellen Beispiels für einen linearen Betrieb mit dem Verstärkungsfaktor 1 beschrieben.

Es sei angenommen, daß die effektive Schwellenspannung beim Feldeffekttransistor 30 bzw. 40 größer ist als beim Feldeffekttransistor 10 bzw. 20. Ferner sei angenommen, daß gmw^grrtm (d. h. der Stromverstärkungsfaktor sei gleich 1), daß gniM>gniio und daß gmAo>gni2o. Weiterhin sei angenommen, daß den Eingangsklemmen 2 und 5 Eingangsströme I₂ bzw. /5 zugeführt werden, die einen solchen Wert haben, daß alle Transistoren in der Sättigung betrieben werden. Der Sättigungsbetrieb folgt aus den vorstehend vorausgesetzten Bedingungen

Schließlich sei angenommen, daß die Ausgangsklemme 3 mit einem Verbraucher oder einer Nutzschaltune wie

etwa einem weiteren Verstärker oder einer Last verbunden ist, deren Impedanz einen Regelteil Rl hat, der endlich oder unendlich sein kann.

Unter den vorstehend genannten Voraussetzungen ergibt sich für den Eingangswiderstand /?,p) an der Eingangsklemme 2 ein Wert, der in guter Näherung mit dem durch die Gleichung (5) oder (4) bestimmten Widerstandswert übereinstimmt Unter der weiteren Voraussetzung, daß (gmo) · (rdsw)>l ist, bestimmt sich der Eingangswiderstand Ä/μ) an der Eingangsklemme 5 näherungsweise durch folgende Gleichung:

(R₁UrJs₂,,)

(9)

Zv)

R - ^l

g"Uo

R₁.

(H)

Man erkennt, daß hier der Eingangswiderstand an der Klemme 5 bei einem gegebenen Wert von Rl vermindert werden kann, indem man die Transkondi-Ά·.-

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Der wesentliche Unterschied zwischen dem durch die Gleichung {5) gegebenen Eingangswiderstand und dem durch die G'^ichung (9) gegebenen Eingangswiderstand besteht darin, daß im letztgenannten Fall der Lastwiderstand Rl mitspielt. Wie nun im einzelnen erläutert werden wird, kann die Eingangsimpedanz an der Klemme 5 vermindert werden, ohne die Transkonduktanz des Feldeffekttransistors 20 zu erhöhen (wodurch dessen Ausdehnung vergrößert werden müßte und, was noch unangenehmer wäre, das Stromspiegelverhältnis geändert würde), und zwar unabhängig davon, ob der Lastwiderstand endlich oder unendlich ist. Anders ausgedrückt: Die Eingangsimpedanz an der Klemme 5 läßt sich sowohl bei niederohmigen als auch bei hochohmigen Lasten vermindern, und zwar jeweils unabhängig vom Stromspiegelverhältnis.

Es sei der Fall betrachtet, daß die Last oder der Verbraucher ein Feldeffekttransistor-Verstärker ist und daß die Ausgangsklemme 3 allein mit der Gateelektrode dieses Feideifekuransistors verbunden ist. in einem solchen Fall kann Ri. praktisch immer als unendlich angesehen werden (der Gate-Leckwiderstand liegt typischerweise bei lO'Ohm oder noch höher). Beim Vorhandensein einer solchen Last vereinfacht sich die Gleichung (9) auf:

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15 tanz des Feldeffekttransistors 40 erhöht, und daß dies wie im vorangegangenen Fall ohne Erhöhung der Transkonduktanz des Feldeffekttransistors 20 geschehen kann, so daß das Spiegelverhältnis unbeeinflußt bleibt.

