DE3933986A1 - Komplementaerer stromspiegel zur korrektur einer eingangsoffsetspannung eines "diamond-followers" bzw. einer eingangsstufe fuer einen breitbandverstaerker - Google Patents
Komplementaerer stromspiegel zur korrektur einer eingangsoffsetspannung eines "diamond-followers" bzw. einer eingangsstufe fuer einen breitbandverstaerkerInfo
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Description
Ein gewöhnlicher "Diamond-Follower" läßt sich z. B. als
Differentialeingangsstufe eines Breitbandverstärkers verwenden.
Die Fig. 1 zeigt den Grundaufbau eines "Diamond-
Followers" (Brückenfolgestufe). Damit der "Diamond-Follower"
als Differentialeingangsstufe verwendet werden kann,
sind Kollektoren von Transistoren 6 und 8 mit komplementären
Eingängen einer Gegentakt-Ausgangsstufe verbunden. Eine
Klemme 2 in Fig. 1 dient als +V IN -Anschluß, während eine
Klemme 3 als -V IN -Anschluß dient. In der Regel ist es erwünscht,
daß ein Differentialverstärker eine Eingangsoffsetspannung
mit dem Wert Null aufweist. Ist also die Verstärkerausgangsspannung
Null, so soll auch die Spannungsdifferenz
zwischen den Differentialeingangsanschlüssen Null
sein. Es ist allerdings schwierig, bei einem "Diamond-
Follower" eine Null-Eingangsoffsetspannung zu erhalten, da
alle Basis-Emitterspannungen V BE gleich sein müssen, wenn
die Eingangsoffsetspannung V OS Null sein soll. Die Basis-
Emitterspannungen V BE der Transistoren sind durch die Gleichung
V BE = V TH ln (I C /I S )
bestimmt, wobei V TH = (kT/q), k
die Boltzman-Konstante, T die Sperrschichttemperatur in
Grad Kelvin, q die Eletronenladung, I C der Kollektorstrom
und I S der Sättigungsstrom sind. Bei einem gewöhnlichen
Prozeß zur Herstellung einer integrierten Schaltung werden
die NPN-Transistoren, also die Transistoren 6 und 7, unter
völlig anderen Bedingungen hergestellt als die PNP-Transistoren
5 und 8. In einigen Fällen können die NPN-Transistoren
sogenannte "vertikale" Einrichtungen sein, während die
PNP-Transistoren "laterale" oder "vertikale" PNP-Einrichtungen
sein können. Der Sättigungsstrom eines Transistors
ist eine starke Funktion der verschiedenen Herstellungsparameter,
einschließlich eine Funktion des Dotierungspegels
an beiden Seiten des Emitter-Basis-Übergangs. Die Emitter-
Basis-Übergänge der NPN-Transistoren 6 und 7 werden durch
Prozeßschritte gebildet, die sich von denen zur Bildung der
Emitter-Basis-Übergänge der PNP-Transistoren 5 und 8 erheblich
unterscheiden. Die Sättigungsströme der NPN-Transistoren
6 und 7 hängen sehr stark von den Diffusionsparametern
bei der N++ Emitterdiffusion ab, während die Sättigungsströme
der PNP-Transistoren 5 und 8 nicht durch die N++
Emitterdiffusionen beeinflußt werden. Darüber hinaus unterscheiden
sich die Kontaktpotentiale der NPN-Transistoren
und der PNP-Transistoren voneinander, da die Kontaktpotentiale
ebenfalls in starker Weise von den Sättigungsströmen
abhängen. Die Differenz zwischen den Kontaktpotentialen bei
NPN- und PNP-Transistoren führt jedoch zu großen und manchmal
unkontrollierbaren Änderungen der Eingangsoffsetspannung
der "Diamond-Follower"-Schaltung nach Fig. 1, wenn
diese als Differentialeingangsstufe für einen Verstärker
verwendet wird.
Zur Lösung des oben beschriebenen Problems wurde bereits
vorgeschlagen, zu Dioden geschaltete NPN-Transistoren oder
PNP-Transistoren in Serie mit den Transistoren, 5, 6, 7 und
8 zu verwenden, so daß jeder Emitter-Basis-Übergang eines
NPN-Transistors in Serie mit einem entsprechenden Emitter-
Basis-Übergang eines PNP-Transistors liegt. Diese Lösung
erfordert jedoch eine vergrößerte Chipfläche für die integrierte
Schaltung des Verstärkers und führt darüber hinaus
zu schlechteren Betriebseigenschaften durch zusätzliches
Rauschen und weitere Kapazitäten, so daß letztlich der Verstärker
einen schlechteren Frequenzgang aufweist.
Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, eine
komplementäre Stromspiegelschaltung zu schaffen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine einfache
und kostengünstige Technik zur Reduzierung der Offsetspannung
in einer "Diamond-Follower"-Schaltung zu entwickeln.
Sodann liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine einfache
und kostengünstige Technik zur Reduzierung der Eingangsoffsetspannung
eines Verstärkers zur Verfügung zu
stellen, bei dem eine "Diamond-Follower"-Schaltung als Differentialeingangsstufe
verwendet wird.
Lösungen der gestellten Aufgaben sind den kennzeichnenden
Teilen der Patentansprüche zu entnehmen. Kurz gesagt stellt
die Erfindung eine komplementäre Stromspiegelschaltung zur
Verfügung. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung
sind zwei komplementäre Stromspiegel vorhanden, die
als Stromquellen für eine "Diamond-Follower"-Schaltungsstufe
verwendet werden. In einem beschriebenen Ausführungsbeispiel
stellen die komplementären Stromspiegelschaltungen
Ströme durch einen PNP-Transistor und durch einen NPN-Transistor
auf einer Seite der "Diamond-Follower"-Schaltung so
ein, daß sich die V BE -Spannungen dieser beiden Transistoren
den V BE -Spannungen eines jeweiligen NPN-Transistors bzw.
PNP-Transistors angleichen, die sich auf der anderen Seite
der "Diamond-Follower"-Schaltung befinden. Dadurch wird eine
Null-Eingangsoffsetspannung erzielt. Gemäß einem anderen
Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein "Diamond-Follower"
(Brückenfolgestufe) als Differentialeingangsstufe für
einen Breitbandverstärker verwendet. Bipolare und CMOS-Ausführungen
dieses Ausführungsbeispiels werden beschrieben.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die
Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 ein schematisch dargestelltes Schaltungsdiagramm
einer "Diamond-Follower"-Schaltung,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vorspannungsschaltung
mit zwei komplementären Stromspiegelschaltungen,
Fig. 3 ein vereinfachtes Schaltungsdiagramm eines Breitbandverstärkers,
der die Schaltung nach Fig. 2 als Vorspannungsschaltung verwendet und bei dem eine
modifizierte "Diamond-Follower"-Schaltung als Differentialeingangsstufe
zum Einsatz kommt, und
Fig. 4 ein der Fig. 3 ähnliches Schaltungsdiagramm eines
Breitbandverstärkers mit komplementären Feldeffekttransistoren.
Die Fig. 1 zeigt den Grundaufbau eines sogenannten
"Diamond-Followers" (Brückenfolgestufe). Er enthält eine
Konstantstromquelle 10, durch die ein Strom I₁ hindurchfließt.
Die Stromquelle 10 liegt zwischen +V S und einem
Leiter 23, der einerseits mit der Basis eines NPN-Transistors
6 und andererseits mit dem Emitter eines PNP-Transistors
5 verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 6 ist
mit +V S verbunden (bei Verwendung der "Diamond-Follower"-
Schaltung als Differentialeingangsstufe eines Vertärkers
ist der Kollektor des Transistors 6 allerdings mit einem
Eingang einer Verstärkungs- und Ausgangsstufe des Verstärkers
verbunden, während der Kollektor des Transistors 8 mit
dem anderen Eingang der Verstärkungs- und Ausgangsstufe
verbunden ist, wie die Fig. 3 zeigt). Der Kollektor des
Transistors 5 ist mit -V S verbunden, während seine Basis
mit einem Leiter 2 verbunden ist. Weiterhin ist der Leiter
2 mit der Basis eines NPN-Transistors 7 verbunden, dessen
Kollektor mit +V S verbunden ist. Der Emitter des Transistors
7 ist über einen Leiter 24 mit einer Konstantstromquelle
12 verbunden, durch die ein Strom I₂ hindurchfließt,
wobei dieser Strom nach -V S abfließt. Der Leiter 24 ist
weiterhin mit der Basis eines PNP-Transistors 8 verbunden,
dessen Kollektor ebenfalls an -V S liegt. Der Emitter des
Transistors 6 und der Emitter des Transistors 8 sind beide
mit einem Leiter 3 verbunden. In Fig. 1 sind die Emitterflächen
der Transistoren 6 und 8 so gewählt, daß sie dem k-flachen
derjenigen der Transistoren 5 und 7 entsprechen.
Wie sich leicht erkennen läßt, ist die Spannung zwischen
den Leitern 23 und 24 gleich dem ersten Ausdruck V BE 5 + V BE 7
und dem zweiten Ausdruck V BE 6 + V BE 8. Die Offsetspannung V OS
ist ferner V IN minus V OUT , also entweder gleich dem Ausdruck
V BE 6 - V BE 5 oder dem Ausdruck V BE 7 - V BE 8. Die Eingangsoffsetspannungen
werden daher nur dann den Wert Null annehmen,
wenn die V BE -Spannungen der NPN-Transistoren 6 und 7
gleich denjenigen der PNP-Transistoren 5 und 8 sind. Wie
bereits zuvor erwähnt, ist dies häufig nicht der Fall, wenn
die genannte Schaltung als integrierte Festkörperschaltung
realisiert wird.
