DE69623919T2

DE69623919T2 - Verstärkerausgangsstufe mit verbesserter Treibfähigkeit

Info

Publication number: DE69623919T2
Application number: DE69623919T
Authority: DE
Inventors: Milton Luther Embree
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1995-12-26
Filing date: 1996-12-05
Publication date: 2003-05-28
Anticipated expiration: 2016-12-06
Also published as: EP0782252A3; EP0782252A2; CA2191378A1; EP0782252B1; US5684432A; CA2191378C; DE69623919D1; JPH09186534A; JP3284068B2

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Verstärkerschaltung. Genauer gesagt, betrifft die Erfindung das Design einer Verstärkerausgangsstufe mit Hochspannungs- Operationsverstärkern.

2. Beschreibung der einschlägigen Technik

EP-A-0 153 250 offenbart eine integrierte CMOS-Ausgangsstufe mit Spannungsdifferenzerfassung und Stromumleitung.
Es ist bekannt, n-Kanal-Doppeldiffusions-Metalloxidhalbleiter(DMOS)-Transistoren oder laterale Doppeldiffusions-Metalloxidhalbleiter(LDMOS)-Transistoren als Ausgangstreiber in den Ausgangsstufen monolithischer Hochspannungs-Operationsverstärker und anderer Hochspannungsverstärker zu verwenden. Ferner ist es bekannt, diese Transistoren aus Stabilitätsüberlegungen, wie sie durch bestimmte Verstärkeranwendungen vorgegeben sind, in einer Sourceschaltungs-Konfiguration anzuordnen. Eine Sourceschaltungs-Konfiguration wird dadurch erzeugt, dass ein p-Kanal-MOS-Ausgangstreibertransistor und ein n-Kanal-MOS-Ausgangstreibertransistor so kombiniert werden, dass der Sourceanschluss jedes der Bauteile mit dem Ausgangsanschluss des Verstärkers verbunden ist.
Eine Sourceschaltungs-Konfiguration ist bei Anwendungen von hohem Vorteil, bei denen komplexe Lastimpedanzen angesteuert werden müssen. Die Sourceschaltungs-Konfiguration verfügt über eine von Natur aus niedrige Ausgangsimpedanz, die überwiegend ohmsch ist. Dies erhöht die Frequenz, bei der als Ergebnis komplexer Lasten eine deutliche Phasenverschiebung auftritt, wie in Telefonleitungskreisen, bis über die Frequenz eines Operationsverstärkers bei der Verstärkung 1, wodurch die Stabilität erhalten bleibt. Außerdem gehören zu Eigenschaften der Ausgangsstufe bei derartigen Anwendungen eine hohe Frequenzantwort und die Fähigkeit Laststrom angemessen zu liefern.
Wenn die Sourceschaltungs-Konfiguration z. B. in einer Batteriespeiseschaltung für Telefonleitungen verwendet wird, ist es erforderlich, unter allen Betriebsbedingungen für angemessene Stabilitätstoleranzen zu sorgen. Jedoch ist auch die Fähigkeit, die Ausgangsstufe beim vollen Nennstrom nahe bei der negativen Sourcespannung des Operationsverstärkers zu betreiben, sehr wichtig. Ein typisches Erfordernis bei einem Telefonleitungskreis ist die Fähigkeit, bis herab zu ungefähr 1,5 V der negativen Spannungsquelle bis zu ungefähr 40 mA in die Telefonleitung zu liefern.
Die Fig. 1 zeigt ein schematisches Diagramm einer herkömmlichen Ausgangsstufe eines Operationsverstärkers. In allen hier beschriebenen Figuren werden DMOS-Transistoren und Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (IGFETs) durch den Buchstaben M gekennzeichnet, und Widerstände werden durch den Buchstaben R gekennzeichnet.
Auch wird für alle hier dargestellten und beschriebenen IGFETs, die über dieselbe Kanallänge verfügen, ein Multiplikationsfaktor für ihre jeweilige Kanalbreite (in Mikrometer) zu Vergleichszwecken angegeben, und um eine geeignete Auswahl ähnlicher Bauteile zu unterstützen. Z. B. verfügt der p- Kanal-IGFET M2 (x 100) über einen Kanalbreitefaktor von 100, was seine Funktionseigenschaften denjenigen von 100 parallel geschalteten p-Kanal- IGFET-Transistoren M4 (x1) äquivalent macht, wenn angenommen wird, dass beide über dieselbe Kanallänge verfügen. Diese Anordnung existiert auch für alle hier dargestellten und beschriebenen DMOS-Transistoren. Im Allgemeinen sind Bauteile mit größerer Kanalbreite körperlich größer, jedoch ist diese Beziehung nicht notwendigerweise proportional.
Bei herkömmlichen Hochspannungs-Operationsverstärkern ist die Ausgangsstufe typischerweise eine quasi komplementäre Konfiguration mit einem positiven Treibertransistor unter Verwendung entweder eines bipolaren npn-Transistors oder eines n-Kanal-MOS-Transistors sowie einer negativen Treiberkonfiguration unter Verwendung einer komplexen anordnung mit entweder einem bipolaren pnp-Transistor oder einem p-Kanal-MoS-Transistor. Eine komplementäre Ausgangskonfiguration wird dann zu einer quasi komplementären Konfiguration, wenn mindestens einer der Ausgangstreibertransistoren durch eine komplexe Schaltung ersetzt wird, die sich kollektiv wie ein einzelner interessierender Ausgangstreibertransistor verhält. Typischerweise wird wegen des Funktionsvermögens und aus Überlegungen betreffend einfache Einstellung ein pnp-oder ein p-Kanal-MOS-Treibertransistor durch eine komplexe Schaltung ersetzt.
