DE3881934T2 - Differenzverstärker mit symmetrischen Ausgang. - Google Patents
Differenzverstärker mit symmetrischen Ausgang.Info
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Description
- Die Erfindung betrifft analoge integrierte Halbleiterschaltungen und insbesondere analoge Verstärkerschaltungen.
- Eine analoge Differential- (oder Differenz-) -Verstärkerschaltung mit symmetrischem Ausgang ist eine Schaltung, an welche ein Paar analoger Eingangssignale angelegt wird, und von welcher ein verstärktes Paar symmetrischer analoger Ausgangssignale ausgeht. Dies bedeutet, in Antwort auf ein Paar analoger Eingangsspannungssignale V1 und V2 erzeugt ein derartiger Verstärker ein Paar symmetrischer analoger Verstärkerausgangssignale V1 und V2, wobei die Ausgangssignale V1 und V2 verstärkte Spannungen sind, die im wesentlichen von gleicher Größe und entgegengesetzter Polarität sind: (V1 - V2) = G(v1 - v2), wobei G die Verstärkung des Verstärkers ist und zur selben Zeit gilt V1 + V2 = 0 oder V1 = -V2; dies bedeutet, die Ausgangssignale sind unabhängig von den Werten der Spannungen der Eingangssignale v1 und v2 symmetrisch. Es ist festzuhalten, daß diese Situation symmetrischer Ausgangssignale einen Fall der Unterdrückung der Gleichtaktkomponente durch einen Verstärker darstellt, d.h. den Fall, bei welchem in Antwort auf eines der beiden Eingangssignale v1 und v2, wenn diese gleich sind (v1 = v2) die Ausgangssignale V1 und V2 beide gleich Null sind: V1 = V2 = 0.
- Es ist ebenfalls festzuhalten, daß ein Verstärker mit symmetrischem Ausgang (V1 = -V2) sicherstellt, daß in Ansprechen auf beliebige Inkremente Dv1 und Dv2 der Eingangssignale v1 und v2 jeweils die entsprechenden Inkremente DV1 und DV2 der Ausgangssignale im wesentlichen die Gleichung DV1 + DV2 = 0 oder DVI = -DV2 erfüllen. Somit sind beliebige Nichtlinearltäten in der Antwort des Verstärkers, die andernfalls die Größe (den absoluten Wert) von DV1 unterschiedlich zu der von DV2 machen würden, kompensiert sind, so daß die Größen von DV1 und DV2 im Falle des Verstärkers mit symmetrischem Ausgang zu jeder Zeit im wesentlichen gleich sind. Mit anderen Worten beschrieben, ist in einem Verstärker mit symmetrischem Ausgang die Gleichtaktausgangssignalkomponente unterdrückt, egal ob diese durch den Gleichtaktanteil des Eingangssignals oder durch interne Gleichtaktquellen, wie z.B. Nichtlinearitäten der Verstärkerantwort, erzeugt sind.
- Ein Differentialverstärker mit symmetrischem Ausgang kann aufgrund seiner zwei symmetrischen Ausgänge vorteilhaft zusammen mit Topologien symmetrischer Schaltung verwendet werden. Zum Beispiel wurden auf dem Gebiet analoger integrierter Schaltungen symmetrische Netzwerke verwendet, um sowohl die Unterdrückung von Spannungsversorgungsstörungen und den dynamischen Bereich von Filtern integrierter Schaltungen zu verbessern, sowohl zeitkontinuierlich als auch für eine Vielzahl von Anordnungen mit geschalteten Kapazitäten, und der Differentialverstärker mit symmetrlschem Ausgang kann auf diese Weise in derartigen integrierten Filterschaltungen vorteilhaft für die Signalverstärkung eingesetzt werden.