Die Fig. 2 zeigt eine Schaltung mit einer Vorspannungs-
Stromquelle 21 zur Erzeugung eines Konstantstroms I B , der
als Steuerstrom für eine komplementäre Stromspiegelschaltung
10 und für eine weitere komplementäre Stromspiegelschaltung
12 dient, wobei die in Fig. 2 gezeigte Schaltung
in Übereinstimmung mit der Erfindung zur Bildung der Stromquellen
10 und 12 in der "Diamond-Follower"-Schaltung nach
Fig. 1 verwendet werden. Die komplementäre Stromspiegelschaltung
10 enthält einen NPN-Transistor 16, dessen
Kollektor und Basis an +V S liegen und dessen Emitter mit
einem Leiter 17 und mit der Vorspannungs-Stromschaltung 21
verbunden ist. Der Leiter 17 ist ebenfalls mit der Basis
eines PNP-Transistors 15 verbunden, dessen Emitter an +V S
liegt und dessen Kollektor mit einem Leiter 23 verbunden
ist. Der Strom I₁ fließt durch den Transistor 15 hindurch,
wie durch den Pfeil 10 A angegeben ist. Die komplementäre
Stromspiegelschaltung 12 enthält einen zu einer Diode geschalteten
PNP-Transistor 25, dessen Kollektor und Basis an
-V S liegen und dessen Emitter über einen Leiter 22 mit der
Vorspannungs-Stromquelle 21 und der Basis einen NPN-Transistors
20 verbunden ist. Der Emitter des Transistors 20
liegt an -V S , wobei sein Kollektor mit einem Leiter 24 verbunden
ist. Der Strom I₂ fließt durch den Transistor 20,
wie durch den Pfeil 12 A angegeben ist.
In Übereinstimmung mit der Erfindung liefert die in Fig. 2
gezeigte Vorspannungsschaltung Ströme I₁ und I₂ mit Amplituden,
die sich als Funktion der Sättigungsströme I S der
NPN-Transistoren und der PNP-Transistoren so ändern, daß
der Wert des Stroms I₁, der durch den PNP-Transistor 5 hindurchfließt,
dessen Spannung V BE so einstellt, daß sie
gleich derjenigen des NPN-Transistors 6, obwohl sich
deren Kontaktpotentiale und normierte Sättigungsströme voneinander
unterscheiden. Die Schaltung nach Fig. 2 erzeugt
ebenfalls einen Strom I₂ mit einem Wert, durch den die
Spannung V BE des NPN-Transistors 7 so eingestellt wird, daß
sie gleich der Spannung V BE des PNP-Transistors 8 ist, obwohl
deren Kontaktpotentiale und normierte Sättigungsströme
infolge von Schwankungen der Herstellungsparameter unterschiedlich
sind.
Eine Analyse der Schaltung nach Fig. 1 unter Einschluß der
folgenden Gleichungen (1) bis (12) führt zu Strömen I₁ und
I₂ für den Fall, daß die Spannungen V BE der PNP-Transistoren
und der NPN-Transistoren in Fig. 1 gleich sein müssen,
und zwar unabhängig von Schwankungen ihrer Sättigungsströme
oder Kontaktpotentiale.
Die Eingangsoffsetspannung V OS für die Schaltung nach Fig.
1 ergibt sich durch die nachfolgende Gleichung (1).
V OS = V IN -V OUT (1)
Es läßt sich somit erkennen, daß V OS auch durch jede der
beiden nachfolgenden Gleichungen ausgedrückt werden kann:
V OS = V BE 6 -V BE 5 (1,1)
V OS = V BE 7 -V BE 8 (1,2)
Wird V OS auf den Wert Null gesetzt, so führt Gleichung
(1,1) zu folgendem Ausdruck:
Dagegen führt Gleichung (1,2) zum Ausdruck:
Der Sättigungsstrom I S (NPN) für NPN-Transistoren und der
Sättigungsstrom I S (PNP) für PNP-Transistoren sind über das
Verhältnis m miteinander gekoppelt, das bei der Herstellung
integrierter Schaltungen von Serie zu Serie oder von Wafer
zu Wafer verschieden sein kann. Das Verhältnis m ist jedoch
sehr gleichförmig über eine bestimmte integrierte Schaltung.
