DE69215492T2

DE69215492T2 - Halbleiteranordnung mit zweistufigen Differenzverstärker

Info

Publication number: DE69215492T2
Application number: DE69215492T
Authority: DE
Inventors: Pascal Philippe
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1991-12-23
Filing date: 1992-12-15
Publication date: 1997-05-22
Anticipated expiration: 2012-12-16
Also published as: US5389891A; EP0549045B1; JPH05259759A; EP0549045A1; DE69215492D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung mit einem zweistufigen Differenzverstärker, der ein erstes Differenzierpaar von über ihre Source verbundenen Transistoren umfaßt, von denen jeder ein Eingangssignal empfängt, und ein zweites Differenzierpaar von über ihre Source verbundenen Transistoren, von denen jeder das Ausgangssignal einer der Zweige des ersten Differenzierpaars empfängt und jeder ein Ausgangssignal liefert.
Mehrstufige Differenzverstärker sind beispielsweise aus der Veröffentlichung mit dem Titel "Operational amplifiers", Design and Applications von G. GRAEME et alii, herausgegeben von Mac GRAW-HILL BOOK Company, New York, bekannt. Das vierte Kapitel dieser Veröffentlichung befaßt sich mit mehrstufigen Differenzverstärkern. Ein Differenzverstärker wird beispielsweise aus zwei Transistoren gebildet, die über ihre Emitter gekoppelt sind und deren Kollektoren mit einer Last versehen sind. Die Basen empfangen beide ein Eingangssignal, und die Ausgangssignale werden an den Kollektoren erhalten. Ein mehrstufiger Differenzverstärker wird in einfacher Weise aus zwei oder mehr dieser Stufen aufgebaut, so daß das Ausgangssignal eines Zweiges einer ersten Stufe an den Eingang eines Zweiges einer folgenden Stufe weitergegeben wird.
Die vorliegende Erfindung verschafft nun eine Schaltung, die angewendet werden kann im Bereich drahtloser Telefone, Empfänger für Fahrzeuge, oder aller anderen Empfänger, die kompensierte Schaltungen mit geringem Stromverbrauch und geringen Herstellungskosten für Massenanwendungen erfordern.
Eine der Aufgaben der Erfindung ist es, eine Schaltung mit ebenso hoher Differenzverstärkung wie bei den bekannten Schaltungen aber mit geringerem Stromverbrauch zu verschaffen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltung mit günstigem Rauschfaktor zu verschaffen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltung zu verschaffen, die eine höhere Gleichtaktunterdrückung aufweist als vom Stand der Technik her bekannt.
Diese Aufgaben werden mittels einer Anordnung der eingangs genannten Art gelöst, die außerdem die Kennzeichen aus Anspruch 1 aufweist. In dieser Anordnung wird jeder Zweig des zweiten Differenzierpaars so in Reihe mit einem Zweig des ersten Differenzierpaars geschaltet, daß zwei Teilschaltungen gebildet werden, von denen jede einen Transistor des ersten Paars und seine Last sowie einen Transistor des zweiten Paars und seine Last umfaßt, damit die beiden Transistoren jeder Teilschaltung sich den gleichen Strom teilen.
Die verwirklichte Differenzschaltung hat unter anderem folgende Vorteile:
- eine hohe Verstärkung und
- einen hohen Gleichtaktunterdrückungsgrad.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- Figur 1 einen Verstärker,
- Figur 2 einen erfindungsgemäßen Differenzverstärker,
- Figur 3 Schemata, die einem Differenzverstärker im Gleichtaktmodus bzw. im Differenzmodus entsprechen,
- Figur 4 ein Ausführungsbeispiel
- die Figuren 5a und 5b Verstärkungskurven als Funktion der Frequenz für zwei Ausführungsbeispiele der Schaltung aus Figur 4.
Die Verstärkerschaltung aus Figur 1 ist aus zwei Feldeffekttransistoren T1 und T2 aufgebaut. Der Transistor T1 liegt in Source-Schaltung an Masse. Der Transistor T2 ist mit dem Transistor T1 über die Widerstandslast R1 verbunden, die zwischen die Source von T2 und den Drain von T1 geschaltet ist. Das zu verstärkende Signal wird bei E dem Gate von T1 zugeführt. Das verstärkte Signal wird am Drain von T1 empfangen und durch einen Isolationskondensator C&sub1; zum Gate von T2 geleitet. Der obere Transistor T2 muß wechselstrommäßig an Masse liegen, um Verstärkung zu liefern. Die Verbindung mit Masse erfolgt über einen Kondensator C&sub2; mit niedriger Impedanz. Der Ausgang des Verstärkers ist bei S am Drain von T2. Der Transistor T2 ist mit einer Last L versehen, die zwischen seinen Drain und eine Gleichstromquelle VDD geschaltet ist.
Der erfindungsgemäße Differenzverstärker in Figur 2 hat eine symmetrische Struktur und ist aus zwei miteinander gekoppelten identischen Teilschaltungen aufgebaut. Jede dieser Teilschaltungen ist ein Verstärker entsprechend der Figur 1 mit einem ersten Transistor T1 bzw. T'1, der mit einer Last R1 bzw. R'1 versehen ist, und mit einem in Reihe geschalteten zweiten Transistor T2 bzw. T'2, der mit einer Last L bzw. L' versehen ist. Jeder so gebildete Zweig aus vier in Reihe geschalteten Elementen ist einerseits mit Masse und andererseits mit der Stromquelle VDD verbunden. Der Kondensator C&sub2;, der die Source von T1 oder T'2 mit Masse verbindet, entfällt. Den erfindungsgemäßen Differenzverstärker erhält man durch Kopplung der beiden Teilschaltungen. Diese Kopplung erfolgt, indem die Sources der oberen Transistoren T2 von jeder der Teilschaltungen am gleichen Punkt zusammengelegt werden, wobei die Sources der unteren Transistoren T1, T'1 an Masse liegen. Diese Schaltung ist symmetrisch und kann nach dem traditionellen Verfahren analysiert werden, bei dem die Funktionsweise im Gleichtaktmodus und im Differenzmodus getrennt untersucht wird.

