DE69412008T2

DE69412008T2 - Operationsverstärker und Verfahren dazu

Info

Publication number: DE69412008T2
Application number: DE69412008T
Authority: DE
Inventors: Geoffrey E. Austin Texas 78758 Brehmer
Original assignee: Advanced Micro Devices Inc
Current assignee: Advanced Micro Devices Inc
Priority date: 1993-06-30
Filing date: 1994-05-05
Publication date: 1999-03-25
Anticipated expiration: 2014-05-06
Also published as: US5457426A; EP0632582A1; EP0632582B1; DE69412008D1; JPH0758557A

Description

Die Erfindung, wie sie in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist, betrifft Operationsverstärker, wie etwa Operationsverstärker für Anwendungen mit niedriger Zufuhrspannung, die einzigartige Gleichstromvorspannungs- und Stromspiegelungsverfahren verwenden.
US-A-5 006 817 beschreibt einen CMOS-Operationsverstärker nach dem Stand der Technik.
Operationsverstärker sind gleichstromgekoppelte Verstärker mit sehr hohem Gewinn mit unsymmetrischem Ausgang. Typischerweise werden als Eingangsstufe für Operationsverstärker (hier manchmal als "Op-Amp" bezeichnet) verschiedene Verstärker verwendet. Operationsverstärker kann man sich als Vorrichtungen mit zwei Eingangssignalen und einem Ausgangssignal vorstellen. Die beiden Eingangssignale kann man sich als "nichtinvertierendes" und "invertierendes" Signal vorstellen. Wenn das nichtinvertierende Eingangssignal positiver als das invertierende Signal wird, wird das Ausgangssignal des Verstärkers positiv, und umgekehrt. Operationsverstärker weisen einen enormen Spannungsgewinn auf und werden typischerweise mit Rückkopplung verwendet.
Ein idealer Op-Amp mit externer Rückkopplung zeigt ein relativ einfaches Verhalten. Als erstes versucht das Ausgangssignal des Op-Amps das zu tun, was immer erforderlich ist, damit die Spannungsdifferenzen zwischen den Op-Amp-Eingangssignalen gleich 0 wird. Als zweites entnimmt der Op-Amp einen sehr geringen Eingangsstrom, der sich in einem Idealfall einem nicht vorhandenen Strom annähert. Effektiv verhalten sich die Operationsverstärker so, daß sie sich die Eingangsanschlüsse "betrachten" und so an dem Ausgangsanschluß schwingen, daß das externe Rückkopplungsnetzwerk das Eingangsdifferential (wenn möglich) auf 0 bringt. Bei diesem idealen Op-Amp kann die Ausgangsspannungsschwingung so groß wie der Bereich der Versorgungsbetriebsspannung sein. Wenn zum Beispiel eine Stromversorgung mit einer Zufuhrspannung im Bereich von 0 bis 5 Volt einen Op-Amp betreibt, kann die Ausgangsspannungsschwingung theoretisch 0-5 Volt betragen. Gleichermaßen ist in dem Fall einer Stromversorgung mit einer Zufuhrspannung im Bereich von 0 bis 2,7 Volt für einen Op-Amp theoretisch eine Schwingung der Ausgangsspannung von 0-2,7 Volt möglich. Dies sind somit die idealen Fälle für eine Zufuhrspannung von 0-5 bzw. eine Zufuhrspannung von 0-2,7.
In der Wirklichkeit können diese idealen Bedingungen nicht vollständig erfüllt werden. Ein wirklicher Op-Amp ist etwa um einen Bereich der mittleren Spannung des Versorgungsbetriebsspannungsbereiches betreibbar, und die Ausgangsspannung schwingt um diesen mittleren Spannungsbereich plus oder minus einigen ΔV, was angesichts des Bereichs der von der Stromversorgung verfügbaren Zufuhrspannung etwas geringer als die theoretisch mögliche Ausgangsspannung ist. In der Praxis arbeiten Op-Amps typischerweise am besten bei etwa mittlerer Spannung, die als gewöhnlicher Spannungspegel betrachtet wird. Dieser gewöhnliche Spannungspegel schwingt dann bis plus oder minus ΔV nach oben, was auf der Grundlage der bestimmten Konfiguration möglich ist.
Eine Technik zum Erhalten des gewünschten Betriebs eines Verstärkers, wie etwa einer gewünschten Spannungsschwingung, wird als "Vorspannung" bezeichnet. Bei Vorspannungstechniken werden Spannungen über Vorspannungsschaltungsnetzwerke an entsprechende Transistorelemente angelegt. Diese Vorspannungsschaltungsnetzwerke können eine Reihe von Funktionen erfüllen, und in jedem Verwendungsfall eines Vorspannungsnetzwerks kann das Vorspannen für einen Zweck andere Aspekte des Betriebs einer Verstärkerschaltung beeinflussen.