Die folgende Gleichung bezieht sich auf die Sättigungsströme
in der Schaltung nach Fig. 1:
Gleichung (2) führt demzufolge zu
während Gleichung (3) zu
führt.
Aus Gleichung (5) wird folgender Ausdruck erhalten:
Dagegen läßt sich aus Gleichung (6) der Ausdruck
herleiten.
Da die Emitterbereiche der Transistoren 6 und 8 das k-fache
derjenigen der Transistoren 7 und 5 betragen, läßt sich mit
Hilfe der Gleichung (7) folgender Ausdruck entwickeln:
I₀ = I mk (9)
Dagegen wird unter Verwendung der Gleichung (8) der Ausdruck
erhalten. Wird k als Quotient aus I S 8 durch I S 5 definiert,
so führen die Gleichungen (9) und (10) jeweils zu den nachfolgenden
Gleichungen (11) und (12):
Zur Erzielung einer Offsetspannung mit dem Wert Null in der
in Fig. 2 gezeigten "Diamond-Follower"-Schaltung müssen also
die Stromquellen 10 und 12 Ströme I₁ und I₂ liefern, die
jeweils durch die Gleichungen (11) und (12) bestimmt sind,
wobei m das Verhältnis der Sättigungsströme von NPN-Transitoren
und PNP-Transistoren und k das Verhältnis zwischen
den Emitterflächen der Transistoren 6 oder 8 zu denjenigen
der Transistoren 7 oder 5 sind.
Die Gleichungen (13) bis (20) zeigen eine ähnliche Analyse
für die Stromquellenschaltung nach Fig. 2. Der Strom I₁,
der durch den PNP-Transistor 15 hindurchfließt, ist durch
die nachfolgende Gleichung gegeben:
Hierin sind I S 15 ein Sättigungsstrom des Transistors 15
und V BE 16 die Größe der Basis-Emitter-Spannung des NPN-
Transistors 16. In ähnlicher Weise wird der Strom I₂, der
durch den NPN-Transistor 20 hindurchfließt, durch die nachfolgende
Gleichung bestimmt:
Hierin ist V TH gleich kT dividiert durch q.
Die Gleichung für V BE 16 als Funktion von I B ergibt sich zu:
Ferner wird die Spannung V BE 25 durch folgenden Ausdruck bestimmt:
Nach Einsatz von Gleichung (15) in Gleichung (13) wird folgende
Gleichung erhalten:
Dagegen wird nach Einsatz der Gleichung (16) in Gleichung
(14) der nachstehende Ausdruck erhalten:
Wird für das Verhältnis I S 16 zu I S 15 in Gleichung (17) der
Wert m eingesetzt, so führt dies zu
In ähnlicher Weise führt der Einsatz des Verhältnisses von
I S 20 zu I S 25 in Gleichung (18) durch den Wert m zu
I₂ = mI B (20)
Die oben beschriebenen Beziehungen zwischen I₁, I₂, I B und
m sind exakt diejenigen, die in der "Diamond-Follower"-
Schaltung nach Fig. 1 erfüllt sein müssen, um eine Eingangsoffsetspannung
V OS zu erzeugen, die den Wert Null aufweist.
Auch der Strom I₀ ergibt sich exakt aus k, multipliziert
mit I B .
Im nachfolgenden wird eine Skalierung beschrieben, die bei
der komplementären Stromspiegelschaltung nach Fig. 2 vorgesehen
werden kann. Sei angenommen, daß die Emitterbereiche
der Transistoren 15 und 20 um einen Faktor x relativ zu
denjenigen der Transistoren 16 und 25 jeweils skaliert bzw.
im Maßstab verändert sind, gilt beispielsweise
I S 15 = x · I S 25 und I S 20 = x · I S 16,
so läßt sich eine Analyse an Hand
der nachfolgenden Gleichungen durchführen:
Anhand der Gleichungen (21) läßt sich erkennen, daß für die
Ausgangsströme I₁ und I₂ folgende Ausdrücke erhalten werden:
Durch Einsatz von Gleichung (4), die das Verhältnis m =
I S (NPN))/(I S (PNP)) definiert, werden folgende Ausdrücke
erhalten:
Werden die Gleichungen (23) und (24) mit den Gleichungen
(19) und (20) jeweils verglichen, so fällt auf, daß die
einzige Differenz darin besteht, daß die Vorspannungsstrom
I B um den Faktor x maßstäblich verändert ist. Das bedeutet,
daß die Vorspannungs-Stromquelle auf einem niedrigen Pegel
gehalten werden kann, so daß sich der Leistungsverbrauch
des komplementären Stromspiegels minimieren läßt.