- In dem US-Patent 3 786 362 wird eine analoge Differentialverstärkerschaltung mit symmetrischem Ausgang beschrieben, in der ein Gleichtaktdetektor der Gleichtaktkomponente des Ausgangssignals ein Rückkopplungsteuersignal an ein Paar variabler Lasten liefert, wobei die Lasten mit einer Differentialeingangsstufe der Verstärkerschaltung verbunden sind. Das Rückkopplungssignal verändert die jeweiligen Impedanzen der Lasten und verändert somit ihre jeweiligen Spannungsabfälle, um zu versuchen, die Gleichtaktkomponente zu unterdrücken. Diese Verstärkerschaltung leidet jedoch an dem Problem, daß die Rückkopplung für das Unterdrücken des Gleichtakts im Ausgangssignal unwirksam wird, wenn die Eingangssignale so geartet sind, daß diese beide Transistoren (in der Eingangsstufe des Verstärkers), an welche die Eingangssignale angelegt werden, abschalten. Dementsprechend müssen die Eingangssignale beschränkt werden, falls die Verstärkerschaltung den Gleichtakt korrekt unterdrücken soll. Die Veröffentlichung US-A-3 955 149 beschreibt ebenfalls einen Verstärker mit differentiellem Eingang und Ausgang, in dem die Ausgangsgleichtaktspannung gesteuert ist. Jedoch leidet diese Schaltung an dem gleichen Problem wie die in der vorstehend erwähnten US-A- 3 786 362 beschriebene Schaltung.
- Das vorstehende Problem wird in einer analogen Differentialverstärkerschaltung mit symmetrischem Ausgang durch Verwendung eines negativen Rückkopplungssteuersignals zum Steuern der Stromsteuerung durch ein abgeglichenes Paar von Stromsteuereinrichtungen, die gleiche Ströme aus einem Paar von Eingangszweigen in einer Differentialeingangsstufe des Verstärkers entnehmen, gemildert. Die Rückkopplung wird durch einen Detektor der Gleichtaktsignalkomponente in einer Ausgangsstufe der Schaltung geliefert, wobei die Gleichtaktkomponente der Ausgangsstufe, selbst wenn beide Transistoren in der Eingangsstufe durch die Eingangssignale abgeschaltet werden, reduziert ist.
- In vorteilhafter Weise ist der Verstärkerausgangsabschnitt ein Abschnitt mit doppeltem Eingang und doppeltem Ausgang mit einer Gleichtaktübertragungscharakteristik, die ungleich Null ist, sowie mit einer Differenzbetrieb-Übertragungscharakteristik, die ungleich Null ist, d.h. in Ansprechen auf eine Veränderung eines Gleichtakt- oder Differenz-Betriebs-Eingangssignals wird jeweils eine signifikante Anderung des Gleichtakt- oder Differenz-Betriebs-Ausgangssignals erzeugt. Gemäß seinem hier verwendeten Gebrauch umfaßt der Ausdruck "Verstärkerabschnitt mit doppeltem Eingang und doppeltem Ausgang" ebenfalls den Fall von zwei parallelen Elnzeleingangs- und Einzelausgangsverstärkerabschnitten, und der Ausdruck "Abschnitt" umfaßt eine oder mehrere Stufen. Darüber hinaus sind die jeweiligen Signalpfade von dem ersten und dem zweiten Eingangsknoten des Ausgangsverstärkerabschnittes zu dessen ersten und dessen zweiten Ausgangsanschluß abgeglichen bzw. angepaßt (im wesentlichen identisch), um fehlerhafte Phasenshiften im Ausgangssignal zu vermeiden.
- Das vorstehend beschriebene technische Problem wird durch den in Anspruch 1 definierten Verstärker gelöst.
- Die Erfindung wird mit ihren Eigenschaften, Charakteristiken und Vorteilen zusammen mit der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen besser verständlich, in welchen die Figur ein schematisches Schaltbild einer analogen Differentialverstärkerschaltung mit symmetrischem Ausgang gemäß einem speziellen Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.
