DE69703560T2

DE69703560T2 - Operationsverstärker

Info

Publication number: DE69703560T2
Application number: DE69703560T
Authority: DE
Inventors: Shiro Dosho
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 1996-02-15
Filing date: 1997-02-13
Publication date: 2001-03-29
Anticipated expiration: 2017-02-14
Also published as: DE69703560D1; EP0790704A1; EP0790704B1; KR970063903A; US5933055A

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen eines Operationsverstärkers und sie betrifft insbesondere einen Operationsverstärker, der auch bei niedriger Spannung mit hoher Leistung betrieben werden kann.
In jüngster Zeit ist eine Speisespannung für hoch integrierte Schaltungen entsprechend der höheren Integration der hoch integrierten Schaltungen mehr und mehr verringert worden.
Des Weiteren sind die meisten der gegenwärtigen hoch integrierten Schaltungen Hybrid- Schaltungen, die sowohl eine analoge Schaltung als auch eine digitale Schaltung enthalten. Obwohl die geringere Speisespannung bei einer digitalen Schaltung vorteilhaft ist, um den Energieverbrauch zu verringern und eine Arbeitsgeschwindigkeit zu erhöhen, ist sie in einer analogen Schaltung nicht von Vorteil, da so ein Rauschabstand und ein Dynamikbereich abnehmen können.
Des Weiteren muss aufgrund der gegenwärtigen Zunahme von tragbaren Geräten eine analoge Schaltung mit verschiedenen Speisespannungen in einem breiten Spektrum arbeiten können, so dass sie auch bei einer anderen Speisespannung stabil betrieben werden kann. So hat beispielsweise bei einem elektrischen Gerät, das entweder stationär oder tragbar sein kann, so beispielsweise bei einem CD-Player, eine analoge Schaltung, die in dem Gerät enthalten ist, bei dem stationären und dem tragbaren Gerät den gleichen Aufbau. Daher muss, wenn eine Speisespannung von beispielsweise 5 V für das stationäre Gerät verwendet wird und für das tragbare Gerät eine Speisespannung von beispielsweise 2 V verwendet wird, die analoge Schaltung bei beiden Spannungen stabil arbeiten.
Des Weiteren tritt, wenn die Speisespannung verringert wird, ein weiteres Problem dahingehend auf, dass eine analoge Schaltung, die bei einer normalen Speisespannung eingesetzt werden kann, ohne Veränderung ihres Aufbaus nicht einsetzbar ist.
Dieses herkömmliche Problem wird im Folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 14 beschrieben. Fig. 14 ist ein Schema eines herkömmlichen CMOS-Operationsverstärkers, zu dem eine AB-Ausgangsschaltung gehört. Die AB-Ausgangsschaltung bedeutet hier eine Ausgangsschaltung, die sowohl einen PMOS-Transistor als auch einen NMOS-Transistor auf dem Ausgangspegel mit einem Signal steuern kann. Die AB-Ausgangsschaltung weist eine starke Stromsteuerkapazität auf, und wird daher als typische Ausgangsschaltung in einem Operationsverstärker zum Steuern eines Widerstandes eingesetzt.
In Fig. 14 kennzeichnet ein Bezugszeichen 50 die AB-Ausgangsschaltung, die eine Reihenschaltung eines PMOS-Transistors 50-1 sowie eines NMOS-Transistors 50-2 enthält. Ein Ausgangsanschluss 59 ist mit einem Knoten in der Reihenschaltung verbunden. Ein Bezugszeichen 51 kennzeichnet eine Konstantstromquelle, die einen PMOS-Transistor 51-1 enthält. Der PMOS-Transistor 51-1 ist an seinem Gate mit einem Konstantstromquellen- Vorspannungsanschluss 56 verbunden. Ein Bezugszeichen 52 kennzeichnet einen Differenzstromverstärker auf dem Eingangspegel, der zwei PMOS-Transistoren 52-1 sowie 52-2 enthält. Der Differenzstromverstärker 52 ist mit der Konstantstromquelle 51 verbunden, und die PMOS-Transistoren 52-1 und 52-2 sind mit einem negativphasigen Eingangssignalanschluss 57 und einem positivphasigen Eingangssignalanschluss 58 verbunden, und zwar jeweils an ihren Gates. Ein Bezugszeichen 53 kennzeichnet eine Stromspiegelschaltung, die zwei NMOS-Transistoren 53-1 und 53-2 enthält.