Es wird auf die Fig. 1 Bezug genommen, in der ein herkömmlicher Operationsverstärker 10 mit einer quasi komplementären Ausgangsstufe 12 dargestellt ist. Der Operationsverstärker 10 verfügt über eine erste Stufe (allgemein als 14 dargestellt) mit einem invertierenden Eingangsanschluss 16, einem nicht invertierenden Eingangsanschluss 18 und einem Ausgangsanschluss 22. Auch ist die erste Stufe 14 mit einer positiven Versorgungsspannung oder einem Spannungsbus 24 und einem negativen Versorgungsspannungsbus 26 verbunden. Zu Zwecken einer Erörterung in dieser Beschreibung repräsentiert die erste Stufe 14 allgemein alle Stufen eines herkömmlichen Operationsverstärkers, die in der Fig. 1 nicht dargestellt sind. D. h., dass die erste Stufe 14 die Eingangsstufe, die Vorbelastungsstufe und dergleichen eines herkömmlichen Operationsverstärkers repräsentiert.
Zwischen die positive Versorgungsspannung 24 und einen Knoten 91 ist eine Konstantstromquelle 32 geschaltet. Ein n-Kanal-DMOS-Transistor M3 ist auf die dargestellte Weise zwischen die negative Versorgungsspannung 26, den Ausgangsanschluss 22 der ersten Stufe 14 und einen Knoten 92 geschaltet. Sowohl die Stromquelle 32 als auch der DMOS-Transistor M3 werden herkömmlicherweise als Teil einer zweiten Stufe angesehen, die zwischen der Eingangs- und der Ausgangsstufe von Operationsverstärkern existiert, und sie werden zu den Zwecken der hier erfolgenden Erörterung nicht als Teil entweder der ersten Stufe 14 oder der Ausgangsstufe 12 angesehen.
In der Ausgangsstufe 12 des Operationsverstärkers 10 sind passive Stromsteuertransistoren, wie ein als Diode geschalteter p-Kanal-IGFET M2 (x100) und ein als Diode geschalteter n-Kanal-DMOS-Transistor M1 (x100) Dioden, die in Reihe zwischen die Knoten 91 und 92 geschaltet sind, wie dargestellt. Z. B. sind das Gate und der Drain des DMOS-Transistors M1 mit dem Knoten 91 verbunden, und die Source ist mit der Source des p-Kanal-IGFET M2 verbunden. Das Gate und der Drain des p-Kanal-IGFET M2 ist mit dem Knoten 92 und damit mit dem Drain des DMOS-Transistors M3 verbunden, der herkömmlicherweise als Transistor der zweiten Verstärkerstufe bezeichnet wird.
Mit dem Knoten 92 ist auch das Gate eines Hochspannungs-p-Kanal-IGFET M4 (x1) verbunden, dessen Source über einen Knoten 93 direkt mit dem Ausgangsanschluss 36 des Operationsverstärkers 10 verbunden ist. Der Drain von M4 ist mit einem Ende eines Widerstands R1 (typischerweise 10 kQ) und dem Gate eines n-Kanal-DMOS-Transistors M7 verbunden, was unten erörtert wird. Das andere Ende des Widerstands R1 ist mit dem Drain und dem Gate eines als Diode geschalteten n-Kanal-DMOS-Transistors M5 (x5) verbunden. Die Source des DMOS-Transistors M5 ist mit der negativen Versorgungsspannung 26 verbunden.
Mit der positiven Versorgungsspannung 24 ist der Drain eines n-Kanal-DMOS- Transistors M6 (x100) verbunden. Das Gate des DMOS-Transistors M6 ist mit dem Knoten 91 verbunden, der, wie oben angegeben, mit einer Konstantstromquelle 32 und dem Gate und dem Drain des als Diode geschalteten DMOS-Transistors M1 verbunden ist. Die Source des DMOS-Transistors M6 ist über den Knoten 93 direkt mit dem Ausgangsanschluss 36 verbunden.
Die letzte Komponente, wie sie sich typischerweise in einem Operationsverstärker 10 befindet, ist ein n-Kanal-DMOS-Transistor M7 (x100), dessen Drain über den Knoten 93 mit dem Ausgangsanschluss 36 verbunden ist. Das Gate von M7 ist, wie bereits angegeben, gemeinsam mit einem Ende des Widerstands R1 mit dem Drain von R4 verbunden, wie dargestellt. Die Source von M7 ist direkt mit der negativen Versorgungsspannung 26 verbunden.
Bei dieser Konfiguration bilden M4, M5, F1 und M7 gemeinsam eine komplexe Treiberschaltung (mit 38 dargestellt), die als p-Kanal-DMOS wirkt, dessen Source direkt mit dem Ausgangsanschluss 36 verbunden ist, dessen Drain direkt mit der negativen Versorgungsspannung 26 verbunden ist und dessen Gate mit dem Knoten 92 verbunden ist. Auf diese Weise ist die komplexe Schaltung 38 mit dem DMOS-Transistor M6 kombiniert, um das Erfordernis einer Sourceschaltungs-Konfiguration hinsichtlich der Stabilität zu erfüllen, wie bereits erörtert.
Im Allgemeinen bilden der DMOS-Transistor M1, der IGFET M2 und die Gates des IGFET M4 und des DMOS-Transistors M6 gemeinsam die Eingangs- oder Steuerseite der Ausgangsstufe 12 des Operationsverstärkers 10. In ähnlicher Weise bilden der Drain und die Source des DMOS-Transistors M6, der Drain und die Source des IGFET M4 und der Rest der komplexen Treiberschaltung 38 gemeinsam die Ausgangsseite der Ausgangsstufe 12.