- Die Figur zeigt eine Verstärkerschaltung 100 zur symmetrischen Verstärkung von Eingangssignalen V1 und V2, um symmetrische Ausgangssignale V1 und V2 an Ausgangsanschlüssen 101 und 102 jeweils für die Verwendung durch eine Benutzereinrichtung U, wie z.B. eine analoge Filterschaltung oder Teile von dieser, zu erzeugen. Die Verstärkerschaltung 100 Ist typischerweise zusammen mit der Benutzereinrichtung U auf einem einzelnen Halbleiterchip integriert, um eine monolithisch integrierte Schaltung zu bilden. Die Eingangsstufe der Verstärkerschaltung 100 hat ein Paar von Zweigen, die durch ein differentielles Paar von Eingangs-MOS-Transistoren M1 und M2 gebildet wird, die beide typischerweise n-Kanal-MOS-(N-MOS)-Anreicherungstyp- Transistoren sind, deren Gateelektrodenanschlüsse separat angeschlossen sind, um jeweils die Eingangssignale v1 und v2 zu empfangen und deren Drainanschlüsse jeweils an Lasten L1 und L2 in einem Lastnetzwerk 20 angechlossen sind. Die Sourceanschlüsse dieser Transistoren sind miteinander an einen Gleichtaktknoten 10 angeschlossen, mit welchem eine Konstantstromquelle 30 des Stroms I verbunden ist. Die Drainanschlüsse dieser Transistoren M1 und M2 sind ebenfalls separat an Knoten (-punkte) 11 und 12 angeschlossen, wobei in Antwort auf Eingangssignale v1 und v2 verschiedene Ströme 11 und 12 aus dem Lastnetzwerk 20 jeweils auf die Knoten 11 und 12 zufließen können, wobei die Differenz (I1 - I2) zwischen diesen Strömen von der Differenz (v1 - v2) zwischen den Spannungen der Eingangssignale v1 und v2 abhängt. Die Transistoren M1 und M2 bilden zusammen mit den Lasten L1 und L2 einen Eingangsdifferenzverstärkerabschnitt, der nur eine Stufe hat.
- Die Knoten 11 und 12 sind separat an die Eingangsanschlüsse eines Verstärkerausgangsabschnittes A mit doppeltem Eingang und doppeltem Ausgang angeschlossen, der nur eine Stufe hat, typischerweise ein paralleles Paar von angepaßten (im wesentlichen identischen) invertierenden Operationsverstärkerabschnitten 51 und 52, die jeder typischerweise eine Stufe haben, die typischerweise durch einen Inverter gebildet wird. Aufgrund der angepaßten Verstärkerabschnitte 51 und 52 sind die Signalpfade durch diese gleich. Der Verstärkerabschnitt A erzeugt jeweils die Ausgangssignale V1 und V2 an den Ausgangsanschlüssen 101 und 102 der Verstärkerschaltung 100 für die Verwendung durch die Benutzereinrichtung U. Ein Gleichtaktsignaldetektor CMSD ist an die Ausgangsanschlüsse 101 und 102 der Schaltung 100 angeschlossen, um ein Rückkopplungsspannungssteuersignal f zu entwickeln. Typischerweise wird der Gleichtaktsignaldetektor CMSD durch ein Paar von angepaßten (im wesentlichen Identischen) Widerständen R1 und R2 gebildet, die zusammen zwischen den Ausgangsanschlüssen 101 und 102 in Serie angeschlossen sind, und das Rückkopplungssignal f wird an dem mittig zwischen den angepaßten Widerständen R1 und R2 angeordneten Ausgangsanschluß F des CMSD-Detektors erzeugt.
- Jedes angepaßte (im wesentlichen identische) Paar Stromsteuereinrichtungen CS1 und CS2 hat einen separaten Steueranschluß 41 und 42, der jeweils an den Ausgangsanschluß F des Gleichtaktsignaldetektors CMSD angeschlossen ist, wobei diese beiden Stromsteuereinrichtungen durch das gleiche Rückkopplungssignal f gesteuert sind. Die Stromsteuereinrichtung CS1 hat drei stromführende Anschlüsse 13, 14 und 15, die jeweils separat an eine Stromquelle 31 mit Strom I an eine Last L3 in dem Lastnetzwerk 20 und an den Knoten 11 angeschlossen sind, wobei die stromsteuernde Einrichtung CS2 drei stromführende Anschlüsse 17, 18, 19 hat, die jeweils separat an eine Stromquelle 32, ebenfalls mit dem Strom I, an eine Last L4 in dem Lastnetzwerk 20 und an den Knoten 12 angeschlossen sind. Die Stromquellen 30, 31 und 32 sind alle an eine Spannungsquelle VSS angeschlossen. Die Ströme I und I' werden zweckmäßig, aber nicht nötigerweise, gleich eingestellt.