Eine Vorspannungstechnik, die manchmal als angepaßte Basis- Emitter-Vorspannung bezeichnet wird, kann dazu verwendet werden, einen sogenannten Stromspiegel zu erzeugen. Ein Stromspiegel ist bei Differentialverstärkervorrichtungen in vielen Fällen von Bedeutung, in denen eine Stromquelle benötigt wird. Eine übliche Anordnung für eine Stromquelle wird manchmal als Wilson-Spiegel bezeichnet. Der Wilson-Spiegel ist ein Paar in Reihe geschalteter gm-p-Kanal oder -n-Kanal-Vorrichtungen. Diese Anordnung weist einen Schenkel auf, der einen Referenzstrom trägt, der durch die beiden in Reihe geschalteten Transistoren auf dem anderen Schenkel gespiegelt ist. Diese Technik funktioniert so, daß sie Strom in den meisten Fällen in ausreichender Weise spiegelt. Bei Anwendungen mit niedriger Leistung tritt jedoch ein relativ bedeutender Spannungsabfall an den beiden in Reihe geschalteten Transistoren auf. Dieser Spannungsabfall nimmt einen bedeutenden Teil der möglichen Ausgangsspannungsschwingung des Verstärkers ein, so daß die tatsächliche Ausgangsspannungsschwingung oft in einem schmaleren Bereich als dem von der Stromversorgung verfügbaren Betriebsspannungsbereich liegt.
Im folgenden wird ein Betriebsverstärker beschrieben, der derart konstruiert ist, daß er mit niedrigen Zufuhrspannungen funktioniert und dennoch die bei Anwendungen mit höheren Zufuhrspannungen auftretenden Anforderungen an die Ausgangsbereichleistung erfüllt.
Es wird angenommen, daß er besonders effektiv ist, wenn er in batteriebetriebenen oder tragbaren Kommunikationsprodukten verwendet wird. Insbesondere löst der Verstärker viele bei Anwendungen niedriger Leistung des Standes der Technik auftretende diverse Probleme, zum Beispiel Probleme der Verstärkungsbandbreite, der Ausgangsschwingung, der Stabilität und der Herstellbarkeit. Wie ersichtlich ist, löst dieser Verstärker viele dieser Probleme des Standes der Technik aufgrund des einzigartigen Gleichstromvorspannungsvorgangs für Sink- und Source-Transistoren und seines einzigartigen Stromspiegelungsvorgangs zum Bilden eines unsymmetrischen Ausgangs.
Bei einer Ausführungsform ist die Erfindung ein Operationsverstärker. Der Operationsverstärker weist einen invertierenden Eingang, einen nichtinvertierenden Eingang, einen Ausgang und eine Vorrichtung zum Verbinden des invertierenden Eingangs und des nichtinvertierenden Eingangs und des Ausgangs auf, wobei die Einrichtung geeignet ist, zu bewirken, daß der Ausgang im wesentlichen über den gesamten Spannungsbereich von der Stromversorgung schwingt.
Als ein weiterer Aspekt weist der Operationsverstärker ferner eine mit dem Ausgang verbundene Push-Einrichtung zum Setzen des Ausgangs auf einen High-Pegel und eine mit dem Ausgang verbundene Pull-Einrichtung zum Setzen des Ausgangs auf einen Low-Pegel auf.
Als ein weiterer Aspekt weist der Operationsverstärker ferner wenigstens eine mit der Push-Einrichtung verbundene Kaskodeneinrichtung und wenigstens eine mit der Pull-Einrichtung verbundene Kaskodeneinrichtung auf.
Als ein wiederum weiterer Aspekt weist die Verbindungseinrichtung des Operationsverstärkers eine Gleichstromvorspannungsschaltung auf.
Als noch ein weiterer Aspekt erzeugt die Gleichstromvorspannungsschaltung des Operationsverstärkers Vorspannungen an der Pull-Einrichtung, wodurch die Pull-Einrichtung über den gesamten Ausgangsbereich gesättigt gehalten ist.
Als wiederum weiterer Aspekt weist der Operationsverstärker ferner wenigstens eine mit der Push-Einrichtuag verbundene Kaskodeneinrichtung und wenigstens eine mit der Pull- Einrichtung verbundene Kaskodeneinrichtung auf, während die. Gleichstromvorspannungsschaltung auch Vorspannungen an der wenigstens einen mit der Push-Einrichtung verbundenen Kaskodeneinrichtung und an der wenigstens einen mit der Pull- Einrichtung verbundenen Kaskodeneinrichtung erzeugt.
Als noch ein weiterer Aspekt ist die Push-Einrichtung des Operationsverstärkers wenigstens ein Source-Transistor, und die Pull-Einrichtung ist wenigstens ein Sink-Transistor.