Im Betrieb, wenn die Spannung am Knoten 92 zur negativen Versorgungsspannung 26 hin verschoben wird (z. B. auf einen Spannungsanstieg am invertierenden Eingangsanschluss 16 hin und bei Spannungsabfällen beim nicht invertierenden Eingangsanschluss 18), steigt der Source-Drain-Strom von M4 an und bewirkt einen Anstieg der Gate-Source-Spannung von M7. Dies erhöht den Drain-Source-Strom von M7, wodurch sich der Wert der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 10 negativ zur negativen Versorgungsspannung 26 bewegt. Wenn sich die Ausgangsspannung (d. h. die Spannung am Knoten 23) negativ bewegt und sich die Gatespannung von M7 positiv bewegt, nimmt die Source-Drain-Spannung von M4 auf Mull hin ab.
Wenn diese Spannung den "Trioden"-Betriebsbereich des IGFET M4, d. h. denjenigen Betriebsbereich erreicht, bei dem eine weitere Abnahme der Spannung am Knoten 92 nicht mehr zu einem Anstieg des Drainstroms von M4 führt, ist der begrenzende negative Ansteuerungszustand des Operationsverstärkers erreicht. Typischerweise liegt die Spannung im "Trioden"-Bereich bei ungefähr 0,5 V zwischen dem Drain und der Source von M4, was für diese Schaltungsanordnung zu einer minimalen Ausgangsspannung (am Ausgangsanschluss 36) von ungefähr 3,5 V gegenüber der negativen Versorgungsspannung 26 führt. Daher ist diese Schaltungsanordnung nicht dazu in der Lage, Ausgangssignale in z. B. Telefonleitungskreisen zu betreiben, die innerhalb von ungefähr 1,5 V zur negativen Versorgungsspannung 26 betrieben werden müssen.
Derzeitige Telefonleitungsbatterie-Speiseschaltungen verwenden die Technologie komplementärer, bipolarer integrierter Schaltkreise (CBIC), bei der die dort vorhandenen Operationsverstärker pnp-Leistungstransistoren für den negativen Treiberabschnitt des Ausgangstreibers verwenden. Jedoch ist eine derartige Konfiguration mit derzeitigen Hochspannungs-MOS-Schaltern und logischen Schaltungsanordnungen monolithisch nicht verträglich. Ferner unterstützen die derzeitigen MOS-Technologien, insbesondere die Hochspannungs-MOS-Technologie, keine pnp-Transistoren mit hohem Funktionsvermögen.
Es wäre wünschenswert, über eine Konfiguration einer Hochspannungsverstärker-Ausgangsstufenschaltung zu verfügen, die den oben genannten Treibererfordernissen genügt, aber immer noch die Sourceschaltungs-Konfiguration oder eine andere geeignete Konfiguration beibehält, die zur Stabilität erforderlich ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung ist durch die Ansprüche definiert. Zu Ausführungsformen der Erfindung gehört ein Verstärker mit verbesserter Ausgangsstufe. Insbesondere gehört zu Ausführungsformen der Erfindung ein Verstärker mit einer Ausgangsstufe mit verbessertem Ausgangstreibervermögen nahe der negativen Versorgungsspannung. Die Ausgangsstufe des erfindungsgemäßen Verstärkers einer integrierten Schaltung verfügt über einen Spannungsdetektor in Kombination mit einer Stromumleitungseinrichtung oder -anordnung. Der Spannungsdetektor setzt die Spannungsdifferenz zwischen dem Verstärkerausgang und dem Eingang der Ausgangsstufe des Verstärkers in einen Steuerstrom um, der an die positive Versorgungsspannung umgeleitet und an den negativen Ausgangstreiber angelegt wird. Die Stromumleitungseinrichtung, die funktionsmäßig mit dem Spannungsdetektor verbunden ist, erlaubt es, den Verstärkerausgang mit dem vollen Nennstrom (z. B. ungefähr 40 mA) sehr nahe an der negativen Versorgungsspannung (z. B. innerhalb ungefähr 1,5 V) zu betreiben, während eine für die Stabilität geeignete Ausgangskonfiguration erhalten bleibt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm einer Operationsverstärker-Ausgangsstufe, die den gewünschten Spannungstreiberkriterien nicht genügt;
Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm einer Verstärkerausgangsstufe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3 ist ein schematisches Diagramm einer Operationsverstärker-Ausgangsstufe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 4 ist ein schematisches Diagramm einer Operationsverstärker-Ausgangsstufe gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 5a ist ein schematisches Teildiagramm eines in der Verstärkerausgangsstufe der Fig. 2 verwendeten Spannungsdetektors;
Fig. 5b ist ein schematisches Teildiagramm eines anderen in der Verstärkerausgangsstufe der Fig. 2 verwendeten Spannungsdetektors; und
Fig. 6 ist ein schematisches Diagramm einer Operationsverstärker-Ausgangsstufe gemäß einer alternativen Ausführungsform mit einer Mitkopplungsanordnung.

