DE3049673A1 - Cmos operational amplifier with improved frequency compensation - Google Patents

Cmos operational amplifier with improved frequency compensation

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Description

AMERICAN MICROSYSTEMS
(PCT/US 80/01167)
CMOS-Operationsverstärker mit verbesserter Frequenzkompensation
Hintergrund der Erfindung . · .
Diese Erfindung bezieht sich auf Operationsverstärker mit komplementären Metall-Oxid-Halbleitertränsistoren und spezieller auf solche Operationsverstärkerschaltungen, die eine verbesserte Frequenzkompensation haben. ,
Um Betriebsstabilität für einen Operationsverstärker zu gewährleisten, der Mehrfach-VerStärkungsstufen hat, sollte die Phasendrehung seines Ausgangs im Leerlauf bzw. bei offener Schleife 180° nicht überschreiten. Um dies .zu erreichen, muß der Operationsverstärker in seinem Inneren kompensiert sein. . .
Eine frühere Methode eine solche Kompensation vorzusehen war die, einen kompensierenden Kondensator (C_) in der Leitung zwischen dem Ausgang und dem Eingang des Operationsverstärkers zu verwenden. Jedoch führt eine solche Anordnung bzw. Ausführung zum Entstehen einer Null-Stelle in der übertragungsfunktion bei f-^ (worin gm die Steilheit
c i
für die Schaltung ist) in der Frequenzdarstellung infolge direkter Vorwärtskopplung. Für MOS-Schaltungen liegt diese Null-Stelle innerhalb der interessierenden Bandbreite und vermindert die Phasendrehung bzw. Phasenverschiebung des Ausgangs. Zur gleichen Zeit verhindert sie die Ausgangsgröße daran (entsprechend der Grenzfrequenz) abzufallen und sie kann . Instabilität des Verstärkers hervorrufen.
Ein älteres Schema zur Lösung dieses Problems umfaßte die Verwendung eines nicht-invertierenden Pufferverstärkers im Rückkopplungsweg, der dazu diente, Effekte der Vorwärtskopplung zu vermeiden, die ursprünglich die Nullstelle erzeugten. Diese Annäherung ist beschrieben in IEEE Journal, of Solid State Circuits, Band SC-11, Seiten 748-753. Ein Nachteil eines solchen .Schemas war jedoch, daß der Pufferverstärker signifikante und übermäßige Leistung verbrauchte. Eine andere Annäherung bzw. ein anderer Weg, das Problem zu lösen, war, den Wert des kompensierenden Kondensators (C ) zu verringern. Der Effekt dieses Lösungsweges ist
C ■
die Frequenz der Null-Stelle der übertragungsfunktion : nach höherer Frequenz außerhalb des für den speziellen Operationsverstärker interessierenden Bereiches zu schieben. Dieses Schema würde für Operationsverstärker als vernünftig erscheinen, die hohe Leerlaufverstärkung bei offener Schleife haben, wie z. B. bei CMOS-Operationsverstärkern. Der Nachteil dieser Technik ist jedoch, daß die Unterdrückung hochfrequenten Rauschens der Stromversorgung gering ist. Schuld daran ist der Umstand, daß bei niedrigen Frequenzen irgendwelches Rauschen auf der auf Masse liegenden Versorgungsleitung vom Eingangselement der Ausgangsstufe nicht verstärkt wird. Mit steigender Frequenz jedoch hat der Kondensator C eine geringere Impedanz zwischen inneren Schaltungspunkten, die eine vergrößerte Spannung zwischen Gate und Source an den Eingangselementen erzeugt bzw. auftreten läßt. Dies führt zu verringerter Unterdrückung von Rauschen der Stromversorgung.
Es ist daher ein Aspekt der vorliegenden Erfindung, das Problem zu lösen, effektive innere Frequenzkompensation in CMOS-Operationsverstärkern vorzusehen.
Ein anderer Aspekt der Erfindung ist,.einen verbesserten GMOS-Operationsverstärker anzugeben, der angepaßte Frequenzkompensation und verringerte Verlustleistung hat. Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, einen CMOS-Operationsverstärker anzugeben, bei dem die Unter-.
drückung des Rauschens der Stromversorgung verbessert
ist. ' ■ '.■■■.