Häufig wird die "Diamond-Follower"-Schaltung als Leistungstreiber
verwendet. Die Fig. 3 zeigt eine andere Verwendung
eines "Diamond-Followers". Gemäß Fig. 3 ist die "Diamond-
Follower"-Schaltung nach Fig. 1 durch die komplementäre
Stromspiegelschaltung nach Fig. 2 vorgespannt, um die Ströme
I₁ und I₂ zu erzeugen, wobei die Vorspannungs-Steuerschaltung
21 den Vorspannungsstrom I B zu den komplementären
Stromspiegel-Steuertransistoren 16 und 25 liefert. Der Kollektor
6 A des Transistors 6 ist über einen Widerstand 33
von z. B. 1200 Ohm mit +V S und weiterhin direkt mit der Basis
eines PNP-Hochzieh-Transistors verbunden, der in der
Ausgangsstufe 32 liegt. Der Kollektor 8 A des Transistors 8
ist über einen Widerstand 34 von z. B. 1200 OHM mit -V S und
darüber hinaus mit der Basis eines NPN-Herunterzieh-Transistors
verbunden, der ebenfalls in der Ausgangsstufe 32
liegt. Details der Vorspannungsschaltung 21 und der Betrieb
der PNP-Stromspiegelschaltung, die die Ausgangsstufe 32 mit
+V S verbindet, sowie der Betrieb der NPN-Stromspiegelschaltung,
die die Ausgangsstufe 32 mit -V S verbindet, sind in
der parallelen US-Patentanmeldung Ser. Nr. 02 23 796 beschrieben,
die am 25. Juli 1988 eingereicht wurde. Sie
trägt den Titel "WIDE-BAND AMPLIFIER WITH CURRENT MIRROR
FEEDBACK TO BIAS CIRCUIT". Selbstverständlich läßt sich die
"Diamond-Follower"-Schaltung mit komplementären Stromquellen
gemäß Fig. 3 auch im Zusammenhang mit konventionellen
Techniken zur Begrenzung des Stroms in den Ausgangstransistoren
verwenden, und zwar eher als die Stromspiegel-Rückkopplungsstruktur,
die in Fig. 3 zu erkennen ist.
Der Ausgang I B der Vorspannungs-Steuerschaltung bewirkt,
daß die NPN/PNP-Stromspiegel 10 und 11 geeignete Vorspannungsströme
liefern, um die Leiterspannungen +V IN und -V IN
auf dasselbe Potential zu bringen. Auch der Strom I₀ in den
Transistoren 6 und 8 ist im Verhältnis zu I B steuerbar.
Häufig kann eine Stromskalierung vorteilhaft dadurch ausgeführt
werden, daß die Flächenverhältnisse der Transistoren
16 und 15 sowie der Transistoren 25 und 20 geeignet eingestellt
werden.
Die Schaltung gemäß Fig. 3 läßt sich, falls dies gewünscht
wird, auch modifizieren, um anstelle eines Kurzschlusses
zwischen der Basis des Transistors 16 und +V S zu Dioden geschaltete
NPN- oder PNP-Transistoren oder eine andere Spannungsquelle
vorzusehen. Der Emitter des zur Diode geschalteten
Transistors kann mit der Basis des Transistors 16
verbunden sein, während Basis und Kollektor des zur Diode
geschalteten Transistors mit +V S verbunden sein können. In
ähnlicher Weise kann ein zu einer Diode geschalteten NPN-
PNP-Transistor den Kurzschluß zwischen der Basis des
Transistors 25 und -V S ersetzen. In diesem Fall ist der
Emitter des zur Diode geschalteten PNP-Transistors mit der
Basis des Transistors 25 verbunden, während Kollektor und
Basis des zur Diode geschalteten Transistors mit -V S verbunden
sind. Solche zu Dioden geschalteten Transistoren minimieren
die Basisbreitenmodulation der Transistoren 16 und
25, um sie näher an die Betriebsbedingungen der Transistoren
7 und 5 heranzubringen, von denen keiner mit einer
Null-Kollektor/Basis-Vorspannung arbeitet. Irgendein Spannungsabfall
zwischen dem Kollektor und der Basis der Transistoren
16 und 25, der z. B. durch die oben erwähnten und
zu Dioden geschalteten Transistoren zusätzlich erhalten
wird, erhöht den Strom, den die Transistoren 16 und 25 leiten
können, bevor sie infolge innerer Ohm′scher Spannungsabfälle
in die Sättigung gelangen. Ferner können auch Degenerationswiderstände
in Serie mit den Emittern der Transistoren
15, 16, 5, 6, 7, 8, 20 und 25 liegen, um die exponentielle
Änderung des Vorspannungsströme von den komplementären
NPN/PNP-Stromspiegeln zu mildern bzw. zu dämpfen,
wenn sich die Sättigungsströme der NPN-Transistoren und der
PNP-Transistoren voneinander unterscheiden. Die Verwendung
der Degenerationswiderstände führt nicht zu einer so wirksamen
Reduzierung der Eingangsoffsetspannung wie die Verwendung
der in Fig. 3 gezeigten Schaltung. Jedoch werden
durch die genannten Degenerationswiderstände die Schwankungen
der Vorspannungsströme in den Transistoren 5 und 7 reduziert,
was höchst wünschenswert ist, da der Frequenzgang
der Transistoren 5 und 7 zu einem Teil auch von deren Emitterströmen
abhängt und eine hinreichende Vorspannungsstromdifferenz
zu Verzerrungen im Frequenzgang des Verstärkers
führt.