Als abermals weiterer Aspekt weist die Verbindungseinrichtung des Operationsverstärkers eine Gleichstromvorspannungsschaltung auf, die vier identisch bemessene n-Kanal-Transistoren, von denen drei eine zweite Eingangsvorspannung empfangen und von denen einer eine erste Eingangsvorspannung empfängt, und drei identisch bemessene n-Kanal-Sink-Transistoren aufweist, die mit dem die erste Eingangsvorspannung empfangenden n- Kanal-Transistor und zweien der die zweite Eingangsvorspannung empfangenden n-Kanal-Transistoren verbunden sind, wobei der andere der n-Kanal-Transistoren die zweite Eingangsvorspannung empfängt und mit einem ausgewählten Transistor mit gewünschten Eigenschaften zum Aufrechterhalten einer Stromspiegelung zwi schen jedem der wenigstens einen Source-Transistoren und zwischen jedem der wenigstens einen Sink-Transistoren verbunden ist, wodurch bewirkt wird, daß die wenigstens einen Source- Transistoren und die wenigstens einen Sink-Transistoren über den gesamten Bereich der Ausgangsschwingung in dem Sättigungsbereich verbleiben.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Erfindung eine Gleichstromvorspannungsschaltung eines Operationsverstärkers mit dualen Eingängen und einem unsymmetrischen Ausgang und ferner mit p-Kanal-Source-Transistoren und n-Kanal-Sink- Transistoren, wobei die Gleichstromvorspannungsschaltung die Verbesserung aufweist, derzufolge die Gleichstromvorspannungsschaltung bewirkt, daß das Ausgangssignal auf einen High-Pegel gesetzt wird, wenn das Spannungsdifferential zwischen den dualen Eingängen positiv ist, um den Spannungspegel des Ausgangs in die Nähe des Wertes der Versorgungsspannung zu bringen, und auf einen Low-Pegel gesetzt wird, wenn das Spannungsdifferential zwischen den dualen Eingängen negativ ist, um den Spannungspegel des Ausgangs in die Nähe des Wertes der untersten Stromversorgung, der Masse, zu bringen.
Bei noch einer, weiteren Ausführungsform ist die Erfindung ein Verfahren zum Vorspannen eines Operationsverstärkers mit dualen Eingängen und einem unsymmetrischen Ausgang, wobei der Verstärker Sink-Transistoren und Source-Transistoren und entsprechende Vorspannungstransistoren aufweist, wobei das Verfahren den Schritt des Bemessens wenigstens eines Korrekturtransistors zum Ausgleichen von Spannungsdifferenzen zwischen dualen Vorspannungsströmen an den Vorspannungstransistoren umfaßt, um im wesentlichen identische Vorspannungsströme an allen Sink-Transistoren und im wesentlichen identische Vorspannungsströme an allen Source-Transistoren und Sink-Transistoren zu erhalten.
Als ein weiterer Aspekt umfaßt das Verfahren ferner des Schritt des Verbindens von Kaskodentransistoren mit jedem der Source-Transistoren und der Sink-Transistoren.
Als noch ein weiterer Aspekt liegt die Versorgungsspannung bei dem Verfahren im Bereich von etwa 0 Volt bis etwa 2,7 Volt.
Als wiederum ein weiterer Aspekt liegt die Versorgungsspannung bei dem Verfahren im Bereich von etwa 0 Volt bis etwa 5 Volt.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Für ein umfassenderes Verständnis der vorliegenden Erfindung und für weitere ihrer Aufgaben und Vorteile wird auf die folgende Beschreibung zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen verwiesen, wobei Fig. 1 eine detaillierte schematische Darstellung eines einstufigen Verstärkers nach dem Stand der Technik zeigt, der klassische Verfahren zum Vorspannen und zur Stromspiegelung verwendet;
Fig. 2 eine detaillierte Darstellung der Gleichstromvorspannungs- und Stromspiegelungsschaltung des einstufigen Verstärkers nach dem Stand der Technik aus Fig. 1 zeigt;
Fig. 3 eine detaillierte schematische Darstellung der bevorzugten Ausführungsform der Verstärkerschaltung der vorliegenden Erfindung mit einzigartigen Gleichstromvorspannungs- und Stromspiegelungsvorgängen zeigt;
Fig. 4 eine detaillierte Darstellung der Gleichstromvorspannungs- und Stromspiegelungsschaltung der bevorzugten Ausführungsform der Verstärkerschaltung der vorliegenden Erfindung aus Fig. 3 zeigt;
Fig. 5 eine detaillierte schematische Darstellung der Version eines unsymmetrischen Verstärkers zeigt, die zu dem in Fig. 3 dargestellten Verstärker komplementär ist; und