Detaillierte Beschreibung

Der erfindungsgemäße Teil der Schaltung, der unten detaillierter erörtert wird, überwindet verschiedene Probleme herkömmlicher Operationsverstärker im Wesentlichen dadurch, dass Strom von der Steuerseite der Ausgangsstufe um die positive Versorgungsspannung umgelenkt oder umgeleitet wird und er der negativen komplexen Treiberschaltung zugeführt wird. Genauer gesagt, ist allgemein zwischen die Steuerseite und die Ausgangsseite der Ausgangsstufe eine Stromumleitungseinrichtung oder eine Stromumleitungsanordnung geschaltet, so dass umgeleiteter Strom an den negativen Ausgangstreiber geliefert wird.
Zu Zwecken einer Erörterung in dieser Beschreibung soll unter dem Begriff "Stromumleitungseinrichtung" jedes geeignete Bauteil oder jede Anordnung von Bauteilen verstanden werden, die das Treibervermögen des negativen Ausgangstreibers dadurch verbessert, dass Strom dorthin im Wesentlichen so umgeleitet wird, dass er innerhalb von ungefähr 1,5 V der negativen Versorgungsspannung einen Treibervorgang von bis zu ungefähr 40 mA ausführen kann. In ähnlicher Weise soll zu Zwecken der Erörterung in dieser Beschreibung unter dem Begriff "Spannungsdetektor" oder "Spannungsdifferenzdetektor" jedes geeignete Bauteil oder jede geeignete Anordnung von Bauteilen verstanden werden, die die Differenz zwischen zwei Spannungen in einen Steuerstrom umsetzt. Wie es unten erörtert wird, ist es dieser Steuerstrom vom Spannungsdetektor, der dafür sorgt, dass Strom von der Stromumleitungseinrichtung umgeleitet wird.
Als Beispiel ist in der Fig. 2 eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die funktionsmäßig mit dem Ausgang einer existierenden Signalquelle, einschließlich eines Operationsverstärkers verbunden werden kann. Bei dieser Ausführungsform ist ein Spannungsdetektor 102 funktionsmäßig zwischen einen Eingangsanschluss 104, der funktionsmäßig mit dem Ausgang eines vorhandenen Verstärkers oder einer anderen Signalquelle (nicht dargestellt) verbunden ist, und den Ausgangsanschluss 106 der Anordnung geschaltet. Eine Stromumleitungseinrichtung 110 ist funktionsmäßig mit einer positiven Versorgungsspannung 112 und dem Spannungsdetektor 102 verbunden. Auch ist die Stromumleitungseinrichtung 110 funktionsmäßig mit einem negativen Ausgangstreiber 114 verbunden, der zwischen den Ausgangsanschluss 106 und die negative Versorgungsspannung 116 geschaltet ist.
Die Stromumleitungseinrichtung 110 verfügt über irgendeine geeignete Stromumleitungsanordnung, wie eine Stromspiegelanordnung. In ähnlicher Weise bildet der negative Ausgangstreiber 114 irgendeine Anordnung, die als negativer Ausgangstreiber wirkt, z. B. wie der in der Fig. 1 dargestellte negative Treiber, der hier bereits beschrieben wurde. In ähnlicher Weise besteht der Spannungsdetektor 102 aus irgendeinem bekannten Bauteil oder aus einer Anordnung von Bauteilen, die die Differenz zwischen zwei Spannungen in einen Steuerstrom umsetzt.
Die erfindungsgemäße Anordnung mit einem Spannungsdetektor und einer Stromumleitungseinrichtung ist zur Verwendung mit irgendeiner Signalquelle, wie Verstärkerschaltungen, einschließlich Operationsverstärkerschaltungen, geeignet. Auch ist die erfindungsgemäße Anordnung für funktionsmäßige Verbindung mit existierenden Verstärkern geeignet (d. h., dass die Anordnung nicht in einem Schaltungsbaustein enthalten sein muss).
