DE3523400A1 - Schaltungsanordnung fuer eine ausgangsstufe der klasse ab mit grosser schwingungsweite - Google Patents

Schaltungsanordnung fuer eine ausgangsstufe der klasse ab mit grosser schwingungsweite

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für eine Ausgangsstufe der Klasse AB in CMOS-Technik oder mit komplementären Bipolartransistoren.
Integrierte Schaltungen mit komplementären Metalloxid-Halbleitern (CMOS) sind allgemein bekannt. Digitale Schaltungsanordnungen dieser Art haben einen breiten Marktanteil erobert. Neuerdings ist die CMOS-Technik auf lineare Schaltungen angewendet worden. In vielen Fällen erfordert eine integrierte Schaltung sowohl lineare als auch digitale Funktionen auf einem einzigen Plättchen. Es war ein erwünschtes Ziel, lineare Schaltungen in CMOS-Technik ohne Einbuße der ausgezeichneten Erfolge auszuführen, die durch die Anwendung der Technologie bipolarer Vorrichtungen erreicht worden sind. Im vorliegenden Fall ist es erwünscht, eine Verstärker-Ausgangsstufe der Klasse AB unter Verwendung entweder bipolarer oder CMOS-Transistoren zu schaffen, die in der Lage ist, relativ schwere Belastungen anzutreiben und sehr nahe an den Speisenpotentialen zu schwingen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Transistor-Ausgangsstufe mit den Eigenschäften der Klasse AB zu schaffen.
Es soll also eine Transistor-Verstärker-Ausgangsstufe nach Klasse AB geschaffen werden, die dazu geeignet ist, schwere Belastungen im Gegentakt mit Antriebsfähigkeit von Schiene zu Schiene (with rail to rail drive capability) zu treiben, wobei die Stufe unempfindlich gegen Schwankungen der Speisespannung und sonstiger Betriebsbedingungen, wie insbesondere auch der Temperatur, ist.
Diese Aufgabe läßt sich mit Hilfe einer Schaltung erfüllen, die folgendermaßen ausgebildet sein kann: Ein komplementäres Paar Ausgangstransistoren von relativ großer Bemessung wird mit seinen Drain-Elektroden (oder Kollektoren) zwischen die Speiseenergieschienen gelegt und bildet die Ausgangsstufe. Die Gates (oder Basis-Elektroden) des Ausgangstransistorenpaares werden durch ein komplementäres Paar parallel geschalteter Treiber miteinander verbunden, welche als gemeinsame Gate-(oder Basis-) Pegelverschieber wirken. Die Ruhevorspannung des Ausgangspaares wird aus einem komplementären Paar Konstantstromtransistoren erhalten, die als Stromspiegel betrieben werden. Die Stromspiegeleingaben werden in relativ niedriger Höhe von einer Stromquelle und einer Stromsenke erhalten. Die Abmessungen der Tran-
_ τι _
sistoren werden in einem solchen Verhältnis zueinander gewählt, daß das Ausgangsruhestrompaar ein relativ großes Vielfaches der Stromspiegeleingaben ist. Ein Bipolartransistor-Emitter-Folgeglied dient zum Betreiben der Gate-Elektrode (oder der Basis) eines der Ausgangstransistoren.
Wenngleich die Ausgangsstufe hier im einzelnen mit Begriffen der CMOS-Technik beschrieben wird, läßt sie sich dennoch auch als Bipolartransistorschaltung ausführen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 ein vereinfachtes Schaltschema der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung,
F i g. 2 ein CMOS-Schaltschema der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung und
F i g. 3 ein Bipolartransistorschaltschema der Schaltungsanordnung gemäß der Erfin-0 dung.