Differenzmodus

Die Schaltung, die dem Differenzmodus entspricht, ist in Figur 3a dargestellt. Der Kopplungspunkt, d.h. die Source der Transistoren T2 von jeder der Teilschaltungen, wird zu einer virtuellen Masse. Die beiden Teilschaltungen sind voneinander isoliert, so daß sich die Analyse der Schaltung auf die Analyse einer Teilschaltung beschränken läßt. Die Differenzspannungsverstärkung Gd entspricht der Kaskadierung von zwei Verstärken mit gemeinsamer Source und ist daher hoch. Unter Vernachlässigung parasitärer kapazitiver Effekte der Transistoren erhält man:
Gd = [-gm1R&sub1;/(1 + gd1 R&sub1;)] x [-gm2R&sub2;/(1+gd2R&sub2;)]
wobei gm1, gd1 die Ausgangstranskonduktanz bzw. Ausgangskonduktanz des Transistors T1 sind und gm2 und gd2 die gleichen Parameter für den Transistor T2 bezeichnen.

Gleichtaktmodus

Die Schaltung, die dem Gleichtaktmodus entspricht, ist in Figur 3b dargestellt. In dem Zweig, der die Sources der Transistoren T2 koppelt, fließt kein Strom, so daß er entfallen kann, ohne daß dadurch die Funktionsweise der Schaltung beeinträchtigt wird. Die Sources von Transistor T2 liegen im Gleichtaktmodus also nicht an Masse. Die Analyse beschränkt sich wie im Differenzmodus auf die Betrachtung einer einzelnen Teilschaltung. Das Verhalten im Gleichtaktmodus unterscheidet sich stark von dem im Differenzmodus, vor allem dadurch, daß der obere Transistor T2 aufgrund der durch den Widerstand R1 hervorgerufenen Gegenreaktion eine sehr geringe Verstärkung aufweist. Die Spannungsverstärkung im Gleichtaktmodus Gc ist unter Vernachlässigung der parasitären kapazitiven Effekte der Transistoren gegeben durch:
Gc = [-gm1/(gd1 + gd2/K)] x [gd2.R&sub2;/K]
wobei K = 1 + (gm2 + gd2)R&sub1; + gd2 R2.
Da der Parameter K sehr viel größer ist als 1, kann der obige Ausdruck wie folgt vereinfacht werden:
Gc = [-gm1.gd2R&sub2;/K.gd1]
Für den Fall, daß die Transistoren T1 und T2 identisch, die Polarisationsbedingungen gleich sind und R1 = R2 (was bei einer im folgenden noch beschriebenen Ausführung der Fall ist), sind die Verstärkungen im Gleichtaktmodus und im Differenzmodus gegeben durch:
Gd = [-gmR/(1 + gd.R)]²
Gc = [-gmR/1 + gm.R + 2gd.R)]
Das Verhältnis R der Verstärkungen im Differenzmodus und im Gleichtaktmodus ist gegeben durch:
R = Gd/Gc = - gmR[1 + (gm + 2gd).R]/[1 + gdR]²
Der Differenzverstärker aus Figur 2 hat unter anderem die folgenden Vorteile:
- eine hohe Differenzverstärkung, die der von zwei in Source-Schaltung aufgebauten Stufen, wie aus dem Stand der Technik bekannt, entspricht,
- eine hohe Gleichtaktunterdrückung, ohne daß Stromquellen mit hoher Ausgangsimpedanz verwendet werden müssen, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist,
- ein reduzierter Stromverbrauch hinsichtlich der erzielten Verstärkung, da die Transistoren T1 und T2 jeder Teilschaltung sich den gleichen Strom teilen,
- ein sehr niedriger Rauschfaktor auch im Gleichtaktmodus, da die Gegenreaktion, die durch die niedrige Verstärkung im Gleichtaktmodus entsteht, auf den oberen Transistor T2 (oder T'2) wirkt, d.h. auf irgendeine Weise auf die zweite Verstärkerstufe. T1 bleibt dadurch auch im Gleichtaktmodus rauscharm im Betrieb und trägt durch den auf seine Verstärkung zurückzuführenden Maskeneffekt dazu bei, einen günstigen Rauschfaktor im Gleichtaktmodus zu bewahren.