Fig. 6 eine detaillierte schematische Darstellung der bevorzugten Ausführungsform eines zweistufigen Klasse-A- Operationsverstärkers darstellt, bei dem die Gleichstromvorspannungs- und die Stromspiegelungsvorgänge der vorliegenden Erfindung umgesetzt sind.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Zum Verständnis der Prinzipien und Vorteile der vorliegenden Erfindung ist es nützlich, zuerst einen einstufigen Operationsverstärker nach dem Stand der Technik und seinen Betrieb und seine Merkmale zu betrachten. Als erstes wird auf Fig. 1 Bezug genommen, die einen derartigen einstufigen Verstärker 2 nach dem Stand der Technik zeigt. Der Verstärker 2 weist im wesentlichen einen einstufigen Verstärkerbereich und ein Netzwerk einer Gleichstrom-Vorspannungsschaltung auf. Eingänge zu dem einstufigen Verstärker weisen einen invertierenden Eingang 12 und einen nichtinvertierenden Eingang 10 auf. Der Verstärker 2 weist einen unsymmetrischen Ausgang 14 auf. Der Verstärkerbereich weißt außerdem eine Anordnung aus p-Kanal- Transistoren 20, 22, 24, 26, 28, 30 und eine Anordnung aus n- Kanal-Transistoren 32, 34,36, 38 auf.
Im folgenden wird weiterhin auf Fig. 1 Bezug genommen, wobei der Verstärkerbereich eine Eingangsstufe und eine Ausgangsstufe aufweist. Die Eingangsstufe des Verstärkers 2 weist die Eingänge 10, 12, Transistoren 24, 26 und Vorspannungsströme 70, 72 mit Vorspannungen 70a, 72a für diese Transistoren auf. Die Ausgangsstufe des Verstärkers weist einen Ausgang 14, Transistoren 20, 22, 32, 34 und Vorspannungsströme 66, 68 mit Vorspannungen 66a, 68a auf. Wie für Experten auf dem Gebiet offenkundig sein wird, dienen die p-Kanal-Transistoren 20, 28 mit Kaskodenvorrichtungen 22, 30 als Stromquellen, und die n- Kanal-Transistoren 32, 36 dienen mit Kaskodenvorrichtungen 34, 38 als Stromsenken.
Im folgenden wird weiterhin auf Fig. 1 Bezug genommen, wobei das Netzwerk der Gleichstromvorspannungsschaltung des einstufigen Verstärkers 2 nach dem Stand der Technik p-Kanal- Transistoren 50, 52 und n-Kanal-Transistoren 54, 56, 58, 60, 62, 64 aufweist. Es ist ersichtlich, daß die Stromeingänge 66, 68 zu diesen n-Kanal-Transistoren 54, 56, 58, 60, 62, 64 der Gleichstromvorspannungsschaltung auch als Vorspannungseingänge 66a, 68a zu den n-Kanal-Kaskodenvorrichtungen 32, 34, 36, 38 auftreten. Es ist ersichtlich, daß die Stromeingänge 70, 72 zu den p-Kanal-Transistoren 50, 52 als Vorspannungseingänge 70a, 72a zu den Eingangsstufentransistoren 24, 26 auftreten.
Im folgenden wird weiter auf Fig. 1 Bezug genommen, wobei der Verstärker 2 nach dem Stand der Technik wie folgt funktioniert: Wenn in den Spannungen der Eingänge 10, 12 eine Differenz besteht, wird in der Ausgangsstufe ein Stromungleichgewicht entweder zu den Source- oder den Sink-Transistoren erzeugt, so daß entsprechend der Polarität des Ungleichgewichts mehr Strom gesourcet oder abgeleitet wird. Wenn zum Beispiel die beiden Eingänge 10, 12 identische Spannungen aufweisen, ist das Differentialpaar gleichmäßig unterteilt, und die Spannung bildet eine Stromsenke, die denselben Strom wie die Stromquelle aufweist. Während dann ein Potential ansteigt und das andere Potential abfällt, führt ein Stromungleichgewicht zu der Ausgangsstufe, derart, daß entsprechend der Richtung des Ungleichgewichts mehr Strom gesourcet oder abgeleitet wird.
Im folgenden wird weiterhin auf Fig. 1 Bezug genommen, diesmal zusammen mit Fig. 2, die insbesondere die Gleichstromvorspannungs- und Stromspiegelungsschaltung des Verstärkers 2 nach dem Stand der Technik zeigt, wobei es die klassische Art zum Bemessen dieses Vorspannungsnetzwerks nach dem Stand der Technik ist, alle Vorspannungsnetzwerk-n-Kanal-Transistoren 54, 56, 58, 60, 62, 64 in gleicher Größe vorzusehen und den Drain- Strom viermal in den Transistor 56 zu sourcen. Diese Technik erzeugt eine Vds an dem Transistor 56, die gleich Vt + 1,4 Vdsat ist, und da die Vt des Transistors 56 und des Traxisist-ors 60 gleich sind (die Vt des Transistors 60 ist aufgrund von Body- Effekten tatsächlich leicht höher, obwohl diese Effekte relativ gesehen vernachlässigbar sind), bewirkt der Abfall von Gate zu Source an dem Transistor 60, daß der Transistor 58 mit einer Vds von etwa 1,3 Vdsat vorgespannt wird, die den Transistor 58 gesättigt hält.