Die Schaltung nach Fig. 1 wird aus einer Energiequelle betrieben, deren Plusanschluß bei 10 und deren Minusanschluß als Erdung angegeben ist. Der Ausgang der Ausgangsstufe befindet sich an dem Anschluß 11, ihr Eingang an dem Anschluß 12. Ein großflächiger P-Kanal-Aus-
gangstransistor 13 ist in Reihe mit einem großflächigen N-Kanal-Ausgangstransistor 14 geschaltet, so daß beide den gleichen Ruhestrom führen. Demgemäß sind ihre beiden Ruheströme I, = I-. Die Ausgangstransistoren sind zweckmäßig so bemessen, daß sie praktisch denselben Verstärkungsgrad haben.
Eine Stromquelle 15 leitet den Strom I3 vom Anschluß 10 zur Gate-Elektrode des Transistors I- wird aufgeteilt in zwei Teilströme I. und I1-, die in Komplementärtransistoren 16 und 17 fließen, die zwischen den Gate-Elektroden der Transistoren 13 und 14 angeschlossen sind.
Eine Stromsenke 18 leitet den Strom Ig von der Gate-Elektrode des Transistors 14 nach Erde.
Der Treiber 19 moduliert einen Strom I7, der als Teil von Ig in die Stromsenke 18 fließt. Ig = I. + I- + I7. Eine KonstantspannungsquelIe 20 hält die Gate-Elektrode des Transistors 16 um zwei P-Kanal-Transistorschwellwerte unterhalb des Potentials an der Klemme 10. Eine weitere KonstantspannungsquelIe 21 hält die Gate-Elektrode des Transistors 17 um zwei N-Kanal-Transistorschwellwerte oberhalb des Erdpotentials. Diese Vorspannungsanordnung veranlaßt die Transistoren 16 und 17 als Spannungspegelschieber mit gemeinsamem Gate-Anschluß und dem Ver-
starkungsgrad eins zu wirken.
Ein Treiber 19 moduliert den Strom I7 unter Kleinsignalbedingungen, wobei das Potential an der Gate-Elektrode des Transistors 14 und damit I~ verändert wird. Wenn I7 größer wird, steigt das Potential an der Gate-Elektrode des Transistors 14 an und I5 nimmt ab, weil I6 konstant ist. Dadurch wird das Potential an der Gate-Elektrode des Transistors 13 angehoben, wodurch I. verkleinert wird, so daß der Anschluß 11 Strom abführt. Da die Drain-Elektrode des Transistors 17 der Source-Elektrode des Transistors 16 zugewandt ist, erzeugt die gemeinsame Gateverbindung einen Verstärkungsgrad eins aus der Gate-Elektrode des Transistors 14 zur Gate-Elektrode des Transistors 13. Umgekehrt wird, wenn der Treiber 19 den Strom I7 verkleinert, I,- zunehmen müssen. Dadurch wird das Potential an der Gate-Elektrode des Transistors 14 erniedrigt und der Strom I- fällt ab.
Diese Wirkung des Transistos 17 zieht das Potential an der Gate-Elektrode des Transistors 13 nach unten und vergrößert dabei I-, so daß der Anschluß 11 als Stromquelle wirkt. Auf diese Weise werden die Transistoren 13 und 14 im Gegentakt betrieben.
Es ist zu beachten, daß, wenngleich der Treiber 19 als direkt mit der Gate-Elektrode des Transistors 14 verbunden dargestellt ist, er auch mit der Gate-Elektrode des Transistors 13 verbunden sein könnte. Bei Anwendung dieser Schaltungsalternative würde der Treiberstrom I7 als Komponente von I3, I4 und I1- fließen.
