DE3734631C2 - Differenzverstärker unter Verwendung von MOS-Transistoren einer Einkanal-Polarität - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Differenzverstärker-Schaltkreise und betrifft insbesondere Differenz-Verstärker unter Verwendung von MOS- Transistoren vom Verstärkungstyp in einem monolithisch integrierten Schaltkreis.

Ein grundlegender Differenzverstärker weist gewöhn­ lich zwei identische Transistoren auf, die man gewöhnlich als "Differentialpaar" bezeichnet, wobei ihre Gateanschlüsse jeweils mit einem der beiden Eingangsanschlüssen des Verstärkers verbunden sind, ihre Sourceanschlüsse gemeinsam mit einem inneren Knoten des Verstärkers verbunden sind, und ihre Drainanschlüsse jeweils mit einem der zwei Ausgangsanschlüssen verbunden sind. Der Schaltkreis weist ebenso zwei identische Stromquellen auf, die zwischen jedem Drainanschluß des Differentialpaars und einer ersten Versorgungsspannung (V_dd) geschaltet sind und eine dritte Stromquelle, die zwischen die Sourceanschlüsse des Differentialpaars (d. h. dem internen Knoten) und einer zweiten Versorgungsspannung (V_ss) geschaltet ist. Die drei Stromquellen haben den Zweck, den Arbeitspunkt auf der Spannungs/Strom-Kennlinie der zwei Transistoren des Differentialpaars zu bestimmen.

Ein typisches Beispiel eines solchen Schaltkreises ist in Fig. 1 gezeigt, wobei das Differentialpaar (oft auch als Eingangspaar bezeichnet) aus Transistoren M₁ und M₂ zusammen­ gesetzt ist, die jeweils mit den Last-(biasing)- Konstantstromquellen I₁ und I₂ verbunden sind. Die dritte Stromquelle I₃ muß einen Konstantstrom erzeugen, der der Summe der Ströme gleich ist, welche von den Stromquellen I₁ und I₂ für einen korrekten Betrieb des Verstärkers erzeugt werden.

Solch ein Schaltkreis ist theoretisch in der Lage, als Differenzverstärker zu arbeiten, der einen Ausgangsstrom erzeugt, welcher der Differenz der Spannungen proportional ist, die an die zwei Eingänge IN ⁺ IN ^- des Schaltkreises angelegt werden. Jedoch kann ein solcher Schaltkreis in der Praxis nicht verwendet werden, weil sein korrekter Betrieb ideale Bedingungen voraussetzt, welche durch gegenwärtige Herstellungsverfahren integrierter Schaltkreise nicht gewährleistet werden können.

Tatsächlich können die Ströme, welche von den einzelnen Stromquellen abgegeben werden, beträchtlich von ihrem Entwurfswert abweichen, aufgrund einer unvermeidlichen Streuung der Werte der intrinsischen Parameter von ver­ schiedenen integrierten Halbleitervorrichtungen, die für das besondere Herstellungsverfahren typisch sind.

Darüber hinaus werden die Stromquellen unter Verwen­ dung von Transistoren verschiedenen Typs implementiert, wobei normale, in der Technik wohlbekannte Verfahren zum Einsatz kommen, und der Ausgangswiderstand solcher Stromquellen hat einen endlichen wenn auch sehr hohen Wert.

Dagegen schreibt die obengenannte Bedingung: I₁ + I₂ = I₃ eine sehr strenge Randbedingung vor. Insbesondere wenn die Stromquelle I₃ einen Strom abgibt, der von einem solchen Entwurfswert (I₃ = I₁ + I₂) verschieden ist, dann ist der Schaltkreis so beschaffen, daß, obwohl er einen sauberen Gleichgewichtszustand findet, sich der Arbeitspunkt der Transis­ toren des Differentialpaares beträchtlich von dem Entwurfs­ wert verändert, womit der Betrieb des Schaltkreises unmöglich wird.

Somit ist es in der Praxis notwendig, weitere Schalt­ kreiselemente einem solchen idealen Schaltkreis von Fig. 1 hinzuzufügen, um einen betriebsfähigen Differenzverstärker aus realen Komponenten aufzubauen.