Die oben beschriebene Schaltungstechnik, die einen komplementären
Stromspiegel zur Erzeugung des Stroms verwendet,
der erforderlich ist, um die V BE -Spannungen unterschiedlicher
Transistoren oder dergleichen aneinander anzupassen,
erlaubt dem Schaltungsdesigner von Breitband-Spannungspuffer-
und Wechselimpedanz-Verstärkern, sich um einen weiteren
Schritt der idealen Null-Offsetspannung zu nähern, ohne
daß es erforderlich ist, den Prozeß zur Herstellung integrierter
Schaltungen stärker zu steuern, um dadurch die
PNP- und NPN-Sättigungsströme aneinander anzugleichen. Die
obige Schaltungstechnik ermöglicht eine weniger komplexe
Herstellungsweise, da nicht mehr darauf geachtet zu werden
braucht, die Ströme I S (NPN) und I S (PNP) so weit wie möglich
aneinander anzugleichen. Auch läßt sich mit der genannten
Technik die Herstellungsrate verbessern, da die Eingangsoffsetspannung
nicht länger dafür ausschlaggebend ist, ob
sich ein jeweiliger Wafer noch verwenden läßt oder nicht.
Im Vorstehenden wurde die Erfindung im Zusammenhang mit einem
"Diamond-Follower" (Brückenfolgestufe) beschrieben.
Hierauf ist die Erfindung jedoch nicht beschränkt. Es kann
auch andere Anwendungsfälle geben, bei denen es gewünscht
ist, sogenannte "Mischeinrichtungs"-Anschlußströme und
Spannungen zu steuern. Es ist weiterhin nicht erforderlich,
daß die Transistoren bipolar sind. Das oben erläuterte
Konzept gilt auch dann, wenn die NPN-Transistoren und
PNP-Transistoren jeweils durch N-Kanal-MOSFETS und P-Kanal-
MOSFETS ersetzt werden, was die Fig. 4 zeigt. Die Fig. 4
stellt praktisch eine MOSFET-Ausführung der Schaltung nach
Fig. 3 dar.
Die "Körper"-Elektroden der MOSFETS sollten mit ihren
Sourceelektroden verbunden sein, um zu vermeiden, daß durch
eine Körper-Source-Spannungsdifferenz die MOS-Schwellenspannungen
ansteigen. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß
dielektrisch isolierte (DI) Substrate verwendet werden. In
der Fig. 4 lassen sich die Ströme I B und I₁ durch folgende
Gleichungen ausdrücken:
I B = k N (V GS 16A -V TN )² (26)
und
I₁ = k P (V GS 15A -V TP )² (27)
z
z
Gleichung (26) ergibt:
Ferner führt Gleichung (27) zu:
Da
ist, ergibt sich insgesamt:
Dabei sind:
Ferner sind µ n und µ p die n-Kanal- und p-Kanalbeweglichkeiten,
das Verhältnis von Kanalbreite zu Kanallänge des
betrachteten MOSFETs, V TN und V TP jeweils die p-Kanal- und
die n-Kanal-MOSFET-Schwellenspannung und C OX die normierte
Gatekapazität des betrachteten MOSFETs. Gleichung (30) liefert
einen Wert für I₁, der von der "parametrischen" Differenz
zwischen den P-Kanal- und N-Kanal-Schwellenspannungen
abhängt, und der dafür verwendet werden kann, nicht V OS betreffende
Eigenschaften verschiedener CMOS-Schaltungen, die
keine "Diamond-Followers" sind, zu kompensieren, wenn
Schwankungen in einer oder in beiden Schwellenspannungen
auftreten.
Die Offsetspannung der "Diamond-Follower"-Schaltung läßt
sich auch in anderer Weise und nicht unter Verwendung der
oben beschriebenen komplementären Stromspiegelschaltungen
einstellen. Die Ströme I₁ und I₂ lassen sich z. B. durch
Trimmen konventioneller Stromquellen verändern. Ferner können
die Ströme I₁ und I₂ auch durch irgendwelche anderen
gesteuerten Stromquellenschaltungen erzeugt werden, die einen
komplementären Stromspiegel verwenden, um ein Steuersignal
zu erzeugen. Darüber hinaus läßt sich auch ein rückgekoppelter
Ausgang eines Verstärkers zur Einstellung der
Vorspannungsströme verwenden, welche den Vorspannungs-Eingangsanschlüssen
23 und 24 zugeführt werden.