Der Kondensator 22, der zwischen die Gate-Elektroden der Transistoren 13 und 14 geschaltet ist, dient zur Frequenzkompensation des Verstärkers. Er wirkt praktisch als ein Mischkopplungselement (feed-forward element), das besonders unter Großsignalbedingungen nützlich ist. In ■?, diesem Fall wird der Anschluß 12 sehr niedrig
genommen und veranlaßt, daß I4 auf nahezu null
abnimmt, wenn die Gate-Elektrode des Transistors 13 abfällt. Es ist dann ein hoher Widerstand an der Drain-Elektrode des Transistors 17 vorhanden, der ihn veranlaßt, Spannungsverstärkung und außerordentliche Phasenverschiebung aufzuweisen. Der Kondensator 22 leitet das Signal von dem Treiber 19 weiter fort von der Stufe mit möglicherweise unerwünschtem Verstärkungsgrad, welche der Transistor 17 darstellt.
Fig. 2 zeigt ein Schaltschema des in Betrieb befindlichen Stromkreises. Soweit die Teile wie
in Fig, 1 beschrieben wirken, sind die gleichen Bezugsziffern verwendet. Die Transistoren 13, 14, und 17 wirken entsprechend.
Die Stromquelle 15 wird durch den P-Kanal-Transistor 15' gebildet, dessen Gate-Elektrode mit dem Stromspiegeltransistor 23 verbunden ist, dessen Gate-Elektrode mit seinem Drain-Anschluß verbunden ist. Auch der P-Kanal-Transistor 24 weist eine Verbindung seiner Gate-Elektrode mit seinem Drain-Anschluß auf. Er ist in Reihe mit dem Transistor 23 geschaltet. Die Stromsenke 25 läßt den Strom Ig in die Transistoren 23 und 24 fließen. Diese Transistoren entwickeln im leitenden Zustand einen kombinierten Spannungsabfall von zwei P-Kanal-Transistorschwellwerten. Die Transistoren 23 und 15* können in ihren Abmessungen so abgestimmt sein, daß I3 ein Vielfaches von I0 ist. Außerdem ist ersichtlich,
daß der Transistor 13 als Stromspiegel für den Strom in dem Transistor 15' wirkt. Somit kann ein bestimmtes Verhältnis zwischen diesen Transistoren I, zu einem Bruchteil von I, machen. Dies bedeutet, daß der rohe Stromwert von I, als Folge der geometrischen Transistorabmessungs-Verhältnisse steuerbar ist. Wie nachstehend gezeigt, können die Transistoren 23, 15' und 13
in ein solches Verhältnis zueinander gebracht werden, daß I, das Zwanzigfache von Ig beträgt.
Die Stromsenke 18 wird durch einen N-Kanal-Transistor 18' gebildet, der ein von dem Transistor 26 betriebener Stromspiegel ist, dessen Gate-Elektrode mit seiner Drain-Elektrode verbunden ist. Der damit in Reihe geschaltete Transistor 27 weist gleichfalls eine Verbindung seiner Gate-Elektrode mit seiner Drain-Elektrode auf. Die Stromquelle verursacht das Fließen eines Stromes Ig in den Transistoren 26 und 27, an denen daher ein Spannungsabfall in Höhe von zwei N-Kanal-Transistorschwellwerten entsteht. Diese Transistoren sind bezüglich ihres Abmessungsverhältnisses so aufeinander abgestimmt, daß das Verhältnis von Ip/Iq das gleiche ist wie I./I«. Somit bilden relativ niedrige Vorspannungsströme den Verstärkerruhestrom für den Betrieb nach Klasse AB.
Der Treiber 19 wird wirkungsmäßig durch den Emitter-Folgetransistor 19" vervollständigt. Der Kollektor dieses Transistors ist mit dem Speiseanschluß 10 verbunden, der von dem Substrat des CMOS IC gebildet wird. Diese Vorrichtung hat eine große Stromverstärkung, so daß der Eingangsstrom, welcher dem Anschluß 12 zugeführt wird, ein sehr kleiner Bruchteil von I7 ist.