- Vorteilhafterweise bilden die Lasten L1 und L2 ein angepaßtes Paar; d.h. die Widerstandsimpedanzen der Lasten L1 und L2 sind gleich. In ähnlicher Weise bilden die Lasten L3 und L4 ebenfalls ein angepaßtes Paar. Da die Lasten L3 und L4 den gleichen Strom führen, können sie aus einer einzelnen Last bestehen, die einen Ihrer Anschlüsse mit VDD verbunden hat und den anderen Anschluß sowohl mit dem Knoten 14 als auch mit dem Knoten 19 verbunden hat.
- Die Stromsteuereinrichtung CS1 wird in zweckmäßiger Weise durch ein angepaßtes Paar (im wesentlichen identischer) n-Kanal-MOS-(N-MOS)- Anreicherungstyptransistoren M3 und M5 gebildet. Die Sourceanschlüsse S von M3 und M5 werden zusammen mit dem Anschluß 13 von CS1 verbunden, und die Drainanschlüsse von M3 und M5 werden jeweils separat mit den Anschlüssen 14 und 15 von CS1 verbunden. Der Gateanschluß von M5 wird mit Massepotential verbunden, und der Gateanschluß von M3 wird mit dem Steueranschluß 51 der Stromsteuereinrichtung CS1 verbunden. Die andere Stromsteuereinrichtung CS2 wird in ähnlicher Weise durch ein angepaßtes Paar von MOS-Transistoren vom Anreicherungstyp M4 und M6 gebildet, die in ähnlicher Weise wie M3 und M5 in CS1 angeschlossen sind, wie es in der Figur dargestellt ist. Es ist festzuhalten, daß, falls der Verstärker A durch einen nichtinvertierenden Verstärker ersetzt wird, dann die Verbindungen mit den Gateanschlüssen von M3 und M5 miteinander getauscht werden sollten, wie es auch bei den Verbindungen zu den Gateanschlüssen von M4 und M6 sein sollte, so daß die Gateanschlüsse von M3 und M4 mit Masse verbunden sind und die Gateanschlüsse von M5 und M6 mit dem Ausgangsanschluß F des CMSD-Detektors verbunden sind.
- Es ist wichtig, daß die Stromsteuereinrichtung CS1 (und in ähnlicher Weise die eindeutige Einrichtung CS2) die eindeutige Eigenschaft hat, daß für ein durch die Quelle 31 geliefertes I, der in ihren Anschluß 15 fließende Strom i eindeutig durch die Rückkopplungsspannung f bestimmt ist. Eine derartige eindeutige Eigenschaft kann z.B. durch Verwendung der in der Figur dargestellten Art Stromquellen CS1 und CS2 zusammen mit einer ausreichenden Versorgungsspannung VDD und Lasten L3 und L4 in dem Lastnetzwerk 20 erhalten werden, die die Spannungen an den Knoten 14 und 19 bei einem ausreichend hohen Wert im Verhältnis zu VSS aufrecht erhalten, so daß die Transistoren in den Stromsteuereinrichtungen in ihrem Sättigungszustand sind -- d.h. in dem Zustand, in welchem die Ströme in den Transistoren nur von der Gate-zu-Source-Spannung abhängen, und nicht von den Drain-Spannungen. Unter dieser Bedingung nimmt z.B. für ein gegebenes I und f die Spannung am Anschluß 13 von CS1 automatisch einen eindeutig bestimmten Wert an, so daß der in den Anschluß 14 von CS1 fließende Strom plus der von dem Knoten 11 in den Anschluß 15 von CS1 fließende Strom i sich zu dem durch die Quelle 31 zugeführten Strom I aufaddieren. Gleichzeitig ist es wichtig, daß unter diesen gleichen Bedingungen der Strom i selbst eindeutig durch I und f bestimmt ist, so daß der Strom i, den CS1 von dem Knoten 11 entnimmt, somit eindeutig durch I und f bestimmt ist. In ähnlicher Weise sollte der Strom i, den die andere Steuereinrichtung CS2 vom Knoten 12 entnimmt, gleich eindeutig bestimmt sein.