Bei einer Abwandlung der Schaltung aus Figur 2 kann eine Stromquelle zwischen die gekoppelten Sources der unteren Transistoren T1 und T'1 geschaltet werden. Die Versorgungsspannung VDD wird dann höher.
Ein Ausführungsbeispiel für einen Differenzverstärker, das auf dem anhand der Figur 2 beschriebenen Verstärker beruht, ist in Figur 4 dargestellt. Diese Schaltung wird mit Hilfe eines Anreicherungs-Feldeffekttransistoren aus Galliumarsenid (GaAs) verwirklicht, also Transistoren, die normalerweise gesperrt sind, wenn keine Gate-Source-Spannung anliegt.
Für die Transistoren T1, T'1, T2 und T'2 werden identische Typen mit einer Gate-Fläche in der Größenordnung von 100µm gewählt. Sie werden mit Hilfe einer Schaltung polarisiert, die die Transistoren T3 und T'3 enthält.
Die Tabelle I zeigt die Werte für die Elemente zur Verwirklichung der Schaltung aus Figur 4, und zwar getrennt für zwei Ausführungsbeispiele. Die in der Tabelle I gegebenen Werte sind daher nicht einschränkend.
Figur 5a zeigt die Verstärkungen Gc und Gd in Abhängigkeit von der Frequenz F, die mit der Schaltung aus Figur 4, verwirklicht mit den Werten für die Elemente entsprechend dem Beispiel 1 der Tabelle I, erhalten wurden.
Figur 5b zeigt die Verstärkungen Gc und Gd in Abhängigkeit von der Frequenz F, die mit der Schaltung aus Figur 4, verwirklicht mit den Werten für die Elemente entsprechend dem Beispiel 2 der Tabelle I, erhalten wurden.
Die Werte wurden gemessen als Verhältnisse der Eingangssignale VE1 oder VE2 zu den Ausgangssignalen VS1 oder VS2 (siehe Figur 4). TABELLE I

Claims

1. Halbleiteranordnung mit einem zweistufigen Differenzverstärker, der ein erstes Differenzierpaar von über ihre Source verbundenen Transistoren umfaßt, von denen jeder ein Eingangssignal empfängt, und ein zweites Differenzierpaar von über ihre Source verbundenen Transistoren, von denen jeder das Ausgangssignal einer der Zweige des ersten Differenzierpaars empfängt und jeder ein Ausgangssignal liefert, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Zweig des zweiten Differenzierpaars so in Reihe mit einem Zweig des ersten Differenzierpaars geschaltet ist, daß zwei Teilschaltungen gebildet werden, von denen jede einen Transistor des ersten Paars und seine Last sowie einen Transistor des zweiten Paars und seine Last umfaßt, damit die beiden Transistoren jeder Teilschaltung sich den gleichen Strom teilen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sources der Transistoren des ersten Paars an eine Stromquelle gekoppelt sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren Feldeffekttransistoren sind.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldeffekttransistoren aus Galliumarsenid sind und von einem Typ, der normalerweise gesperrt ist, wenn keine Gate-Source-Spannung anliegt.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren mit Gate-Polarisierungsmitteln versehen sind.