Im folgenden wird weiterhin auf Fig. 1 zusammen mit Fig. 2 Bezug genommen, wobei diese Vorspannungs- und Stromspiegelungstechnik des Standes der Technik grundsätzlich problematisch ist, da der Spiegelungstransistor 58 in einem Schenkel der Stromspiegelungsschaltung einen geringeren Spannungsabfall Vds als der Einzeltransistor 54 in dem anderen Schenkel aufweist. Diese Differenz beim Spannungsabfall zwischen den beiden Schenkeln der Spiegelungsschaltung bewirkt eine nicht ausreichende Übereinstimmung in dem Stromspiegelungsausgang. Obwohl die nicht ausreichende Übereinstimmung gering ist, kann sie in Fällen bedeutend sein, in denen die gesamte Vorrichtung mit niedriger Spannung betrieben wird, und in diesen Fällen kann die nicht ausreichende Übereinstimmung die gesamten Betriebseigenschaften des Operationsverstärkers beeinflussen. Zusätzlich zu Differenzen beim Spannungsabfall an den Transistoren in Schenkeln der Spiegelungsschaltung können der Transistor Vds und somit die nicht ausreichende Stromübereinstimmung bei der Spiegelungsschaltung der Konstruktion nach dem Stand der Technik aufgrund von Änderungen des Verfahrens, der Temperatur, der Zufuhrspannung und des Referenzstroms variieren. Darüber hinaus können Änderungen der bei der Schaltung verwendeten Transistorgrößen zu bedeutenden Problemen einer nicht ausreichenden Übereinstimmung führen, da es keine einfache Möglichkeit gibt, Transistorgrößen bei der Konstruktion - nach dem Stand der Technik zu ändern und dennoch eine gewünschte Stromspiegelung durchzuführen. Somit ist, wie deutlich ist und noch deutlicher werden wird, die vorliegende Erfindung, die die nicht ausreichende Übereinstimmung unter vielen verschiedenen Umständen wesentlich reduziert, eine deutliche Verbesserung der Technik, insbesondere bei Anwendungen mit geringer Zufuhrspannung.
Im folgenden wird auf Fig. 3 Bezug genommen, die eine bevorzugte Ausführungsform eines einstufigen unsymmetrischen Verstärkers 4 der vorliegenden Erfindung zeigt. Dieser Verstärker 4 ist derart aufgebaut, daß er einen minimalen Spannungsabfall an den p-Kanal-Source-Transistoren 120, 124, 128 aufweist, so daß das Ausgangssignal 114 über einen größeren Bereich schwingen kann. Diese Konstruktion und ihre. Vorteile werden durch die folgenden Beschreibungen umfassender verstanden werden. Im allgemeinen ist der Verstärker 4 in vielerlei. Hinsicht ähnlich wie der Verstärker 2 nach dem Stand der Technik aufgebaut. Die vorliegende - Erfindung weist sowohl einen einstufigen Verstärkerteil als auch ein Netzwerk einer Gleichstromvorspannungsschaltung auf. Der einstufige Verstärkerteil weist. Eingänge eines invertierenden Eingangs 112 und eines nichtinvertierenden Eingangs 110 auf. Der Verstärker 4 weist auch einen unsymmetrischen Ausgang 114 auf. Der Verstärkerteil weist eine Anordnung aus p-Kanal-Transistoren 120, 122, 124, 126, 128, 130 und eine Anordnung aus n-Kanal-Transistoren 132, 134, 136, 138 auf.
Im folgenden wird weiterhin auf Fig. 3 Bezug genommen, wobei ersichtlich ist, daß die Gleichstromvorspannungsschaltung des Verstärkers 4 aus p-Kanal-Transistoren 170, 172, 174, 176 und n-Kanal-Transistoren 150, 152, 154, 156, 158, 160, 162, 164 besteht. Eingänge der Gleichstromvorspannungsschaltung weisen duale Vorspannungsschaltungseingänge 196, 198 mit identischem Strom auf. Die Funktion der Gleichstromvorspannungsschaltung bei dieser bevorzugten Ausführungsform und die Hauptdifferenz bei diesem. Verstärker im Vergleich zu dem Stand der Technik ist, daß die Gleichstromvorspannungsschaltung des vorliegenden Verstärkers dazu dient, eine Vorspannung an der Stromquelle, dem Transistor 124, und den Stromsenken, den Transistoren 132, 136, und an den Kaskodenvorrichtungen, den Transistoren 122, 126, 130, 134, 138, zu bilden. Auf diese Weise bewirkt die Stromspiegelung zwischen dem Transistor 128 und dem Transistor 120 und den Stromsenken, dem Transistor 132 und dem Transistor 136, daß diese Transistoren für alle Werte der Ausgangsschwingung in dem Sättigungsbereich verbleiben.