Eine Diskussion dieser Probleme und der Vorschlag eines Schaltkreises für einen Operationsverstärker, der den realen Verstärker unempfindlich gegen Verschiebungen der Werte der intrinsischen Parameter der verschiedenen Elemente oder integrierten Komponenten von ihrem Entwurfswert zu machen gestattet, wird in folgendem Artikel vorgestellt:
"A Process Insensitive NMOS Operational Amplifier" von Y. P. Tsiuidis und D. Fraser, aus Digest of Technical Papers der 1979 International Solid State Circuits Conference - Philadelphia, Pennsylvania, Februar 1979".

Obwohl der in dem obengenannten Artikel beschriebene Schaltkreis völlig betriebsfähig und effizient ist, erfordert er sechs Transistoren und vier verschiedene Laststromquellen.

Dagegen schreibt die fortwährende Suche nach immer weiter fortschreitender "Verdichtung" (compaction) von monolithisch integrierten Systemen eine Implementation von Funktionen unter Verwendung der kleinsten praktischen Anzahl von Komponenten vor.

So beziehen sich die US 4,213,098 und die JP-85/51606A. in: Patents Abstr. of Japan, sect. E. Vol. 7 (1983), Nr. 136 (E-181) ebenfalls auf Differenzverstärkerschaltkreise mit MOS-Transistoren. Um den Arbeitspunkt der Schaltung auch dann zu stabilisieren, wenn der Schaltkreis nicht unter idealen Bedingungen hergestellt und betrieben werden kann, offenbart die amerikanische Druckschrift eine Lösung durch das Hinzufügen einer Rück­ kopplungsschleife, deren Rückkopplungssignal zwischen dem zusätzlichen Transistorpaar M₂, M₄ und dem MOS-Transistor M₆ abgenommen wird. In vergleichbarer Weise zeigt die japanische Druckschrift eine solche Rückkopp­ lungsschleife, deren Signal zwischen dem zusätzlichen Transistorpaar 13, 14 und dem Transistor 17 abgegriffen wird. Beide Druckschriften kennzeichnen sich durch notwendige, aber aufwendige Zusatzschaltungen, die ebenfalls einer höchstmöglichen Integration in monolithischen Schaltkreisen entgegen­ stehen.

Die vorliegende Erfindung hat sich deshalb die Aufgabe gestellt, einen Differenzverstärker mit einer minimalen Anzahl von Komponenten gegen beträchtliche Streuungen der nominalen Arbeitspunktströme zu sichern.

Diese Aufgabe wird durch einen Differenzverstärker nach Anspruch 1 gelöst. Dieser kann in MOS-Technologie ausgeführt sein und verwendet bevorzugt nur zwei weitere Transistoren neben dem Differentialpaar, wobei er in außergewöhnlicher Weise die Probleme vermeidet, die durch die normale Streuung in den Parametern der realen Komponenten verursacht sind, die den Schaltkreis bilden und die Laststromquellen bilden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In dieser zeigt

Fig. 1 ein Schaltdiagramm einer herkömmlichen Schaltung,

Fig. 2 ein Schaltdiagramm der erfindungsgemäßen Schaltung.

Im wesentlichen wird die obenerwähnte gewünschte Bedingung dadurch erhalten, daß man dem grundlegenden Schaltkreis eines idealen Differenzverstärkers, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, nur zwei MOS-Transistoren hinzufügt, deren Gateanschlüsse und Sourceanschlüsse jeweils mit den Gateanschlüssen und den Sourceanschlüssen des grundlegenden Differentialpaars von Transistoren verbunden sind, und deren Drainanschlüsse mit einer ersten Versorgungsspannung (common potential node) des Schaltkreises verbunden sind.

Beispielsweise weist ein erfindungsgemäßer Differenzverstärker, der mit n-Kanal-MOS-Transistoren gemacht ist, folgende Merkmale auf:

• - Ein Paar aktiver MOS-Transistoren mit jeweils einem Gateanschluß, einem Drainanschluß und einem Sourceanschluß;
• - wobei die Gateanschlüsse der aktiven MOS-Transistoren jeweils mit einem der zwei Eingangsanschlüsse verbunden sind;
• - wobei die Sourceanschlüsse der aktiven MOS- Transistoren mit einem internen Knoten des Schaltkreises verbunden sind;
• - wobei die Drainanschlüsse der aktiven MOS-Transistoren jeweils mit einem der zwei Ausgangsanschlüsse verbunden sind;
• - einer ersten und zweiten Laststromquelle mit jeweils einem positiven Anschluß und einem negativen Anschluß, wobei der elektrische Strom gewöhnlich im Inneren der Quelle von dem positiven Anschluß zu dem negativen Anschluß fließt, ihre positiven Anschlüsse mit einer ersten Versorgungs­ spannung des Schaltkreises verbunden sind, und ihr negativer Anschluß jeweils mit einem der Ausgangsanschlüsse verbunden ist;
• - einer dritten Laststromquelle mit einem positiven Anschluß und einem negativen Anschluß, wobei elektrischer Strom gewöhnlich im Inneren der Quelle von dem positiven Anschluß zu dem negativen Anschluß fließt und einen Strom erzeugt, der gleich oder größer als die Summe der Ströme ist, die von der ersten und der zweiten Stromquelle erzeugt werden, wobei der positive Anschluß mit dem internen Knoten des Schaltkreises verbunden ist und der negative Anschluß mit einer zweiten Versorgungsspannung des Schaltkreises verbunden ist;
• - zwei zusätzliche MOS-Lasttransistoren jeweils mit einem Gateanschluß einem Drainanschluß und einem Sourceanschluß;
• - wobei der Gateanschluß und der Sourceanschluß von jedem der zwei zusätzlichen MOS-Lasttransistoren je­ weils mit dem Gateanschluß und dem Sourceanschluß der zwei aktiven MOS-Transistoren verbunden sind;
• - wobei die Drainanschlüsse der zwei zusätzlichen MOS-Lasttransistoren mit der ersten Versorgungsspannung des Schaltkreises verbunden sind.

Das Schaltdiagramm des Differenzverstärkers der Erfindung ist in Fig. 2 gezeigt. Das Paar von aktiven MOS-Transistoren wird durch die Transistoren M₁ und M₂ dargestellt. Die Ausgangsanschlüsse sind mit OUT₁ und OUT₂ und die Eingangsanschlüsse mit IN ⁺ und IN ^- bezeichnet. Der interne Knoten ist mit Ni bezeichnet. Die von der Schaltung eingesetzten drei Stromquellen sind jeweils mit I₁, I₂ und I₃ bezeichnet. Die zwei zusätzlichen MOS-Last­ transistoren sind mit M₃ und M₄ bezeichnet. Die erste Versorgungsspannung des Schaltkreises ist mit Vdd und die zweite Versorgungsspannung des Schaltkreises mit Vss bezeichnet.

Wie man durch Vergleich der beiden Figuren leicht erkennt, bilden die Transistoren M₁ und M₂ sowie die Stromquellen I₁, I₂ und I₃ im wesentlichen den grundlegenden Schaltkreis der Fig. 1 (idealisierter Differenzverstärker) und die zwei zusätzlichen Lasttransistoren M₃ und M₄ sind die einzigen Bauteile, die einem solchen grundlegenden Schaltkreis hinzugefügt werden.

Natürlich sind die zwei Transistoren M₁ und M₂, welche das Differential-Eingangspaar des Verstärkers bilden, im wesentlichen identische Transistoren und beide Strom­ quellen, der erste I₁ und die zweite I₂ erzeugen einen konstanten Laststrom, der gleich einem bestimmten Entwurfswert I o ist.

Die dritte Stromquelle I₃ wird so entworfen, daß sie folgenden Strom erzeugt:

I₃ = 2 × (I_o + I_e)

wobei I_e ein bestimmter Strom ist, der von den zwei zusätzlichen Lasttransistoren M₃ und M₄ aufgenommen wird.

Die zwei zusätzlichen Lasttransistoren M₃ und M₄ sind ebenso vorzugsweise zwei identische Transistoren.

Es ist möglich, den Drainstrom (Idn) am Arbeitspunkt (d. h. bei Lastbedingungen) irgendeines (Mn) der vier Transistoren des Schaltkreises aufgrund der folgenden Gleichungen anzuzeigen:

Id₁ = Id₂ = I_o
Id₃ = Id₄ = I_e

Wie man aus den oben notierten Gleichungen leicht erkennt, schreibt der erfindungsgemäße Schaltkreis im Gegen­ satz zu dem grundlegenden in Fig. 1 gezeigten Schaltkreis keine besonders strenge Randbedingung für die Werte der Lastströme vor. Dies bestätigt, daß der Schaltkreis der Erfindung korrekt arbeitet, auch wenn solche Werte der Lastströme von ihren jeweiligen Entwurfswerten aufgrund der Streuung in den Parametern abweichen, die für das besondere Herstellungsverfahren typisch sind.

Die einzige Bedingung für die Stromquellen besteht darin, daß der Wert des von den zwei zusätzlichen Lasttransistoren M₃ und M₄ aufgenommenen Stroms I_e immer positiv sein muß.