Des Weiteren kennzeichnet ein Bezugszeichen 54 eine Pegelverschiebungseinrichtung, die einen PMOS-Transistor 54-1 enthält, der als Konstantstromquelle dient, sowie einen PMOS-Transistor 54-2, der Pegelverschiebung eines Ausgangs des Differenzstromverstärkers 52 ausführt. Eine Spannung, die von dem PMOS-Transistor 54-2 pegelverschoben wurde, wird an das Gate des PMOS-Transistors 50-1 der AB-Ausgangsschaltung 50 ausgegeben. Ein Bezugszeichen 55 kennzeichnet eine Phasenausgleichschaltung, die eine Reihenschaltung eines Widerstandselementes 55-1 und eines Kapazitätselementes 55-2 enthält.
Bei dem in Fig. 14 dargestellten Aufbau fügt der PMOS-Transistor 54-2 der Pegelverschiebungseinrichtung 54 zu einem Signal, das in dem Differenzstromverstärker 52 eingegeben wurde, einen Gleichstrompegel hinzu, der einer Gate-Source-Spannung des PMOS-Transistors 54-2 entspricht, und das entstehende Signal wird dem Gate des PMOS-Transistors 50-1 der AB-Ausgangsschaltung 50 zugeführt. In einem normalen Zustand, in dem von dem Ausgangsanschluss 59 kein Strom ausgegeben wird, sollte der Zustand des Differenzstromverstärkers 52 völlig symmetrisch sein. Dementsprechend gilt die folgende Gleichung:

Gleichung 1:

Vdd = Vgs50 + Vgs54 + Vds53-2 = Vgs50 + Vgs54 + Vds53-1 = Vgs50 + Vgs54 + Vgs53-1,
wobei Vdd eine Speisespannung darstellt, Vgs50 eine Gate-Source-Spannung des PMOS- Transistors 50-1 der AB-Ausgangsschaltung 50 darstellt, Vgs54 eine Gate-Source-Spannung des PMOS-Transistors 54-2 der Pegelverschiebungseinrichtung 54 darstellt, Vds53-2 eine Drain-Source-Spannung des NMOS-Transistors 53-2 der Stromspiegelschaltung 53 darstellt, Vds53-1 eine Drain-Source-Spannung des NMOS-Transistors 53-1 der Stromspiegelschaltung 53 darstellt und Vgs53-1 eine Gate-Source-Spannung des INMOS-Transistors 53-1 der Stromspiegelschaltung 53 darstellt.
Wenn davon ausgegangen wird, dass die drei MOS-Transistoren 50-1, 54-2 sowie 53-1 die gleiche Gate-Source-Spannung Vgs haben und die gleiche Schwellenspannung Vth haben, gilt, da die Gate-Source-Spannung jedes MOS-Transistors höher sein muss als seine Schwellenspannung Vth die folgende Gleichung:

Gleichung 2:

Vdd = 3Vgs> 3Vth
Da die Schwellenspannung Vth ungefähr 0,7 V beträgt und die Gate-Source-Spannung Vgs wenigstens 0,2 V höher sein muss als die Schwellenspannung Vih, muss die Speisespannung Vdd wenigstens 2,7 V oder mehr betragen. Dementsprechend kann der herkömmliche Operationsverstärker, wenn die Speisespannung Vdd auf weniger als 2,7 V eingestellt wird, nicht normal betrieben werden.
Des Weiteren kann, wenn eine Spannungsquelle mit einer anderen Spannungsquelle eingesetzt wird, bei dem herkömmlichen Operationsverstärker der Wert eines Stroms, der im Gleichgewichtszustand fließt, unvorteilhafter Weise schwanken. Dieses Problem wird als nächstes beschrieben.
Die Werte der Ströme, die zwischen den Drains und den Sources der drei MOS- Transistoren 50-1, 54-2 sowie 53-1 im Gleichgewichtszustand fließen, werden wie folgt dargestellt:

Gleichungen 3:

Ids50 = K50 (Vgs50 - Vth)²
Ids53 = K53 (Vgs53 - Vth)²
Ids54 = K54 (Vgs54 - Vth)²,
wobei Ids50, Ids53 und Ids54 die Werte der Drain-Source-Ströme in den Transistoren 50-1, 53-1 bzw. 54-2 darstellen und K50, K53 und K54 jeweils die Stromausbeute dieser Transistoren darstellen.
Da die Gate-Source-Spannungen Vgs50, Vgs53 und Vgs54 im Wesentlichen proportional zu der Speisespannung Vdd schwanken, versteht sich, dass die Drain-Source-Ströme Ids50, Ids53 und Ids54 proportional zum Quadrat der Speisespannung Vdd schwanken.