Es wird auf die Fig. 3 Bezug genommen, in der ein Operationsverstärker 50 mit quasi komplementärer Ausgangsstufe (allgemein als 52 dargestellt) gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist. Der Operationsverstärker 50 verfügt über eine erste Stufe (allgemein als 54 dargestellt) mit einem invertierenden Eingangsanschluss 56, einem nicht invertierenden Anschluss 58 und einem Ausgangsanschluss 62. Auch ist die erste Stufe 54 mit einer positiven Versorgungsspannung oder einem Spannungsbus 64 und einer negativen Versorgungsspannung oder Spannungsbus 66 verbunden. Zu Zwecken der Erörterung in dieser Beschreibung repräsentiert die erste Stufe 54 allgemein alle Stufen eines herkömmlichen Operationsverstärkers, die in der Fig. 3 nicht dargestellt sind, z. B. die Eingangsstufe und die Vorbelastungsstufe. Ferner ist es zu beachten, dass erfindungsgemäße Operationsverstärker mit Ausnahme der neuartigen Ausgangsstufe 52 des Operationsverstärkers 50 eine herkömmliche Struktur aufweisen können.
Zwischen die positive Versorgungsspannung 64 und einen Knoten 94 ist eine Konstantstromquelle 72 geschaltet. Zwischen die negative Versorgungsspannung 66, den Ausgangsanschluss 62 der ersten Stufe 54 und einen Knoten 95 ist ein n-Kanal-DMOS-Transistor M13 geschaltet. Sowohl die Stromquelle 72 als auch der DMOS-Transistor M13 werden typischerweise als Teil einer zweiten Stufe betrachtet, die zwischen der Eingangs- und der Ausgangsstufe von Operationsverstärkern vorhanden ist, und sie werden demgemäß hier, zu Zwecken der Erörterung nicht als Teil der Ausgangsstufe 52 oder der ersten Stufe 54 angesehen.
In der Ausgangsstufe 52 des Operationsverstärkers 50 sind passive Stromsteuertransistoren, wie ein als Diode geschalteter n-Kanal-DMOS-Transistor M11 (x100) und ein als Diode geschalteter n-Kanal-IGFET M12 (x100) in Reihe zwischen die Knoten 94 und 95 geschaltet. Das Gate und der Drain des DMOS- Transistors M11 sind mit dem Knoten 94 (und damit mit der Stromquelle 72) verbunden, und die Source des DMOS-Transistors M11 ist mit dem Gate und dem Drain des IGFET M12 verbunden. Die Source des IGFET M12 steht mit dem Knoten 95 in Verbindung, und sie ist mit der Source eines Niederspannuncrs-n- Kanal-IGFET M14 (x1) und den Drain eines Transistors M13 der zweiten Verstärkerstufe M13 verbunden.
Im Allgemeinen bilden der DMOS-Transistor M11, der IGFET M12, das Gate des DMOS-Transistors M16 und die Source des IGFET M14 gemeinsam die Eingangs- oder Steuerseite der Ausgangsstufe 52. Die Ausgangsseite der Ausgangsstufe 52 besteht aus einem positiven Ausgangstreiber (n-Kanal-DMOS-Transistor M16) und einem negativen Ausgangstreiber (allgemein als 84 dargestellt). Der Dram des positiven Treibertransistors, des DMOS-Transistors M16 (x100), ist direkt mit der positiven Versorgungsspannung 64 verbunden, und die Source ist über einen Knoten 96 direkt mit dem Ausgangsanschluss 76 des Operationsverstärkers verbunden.
Der negative Ausgangstreiber 84 ist eine verstärkende, komplexe Stromspiegelschaltung aus einem n-Kanal-DMOS-Transistor M15 (x2), einem Widerstand R11 (typischerweise von 10 kΩ) und einem n-Kanal-DMOS-Transistor M17 (x100). Der Drain eines p-Kanal-IGFET M19 (x1), der später erörtert wird, ist über ein Ende eines Widerstands R11 mit der komplexen Schaltung 84 und mit dem Gate des DMOS-Transistors M17 verbunden. Das andere Ende des Widerstands R11 ist mit dem Drain und dem Gate des als Diode geschalteten n- Kanal-DMOS-Transistors M15 verbunden. Die Source des DMOS-Transistors M15 ist mit der negativen Versorgungsspannung 66 verbunden. Der Drain des DMOS- Transistors M17 ist über den Knoten 96 direkt mit der Source des positiven Treibertransistors, des DMOS-Transistors M16, und dem Ausgangsanschluss 76 verbunden. Die Source des DMOS-Transistors M17 ist direkt mit der negativen Versorgungsspannung 66 verbunden.
Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist allgemein mit 50 dargestellt. Eine Stromumleitungskonfiguration, z. B., die allgemein mit 82 dargestellte Anordnung, ist zwischen die Steuerseite und die Ausgangsseite der Ausgangsstufe 52 geschaltet. Eine npn-Spannungspufferschaltung Q11 in Basisschaltung verbindet die Stromumleitungseinrichtung 82 mit dem IGFET M14, der als Spannungsdifferenzdetektor wirkt. Die Source des IGFET M14 ist mit dem Knoten 95 verbunden, und das Gate ist über den Knoten 96 direkt mit dem Ausgangsanschluss 76 verbunden. Wegen seiner Position in der Schaltung und wegen seiner Beziehung zu den DMOS-Transistoren M15 und M17 trägt der Spannungsdifferenzdetektor direkt dazu bei, die Sourceschaltungs-Konfiguration aufrecht zu erhalten, was, wie bereits erörtert, für Stabilität während des Betriebs der Schaltung erforderlich ist.
Der Drain des IGFET M14 ist mit dem Emitter des Puffertransistors Q11 verbunden. Die Basis des npn-Transistors Q11 in Basisschaltung ist mit dem Gate und dem Drain des als Diode geschalteten n-Kanal-DMOS-Transistors M11 und dem Gate eines n-Kanal-DMOS-Transistors M16 verbunden.
Die Stromumleitungseinrichtung 82 kann jede geeignete Anordnung sein, wie die hier dargestellte Hochspannungs-p-Kanal-Stromspiegelkonfiguration. p- Kanal-IGFETs M18 (x1) und M19 (x1) sind über ihre Sourceanschlüsse mit der positiven Versorgungsspannung 66 verbunden. Das Gate des IGFET M19 ist mit dem Gate und dem Drain des als Diode geschalteten IGFET MI8 und mit dem Kollektor des npn-Transistors Q11 verbunden.
Der Niederspannungs-n-Kanal-IGFET M14 (x1), der nicht als Teil des negativen Ausgangstreibers 84 angesehen wird, wirkt als Spannungsdifferenzdetektor zwischen der Ausgangsspannung (Knoten 96) und der Eingangsspannung der Ausgangsstufe 52 (Knoten 95). Für alle Gate-Source-Spannungen des n-Kanal- IGFET M14 unter der Schwellenspannung (typischerweise ungefähr 1,0 V) beträgt der Drain-Source-Strom 0 mA. Wenn die Gate-Source-Spannung des IGFET M14 positiv zunimmt, steigt sein Drain-Source-Strom entsprechend seiner Designeigenschaften schnell an.
Der Hochspannungs-npn-Transistor Q11 in Basisschaltung wirkt als Spannungspuffer für den Niederspannungs-n-Kanal-IGFET M14. Sein Kollektorstrom entspricht im Wesentlichen seinem Emitterstrom. Auch ist die Drain-Source- Spannung von M14 auf weniger als die Spannung begrenzt, die an den als Diode geschalteten Transistoren M11 und M12 abfällt, und die Hochspannungsfähigkeiten von Q11 gewährleisten korrekten Schaltungsbetrieb bei hoher Spannung.
Es sei darauf hingewiesen, dass bei dieser Anordnung die Transistoren M12 und M14 vom selben Transistortyp und von einer Struktur für zweckdienliche Ruhestromsteuerung des Operationsverstärkers 50 sein sollten. Der Steuerung des Ruhestroms gilt eine indirekte, jedoch wesentliche Überlegung bei allen Operationsverstärkerschaltungen, und es handelt sich um eine dem Fachmann gut bekannte Überlegung. Im Allgemeinen ist der Ruhestrom als der Gesamtstrom des Operationsverstärkers bei Ruhebedingungen, d. h. bei Bedingungen ohne Last, bekannt. Hierbei ist M12 ein x100-IGFET, und M14 ist ein x1- IGFET. Auch sollten M11 und M16 in den Charakteristiken übereinstimmen, d. h. vom selben Transistortyp sein, mit derselben Struktur und Größe (Kanalbreite). Bei dieser Ausführungsform besteht sowohl der M11 als auch der M16 aus einem x100-n-Kanal-DMOS-Transistor.
Bei dieser Anordnung hängt die Steuerung des Ruhestroms vom Größenverhältnis von M12 und M14 ab, das näherungsweise dem Verhältnis ihrer Ströme bei Ruhebedingungen entspricht. Auch muss dieses Verhältnis näherungsweise dem Eingangsstrom/Ausgangsstrom-Verhältnis der komplexen Schaltung 84 bei Ruhebedingungen entsprechen.
Im Betrieb leitet eine Umleitungsanordnung, wie diejenige, die allgemein als 82 dargestellt ist, den Steuerstrom vom Spannungsdifferenzdetektor, z. B. M14, um oder dreht die positive Versorgungsspannung 64 um und führt ihn dem Negativtreiber (komplexe Schaltung 84) zu. Computersimulationen haben gezeigt, dass dann, wenn die Spannung am Knoten 95 fällt, die Ausgangsspannung am Knoten 96 auf ungefähr 1,2 V abnimmt, bevor der negative Grenzzustand erreicht ist. Auch tritt M17, wenn die Spannung am Knoten 95 auf einen niedrigeren Wert gesteuert wird, in den "Trioden"-Betriebsbereich ein, in dem die Drain-Source-Spannung linear auf den Drainstrom reagiert und unabhängig von Änderungen der Gatespannung ist (d. h., dass die Drain- Source-Charakteristik diejenige eines Widerstands ist).