Noch ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, einen CMOS-Operationsverstärker anzugeben, der speziell gut angepaßt ist auf die Verwendung in groß integrierter Schaltung. Ein anderer Aspekt der. Erfindung ist, ein vergrößertes Produkt aus Verstärkung und Bandbreite für den Operationsverstärker zu erzielen.
Zusammenfassung der.Erfindung . , ■. ■
Entsprechend dem Prinzip der vorliegenden Erfindung ist die Frequenzkompensation in einem Operationsverstärker durch die Kombination eines Paares von Kapazitäten und eines Transmissions-Gatters, bestehend aus zwei MOS-Transistoren, die als Widerstand wirken, zu erreichen. Eine Kapazität ist mit der bei offener Schleife vorliegenden (Leerlauf-)Verstärkung des Verstärkers Miller-multi-" pliziert und ist der dominante Pol in dem Verstärker. Die Zeitkonstante dieser Kapazität und der zwei MOS-Einrichtungen ist dazu verwendet, die Lage der Null-Stelle der rechten P-Halbebene (die erzeugt ist wenn die MOS-Einrichtungen des Transmissions-Gatters nicht vorliegen) in eine Null-Stelle der linken P-Halbebene zu verschieben und vorteilhaft zu placieren. Die zweite Kapazität ist in dem Kompensationsschema dazu verwendet, das Produkt aus Verstärkung und Bandbreite des Verstärkers zu verbessern und die Unterdrückung des Rauschens der Stromversorgung des Verstärkers zu verbessern. Diese zweite Kapazität benutzt Pol-und Null-Stellen-Aufhebung, um . die Pegelverschiebestufe breitbandig zu machen und somit durch Beseitigung sekundärer Pole zu gestatten, die Lage des dominanten Pols zu höherer Frequenz hin zu verschieben, indem man die erste Kapazität kleiner macht. Dieses ver-
größert das Produkt aus Bandbreite und Verstärkung.. Die Unterdrückung des Stromversorgungsrauschens des Operationsverstärkers^ist auch abhängig von der Lage des dominanten Poles und ist verbessert so wie die Lage des Pols nach mehreren Frequenzen hin verändert ist. Andere· Aspekte, Vorteile.und Merkmale der Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels derselben ersichtlich, die in Zusammenhang mit der beigefügten Figur gegeben wird.
Kurze Beschreibung der Figur
Die Figur zeigt ein Schaltungsdiagramm eines Operationsverstärkers, der die vorliegende Erfindung verkörpert.
Detaillierte Beschreibung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels ■■.".-..·
Die Fig. . 1 zeigt das Schaltungsdiagramm bzw. Schaltbild eines Operationsverstärkers 10, der das Prinzip der vorliegenden Erfindung verkörpert und MOS-Feldeffekttransistoren umfaßt. Generell gesehen,· umfaßt der Operationsverstärker einen Differentialverstärker 12, der mit einer Schaltung 1.4 für Vorspannung verbunden ist, und eine Zwischenpegelverschiebungsstufe 16, die mit einer Ausgangsstufe 18 •Veirbünden ist. Der Differentialverstärker umfaßt üblicherweise eine Eingangsstufe, die mit einer Konstantstromquelle 20 verbunden ist. Zwischen dem Differentialverstärker 12 und der Ausgangsstufe 18 ist eine Frequenzkompensationseinrichtung 22 entsprechend der Erfindung angeschlossen.