Die Schwankung des Drain-Source-Stroms wird im Folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 16 beschrieben. Ein Potential an Knoten A bei dem herkömmlichen Operationsverstärker, der in Fig. 14 dargestellt ist, ist eine Summe aus dem Erdpotential, der Gate-Source- Spannung Vgs53-2 des Transistors 53-2 und der Gate-Source-Spannung 54-2 des Tran sistors 54-2 und wird unabhängig von der Speisespannung Vdd bestimmt. Daher kann die Vorspannung (Gate-Source-Spannung) Vgs50-1 des Transistors 50-2, wie in Fig. 16 dargestellt, auf einem großen Wert gehalten werden, wenn die Speisespannung Vdd hoch ist, kann jedoch auf einen kleinen Wert verringert werden, wenn die Speisespannung Vdd niedrig ist. So schwankt die Vorspannung Vgs50-1 entsprechend der Speisespannung Vdd. Dadurch schwankt ein Strom, der durch den Transistor 50-1 der Ausgangsschaltung 50 fließt, erheblich, wenn sich die Speisespannung Vdd ändert. Dementsprechend schwankt der Wert eines Stroms, der in dem herkömmlichen CMOS-Operationsverstärker, der die AB- Ausgangsschaltung enthält, im Gleichgewichtszustand fließt, erheblich entsprechend der Speisespannung Vdd einer eingesetzten Spannungsquelle. Der stark schwankende Stromwert stellt ein ernsthaftes Hindernis bei der Verringerung des Stromverbrauchs dar.
Als den Aufbau eines Operationsverstärkers, der dieses Problem nicht aufweist, beschreibt beispielsweise die japanische offengelegte Patentveröffentlichung Nr. 5-95221 einen Operationsverstärker, der neben einer Konstantstromquelle, einem Differenzstrornverstärker und einer Stromspiegelschaltung zum Steuern eines NMOS-Transistors einer Ausgangsschaltung eine weitere Konstantstromquelle, einen weiteren Differenzstromverstärker und eine weitere Stromspiegelschaltung zum Steuern eines PMOS-Transistors der Ausgangsschaltung enthält. Bei diesem Operationsverstärker wird ein Ausgang der hinzugefügten Stromspiegelschaltung dem Stromsteueranschluss des PMOS-Transistors der Ausgangsschaltung zugeführt.
Bei dem Operationsverstärker, der in dieser Veröffentlichung offenbart wird, enthält jedoch der Differenzstromverstärker zum Steuern des NMOS-Transistors der Ausgangsschaltung zwei PMOS-Transistoren, während der Differenzstromverstärker zum Steuern des PMOS- Transistors der Ausgangsschaltung zwei NMOS-Transistoren enthält. Da die in den entsprechenden Differenzstromverstärkern enthaltenen Transistoren so umgekehrte Polarität aufweisen, weist einer der Differenzstromverstärker einen Arbeitsbereich zwischen einer Speisespannung Vbb und einer Speisespannung Vbb -Vt auf, die um eine Schwellenspannung Vt des Transistors niedriger ist als die Speisespannung Vbb. Ein weiterer Differenzstromverstärker hat einen Arbeitsbereich zwischen einer Erdspannung und einer Spannung Vt, die um eine Schwellenspannung des Transistors höher ist als die Erdspannung. Bei die sen Arbeitsbereichen der Differenzstromverstärker wird der Einsatz des Operationsverstärkers erschwert, da der Eingangs-Dynamikbereich desselben zu schmal für den Einsatz bei einer niedrigen Speisespannung ist. Des Weiteren muss eine Diode mit dem Vorspannungsanschluss der Ausgangspufferschaltung verbunden werden, um den Gleichspannungspegel zu stabilisieren, wodurch die Gleichstromverstärkung unvorteilhafter Weise abnehmen kann.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine erste Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen CMOS-Operationsverstärker mit einem AB-Ausgang zu schaffen, der zwei Differenzstromverstärker umfasst, die Transistoren gleicher Polarität enthalten, und bei einer niedrigeren Spannung als der herkömmliche Operationsverstärker fehlerfrei betrieben werden kann. Eine zweite Aufgabe besteht darin, einen CMOS-Operationsverstärker zu schaffen, der einen AB-Ausgang aufweist, bei dem der Wert eines Stroms, der in einem Gleichgewichtszustand fließt, nicht stark schwankt und auf einem kleinen Wert gehalten wird, wenn eine Spannungsquelle mit einer anderen Spannung verwendet wird.
Um die erste Aufgabe zu erfüllen, umfasst der vorliegende Operationsverstärker eine Pegelverschiebungseinrichtung, die eine Stromrückspiegelungsschaltung (current aliasing circuit) enthält, die definitiv bei einer niedrigen Spannung betrieben werden kann. Um die zweite Aufgabe zu erfüllen, ist die Pegelverschiebungseinrichtung des Weiteren mit einer Konstantstromquelle versehen, so dass die Werte von Strömen, die durch zwei Transistoren fließen, die in einer Ausgangspufferschaltung enthalten sind, lediglich auf der Basis des Wertes eines Stroms bestimmt werden können, der von der Konstantstromquelle fließt.