Fig. 3 ist ein Schaltschema der Bipolartransistorversion der Schaltung nach Fig. 2. Die verschiedenen Transistoren sind mit denselben Bezugsziffern wie bei Fig. 2 versehen, wobei jedoch ein Strichindex zu den Bezeichnungen der Bipolarvorrichtungen hinzugefügt ist, um diese zu unterscheiden. Die Schaltung wirkt im wesentlichen in derselben Weise. Das X-Zeichen bezieht sich auf die PNP-Transistorflachen und das Y-Zeichen auf die NPN-Transistorflachen. Es werden die gleichen Flächenverhältnisse angewendet und es können auch die gleichen Vorspannungsströme benutzt werden. So dient eine 10 Mikroampere-Stromquelle 28 zur Vorbelastung der Ausgangstransistoren mit 200 Mikroampere. Es wurde gefunden, daß bei der Bipolartransistorversion der feedforward-Kondensator 22 nicht erforderlich ist. Beispiel
Die Schaltung von Fig. 2 wurde unter Verwendung einer gebräuchlichen integrierten Schaltungsanordnung mit CMOS und P-Wanne aufgebaut. Die P-Wannen für die N-Kanal-Transistoren waren alle geerdet. Es wurden die folgenden Transistorverhältnisse benutzt:
Vorrichtung
(Bezugsziffer) Gezogene Größe /T Mikron
13 2200/7
14 1500/9
15' 440/7
16, 17 150/11
18 600/9
23 110/7
24, 27 75/11
26 75/9
Die Stromsenke 25 und die Stromquelle 28 wurden beide mit 10 Mikroampere betrieben, und der Kondensator 22 hatte eine Kapazität von 10 Pikofarad. Die Ruheströme betrugen 200 Mikroampere. Die Schwingungsweite am Ausgang lag bei einer Last von 2 Kilo Ohm im Bereich von 200 Millivolt an jeder Stromschiene, wenn eine Energiequelle mit 4 bis 16 Volt Spannung benutzt wurde und der Stromkreis beim Betrieb einer kapazitiven Last mit 100 Pikofarad stabil war. Bei Benutzung einer Energiequelle mit 10 Volt-Spannung betrug das Speiseenergie-Aussteuerungsverhältnis (the power supply rejection
ratio) mehr als 80 db, der Stromkreis konnte bis zu 50 mA beim Betrieb nach Klasse B abgeben und aufnehmen, und er hatte eine Anstiegsgeschwindigkeit von 1,7 Volt pro Mikrosekunde.
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Claims (12)

S1 L T E \ D'PL.-I NG. J. RICHTER PATE NTANWÄ DIPL.- ING. F. WERDERMANN ZUSEL. VERTRETER BEIM EPA · PROFESSIONAL REPRESENTATIVES BEFORE EPO · MANDATAIRES AGREES PRES L1OEB 3523400 2OOO HAMBURG 36 2 S, JUNI 1335 NEUER WALL1O 'S" (O 4O) 340045/3400 TELE3RAMME: INVENTIUS HAMBUR3 TELEX 2163 551 INTU D UNSER ZEIOHEN/OUR FILE N . 8517 2 WdlTl/l* Anmelder: NATIONAL SEMICONDUCTOR CORPORATION, 2900 Semiconductor Drive, Santa Clara, Kalif. 95051 (V.St.A.) ( Schaltungsanordnung für eine Ausgangsstufe ^ der Klasse AB mit großer Schwingungsweite. Patentansprüche:
1. Schaltungsanordnung für eine CMOS-Ausgangsstufe der Klasse AB mit je einem Anschluß für Signaleingang und Signalausgang sowie folgenden weiteren Merkmalen:
je ein positiver und negativer Speiseenergieanschluß zur Verbindung mit einer betriebsmäßigen Energiequelle;
ein P-Kanal-Ausgangstransistor, dessen Source-Elektrode mit dem positiven Speiseanschluß und
dessen Drain-Elektrode mit dem Ausgangsanschluß verbunden ist und der eine Gate-Elektrode aufweist;
ein N-Kanal-Ausgangstransistor, dessen Source-Elektrode mit dem negativen Speiseanschluß und dessen Drain-Elektrode mit dem Ausgangsanschluß