Zusammenfassend gesagt wird alio beim Stromspiegelverstärker nach Fig.3 mitteis in Gateschaitung angeordneter Feldeffekttransistoren 30 und 40 die Eingangsimpedanz an beiden Eingangsklemmen vermindert und im wesentlichen unabhängig vom Stromspiegelverhältnis gemacht. Dies wird erreicht, indem alle Transistoren in Sättigung betrieben werden, was seinerseits durch Erfüllung folgender Ungieichungen möglich gemacht wird:

Da der Nenner des zweiten Ausdrucks dieser Gleichung wie weiter oben erwähnt typischerweise viel größer als 1 ist, läßt sich bei einem gegebenen differentiellen Drainwiderstand im Sättigungsbereich _M für den Transistor 20 die Eingangsimpedanz unabhängig von Rt und gm-n vermindern, indem man die Transkonduktanz des Feldeffekttransistors 40 erhöht

Auch im Falle, daß die Eingangsklemme 3 mit einer relativ niederohmigen Last (statt mit der eben erwähnten hochohmigen Last) verbunden ist werden die vorstehend erwähnten Vorteile erzielt Als Beispiel sei angenommen, daß Rl relativ klein ist und zwar viel kleiner als der differentielle Drainwiderstand (Sättigungsbereich) des Feldeffekttransistors 20. In diesem Fall vereinfacht sich die Gleichung (9) auf:

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	ί ι.' i
KuH₁«, ϊ	(M)
KltfHVHI ^	(15)
» Pill... r» -■'
• l'ik-mi»
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Die Fig.4 zeigt eine Weiterbildung der Schaltung nach Fig.3, mit welcher eine Differentialspannung in einen Eintaktstrom umgesetzt werden kann. Diese Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, daß zwei zusätzliche Spannungs-Eingangsklemmen 7 und 8, eine zusätzliche Stroni-Eingangsklemme 6 und zwei zusätzliche P-Kanal-Feldeffekttransistoren 50 und 60 vom Anreicherungstyp vorgesehen sind. Source, Substrat, Gate und Drain des Feldeffekttransistors 50 sind mit der Klemme 6 bzw. 4 bzw. 7 bzw. 2 verbunden. Source, Substrat, Gate und Drain des Feldeffekttransistors 60 sind mit der Klemme 6 bzw. 4 bzw. 8 bzw. 5 verbunden.

im Betrieb wird der Kiemme 6 aus einer geeigneten Stromquelle (nicht dargestellt) ein Eingangsstrom /_u zugeführt. Die Stromquelle kann durch einen zwischen die Klemme 6 und ein Versorgungspotential geschalteten Widerstand gebildet sein, vorzugsweise sei jedoch eine Konstantstromquelle wie etwa ein geeignet vorgespannter Widerstand verwendet Derartige Quellen sind allgemein bekannt. Die mit ihren Sourceelektroden zusammengekoppelten Feldeffekttransistoren 50 und 60 teilen den Eingangsstrom k zwischen den Klemmen 2 und 5 auf, und zwar entsprechend der Relation zweier Eingangsspannungen Vi und V₂, die den Eingangsklemmen 7 bzw. 8 angelegt werden.

Die Feldeffekttransistoren 50 und 60 haben vorzugsweise gleiche Eigenschaften (z. B. gleiche Schwellenspannungen und Transkonduktanzen), so daß bei einander abgeglichenen Eingangsspannungen auch die Ströme h (vom Feldeffekttransistor 50 durchgelassen) und h (vom Feldeffekttransistor 60 durchgelassen) einander gleich sind. In diesem Fall und unter Voraussetzung eines Spiegelverhältnisses von 1 (d. h. grrt\o=gmia) ist der Strom /j gleich dem Strom I₂, so daß der Gesamtausgangsstrom k gleich Null ist Unter den gegebenen Voraussetzungen werden also Gleichtaktkomponenten der Eingangsspannungen unterdrückt

Jede Differenz zwischen den Eingangsspannungen bewirkt gemäß dem Kirchoffschen Stromgesetz einen Ausgangsstrom, dessen Richtung von den relativen Beträgen der Eingangsspannungen v\ und V₂ abhängt. Wenn beispielsweise die Eingangsspannung V₂ positiver als die Eingangsspannung Vl ist (bezogen auf die gemeinsame Klemme 1), dann ist der Strom h größer als

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der Strom /5. Unter den gegebenen Voraussetzungen ist auch /₃ größer als /5, so daß der Ausgangsstrom 4 von der Last (nicht dargestellt) in die Klemme 3 fließL Bei umgekehrtem Verhältnis der Beträge der Eingangsspannungen ergibt sich das Gegenteil.