Der AB-Operationsverstärker der vorliegenden Erfindung umfasst im Einzelnen eine erste Spannungsquelle mit einer vorgegebenen Spannung; eine zweite Spannungsquelle mit einer Spannung, die sich von der vorgegebenen Spannung unterscheidet; eine Ausgangspufferschaltung, die eine Reihenschaltung eines Transistors einer ersten Polarität, der mit der ersten Spannungsquelle verbunden ist, eines Transistors einer zweiten Polarität, der mit der zweiten Spannungsquelle verbunden ist, und einen Ausgangsanschluss enthält, der an einem Knoten zwischen den Transistoren vorhanden ist, wobei die Transistoren unter Verwendung eines Eingangsdifferenzsignals gesteuert werden; einen ersten Differenzstromverstärker, der Transistoren einer vorgegebenen Polarität enthält und das Differenzsignal zur Verstärkung empfängt und den Transistor der zweiten Polarität steuert; sowie eine Pegelverschiebungsschaltung, die eine Spannung erzeugt, die einem Stromsteueranschluss des Transistors der ersten Polarität zugeführt werden soll, um den Transistor der ersten Polarität zu steuern, und wobei in dem Operationsverstärker die Pegelverschiebungsschaltung eine Konstantstromquelle enthält, die einen Konstantstrom zuführt; einen zweiten Differenzstromverstärker, der Transistoren mit der gleichen Polarität wie die Transistoren enthält, die in dem ersten Differenzstromverstärker enthalten sind, um den Konstantstrom von der Konstantstromquelle zu empfangen und das Differenzsignal zur Verstärkung zu empfangen; eine Stromrückspiegelungsschaltung, die zwischen den zweiten Differenzstromverstärker und die zweite Spannungsquelle geschaltet ist, um einen Ausgangsstrom des zweiten Differenzstromverstärkers zu spiegeln, sowie eine Stromspiegelschaltung, die zwischen die erste Spannungsquelle und die Stromrückspiegelungsschaltung geschaltet ist, so dass ein Strom mit einem Stromwert, der auf einem Ausgangsstrom der Stromrückspiegelschaltung basiert, zu dem Stromsteueranschluss des Transistors der ersten Polarität fließen und ihm zugeführt werden kann.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält die Stromrückspiegelungsschaltung zwei Konstantstromquellen, die jeweils mit zwei Stromausgangsanschlüssen des zweiten Differenzstromverstärkers verbunden sind, sowie eine Gleichspannungs-Trennschaltung mit zwei Stromausgangsanschlüssen, die Ströme ausgeben, die zu den beiden Stromausgangsanschlüssen des zweiten Differenzstromverstärkers jeweils über die beiden Stromausgangsanschlüsse der Gleichspannungspegel-Trennschaltung fließen, und die einen Gleichspannungspegel zwischen den beiden Stromausgangsanschlüssen derselben und den beiden Stromausgangsanschlüssen des zweiten Differenzstromverstärkers trennt.
Aufgrund des beschriebenen Aufbaus erfüllt die vorliegende Erfindung die folgenden Funktionen: Der Betrieb des Transistors der zweiten Polarität, der in der Ausgangspufferschaltung enthalten ist, wird auf der Grundlage eines Ausgangsstroms des ersten Differenzstromverstärkers gesteuert. Der Betrieb des Transistors der ersten Polarität, der in der Ausgangspufferschaltung enthalten ist, wird hingegen auf der Basis des Ausgangsstroms der Pegelverschiebungseinrichtung gesteuert. Das heißt, in der Pegelverschiebungseinrichtung wird ein Ausgangsstrom des zweiten Differenzstromverstärkers durch die Stromrückspiegelungsschaltung gespiegelt, und die Stromspiegelschaltung ermöglicht das Fließen eines Stroms auf der Grundlage des gespiegelten Stroms, so dass der Strom von der Stromspiegelungsschaltung dem Stromsteueranschluss des Transistors der ersten Polarität zugeführt wird, der in der Ausgangspufferschaltung enthalten ist. Dabei kann die Stromrückspiegelungsschaltung bei einer sehr niedrigen Spannung betrieben werden. Daher kann, selbst wenn der zweite Differenzstromverstärker die Transistoren mit der gleichen Polarität wie jene, die in dem ersten Differenzstromverstärker enthalten sind, enthält, und eine Spannungsquelle mit niedriger Spannung eingesetzt wird, die Gatg-Source-Spannung des Transistors der ersten Polarität, beispielsweise eines MOS-Transistors, der in der Ausgangspufferschaltung enthalten ist, auf einem Wert gehalten werden, der größer ist als seine Schwellenspannung. Dementsprechend kann dieser Operationsverstärker definitiv auch mit einer Spannungsquelle betrieben werden, die eine niedrige Spannung aufweist.