- Da CS1 und CS2 angepaßt sind, sind die an ihren jeweiligen Anschlüssen 13 und 17 entwickelten Spannungen gleich, und somit können diese Anschlüsse auf Wunsch miteinander an eine einzelne Stromquelle mit 21 angeschlossen sein anstelle des separaten Anschlusses an die beiden separaten Stromquellen 31 und 32. In diesem Falle können die MOS- Transistoren M3 und M4 aus einem einzelnen Transistor doppelter Größe (doppelter Kanal breite) bestehen.
- Jede der Lasten L1, L2, L3 und L4 wird typischerweise durch einen P-MOS- Anreicherungstyp-Transistor gebildet, dessen Gateanschluß mit seinem Drainanschluß verbunden ist und dessen Sourceanschluß mit der Versorgungsspannung VDD, typischerweise +5 v, verbunden ist. Alternativ können die L1 und L2 bildenden Gateanschlüsse der Transistoren jeweils separat an die Knoten 14 und 19 angeschlossen werden. Jede der Stromquellen 30, 31, 32 wird typischerweise durch einen N-MOS-Transistor vom Anreicherungstyp gebildet, dessen Sourceanschluß mit der Spannungsquelle VSS, typischerweise 5 V, verbunden ist, und dessen Gateanschluß mit einer geeigneten, mittleren Vorspannungsversorgung, typischerweise -3,5 V, verbunden ist. Jeder der invertierenden Operationsverstärker 51 und 52 ist typischerweise ein aus einem P-MOS- Eingangstransistor vom Anreicherungstyp gebildeter Inverter, der mit einer Stromquelle in Serie verbunden ist, die wiederum typischerweise aus einem N-MOS-Transistor vom Anreicherungstyp gebildet ist.
- Die Kompensation von Phasenverzögerungen in dem Verstärker A, um Instabilitäten, wie die durch die Rückkopplung verursachten, zu vermeiden, kann in jedem der Inverter durch eine Widerstands- Kondensator-Serienkombination, wie z.B. R1, C1 und R2, C2, die jeweils zwischen den Eingangs- und Ausgangsknoten der Inverter, wie in der Figur dargestellt, angeschlossen sind, erreicht werden. Es ist festzuhalten, daß diese Widerstands-Kondensatorkombinationen simultan sowohl Phasenshiften bei Gleichtakt- als auch bei Differenz-Betriebs-Signalen kompensieren.
- Während des Betriebs wird, falls die Gleichtaktkomponente (V1 + V2)/2 des Ausgangssignals z.B. positiv ist, dann das Rückkopplungssignal f in ähnlicher Weise positiv sein. In Antwort darauf werden die Stromsteuereinrichtung CS1 und CS2 jeweils mehr Strom i von den Knoten 11 und 12 entnehmen, wobei die Ströme 11 und 12 ansteigen werden. Darauf wiederum wird der Spannungsabfall über den Lasten L1 und L2 ansteigen, wobei die Spannungen w1 und w2 an den Knoten 11 und 12 jeweils beide abfallen werden und somit die absolute Größe von (V1 + V2)/2 abfallen wird. Somit wird die Gleichtaktkomponente (V1 + V2)/2 im Ausgangssignal mittels der Rückkopplung f reduziert, wie es für eine Verstärkerschaltung mit symmetrischem Ausgang erwünscht ist.
- Das Rückkopplungssignal f wirkt somit als negatives Rückkopplungssteuersignal, um die Gleichtaktkomponente in dem Ausgangsslgnal zu reduzieren. In vorteilhafter Weise ist die insgesamte Gleichtaktverstärkung G ohne Rückkopplung (die insgesamte Open-Loop- Gleichtaktverstärkung G) der Verstärkerschaltung 100 im Vergleich zu Eins groß, wobei gemäß den allgemeinen Grundlagen der negativen Rückkopplung diese Rückkopplung den Gleichtakt (V1 + V2)/2 um den Faktor G unterdrückt. Somit wird, falls die Verstärkung G im Vergleich zu Eins groß ist, die Gleichtaktausgangssignalkomponente (V1 + V2)/2 um einen Faktor reduziert, der groß gegenüber Eins ist, und wird nahezu vollständig unterdrückt. Im speziellen ist diese Open-Loop-Verstärkung G proportional zu AgL, wobei A der Gleichtaktverstärkungsfaktor der Verstärkungsstufe A ist, g die Transkonduktanz beider angepaßter Stromsteuereinrichtungen CS1 und CS2 ist und L der Widerstand beider angepaßter Lasten L1 und L2 ist. Somit kann die Open-Loop- Gleichtaktverstärkung G in einfacher Weise groß gegenüber Eins, typischerweise ungefähr 500 bis 1000 oder größer gemacht werden.