Im folgenden wird weiterhin auf Fig. 3 Bezug genommen, wobei der Verstärker wie folgt funktioniert: Wenn die Spannungen der Eingänge 112, 110 gleich und innerhalb des Betriebsbereichs des Verstärkers sind, ist der Strom in der Ausgangsstufe, d. h. den Transistoren 120, 122, 132, 134, ausgeglichen. Wenn die Eingänge 112, 110 zwischen sich eine Differentialspannung aufweisen, weist die Ausgangsstufe ein Stromungleichgewicht auf und setzt sie entweder auf einen High- oder einen Low-Pegel. Die externe Lastkapazität und Rückkopplung dient dazu, dem Verstärker 4 eine Kompensation und die Funktionalität einer geschlossenen Schleife zu geben. Wenn es keine Rückkopplung oder Kompensation gibt, verhält sich die Schaltung statt des sen als Komparator. Ein wesentlicher Aspekt des Verstärkers 4, der dem Verstärker 4 seine vorteilhaften Eigenschaften für Anwendungen mit geringer Zufuhrspannung gibt, ist die spezielle Umsetzung der aus den Transistoren 120, 122, 128, 130 gebildete Stromspiegelungslast. Die Kaskodentransistoren 122, 130 ermöglichen es mit dem Signal 202 und dem Verfahren zur Spiegelung der Gate-Spannung von den Transistoren 128, 120 dem Verstärker 4, selbst bei Anwendungen mit geringer Zufuhrspannung vorteilhafte Betriebseigenschaften zu zeigen. Durch diese speziellen Aspekte werden die Transistoren des Verstärkers gesättigt gehalten, und die Verwendung der Kaskodenlast verbessert die Unterdrückung der Stromversorgung. Diese Eigenschaften des Verstärkers 4 können besser verstanden werden, wenn die spezielle Schaltung und die Variablen betrachten werden, die bei einer typischen Anwendung des Verstärkers 4 vorkommen.
Im folgenden wird auf Fig. 4 Bezug genommen, die eine Darstellung der Gleichstromvorspannungsschaltung des Verstärkers 4 der vorliegenden Erfindung zeigt. Diese neue Vorspannungsschaltung erzeugt an den Transistoren 150, 158 gleiche Spannungen Vds, was zu einer genaueren Stromübereinstimmung und weniger Änderungen bei Variationen von Verfahren, Temperatur, Zufuhrspannung oder einem Strom Iref führt. Diese Gleichstromvorspannungsschaltung erfordert es, daß die Transistoren 152, 156, 160 (und auch der Transistor 164 in der in Fig. 3 dargestellten Verstärkerschaltung) dieselbe Größe oder vielfache Größen voneinander aufweisen, und daß die Transistoren 150, 158 dieselbe Größe oder vielfache Größen voneinander aufweisen. Die Größe des Transistors 154 ist derart eingestellt, daß die gewünschte Vds an den Transistoren 150, 158 (und dem Transistor 126 in Fig. 3) erhalten wird und diese so gesättigt bleiben (typischerweise bei 1,3 Vdsat). Als Ergebnis dieser Technik weisen alle der kritischen Transistoren zueinander dieselbe Größe oder vielfache Größen voneinander auf (außer dem Transistor 154, der die Vds für die Transistoren 150, 158 einstellt) (und 162 in Fig. 3), und die Größen der Kaskoden- und Sink-Vorrichtungen können variieren und dennoch eine enge Übereinstimmung aufweisen.
Im folgenden wird weiterhin auf Fig. 4 Bezug genommen, diesmal zusammen mit Fig. 2, wobei der der Gleichstromvorspannungsschaltung hinzugefügte Transistor 154 effektiv dazu dient, zum Erhalten einer echten Stromspiegelung das Potential an dem Transistor 150 gleich dem Potential an dem Transistor 158 einzustellen. Die mittlere Stufe der Vorspannungsschaltung, d. h., die Transistoren 154, 156, erzeugt die Spannungen an den Kaskodenvorrichtungen, so daß der Abfall von Gate zu Source des Transistors 152 den Transistor 150 auf eine angemessene Spannung Vds treibt. Es wird ferner darauf hingewiesen, daß das Gate des Transistors 150, statt wieder mit dem Drain verbunden zu sein, mit der anderen Seite der Kaskodenvorrichtung verbunden ist, so daß es das Potential, d. h. das zusätzliche Potential, empfängt, so daß die Ströme korrekt gespiegelt werden und das selbe Drain aufweisen.
Im folgenden wird weiterhin auf Fig. 4 zusammen mit Fig. 2 Bezug genommen, wobei bei dem einstufigen Verstärkerteil des Verstärkers 4 dieselbe Vorspannungstechnik zum Vorspannen 196 der n-Kanal-Kaskodenvorrichtung 134, 138 und zum Erzeugen der Vorspannung 198 für die n-Kanal-Sink-Vorrichtungen 132, 136 verwendet wird. Es wird auch darauf hingewiesen, daß Ströme in gleicher Weise gespiegelt werden, so daß die Vorspannung 204 die p-Kanal-Vorrichtung 124 vorspannt und die Vorspannung 202 die Vorspannung für die Kaskodentransistoren 122, 126, 130 liefert. Die Stromspiegelung wird durch den Transistor 128 und den Transistor 120 erreicht. Es wird auch darauf hingewiesen, daß das Gate des Transistors 128 nicht mit seinem Drain, sondern statt dessen mit dem Drain an der anderen Seite des Tran sistors 130 verbunden ist. Diese Verbindungstechnik ermöglicht die Bildung einer zusätzlichen Gate-Spannung, so daß, wenn der Strom gespiegelt wird, die Drain-Spannung an den Transistoren. 128 und 120 dieselbe ist.