Basis, Emitter und Kollektor eines Transistors werden aus
Gründen der Definition jeweils als Steuerelektrode, erste
stromführende Elektrode und zweite stromführende Elektrode
bezeichnet. Auch Gate, Source und Drain eines MOSFETs werden
aus Definitionsgründen jeweils als Steuerelektrode, erste
stromführende Elektrode und zweite stromführende Elektrode
bezeichnet.
Claims (6)
1. Verfahren zur Erzeugung einer Null-Offsetspannung in
einer "Diamond-Follower"-Schaltung mit ersten und zweiten
Vorspannungs-Eingangsanschlüssen, einem Eingangsanschluß
(2) und einem Ausgangsanschluß (3), gekennzeichnet durch
folgende Schritte:
- (a) Erzeugung einer ersten NPN-V BE -Spannung,
- (b) Anlegen der ersten NPN-V BE -Spannung zwischen Basis und Emitter eines ersten PNP-Transistors (15) zur Erzeugung eines ersten Vorspannungsstroms (I₁),
- (c) Verwendung des ersten Vorspannungsstroms (I₁), um die V BE -Spannung eines ersten Paares von Transistoren (5, 6) mit entgegengesetztem Leitungstyp aneinander anzugleichen, wobei der eine Transistor (5) dieses ersten Paares mit seiner Basis am Eingangsanschluß (2) und mit seinem Emitter am ersten Vorspannungs-Eingangsanschluß und der andere Transistor (6) dieses ersten Paares mit seinem Emitter am Ausgangsanschluß (3) und mit seiner Basis am ersten Vorspannungs-Eingangsanschluß liegen,
- (d) Erzeugung einer ersten PNP-V BE -Spannung,
- (e) Anlegen der ersten PNP-V BE -Spannung zwischen Basis und Emitter eines ersten NPN-Transistors (20) zur Erzeugung eines zweiten Vorspannungsstroms (I₂), und
- (f) Verwendung des zweiten Vorspannungsstroms (I₂), um die V BE -Spannung eines zweiten Paares von Transistoren (7, 8) mit entgegengesetztem Leitungstyp aneinander anzugleichen, wobei der eine Transistor (7) des zweiten Paares mit seiner Basis am Eingangsanschluß (2) und mit seinem Emitter am zweiten Vorspannungs-Eingangsanschluß und der andere Transistor (8) dieses zweiten Paares mit seinem Emitter am Ausgangsanschluß (3) und mit seiner Basis am zweiten Vorspannungs-Eingangsanschluß liegen, so daß die Spannung zwischen dem Eingangsanschluß (2) und dem Ausgangsanschluß Null ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schritte (a) und (b) zusammen die Erzeugung eines
Steuerstroms einschließen, der durch einen zweiten NPN-
Transistor (16) und durch einen zweiten PNP-Transistor (25)
hindurchfließt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß im Schritt (c) der ersten Vorspannungsstrom (I₁) durch
einen dritten PNP-Transistor hindurchfließt, um eine zweite
PNP-V BE -Spannung zu erzeugen, daß im Schritt (f) der zweite
Vorspannungsstrom (I₂) durch einen vierten NPN-Transistor
hindurchfließt, um eine zweite NPN-V BE -Spannung zu erzeugen,
und daß die Summe aus zweiter PNP-V BE -Spannung und
zweiter NPN-Spannung zwischen der Basis des dritten NPN-
Transistors und der Basis des vierten PNP-Transistors angelegt
wird.