verbunden ist und der eine Gate-Elektrode aufweist; ein P-Kanal-Vorspanntransistor mit gemeinsamem Gate-Anschluß, dessen Source-Elektrode mit der Gate-Elektrode des P-Kanal-Ausgangstransistors, dessen Drain-Elektrode mit der Gate-Elektrode des N-Kanal-Ausgangstransistors und dessen Gate-Elektrode mit einer Vorspannungsquelle verbunden ist, die bei etwa zwei P-Kanal-Transistorschwellwerten unterhalb des positiven Speiseanschlußpotentials betrieben wird;
ein N-Kanal-Vorspannungstransistor mit gemeinsamem Gate-Anschluß, dessen Source-Elektrode mit der Gate-Elektrode des N-Kanal-Ausgangstransistors, dessen Drain-Elektrode mit der Gate-Elektrode des P-Kanal-Ausgangstransistors und dessen Gate-Elektrode mit einer Vorspannungsquelle verbunden ist, die bei etwa zwei N-Kanal-Transistorschwellwerten oberhalb des negativen Spexseanschlußpotentials betrieben wird; eine Konstantstromquelle, die zwischen dem positiven Speiseanschluß und der Gate-Elektrode
des P-Kanal-Ausgangstransistors angeschlossen ist;
eine Konstantstromsenke, die zwischen dem negativen Speiseanschluß und der Gate-Elektrode des N-Kanal-Ausgangstransistors angeschlossen ist; und
eine Einrichtung zum Anlegen eines Signals an die Gate-Elektrode eines der Ausgangtransistoren.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Anlegen eines Signals aus einer Bipolartransistor-Source-Folgestufe besteht.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstantstromquelle einen ersten Stromspiegel mit einem ersten P-Kanal-Konstantstromtransistor bildet, dessen Drain-Elektrode direkt mit seiner Gate-Elektrode verbunden ist, daß der erste Stromspiegel einen zweiten Stromspiegel mit dem P-Kanal-Ausgangstransistor bildet, daß die Konstantstromsenke einen dritten Stromspiegel mit einem ersten N-Kanal-Konstantstromtransistor bildet, dessen Gate-Elektrode direkt mit seiner Drain-Elektrode verbunden ist, und daß der dritte Stromspiegel einen vierten Stromspiegel mit dem N-Kanal-Ausgangstransistor bildet.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste P-Kanal-Konstantstromtransistor in Reihe mit einem zweiten P-Kanal-Konstantstromtransistor geschaltet ist, der dazu dient, das erwähnte Potential von etwa zwei P-Kanal-Transistorschwellwerten unterhalb des positiven Speiseanschlußpotentials zu bilden, und daß ein zweiter N-Kanal-Konstantstromtransistor in Reihe mit dem ersten N-Kanal-Konstantstromtransistor geschaltet ist, der dazu dient, das erwähnte Potential von etwa zwei N-Kanal-Transistorschwellwerten oberhalb des negativen Speiseanschlußpotentials zu bilden.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Stromverstärkung des ersten Stromspiegels etwa vier, die des zweiten Stromspiegels etwa fünf, die des dritten Stromspiegels etwa acht und die des vierten Stromspiegels etwa 2,5 beträgt, und daß der erste P-Kanal-Konstantstromtransistor bei etwa dem gleichen Strom betrieben wird wie der erste N-Kanal-Transistor, so daß der P-Kanal-Ausgangstransistor etwa denselben Ruhestrom führt wie der N-Kanal-Ausgangtransistor.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der P-Kanal-Aus-
gangstransistor in Bezug auf den N-Kanal-Ausgangstransistor so proportioniert ist, daß die Ausgangstransistoren zumindest annähernd denselben Verstärkungsgrad aufweisen.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Gate-Elektroden des P-Kanal- und des N-Kanal-Ausgangstransistors ein Mischkopplungskondensator (feed forward capacitor) angeschlossen ist.