Als nächstes wird auf Fig. 5 Bezug genommen, die eine komplementäre invertierte Version des Operationsverstärkers der vorliegenden Erfindung zeigt. Diese komplementäre invertierte Version funktioniert in gleicher Weise wie die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform, ist jedoch das exakte Komplement der Schaltung aus Fig. 3.
Im folgenden wird auf Fig. 6 Bezug genommen, die einen zweistufigen Klasse-A-Operationsverstärker 6 zeigt, der die Techniken der vorliegenden Erfindung beinhaltet. Dieser Verstärker 6 besteht aus einem einstufigen Verstärkerteil (wie dem der Vorrichtung in Fig. 3) und einem Netzwerk einer Gleichstromvorspannungsschaltung (wie der der Vorrichtung in Fig. 3 und 4). Die zweite Stufe des Verstärkers 6 ist eine Klasse-A- Ausgangsstufe. Das Vorsehen der Klasse-A-Ausgangsstufe zusammen mit dem einstufigen Verstärkerteil bildet somit allgemein einen zweistufigen Klasse-A-Operationsverstärker. Bei dieser Ausführungsform bilden die Transistoren 413, 414, 415 und der Kondensator 425 die Ausgangsstufe. Die Transistoren 414, 415 bilden eine konstante Stromquelle, während der Transistor 413 den Ausgangspegel auf der Grundlage seines von dem ersten Stufenausgang 314 zugeführten. Gate-Potential erhält. Die Schaltung bildet eine Stromquelle, die von denselben Vorspannungsquellen 302, 304 wie bei der Konstruktion des einstufigen Verstärkers 4 (Fig. 3) vorgespannt ist. Der Transistor 413 wirkt effektiv als "Drossel" zum Modulieren des Ausgangssignals 416. Wenn das Gate des Transistors 413 ansteigt, wird der Transistor stärker getrieben, derart, daß er das Ausgangssignal ab senkt, und wenn das Gate abfällt, schaltet er die Vorrichtung aus und ermöglicht dem Ausgang ein Ansteigen.
Im folgenden wird weiter auf Fig. 6 Bezug genommen, wobei Experten auf dem Gebiet erkennen werden, daß zahlreiche Variationen bei der Konfiguration und den Elementen möglich sein können, ohne von den Funktionen der Vorrichtung und der Art der Ausführung dieser Funktionen abzuweichen. Als Beispiel einer alternativen Konstruktion kann, obwohl es viele andere gibt und dieses Beispiel daher nicht einschränkend gedacht ist, eine Pol-Nullstellen-Kompensation anstelle der oben beschriebenen Pol-Teilungs-Kompensation verwendet werden. Dies kann in dem zweistufigen Verstärker 6 durch Ersetzen des Kondensators 425 durch einen Reihenwiderstand und -kondensator erreicht werden. Bei anderen Beispielen können weitere mehrstufige Komplementäranordnungen und andere Modifikationen, Hinzufügungen und Weglassungen in den Konstruktionen durchgeführt werden, ohne den beabsichtigten Schutzumfang der Beschreibung der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Wie deutlich erkennbar ist, überwindet die vorliegende Erfindung die durch die Vorrichtungen nach dem Stand der Technik gezeigten Probleme. Es wird angenommen, daß die vorliegende Erfindung besonders effektiv ist, wenn sie wie hier beschrieben aufgebaut ist und verwendet wird, Experten auf dem Gebiet werden jedoch deutlich erkennen, daß bei der Vorrichtung und ihrer Verwendung und ihrem Aufbau zahlreiche Variationen und Ersetzungen vorgenommen werden können, um im wesentlichen dieselben Ergebnisse zu erreichen, wie sie durch die Ausführungsformen und insbesondere die hier beschriebenen Ausführungsformen erreicht werden. Es ist beabsichtigt, daß jede dieser Variationen hier in der Beschreibung beinhaltet ist und einen Teil der vorliegenden Erfindung bildet. Damit ist klar ersichtlich, daß die vorhergehende detaillierte Beschreibung zur Darstellung und als Beispiel vorgesehen ist, wobei der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung ausschließlich durch die beiliegenden Ansprüche beschränkt ist.