Alle Transistorelemente der verschiedenen Komponenten des Operationsverstärkers 10 sind MOS-Feldeffekttransistoreinrichtungen. Für geeignete Betriebsweise des Operationsverstärkers müssen diese Einrichtungen (ausgenommen die Transistoren 96 und 98 eines Transmissions-Gatters, das
später beschrieben wird) im Sättigungsmode bzw. -bereich, im Gegensatz zum linearen Bereich, betrieben werden. Die Funktion'der Vorspannungsschaltung 14 ist die, sicherzustellen, daß die MOS-Feldeffekttransistoreinrichtungen der * Schaltung (ausgenommen die Einrichtungen 96 und 98) im passenden Sättigungsbereich arbeiten und sie umfaßt die MOS-Feldeffekttransistoreinrichtungen 24 und 26, die eine jede Source-, Drain- und Gate-Elektroden hat. Die SoürceT-Elektrode des Transistors 24 ist mittels der Stromzuführungsleitung 28 mit einer positiven Spannungsversorgung V"DD verbunden. Der Source-Anschlüß des Transistors 26 ist mittels der Leitung 30 an die negative Span·^ nungsversorgung Vgs angeschlossen. Die Drain- und Gate-Elektroden des Transistors 24 sind mit einem Schaltungspunkt 32 verbunden und die Drain- und Gate-Elektroden des Transistors 26 sind mit einem Schaltungspunkt 34 verbunden. Diese Schaltungspunkte 32 und 34 sind miteinander mittels einer Leitung 36 verbunden und eine .Leitung 38 von dem Schaltungspunkt 34 sieht die Vorspannung vor, und zwar für die Konstantstromquelle und für den Pegelverschiebe- ' teil der Schaltung.
Die Konstantstromquelle 20 umfaßt eine MOS-Feldeffekttransistoreinrichtung, deren Gate mit der Vorspannungsleitung 38 verbunden- ist. Der Source-Anschluß dieses Transistors ist mit der negativen Versorgungsspannungs- >■ leitung 30 verbunden und sein Drain-Anschluß ist mit der Eingangsstufe des Differentialverstärkers verbunden.
Diese Eingangsstufe umfaßt ein Paar MOS-Feldeffekttransistoreinrichtungen 42 und 44, deren jeweiligen Source-Elektroden mit einer gemeinsamen Leitung 46 verbunden sind, die auch mit einem Schaltungspunkt 40 zum Drain-Anschluß des Transistors 20 verbunden ist. Eine Drain-Elektrode der Einrichtung 42 ist mit einem Schaltungspunkt 48 des Differentialverstärkers verbunden und die Drain-Elektrode der Einrichtung 44 ist mit einem Schaltungspunkt
des Differentialverstärkers verbunden. Das Gate der Eingangseinrichtung 42 ist mit einem negativen Eingangsarischluß des Operationsverstärkers verbunden und das Gate der Einrichtung 44 ist verbunden mit dessen positivem Eingangsanschluß.
Der Lasttteil des Differentialverstärkers 12 umfaßt ein Paar MOS-Feldeffekttransistoreinrichtungen 52 und 54, deren Source-Anschlüsse beide mit der positiven Spannungsleitung 28 verbunden sind. Die Gates dieser Einrichtungen sind mit der Leitung 56 untereinanderverbunden, die außerdem auch mittels einer Leitung 58 mit dem Schaltungspunkt 48 verbunden ist.
Die Zwischenpegelverschiebestufe 16 (intermediate level shift stage) des Operationsverstärkers 10 umfaßt ein Paar MOS-Feldeffekttransistoreinrichtungen 60 und 62, die in Reihenschaltung zwischen der positiven und der negativen Versorgungsleitung eingefügt bzw..angeschlossen sind. Der Drain-Anschluß der Einrichtung 60 ist mit der positiven Stromversorgungsleitung 28 und der Source-Anschluß der Einrichtung 62 ist mit der negativen. Stromversorgungsleitung 30 verbunden.
Der Source-Anschluß der Einrichtung 60 ist mittels einer Leitung 64 mit dem Drain-Anschluß der Einrichtung 6 2 verbunden. Das Gate der Einrichtung 60 ist mittels einer Leitung 66 mit dem Schaltungspunkt.50 verbunden. Ein erster Schaltungspunkt 68 in der Leitung 66 ist mittels einer Leitung 70 mit.dem Gate einer MOS-Feldeffekttransistoreinrichtung 72 in der Ausgangsstufe 18 des Operationsverstärkers 10 verbunden. Ein zweiter Schaltungspunkt 74 in der Leitung 66 ist mittels einer Leitung 76 mit einer Seite einer Kapazität 78 verbunden, deren andere Seite mit der Leitung 64 verbunden ist.