Da die Feldeffekttransistoren 30 und 40 die an den Klemmen 2 und 5 wirksame Impedanz niedrig halten, hat dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung die Eigenschaft, daß Drainspannungsänderungen an den Feldeffekttransistoren 50 und 60 gering bleiben.

Entsprechend wird auch die den Feldeffekttransistoren 50 und 60 (infolge des Miller-Effekts) zugeordnete Vervielfachung der Gate-Drain-Kapazitäten herabgesetzt, was den Vorteil eines besseren Hochfrequenzverhaliens bringt.

E>ie vorgehend in Verbindung mit F i g. 4 beschriebenen Vorteile lassen sich auch ohne Verwendung der zusätzlichen Transistoren 50 und 60 erreichen, wenn man die Schaltung nach F i g. 3 in der in F i g. 5 dargestellten Weise modifiziert ins Fsüe der F i g. 5 sind die Einfachgate-Feldeffekttransistoren 30 und 40 durch Doppelgate-Feldeffekttransistoren 31 und 41 trsetzt, deren jeder eine der Drainelektrode näherliegende erste Gateelektrode (32 bzw. 42) und eine der Sourceelektrode näherliegende zweite Ganeelektrode (33 und 43) aufweist Wie im Falle der F i g. 4 sind eine Strom-Eingangsklemme 6 zum Empfang eines Eingingsstroms /0 und zwei Spannungs-Eingangsklemmen 7 und 8 zum Empfang der Eingangsspannungen Vi und V₂ vorgesehen.

Unter der Bedingung, daß die Transkonduktanz und die Schwellenspannung hinsichtlich der ersten Gateelektrode 32 des Feldeffekttransistors 30 größer sind als die entsprechenden Parameter des Feldeffekttransistors 10 und daß die Transkonduktanz und Schwellenspannung hinsichtlich der ersten Gateelektrode 42 des Feldeffekttransistors 41 größer sind als die entsprechenden Parameter beim Feldeffekttransistor 20, arbeitet die Schaltung nach F i g. 5 in der gleichen Weise und bringt die gleichen Vorteile wie die Schaltung nach F i g. 4. Die Schaltung nach Fig.5 hat darüber hinaus noch den weiteren Vorzug, daß sie in der Ausführung wirtschaftlicher ist, und zwar sowohl bei diskreter als auch bei integrierter Bauweise, denn in beiden Fällkn kommt man insgesamt mit weniger Transistoren und einer geringeren Gesamtzahl von Verbindungen aus.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Stromspiegelschaltung mit einer Eingangsklemme, einer Ausgangsklemme und einer dem Eingangs- und Ausgangskreis gemeinsamen Klemme, ferner mit einem ersten und zweiten Feldeffekttransistor eines ersten Leitungstyps, deren Sourceelektroden mit der gemeinsamen Klemme und deren Gateelektroden mit einem Schaltungsknoten gekop- ι ο pelt sind, der außerdem mit der Drainelektrode des ersten Transistors verbunden ist während die Drainelektrode des zweiten Transistors mit der Ausgangsklemme der Schaltung gekoppelt ist, und mit einem zwischen die Eingangsklemme der Schaltung und den Schaltungsknoten geschalteten weiteren Feldeffekttransistor als Impedanzwandler, dadurch gekennzeichnet, daß der Impedanzwandler (30) einen btromverstärkungsfaktor von im wesentlichen i hat und derart bemessen ist, daß die irnpe· danz zwischen der Eingangsklemme (2) und der gemeinsamen Klemme (1) kleiner als der Reziprokwert der Transkonduktanz des ersten Transistors (10) ist.

2. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Impedanzwandler durch einen Feldeffekttransistor in Gategrundschaltung gebildet ist, der mit seiner Gateelektrode an die gemeinsame Klemme und mit seiner Drain- und Sourceelektrode an den Schaltungsknoten (A) bzw. an die Eingi -'gsklemme (2) angeschlossen ist.

3. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Impedanzwandler aus einem dritten Felde.-feknransistor (30) eines zweiten Leitungstyps besteht, üessen Transkonduktanz größer ist als diejenige des ersten Transistors (10).

4. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellenspannung des dritten Transistors (30) größer ist als diejenige des ersten Transistors (10).

5. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Substratelektrode des dritten Transistors (30) eine Vorspannungsklemme (4) verbunden ist, um eine derartige Substratvorspannung anzulegen, daß die Schwellenspannung des dritten Transistors größer ist als diejenige des ersten Transistors.

b. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Eingangsklemme (5) und ein vierter Feldeffekttransistor (40) des zweiten Leitungstyps vorgesehen ist, dessen Sourceelektrode mit der zweiten Eingangsklemme (5) und dessen Gateelektrode mit der gemeinsamen Klemme (1) und dessen Drainelektrode mit der Ausgangsklemme (3) verbunden ist und dessen Transkonduktanz größer ist als diejenige des zweiten Transistors (20V

7. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellenspannung des vierten Transistors größer ist als diejenige des zweiten Transistors.

8. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Vorspannungsklemme (4), die mit der Substratelektrode sowohl des dritten (30) als auch des vierten (40) Transistors verbunden ist, um diesen Transistoren eine Substratvorspanniing solchen Werts anzulegen, daß die Schwellenspannung des dritten Transistors (30) größer ist als diejenige des ersten Transistors (10) und daß die Schwellenspannung des vierten Transistors (40) größer ist als diejenige des zweiten Transistors (20).

9. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 6, 7 oder 8, gekennzeichnet durch ihre Zusammenschaltung mit einem fünften und einem sechsten Feldeffekttransistor (50 und 60) des zweiten Leitungstyps, deren Drainelektroden mit der ersten uzw. der zweiten Eingangsklemme (2, 5) und deren Sourceelektroden mit einer gemeinsamen Eingangsstromklemme (6) gekoppelt sind und an deren Gateelektroden (7, 8) eine erste bzw. eine zweite Signaleingangsspannung (Vi, V2) anlegbar is«, um den Eingangsstrom (70) zwischen der ersten und zweiten Eingangsklemme (2, 5) entsprechend der Relation der beiden zusätzlichen Eingangsspannungen (V\, V2) aufzuteilen.

10. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 6,7 oder 8, dadurch gekennzeichnet daß die beiden Eingangs- Wlpmmpn U K\ mit *»in*»r »Pinpincamnn Ρϊηοαηικ.

stromklemme (6) gekoppelt sind; daß der dritte und der vierte Transistor (31, 41) jeweils eine weitere Gateelektrode (33 bzw. 43) zum Anlegen einer Signaleingangsspannung (V\ bzw. Vi) aufweisen, daß diese weitere Gateelektrode (33 bzw. 43) jedes dieser Transistoren der Sourceelektrode des betreffenden Transistors näher liegt als die andere Gateelektrode (32 bzw. 42) des betreffenden Transistors, derart, daß die Signaleingangsspannungen (V_x, V₂) die relativen Beträge der Ströme (I₁,1₂) bestimmen, die aus der Stromeingangsklemme (6) durch den dritten und den vierten Transistor (31, 41) fließen.