Des Weiteren werden gemäß der Erfindung die Werte der Ströme, die durch die beiden Transistoren, die in der Ausgangspufferschaltung enthalten sind, im Gleichgewichtszustand fließen, auf der Grundlage der Werte von Konstantströmen bestimmt, die jeweils von den drei Konstantstromquellen aus fließen, die in der Pegelverschiebungseinrichtung enthalten sind. Daher können, selbst wenn eine Spannungsquelle mit einer anderen Spannung eingesetzt wird, die Werte der Ströme, die im Gleichgewichtszustand fließen, konstant gehalten werden.
Die oben genannten und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Verlauf der Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen besser ersichtlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Schema, das den Blockaufbau eines Operationsverstärkers der Erfindung zeigt;
Fig. 2(a) ist ein Schema, das einen Aufbau einer ersten Konstantstromquelle des Operationsverstärkers zeigt, wobei ein PMOS-Transistor verwendet wird;
Fig. 2(b) ist ein Schema, das einen weiteren Aufbau der ersten Konstantstromquelle zeigt, wobei ein PNP-Transistor eingesetzt wird;
Fig. 3(a) ist ein Schema, das einen Aufbau eines Differenzstromverstärkers des Operationsverstärkers zeigt, wobei PMOS-Transistoren eingesetzt werden;
Fig. 3(b) ist ein Diagramm, das einen weiteren Aufbau des Differenzstromverstärkers zeigt, wobei PNP-Transistoren eingesetzt werden;
Fig. 4(a) ist ein Schema, das einen Aufbau einer ersten Stromspiegelschaltung des Operationsverstärkers zeigt, wobei NMOS-Transistoren eingesetzt werden;
Fig. 4(b) ist ein Schema, das einen weiteren Aufbau der ersten Stromspiegelschaltung zeigt, wobei NPN-Transistoren eingesetzt werden;
Fig. 4(c) ist ein Schema, das einen weiteren Aufbau der ersten Stromspiegelschaltung zeigt, wobei eine Kaskodenschaltung von NMOS-Transistoren eingesetzt wird;
Fig. 5(a) ist ein Schema, das einen Aufbau einer zweiten Stromspiegelschaltung des Operationsverstärkers zeigt, wobei PMOS-Transistoren eingesetzt werden;
Fig. 5(b) ist ein Schema, das einen weiteren Aufbau der zweiten Stromspiegelschaltung zeigt, wobei PNP-Transistoren verwendet werden;
Fig. 5(c) ist ein Schema, das einen weiteren Aufbau der zweiten Stromspiegelschaltung zeigt, wobei eine Kaskodenschaltung von PMOS-Transistoren eingesetzt wird;
Fig. 6(a) ist ein Schema, das einen Aufbau einer dritten und vierten Stromquelle und einer Gleichspannungspegel-Trennschaltung zeigt, die in einer Stromrückspiegelungsschaltung des Operationsverstärkers enthalten sind, wobei NMOS-Transistoren eingesetzt werden;
Fig. 6(b) ist ein Schema, das einen weiteren Aufbau der dritten und der vierten Stromquelle sowie der Gleichspannungspegel-Trennschaltung zeigt, die in der Stromrückspiegelungsschaltung enthalten sind, wobei NPN-Transistoren verwendet werden;
Fig. 7(a) ist ein Schema, das einem Aufbau einer Ausgangspufferschaltung des Operationsverstärkers zeigt, wobei MOS-Transistoren eingesetzt werden;
Fig. 7(b) ist ein Schema, das einen weiteren Aufbau der Ausgangspufferschaltung zeigt, wobei bipolare Transistoren eingesetzt werden;
Fig. 8 ist ein Blockschaltbild, das eine Abwandlung des Operationsverstärkers der Erfindung zeigt;
Fig. 9 ist ein Schema, das einen speziellen Aufbau des abgewandelten Operationsverstärkers in Fig. 8 zeigt;
Fig. 10 ist ein Schema, das einen Schaltungsaufbau zeigt, der dazu dient, die Ausgangskennlinie des Operationsverstärkers in Fig. 9 zu simulieren;
Fig. 11 zeigt eine Ausgangswellenform, die bei der Simulation des Operationsverstärkers in Fig. 9 entsteht;
Fig. 12 zeigt ein Frequenzspektrum der Ausgangswellenform, die bei der Simulation des Operationsverstärkers in Fig. 9 entsteht;
Fig. 13 ist eine Kurve des Ergebnisses der Simulation, mit der die Speisespannungsabhängigkeit eines Stromwertes in der Ausgangspufferschaltung des Operationsverstärkers in Fig. 9 in einem Gleichgewichtszustand dargestellt wird;
Fig. 14 ist ein Schema, das einen speziellen Aufbau eines herkömmlichen Operationsverstärkers zeigt;
Fig. 15(a) zeigt die Schwankung einer Vorspannung eines Transistors einer ersten Polarität, der in der Ausgangspufferschaltung enthalten ist, die bei hoher und bei niedriger Speisespannung auftritt;
Fig. 15(b) zeigt die Schwankung einer Vorspannung eines Transistors einer zweiten Polarität, der in der Ausgangspufferschaltung enthalten ist, die bei hoher und bei niedriger Speisespannung auftritt; und
Fig. 16 zeigt eine Schwankung einer Vorspannung eines der Transistoren (mit einer Spannungsquelle verbunden), die in der Ausgangspufferschaltung des herkömmlichen Operationsverstärkers enthalten sind, die bei hoher und bei niedriger Speisespannung auftritt.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Ein Operationsverstärker gemäß einer Ausführung der Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben.