4. Verstärker mit einem Null-Offset, gekennzeichnet
durch:
- (a) erste und zweite Differentialeingangsanschlüsse (2, 3),
- (b) erste und zweite Vorspannungs-Eingangsanschlüsse,
- (c) erste und zweite Differentialausgangsanschlüsse,
- (d) einen ersten PNP-Transistor (5), dessen Emitter mit dem ersten Vorspannungs-Eingangsanschluß (23), dessen Kollektor mit einem ersten Spannungsversorgungsleiter und dessen Basis mit dem ersten Differentialeingangsanschluß (2) verbunden sind,
- (e) einen zweiten NPN-Transistor (7), dessen Emitter mit dem zweiten Vorspannungs-Eingangsanschluß (24), dessen Kollektor mit einem zweiten Spannungsversorgungsleiter und dessen Basis mit dem ersten Differentialeingangsanschluß (2) verbunden sind,
- (f) einen dritten NPN-Transistor (6), dessen Basis mit dem ersten Vorspannungs-Eingangsanschluß (23), dessen Emitter mit dem zweiten Differentialeingangsanschluß (3) und dessen Kollektor mit dem ersten Differentialausgangsanschluß verbunden sind,
- (g) einen vierten PNP-Transistor (8), dessen Basis mit dem zweiten Vorspannungs-Eingangsanschluß (24), dessen Emitter mit dem zweiten Differentialeingangsanschluß (3) und dessen Kollektor mit dem zweiten Differentialausgangsanschluß verbunden sind,
- (h) eine Vorspannungsstrom-Steuerschaltung (21) mit einem Vorspannungsstrom-Senkenanschluß und einen Vorspannungsstrom- Quellenanschluß,
- (i) einen ersten komplementären Stromspiegel (10), mit
- einem fünften NPN-Transistor (16), dessen Kollektor und Basis mit dem zweiten Spannungsversorgungsleiter (+V S ) und dessen Emitter mit dem Vorspannungsstrom-Senkenanschluß verbunden sind sowie
- einem sechsten PNP-Transistor (15), dessen Emitter mit dem zweiten Spannungsversorgungsleiter (+V S ), dessen Basis mit dem Vorspannungsstrom-Senkenanschluß und dessen Kollektor mit dem ersten Vorspannungs-Eingangsanschluß (23) verbunden sind, wobei der fünfte NPN- Transistor (16) und der sechste PNP-Transistor (15) so zusammenarbeiten, daß ein erster Vorspannungsstrom (I₁) erzeugt wird, der den ersten PNP-Transistor (5) im Hinblick auf irgendeine Differenz in den normierten Sättigungsströmen des ersten PNP-Transistors (5) und des zweiten NPN-Transistors (7) kompensiert, - (j) einen zweiten komplementären Stromspiegel (12) mit
- einem siebten PNP-Transistor (25), dessen Basis und Kollektor mit dem ersten Spannungsversorgungsleiter (-V S ) und dessen Emitter mit dem Vorspannungsstrom- Quellenanschluß verbunden sind sowie
- einem achten NPN-Transistor (20), dessen Emitter mit dem ersten Spannungsversorgungsleiter (-V S ), dessen Basis mit dem Vorspannungsstrom-Quellenanschluß und dessen Kollektor mit dem zweiten Vorspannungs-Eingangsanschluß (24) verbunden sind, wobei der siebte PNP-Transistor (25) und der achte NPN-Transistor (20) so zusammenarbeiten, daß ein zweiter Vorspannungsstrom (I₂) erzeugt wird, der den zweiten NPN-Transistor (7) im Hinblick auf irgendeine Differenz in den normierten Sättigungsströmen des zweiten NPN-Transistors (7) und des ersten PNP-Transistors (5) kompensiert.
5. Verstärker mit einem Null-Offset nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der erste PNP-Transistor (5)
einen normierten Sättigungsstrom aufweist, der sich wesentlich
von dem des zweiten NPN-Transistors (7) unterscheidet.
6. Komplementäre Stromspiegelschaltung, gekennzeichnet
durch:
- (a) eine Stromquelle (21) zur Erzeugung eines Steuerstroms (I B ),
- (b) einen ersten und einen zweiten Spannungsversorgungsleiter (+V S , -V S ),
- (c) erste und zweite Ausgangsanschlüsse (23, 24),
- (d) einen PNP-Ausgangstransistor (15), dessen Emitter mit dem ersten Spannungsversorgungsleiter und dessen Kollektor mit dem ersten Ausgangsanschluß (23) verbunden sind,
- (e) erste, mit der Stromquelle (21) gekoppelte Mittel (16) zur Erzeugung einer NPN-V BE -Spannung in Antwort auf den Steuerstrom (I B ),
- (f) Mittel zum Anlegen der NPN-V BE -Spannung zwischen Basis und Emitter des PNP-Ausgangstransistors (15) zwecks Lieferung eines ersten Steuerstroms (I₁) vom ersten Ausgangsanschluß (23),
- (g) einen NPN-Ausgangstransistor (20), dessen Emitter mit dem zweiten Spannungsversorgungsleiter und dessen Kollektor mit dem zweiten Ausgangsanschluß (24) verbunden sind,
- (h) zweite, mit der Stromquelle (21) gekoppelte Mittel (25) zur Erzeugung einer PNP-V BE -Spannung in Antwort auf den Steuerstrom (I B ), und
- (i) Mittel zum Anlegen der PNP-V BE -Spannung zwischen Basis und Emitter des NPN-Ausgangstransistors (20) zur Aufnahme eines zweiten Steuerstroms (I₂) in den zweiten Ausgangsanschluß (24).
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