Die hier beschriebene Stromumleitungsanordnung sorgt für wenig, falls überhaupt, Einschränkung der positiven Treiberspannung am Gate von 417. So ist das Negativtreibervermögen der Ausgangsstufe 52 nur durch die von Natur aus vorhandenen R-Ein-Eigenschaften des DMOS-Transistors M17 begrenzt. R-Ein- Betriebseigenschaften sind in der Technik bekannt, und sie treten dann auf, wenn der Transistor in seinen "Trioden"-Betriebsbereich eintritt, wie bereits erörtert. Wenn M17 auf Grundlage seiner von Natur aus vorhandenen R- Ein-Charakteristik ausgewählt wird (z. B. ein R-Ein-Wert von ungefähr 17,5 Ω), kann der Fachmann in vernünftiger Weise eine geeignete Größe für M17 bestimmen, um den erforderlichen Negativtreiberstrom (z. B. 40 mA) bei weniger als der erforderlichen Spannung (z. B. 1,5 V) von der negativen Versorgungsspannung zu liefern.
Auch bleibt die entscheidende, zur Stabilität erforderliche Sourceschaltungs-Konfiguration erhalten, da der Negativtreibervorgang am Ausgang durch das gesteuert wird, was als Gate-Source-Spannung eines MOS-Transistors (z. B. M14) wirkt.
Bei einer alternativen Ausführungsform, wie sie in der Fig. 4 dargestellt ist, wirkt ein Hochspannungs-npn-Transistor Q11 (x1) als Spannungsdifferenzdetektor, und ein als Diode geschalteter Hochspannungs-npn-Transistor Q12 (x100) gewährleistet eine korrekte Ruhestromsteuerung. Der Betrieb ist in jeder Hinsicht demjenigen bei der in der Fig. 3 dargestellten Ausführungsform ähnlich, mit der Ausnahme, dass kein Hochspannungs-Puffertransistor erforderlich ist.
Wie bereits erörtert, verfügt der Spannungsdetektor 102 (in der Fig. 2 dargestellt) über irgendein bekanntes Bauteil oder eine bekannte Anordnung von Bauteilen, die die Differenz zwischen zwei Spannungen in einen Steuerstrom umsetzt. Z. B. enthalten, zusätzlich zu einem einzelnen n-Kanal-MOS- Transistor (M14 in der Fig. 3) und einem einzelnen npn-Bipolartransistor (Q11 in der Fig. 4), geeignete Spannungsdetektoren eine Kombination aus einem Operationsverstärker und einem Widerstand, die so geschaltet sind, wie es in der Fig. 5a dargestellt ist, und eine Kombination aus einem Operationsverstärker und einem npn-Bipolartransistor, die so geschaltet sind, wie es in der Fig. 5b dargestellt ist.
In der Fig. 6 ist eine alternative Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der eine Mitkopplungsanordnung (allgemein als 97 dargestellt) vorhanden ist, um die Gesamtfrequenzantwort der Schaltung dadurch zu verbessern, dass ein Pfad mit großer Bandbreite bereitgestellt ist, um einen Teil der Signalmitkopplung um die relativ niederfrequente Schaltung herum einzuspeisen, vorhanden ist, d. h. ein Spannungsdetektor M14 und eine Stromumleitungseinrichtung 82. Mitkopplungsanordnungen sind bei Prozessregelungsanordnungen bekannt, bei denen Änderungen nahe dem Prozesseingang erfasst werden und ein Vorwegnehmen des Korrektursignals zugeführt wird, bevor das Prozessausgangssignal beeinflusst ist. Es ist zu beachten, dass zur Verwendung bei dieser Ausführungsform viele Mitkopplungsanordnungen geeignet sind und dass derartige Anordnungen dem Fachmann bekannt sind.
Der Fachmann erkennt, dass an der hier beschriebenen Operationsverstärker- Ausgangsschaltung bestimmte Änderungen und Ersetzungen vorgenommen werden können, ohne im Wesentlichen vom Schutzumfang der durch die beigefügten Ansprüche definierten Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Integrierte Schaltung mit einem Verstärker (50), der Folgendes aufweist:

- eine erste Stufe (54) mit einem nicht invertierenden Eingangsanschluss (58), einem invertierenden Eingangsanschluss (56) und einem Ausgangsanschluss (62), wobei die erste Stufe mit einer positiven Versorgungsspannung (V+) und einer negativen Versorgungsspannung (V-) in elektrischer Verbindung steht; und

- eine Ausgangsstufe (52) mit einer Steuerseite, die funktionsmäßig mit dem Ausgangsanschluss der ersten Stufe verbunden ist, und einer Ausgangsseite mit einem Ausgangsanschluss (76), wobei die Ausgangsseite über einen Negativausgangstreiber (84) verfügt, der funktionsmäßig zwischen den Ausgangsanschluss der Ausgangsstufe und die negative Versorgungsspannung geschaltet ist;

- eine Umleiteinrichtung (110, 82), die funktionsmäßig zwischen die Steuerseite und die Ausgangsseite geschaltet ist; und

- einen Spannungsdetektor (102, M14), der funktionsmäßig mit der Umleitungseinrichtung verbunden und zwischen die Steuerseite und die Ausgangsseite geschaltet ist und einen Steuerstrom erzeugt, der dafür sorgt, dass die Umleitungseinrichtung den Stromfluss zum Negativausgangstreiber ändert.

2. Schaltung nach Anspruch 1, bei der die Umleitungseinrichtung eine Stromspiegelanordnung aufweist, die funktionsmäßig zwischen die positive Versorgungsspannung und den negativen Ausgangstreiber geschaltet ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1, bei der der Spannungsdetektor ferner einen MOS-Transistor-Spannungsdetektor aufweist, der funktionsmäßig mit der Umleitungseinrichtung verbunden und zwischen den Ausgangsanschluss der ersten Stufe und den Ausgangsanschluss der Ausgangsstufe geschaltet ist, wobei die Source des Spannungsdetektors funktionsmäßig mit dem Ausgangsanschluss der ersten Stufe verbunden ist, der Drain des Spannungsdetektors funktionsmäßig mit der Umleitungseinrichtung verbunden ist und das Gate des Spannungsdetektors funktionsmäßig mit dem Ausgangsanschluss der Ausgangsstufe verbunden ist.

4. Schaltung nach Anspruch 1, bei der der Spannungsdetektor ferner einen Operationsverstärker aufweist, der funktionsmäßig mit der Umleitungseinrichtung verbunden und zwischen den Ausgangsanschluss der ersten Stufe und den Ausgangsanschluss der Ausgangsstufe geschaltet ist und einen nicht invertierenden Eingangsanschluss, der funktionsmäßig mit dem Ausgangsanschluss der ersten Stufe verbunden ist, einen invertierenden Eingangsanschluss, der funktionsmäßig mit dem Ausgangsanschluss der Ausgangsstufe verbunden ist, und einen Ausgangsanschluss aufweist, der funktionsmäßig mit der Umleitungseinrichtung verbunden ist.

5. Schaltung nach Anspruch 1, bei der der Verstärker ferner eine Mitkopplungsanordnung aufweist, die funktionsmäßig zwischen den Ausgangsanschluss der ersten Stufe und den Negativausgangstreiber geschaltet ist.

6. Schaltung nach Anspruch 1, bei der der Verstärker ferner einen Spannungspuffer aufweist, der funktionsmäßig zwischen die Umleitungseinrichtung und den Spannungsdetektor geschaltet ist.

7. Schaltung nach Anspruch 1, bei der die Steuerseite der Ausgangsstufe ferner ein Paar von als Diode geschalteten n-Kanal-MOS-Steuertransistoren aufweist, die zwischen eine mit der positiven Versorgungsspannung verbundene Stromquelle und einen mit der negativen Versorgungsspannung verbundenen Transistor der zweiten Verstärkerstufe geschaltet sind.