Fig. 1 zeigt den Gesamtaufbau des Operationsverstärkers. In Fig. 1 kennzeichnet ein Bezugszeichen 22 eine Ausgangspufferschaltung, die eine Reihenschaltung eines Transistors einer ersten Polarität und eines weiteren Transistors 11 einer zweiten Polarität enthält. Ein Ausgangsanschluss 21 ist mit einem Knoten zwischen den in Reihe geschalteten Transisto ren 10 und 11 verbunden. Der Transistor 10 der ersten Polarität ist mit einer Spannungsquelle (erste Spannungsquelle) Vo mit einer vorgegebenen niedrigen Spannung verbunden. Der Transistor 11 der zweiten Polarität ist mit einer Spannungsquelle (zweite Spannungsquelle) Vs verbunden, die eine Erdspannung hat, die sich von der vorgegebenen niedrigen Spannung unterscheidet. Die vorgegebene niedrige Spannung der ersten Spannungsquelle ist niedriger als ein Dreifaches (3Vt) einer Schwellenspannung Vt (ungefähr 0,7 V) des Transistors und beträgt beispielsweise, wie unten dargestellt, 1,3 V.
Des Weiteren kennzeichnet ein Bezugszeichen 1 eine erste Konstantstromquelle, die mit der ersten Spannungsquelle Vo mit der vorgegebenen niedrigen Spannung verbunden ist. Ein Bezugszeichen 5 kennzeichnet einen ersten Differenzstromverstärker mit einem ersten Stromzuführanschluss 23, über den ein Strom durch die erste Konstantstromquelle 1 zugeführt wird. Dem ersten Differenzstromverstärker 5 wird von außen ein Differenzsignal über einen negativphasigen Eingangsanschluss 12 und einen positivphasigen Eingangsanschluss 13 zugeführt, er verstärkt das Differenzsignal und gibt das verstärkte Signal über einen ersten Stromausgangsanschluss 14 und einen zweiten Stromausgangsanschluss 15 aus. Ein Bezugszeichen 7 kennzeichnet eine erste Stromspiegelschaltung, die mit dem ersten und dem zweiten Stromausgangsanschluss 14 und 15 des ersten Differenzstromverstärkers 5 verbunden ist.
Ein Bezugszeichen 30 kennzeichnet eine Pegelverschiebungseinrichtung, die ein Kennzeichen der Erfindung darstellt. Die Pegelverschiebungseinrichtung 30 enthält eine zweite Konstantstromquelle 2, einen zweiten Differenzstromverstärker 6, eine Stromrückspiegelungsschaltung 50 sowie eine zweite Stromspiegelschaltung 9. Die Stromrückspiegelungsschaltung 50 enthält eine dritte und eine vierte Konstantstromquelle 3 und 4 sowie eine Gleichspannungspegel-Trennschaltung 8. Die zweite Konstantstromquelle 2 ist mit der ersten Spannungsquelle Vo mit der vorgegebenen niedrigen Spannung verbunden. Dem zweiten Differenzstromverstärker 6 wird von der zweiten Konstantstromquelle 2 über einen zweiten Stromzuführanschluss 24 ein Konstantstrom zugeführt, er empfängt das Differenzsignal über den negativphasigen Eingangsanschluss 12 und den positivphasigen Eingangsanschluss 13 und gibt ein verstärktes Signal des Differenzsignals über den dritten und den vierten Stromausgangsanschluss 16 und 17 aus. Die dritte und die vierte Konstantstrom quelle 3 und 4 sind mit dem dritten bzw. vierten Stromausgangsanschluss 16 und 17 des zweiten Differenzstromverstärkers 6 verbunden und sind des Weiteren mit einer Erdspannungsquelle Vs verbunden. Die Gleichspannungspegel-Trennschaltung 8 ist mit dem dritten und dem vierten Stromausgangsanschluss 16 und 17 des zweiten Differenzstromverstärkers 6 verbunden und hat einen Vorspannungsanschluss 20 sowie einen fünften und einen sechsten Stromausgangsanschluss 18 und 19. Die zweite Stromspiegelschaltung 9 ist mit dem fünften und dem sechsten Stromausgangsanschluss 18 und 19 der Gleichspannungspegel-Trennschaltung 8 verbunden. Der fünfte und der sechste Stromausgangsanschluss 18 und 19 sind mit dem Transistor 10 der ersten Polarität bzw. dem Transistor 11 der zweiten Polarität der Ausgangspufferschaltung 22 verbunden, um so die Transistoren 10 und 11 zu steuern.