Claims

1. Operationsverstärker (4, 6) mit einem invertierenden Eingang (112), einem nichtinvertierenden Eingang (110) und einem Ausgang (114), mit:

wenigstens einem mit dem Ausgang verbundenen Source- Transistor (120, 128) zum Setzen des Ausgangs auf einen High-Pegel;

wenigstens einem mit dem Ausgang verbundenen Sink- Transistor (132, 136) zum Setzen des Ausgangs auf einen Low-Pegel; und

einer Einrichtung zum Verbinden des invertierenden Eingangs und des nichtinvertierenden Eingangs und des Ausgangs, wobei die durch eine Gleichstromvorspannungsschaltung gekennzeichnete Einrichtung zum Verbinden folgendes aufweist:

mehrere erste Transistoren (152, 156, 160, 164) mit Größen, die Vielfache voneinander sind, wobei bestimmte davon (156, 160, 164) einen zweiten Vorspannungseingangsstrom (196) empfangen, und ein weiterer bestimmter (152) einen ersten Vorspannungseingangsstrom (198) empfängt;

mehrere Sink-Transistoren (150, 158, 162) mit Größen, die Vielfache voneinander sind, und die mit ausgewählten (152, 160, 164) der mehreren ersten Transistoren (152, 156, 160, 164) verbunden sind; und

einen Korrekturtransistor (154), der mit einem weiteren ausgewählten (156) der mehreren ersten Transistoren (152, 156, 160, 164) verbunden ist, der vorbestimmte Eigenschaften aufweist, um einen zwischen dem wenigstens einen Source-Transistor (120, 128) und zwischen dem wenigstens einen Sink-Transistor (132, 136) eine Stromspiegelung aufrechtzuerhalten, wodurch verursacht wird, daß der wenigstens eine Transistor (120, 128) und der wenigstens eine Sink- Transistor (132, 136) für den gesamten Bereich des Ausgangssignalhubs in dem Sättigungsbereich bleiben und verursacht wird, daß der Ausgangssignalhub über im wesentlichen den gesamten Bereich der Versorgungsspannung schwingt.

2. Verstärker nach Anspruch 1, wobei die vorbestimmten Eigenschaften eine Größe umfassen.

3. Verstärker nach Anspruch 1, wobei die mehreren ersten Transistoren (152, 156, 160, 164) identische Größen aufweisen.

4. Verstärker nach Anspruch 3, wobei die mehreren Sink- Transistoren (150, 158, 162) identische Größen aufweisen.

5. Verstärker nach Anspruch 1, wobei die mehreren Sink- Transistoren (150, 158, 162) identische Größen aufweisen.

6. Verstärker nach Anspruch 1, wobei die mehreren ersten Transistoren (152, 156, 160, 164) vier n-Kanal-Transistoren (152, 156, 160, 164) mit identischen Größen aufweisen, wobei drei der n-Kanal-Transistoren (156, 160, 164) den zweiten Vorspannungseingangsstrom (196) empfangen und einer der n-Kanal-Transistoren (152) den ersten Vorspannungseingangsstrom (198) empfängt; und

die mehreren Sink-Transistoren (150, 158, 162) drei n- Kanal-Sink-Transistoren (150, 158, 162) mit identischen Größen aufweisen, die mit dem n-Kanal-Transistor (152) verbunden sind, der den ersten Vorspannungseingangsstrom empfängt, und zwei der n-Kanal-Transistoren (160, 164) den zweiten Vorspannungseingangsstrom empfangen.

7. Verfahren zum Vorspannen eines Operationsverstärkers mit dualen Eingängen (110, 112) und einem Ausgang (114), wobei der Verstärker Sink-Transistoren (132, 136), Source- Transistoren (120, 124, 128) und entsprechende Vorspannungstransistoren (152, 156, 160) aufweist, wobei die Größen der Vorspannungstransistoren Vielfache voneinander sind, wobei das Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:

Bemessen eines Korrekturtransistors (154) zum Ausgleichen von Spannungsdifferenzen zwischen dualen Vorspannungsströmen an den Vorspannungstransistoren (152, 156, 160) mit den Größen, die Vielfache voneinander sind, um im wesentlichen identische Vorspannungsströme an allen Sink-Transistoren (132, 136) und im wesentlichen identische Vorspannungsströme an allen Source-Transistoren (120, 124, 128) und allen Sink-Transistoren (132, 136) zu erhalten; und

Verbinden des Korrekturtransistors mit wenigstens einem der Vorspannungstransistoren (152, 156, 160), wodurch eine Stromspiegelung zwischen den Source-Transistoren (120, 124, 128) und zwischen den Sink-Transistoren (132, 136) aufrechterhalten wird, und Verursachen, daß die Source- Transistoren (120, 124, 128) und die Sink-Transistoren (132, 136) für den gesamten Bereich des Ausgangssignalhubs in dem Sättigungsbereich bleiben.

8. Verfahren nach Anspruch 7, ferner mit folgendem Schritt:

Verbinden von Kaskadentransistoren (122, 126, 130, 134, 138) mit jedem der Source-Transistoren (120, 124, 128) und der Sink-Transistoren (132, 136).

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, ferner mit folgendem Schritt:

Zufuhr einer Versorgungsspannung von etwa 0 Volt bis etwa 2,7 Volt.

10. Verfahren nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, ferner mit folgendem Schritt:

Zufuhr einer Versorgungsspannung von etwa 0 Volt bis etwa 5 Volt.