In der Praxis kann die dritte Stromquelle I₃ so ent­ worfen werden, daß sie einen Strom ausgibt, der größer als die Summe der Ströme I₁ und I₂ ist (d. h. größer als 2I_o), die von der ersten und der zweiten Stromquelle erzeugt werden, um die Aufnahme eines bestimmten Stroms I_e von den zwei zusätz­ lichen Lasttransistoren M₃ und M₄ zu gewährleisten. Diese Maßnahmen eliminiert wirksam die Notwendigkeit, (kritische Bedingung) zu gewährleisten, daß die dritte Stromquelle I₃ einen Strom erzeugt, der gleich der Summe der Ströme ist, welche von der ersten und zweiten Strom­ quelle I₁ und I₂ erzeugt werden, wie es gemäß dem Stande der Technik notwendig war. Dieses Ergebnis wurde möglich durch den Einsatz von nur zwei zusätzlichen Transistoren.

Der Schaltkreis des Differenzverstärkers der vorliegenden Erfindung kann ebenso mit p-Kanal-MOS- Transistoren ausgeführt werden, indem alle Polaritäten des Schaltkreises umgekehrt werden.

Der Differenzverstärker der Erfindung ist insbesondere als Steilheitsstufe (transconductance stage) (Eingangsstufe) von Operationsverstärkern ("internal amplifiers" oder "output buffers") geeignet für Spannungs- Komparatoren, etc.

Wie für den Fachmann offensichtlich ist, können verschiedene Ausführungsformen des Differenzverstärkers der vorliegenden Erfindung gemacht werden, insbesondere Ausführungsformen der Stromquellen unter Verwendung von Transistoren, Widerständen oder anderen Schaltkreiselementen, die in klarer Weise innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung bleiben.

Claims (6)

1. Differenzverstärker mit einem Paar aktiver MOS-Transistoren (M₁, M₂),

• - an deren Gateanschlüssen (IN⁺, IN^-) ein Eingangssignal zuge­ führt wird,
• - an deren Drainanschlüssen (OUT₁, OUT₂) ein Ausgangssignal abgenommen wird, wobei der erste aktive MOS-Transistor (M₁) über eine erste Laststromquelle (I₁) und der zweite aktive MOS-Transistor (M₂) über eine zweite Laststromquelle (I₂) mit einer ersten Versorgungsspannung (V_DD) verbunden sind, und
• - an deren Sourceanschlüssen (Ni) eine zweite Versorgungsspan­ nung (V_SS) über eine gemeinsame Stromquelle (I₃) angeschlos­ sen ist;

und mit einem Paar zusätzlicher MOS-Lasttransistoren (M₃, M₄), von denen

• - der erste zusätzliche MOS-Lasttransistor (M₃) bezüglich Gate und Source parallel zum ersten aktiven MOS-Transistor (M₁) liegt, und
• - der zweite zusätzliche MOS-Lasttransistor (M₄) bezüglich Gate und Source parallel zum zweiten aktiven MOS-Transistor (M₂) liegt,
  dadurch gekennzeichnet, daß
• - die Drainanschlüsse der beiden zusätzlichen Lasttransistoren (M₃, M₄) unmittelbar mit der ersten Versorgungsspannung (V_DD) verbunden sind, und
• - die gemeinsame Stromquelle (I₃) so entworfen ist, daß sie im Arbeitspunkt einen konstanten Strom (I₃) erzeugt.

2. Differenzverstärker nach Anspruch 1, bei dem die Paare aktiver MOS-Transistoren (M₁, M₂) und zusätzli­ cher MOS-Lasttransistoren (M₃, M₄) als n-Kanal-MOS-Transistoren ausgeführt sind.

3. Differenzverstärker nach Anspruch 1, bei dem die Paare aktiver MOS-Transistoren (M₁, M₂) und zusätzli­ cher MOS-Lasttransistoren (M₃, M₄) als p-Kanal-MOS-Transistoren ausgeführt sind.

4. Differenzverstärker nach Anspruch 1, 2 oder 3, in dem die Stromquellen (I₁, I₂, I₃) unter Verwendung von Transi­ storen ausgeführt sind.

5. Differenzverstärker nach Anspruch 1, 2 oder 3, in dem die Stromquellen (I₁, I₂, I₃) unter Verwendung von Wider­ ständen ausgeführt sind.