Die Ausgangsstufe 18 umfaßt die MOS-Feldeffekttransistoreinrichtung 72, deren Source-Anschluß mit der positiven Stromversorgungsleitung 28 verbunden ist. Eine zweite MOS-Feldeffekttransistoreinrichtung 80 ist mit ihrem Sourceanschluß mit der negativen Stromversorgüngsleitung 30 verbunden. Die Drain-Elektroden dieser zwei Transistoren sind untereinander mittels einer gemeinsamen Leitung 82 verbunden. Der Gate-Anschluß des MOS-Feldeffekttransistors 80 ist mittels einer Leitung 84 mit einem Schaltungspunkt 86 in der Leitung 64 zwischen den Einrichtungen 60 und 6 2 angeschlossen. .
Die Frequenzkompensationseinrichtung 22 nach der vorliegenden Erfindung ist zwischen dem Differentialverstärkerteil 12 und der Ausgangsstufe 18 vorgesehen. Sie umfaßt die Kapazität 78 zwischen den Leitungen 64 und 66 und außerdem eine Kapazität 88 deren eine Seite mit einem Schaltungspunkt 90 in der Ausgangsseite des Differentialverstärkers 12 verbunden ist. Die andere Seite dieser Kapazität 88 ist mittels einer Leitung 92 mit einer Zwischenverbindungsleitung 94 zwischen den Drain-Elektroden der beiden MOS-Feldeffekttransistoreinrichtungen 96 und 98 verbunden. Deren Source-Anschlüsse sind beide mit einem Ende einer Leitung 100 verbunden. Das andere Ende dieser Leitung 100 endet an einem Ausgangsschaltungspunkt 102 des Operationsverstärkers 10 in der Leitung 82. Der Gate-Anschluß des MOS-Feldeffekttransistors 96 ist mit der Stromversorgungsleitung 28 und der Gate-Anschluß des MOS-Feldeffekttransistors 98 ist mit Leitung 30 verbun-
• ■- λ λ -. ■ ■ ■ ■■ ■■ ■ ■■■■■■. . : den.
Die Betriebsweise des Operationsverstärkers 10 mit ihrer Freqüenzkompensationseinrichtung läßt sich wie folgt beschreiben: ·
Die Transistoren 96 und 98 bilden ein Transmissions-Gatter,
das als ein Widerstand wirkt. Die Kapazität 88 in der Leitung 92 ist Miller-multipliziert mit dem Wert der ' Leerlaufverstärkung (bei offener Schleife) des Operationsverstärkers und sie wirkt als dominanter Pol in dessen übertragungsfunktion. Bei Abwesenheit der Transistoren 96 und 98 hätte eine direkte Verbindung der Kapazität 88 mit dem Ausgang 102 eine Null-Stelle in der rechten Halbebene ergeben. Verwendet man jedoch die Transistoren 96 und 98, wird die Null-Stelle der rechten Halbebene in eine Null-Stelle der linken Halbebene umgewandelt und sie ist vorteilhaft so placiert, daß sie sekundäre Pole in der (Leerlauf-)Frequenzkurve der offenen Schleife aufhebt.
Die Kapazität.78 ist dahingehend wirksam, die .Pegelverschiebestufe, bestehend aus den Transistoren 60 und 62, breitbandig zu machen. Dies wird dadurch erreicht, daß man zuläßt, daß die von der Kapazität 78 erzeugte Null-Stelle die Polstelle aufhebt, die durch die Gate-Kapazität des Transistors 60 erzeugt wird. Durch Beseitigung der sekundären Pole in des Operationsverstärkers übertragungsfunktion wird zugelassen, daß die Lage des dominanten Poles auf höhere Frequenz gelegt'werden kann, womit das Produkt aus Verstärkung und Bandbreite des Verstärkers vergrößert wird.