8. Schaltungsanordnung für eine Ausgangsstufe mit komplementären Bipolartransistoren der Klasse AB mit je einem Anschluß für Signaleingang und Signalausgang sowie folgenden weiteren Merkmalen:
je ein positiver und negativer Speiseenergieanschluß zur Verbindung mit einer betriebsmäßigen Energiequelle;
ein PNP-Ausgangstransistor, dessen Emitter mit dem positiven Speiseanschluß und dessen Drain-Elektrode mit dem Ausgangsanschluß verbunden ist, und der eine Basis-Elektrode aufweist;
ein NPN-Ausgangstransistor, dessen Emitter mit dem negativen Speiseanschluß und dessen Drain-Elektrode mit dem Ausgangsanschluß verbunden ist, und der eine Basis-Elektrode aufweist; ein PNP-Vorspanntransistor mit gemeinsamem
Basisanschluß, dessen Emitter mit der Basis des PNP-Ausgangstransistors, dessen Kollektor mit der Basis des NPN-Ausgangstransistors und dessen Basis mit einer Vorspannungsquelle verbunden ist, die bei etwa zwei V„F unterhalb des positiven Potentials des Eingangsanschlusses betrieben ist;
ein NPN-Vorspanntransistor mit gemeinsamem Basisanschluß, dessen Emitter mit der Basis des NPN-Ausgangstransistors, dessen Kollektor mit der Basis des PNP-Ausgangstransistors und dessen Basis mit einer Vorspannungsquelle verbunden ist, die bei etwa zwei VOT:, oberhalb des Potentials der negativen Speisespannung betrieben ist;
eine Konstantstromquelle, die zwischen dem positiven Speiseenergieanschluß und der Basis des NPN-Ausgangstransistors angeschlossen ist;
eine Konstantstromsenke, die zwischen dem negativen Speiseenergieanschluß und der Basis des NPN-Ausgangstransistors angeschlossen ist; und
eine Einrichtung zum Anlegen eines Signals an die Basis eines der beiden Ausgangstransistoren.
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Anlegen eines Signals eine Bipolartransistor-
Source-Folgestufe aufweist.
10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstantstromquelle einen ersten Stromspiegel bildet, der einen ersten PNP-Konstantstromtransistor aufweist, dessen Kollektor unmittelbar mit seiner Basis verbunden ist, daß der erste Stromspiegel einen zweiten Stromspiegel mit dem PNP-Ausgangstransistor bildet, daß die Konstantstromsenke einen dritten Stromspiegel mit dem ersten NPN-Konstantstromtransistor bildet, dessen Kollektor unmittelbar mit seiner Basis verbunden ist, und daß der dritte Stromspiegel einen vierten Stromspiegel mit dem NPN-Ausgangstransistor bildet.
11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der erste PNP-Konstantstromtransistor in Reihe mit einem zweiten PNP-Konstantstromtransistor geschaltet ist, um das Potential von etwa zwei VßE unterhalb des
positiven Speiseanschlußpotentials zu bilden, und daß ein zweiter NPN-Konstantstromtransistor in Reihe mit dem ersten NPN-Konstantstromtransistor geschaltet ist, um das Potential von etwa zwei V0^ unterhalb des negativen Speise-
.DCi
anschlußpotentials zu bilden.
12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromverstärkung des ersten Stromspiegels etwa vier, die des zweiten Stromspiegels etwa fünf, die des dritten Stromspiegeis etwa acht, die des vierten Stromspiegels etwa 2,5 beträgt, und daß der erste PNP-Konstantstromtransistor mit etwa demselben Strom wie der erste NPN-Transistor betrieben wird, so daß der PNP-Ausgangstransistor etwa denselben Ruhestrom führt wie der NPN-Ausgangstransistor.
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