Im Folgenden wird der Aufbau jeder Schaltung im Einzelnen beschrieben.
Fig. 2(a) und 2(b) zeigen Beispiele des Aufbaus der ersten Konstantstromquelle 1. Fig. 2(a) zeigt ein Beispiel, bei dem ein PMOS-Transistor eingesetzt wird und Fig. 2(b) zeigt ein Beispiel, bei dem ein PNP-Transistor eingesetzt wird. In dem Aufbau in Fig. 2(a) enthält die erste Konstantstromquelle 1 einen PMOS-Transistor 1-1, der an seiner Source mit der Spannungsquelle Vo mit der niedrigen Spannung verbunden ist und an seinem Gate mit einem Konstantstromquellen-Vorspannungsanschluss 1-2. Bei dem Aufbau in Fig. 2(b) enthält die erste Konstantstromquelle 1 einen PNP-Transistor 1-3, der auf gleiche Weise geschaltet ist.
Fig. 3(a) und 3(b) zeigen Beispiele für den Aufbau des ersten Differenzstromverstärkers 5. Der Aufbau des zweiten Differenzstromverstärkers 6 kann der gleiche sein. Fig. 3(a) zeigt ein Beispiel, bei dem PMOS-Transistoren eingesetzt werden, und Fig. 3(b) zeigt ein Beispiel, bei dem PNP-Transistoren eingesetzt werden. Bei den beiden Beispielen werden verschiedene Typen von Transistoren eingesetzt, die eingesetzten Transistoren sind jedoch auf gleiche Weise geschaltet und daher wird lediglich die Schaltung für den Aufbau in Fig. 3(a) beschrieben. Bei dem Aufbau in Fig. 3(a) bezeichnen die Bezugszeichen 5-3 und 5-4 einen ersten und einen zweiten PMOS-Transistor, die an ihren Sourcen über ein erstes bzw. ein zweites Widerstandselement 5-1 und 5-2 mit dem ersten Stromzuführanschluss 23 verbunden sind, an ihren Drains mit dem ersten bzw. dem zweiten Stromausgangsanschluss 14 und 15 sowie an ihren Gates mit dem negativphasigen Eingangsanschluss 12 bzw. dem positivphasigen Eingangsanschluss 13. Der Aufbau in Fig. 3(b) enthält des gleichen einen ersten und einen zweiten PNP-Transistor 5-7 und 5-8 sowie ein drittes und ein viertes Widerstandselement 5-5 und 5-6. Jedes Widerstandselement dient dazu, Verzerrung der Schaltung zu unterdrücken. Der Differenzstromverstärker, der so aufgebaut ist, weist die folgenden Stromübernahmeeigenschaften auf: Wenn ein in den positivphasigen Eingangsanschluss 13 eingeleitetes Signal eine hohe Spannung aufweist und ein in den negativphasigen Eingangsanschluss 12 eingeleitetes Signal eine niedrige Spannung aufweist (d. h., wenn eine Spannungsdifferenz positiv ist), nimmt ein Stromausgang über den zweiten Stromausgangsanschluss 15 zu. Im Unterschied dazu verringert sich, wenn die Spannungsdifferenz negativ ist, der Stromausgang, der über den zweiten Stromausgangsanschluss 15 ausgegeben wird.