- Es ist festzuhalten, daß, falls jeweils beide Eingangstransistoren M1 und M2 durch die Eingangssignale v1 und v2 abgeschaltet werden, dann die Ströme (I1 - i) und (I2 - i), die jeweils durch diese Transistoren M1 und M2 fließen, Null sind, da die Stromquelle 30 keinen unendlichen Widerstand haben kann und somit das Liefern des Stroms I einstellt. Somit ist in diesem Fall I1 = I2 = i . Hierbei werden die Spannungen V1 und V2 an den Anschlüssen 101 und 102 wegen der fortdauernden Anwesenheit der negativen Rückkopplung f jeweils im wesentlichen zu Null, so daß (V1 + V2)/2 im wesentlichen Null ist; d.h. es existiert im wesentlichen keine Gleichtaktausgangssignalkomponente, wie es gewünscht wird. Dieses Resultat wird erreicht, da der Strom (I - i) und somit der Strom i andauernd durch die negative Rückkopplung eingestellt wird, die Gleichtaktausgangssignalkomponente zu unterdrücken, selbst wenn die Eingangstransistoren M1 und M2 beide abgeschaltet sind, da die Stromsteuerung von CS1 und CS2 selbst in diesem Falle weiterarbeitet.
- Obwohl die Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf ein spezielles Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, können verschiedene Modifikationen ohne Abweichung von dem Umfang der Erfindung vorgenommen werden. Zum Beispiel können anstelle von n-Kanal-Transistoren p-Kanal- Transistoren mit geeigneten bekannten Veränderungen der Spannungsversorgung verwendet werden. Darüber hinaus kann anstelle nur einer Stufe pro Abschnitt entweder der Eingangsabschnitt oder der Ausgangsabschnitt oder beide mehr als eine Stufe haben.
Claims (4)
1. Integrierte Schaltung mit einer analogen
Differentialverstärkerschaltungsanordnung mit symmetrischem Ausgang mit
einer differentiellen Eingangsstufe mit einem ersten und einem zweiten
Elngangszweig (M1, L1; M2, L2), einer Ausgangsstufe mit einem
Ausgangsabschnitt (A), der für den Empfang von Signalen der
Eingangsstufe angeschlossen ist,
einem Gleichtaktsignaldetektor (CMSD), der zum Detektieren des
Gleichtaktes in der Ausgangsstufe und zum Erzeugen eines
Rückkopplungssteuersignals (f) angeschlossen ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß jede Stromsteuereinrichtung des Paares aus abgeglichener erster und
zweiter Stromsteuereinrichtung (CS1, CS2) zum Empfang des
Rückkopplungssteuersignals (f) angeschlossen ist, jeweils an den ersten
und zweiten Eingangszweig (M1, L1; M2, L2) angeschlossen ist, wobei die
erste und zweite Stromsteuereinrichtung (CS1, CS2) jeweils gemäß dem
Rückkopplungssteuersignal gleiche jeweilige Ströme (i) aus dem ersten
und zweiten Eingangszweig entnehmen.
2. Schaltung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ausgangsstufe einen Verstärkerabschnitt mit doppeltem Eingang
und doppeltem Ausgang enthält.
3. Schaltung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Verstärkerschaltungsanordnung eine Open-Loop-
Gleichtaktverstärkung, d.h. eine Gleichtaktverstärkung ohne
Rückkopplung, von wenigstens ungefähr 500 hat.
4. Schaltung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Verstärkerabschnitt mit doppeltem Eingang und doppeltem Ausgang
eine Gleichtaktkennlinie ungleich Null und eine
Differenzbetriebskennlinie ungleich Null hat.
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