Die Erfindung dient auch dazu, die Unterdrückung des Spannungsversorgungsrauschens des Verstärkers zu verbessern. Bei niedrigen Frequenzen wird jegliches Geräusch auf VDD durch den Ausgangsstufentransistor 72 nicht verstärkt, da dessen V klein ist. (Da der Schaltungspunkt
gs
90 im Differentialverstärkerausgang ein Punkt mit hoher Impedanz ist, erscheint jegliches Stromversorgungsrauschen auch an diesem.) Mit ansteigender Frequenz jedoch hat die Kapazität 88 kleinere Impedanz zwischen dem Schal-v tungspunkt 50 und dem Schaltungspunkt 90. Auf diese Weise erscheint nicht das ganze Stromversorgungsrauschen am Schaltungspunkt 50 unddies erzeugt ein endliches V
des Transistors 72. Dieses Rauschen wird durch die Aus- . gangsstüfen-Transistoren 72 und 80 verstärkt und resultiert in verringerter Unterdrückung des Stromversorgungsrauschens, Bei der vorliegenden Erfindung erlaubt die Verwendung der ersten Kapazität 78 der zweiten Kapazität 88 kleiner zu sein, womit eine höhere Impedanz zwischen den Schaltungspunkten 50 und 90 liegt. Dies verursacht, daß. Stromversörgungsrauschen im Operationsverstärker bei höherer Frequenz verstärkt wird als dies andererseits auftreten würde und es verbessert die Rauschcharakteristik im niederfrequenten Tonfrequenzband, das der in den meisten Anwendungsfällen von MOS-Operationsverstärkern interessierende Bereich ist. -
Für den einschlägigen Fachmann an den sich die vorliegende Erfindung wendet sind viele Änderungen der Konstruktion und weit differierende Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindungen nahegelegt, ohne aus dem Rahmen der Erfindung zu kommen. Die Offenbarung und Beschreibung hier ist lediglich illustrativ und stellt keinerlei Beschränkung dar.'

Claims (4)

Patentansprüche ; ;
1. Operationsverstärker-Schaltung mit:
einem Paar Stromversorgungsleitern die so angepaßt sind, daß sie mit zwei Potentialquellen mit verschiedenen Pegeln verbunden werden können; einer Vorspannungseinrichtung, verbunden mit diesen Leitern* einem Differentialverstärker, der mit dieser- Vorspannungseinrichtung verbunden ist und einen Ausgangsschaltungspunkt hat; einer Pegelverschiebeeinrichtung, die mit dem Ausgangsschaltungspunkt des Differentialverstärkers verbunden ist; einer Ausgangsstufe, die mit der Pegelverschiebeeinrichtung verbunden ist, gekennzeichnet weiterhin daß enthalten ist: . eine Frequenzkompensationseinrichtung, die zwischen dem Differentialverstärker und der Ausgangsstufe angeschlossen ist, um zu erreichen, daß der dominante Pol der Übertragungsfunktion der Schaltung bei einer relativ hohen Frequenz liegt/ so daß die Verstärkungsbandbreite der Schaltung vergrößert ist.
2. Operationsverstärkerr-Schaltung nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet dadurch, daß die Frequenzkompensationseinrichtung enthält:
eine erste Kapazität, die von einer Seite mit einem Ausgangsschaltungspunkt des Differentialverstärkers verbunden ist und von der anderen Seite mit einem Transmissionsgatter verbunden.ist, das mit der Ausgangsstufe verbunden ist und ■■'■■·
eine Kapazität, die von der einen Seite mit einem Ausgangsschaltungspunkt des Differentialverstärkers verbunden ist und von der anderen Seite mit der Pegelverschiebeeinrichtung verbunden ist.
3. Operationsverstärker-Schaltung nach Anspruch 2, weiterhin gekennzeichnet dadurch, daß das Transmissions-Gatter ein Paar CMOS-Transistören umfaßt, die zwischen das Paar Leiter geschaltet sind.
4. Operationsverstärker-Schaltung nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet dadurch, daß die Pegelyerschiebeeinrichtung einen ersten und einen zweiten MOS-Transistor umfaßt, wobei das Gate des ersten Transistors mit einem Ausgangsschaltungspunkt des Differentialverstärkers verbunden ist und das Gate des zweiten Transistors mit der Vorspannungseinrichtung verbunden ist und wobei die Transistoren source-drain-verbunden in Reihenschaltung zwischen das Paar Leiter geschaltet sind' dadurch daß die Frequenzkompensationseinrichtung eine erste Kapazität und eine Transmissions-Gatter hat, die zwischen einen Ausgangsschaltungspunkt des Differentialverstärkers und die Ausgangsstufe geschaltet sind, um die Frequenz, des dominanten. Pols der übertragungsfunktion der Schaltung zu vergrößern und in Kombination eine zweite Kapazität zwischen dem Gate und Source des ersten Pegelverschiebetransistor.s hat, um sekundäre Pole der übertragungsfunktion zu beseitigen.
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