Fig. 4(a) bis 4(c) zeigen Beispiele des Aufbaus der ersten Stromspiegelschaltung 7. Fig. 4(a) zeigt ein Beispiel, bei dem NMOS-Transistoren eingesetzt werden, Fig. 4(b) zeigt ein Beispiel, bei dem NPN-Transistoren eingesetzt werden, und Fig. 4(c) zeigt ein Beispiel, bei dem eine Kaskodenschaltung von NMOS-Transistoren eingesetzt wird. Bei dem Aufbau in Fig. 4(a) enthält die erste Stromspiegelschaltung 7 zwei NMOS-Transistoren 7-1 und 7-2, die an ihren Sourcen mit der Erdspannungsquelle Vs verbunden sind, an ihren Drains mit dem ersten bzw. dem zweiten Stromausgangsanschluss 14 und 15 und an ihren Gates miteinander. Bei dem Transistor 7-1, der mit dem ersten Stromausgangsanschluss 14 verbunden ist, sind der Drain und die Source miteinander verbunden. Dementsprechend gibt die Stromspiegelschaltung mit dem Aufbau in Fig. 4(a) über den zweiten Stromausgangsanschluss 15 einen Strom aus, dessen Wert proportional zu einem Strom ist, der über den ersten Stromausgangsanschluss 14 eingegeben wird, und die dazu entgegengesetzte Polarität aufweist. Der Aufbau in Fig. 4(b) enthält zwei NPN-Transistoren 7-3 und 7-4, die auf gleiche Weise geschaltet sind. Wenn die Stromspiegelschaltung eine Kaskodenschaltung von vier NMOS-Transistoren 7-5 bis 7-8 enthält, wie dies in Fig. 4(c) dargestellt ist, kann ein Operationsverstärker mit einer starken Gleichspannungsverstärkung hergestellt werden. In Fig. 4(c) kennzeichnet ein Bezugszeichen 7-10 einen Vorspannungsanschluss für die beiden in Kaskodenschaltung verbundenen Transistoren 7-7 und 7-8.
Fig. 5(a) bis 5(c) zeigen Beispiele für den Aufbau der zweiten Stromspiegelschaltung 9. Fig. 5(a) zeigt ein Beispiel, bei dem PMOS-Transistoren eingesetzt werden, Fig. 5(b) zeigt ein Beispiel, bei dem PNP-Transistoren eingesetzt werden, und Fig. 5(c) zeigt ein Beispiel, bei dem eine Kaskodenschaltung von PMOS-Transistoren eingesetzt wird. Der Aufbau in Fig. 5(a) enthält einen ersten und einen zweiten PMOS-Transistor 9-1 und 9-2, die an ihren Sourcen mit der Spannungsquelle Vo mit der niedrigen Spannung verbunden sind, an ihren Drains, die als Stromanschlüsse 51 und 52 dienen, mit dem fünften bzw. dem sechsten Stromausgangsanschluss 18 und 19 und an ihren Gates (die als Stromsteueranschlüsse dienen) miteinander. Bei dem Transistor 9-2, der mit dem sechsten Stromausgangsanschluss 19 verbunden ist, sind der Drain und die Source miteinander verbunden. Dementsprechend gibt die Stromspiegelungsschaltung mit dem Aufbau in Fig. 5(a) über den Stromausgangsanschluss 51 an den fünften Stromausgangsanschluss 18 einen Strom aus, dessen Wert proportional zu einem Strom ist, der über den sechsten Stromausgangsanschluss 19 eingeleitet wird, und der dazu entgegengesetzte Polarität aufweist. Der fünfte Stromausgangsanschluss 18 ist mit dem Gate (d. h. einem Stromsteueranschluss) des Transistors 10 der ersten Polarität verbunden, der in der Ausgangspufferschaltung 22 in Fig. 1 enthalten ist. Der Aufbau in Fig. 5(b) enthält zwei PNP-Transistor 9-3 und 9-4, die auf gleiche Weise geschaltet sind. Wenn die Stromspiegelschaltung eine Kaskodenschaltung von vier PMOS-Transistoren 9-5 bis 9-8 enthält, wie dies in Fig. 5(c) dargestellt ist, kann ein Operationsverstärker mit einer hohen Gleichstromverstärkung hergestellt werden. Bei dem Aufbau in Fig. 5(c) kennzeichnet ein Bezugszeichen 9-10 einen Vorspannungsanschluss für die beiden in Kaskodenschaltung verbundenen Transistoren 9-7 und 9-8.
Fig. 6(a) und 6(b) zeigen Beispiele für den Aufbau der dritten und der vierten Konstantstromquelle 3 und 4 und der Gleichspannungspegel-Trennschaltung 8, die in der Stromrückspiegelungsschaltung 50 enthalten sind. Fig. 6(a) zeigt ein Beispiel, bei dem NMOS- Transistoren eingesetzt werden, und Fig. 6(b) zeigt ein Beispiel, bei dem NPN-Transistoren eingesetzt werden. Bei dem Aufbau in Fig. 6(a) enthalten die dritte und die vierte Konstantstromquelle 3 und 4 jeweils NMOS-Transistoren 3-1 und 4-1, die an ihren Sourcen mit der Erdspannungsquelle Vs verbunden sind, an ihren Drains mit dem dritten bzw. dem vierten Stromausgangsanschluss 16 und 17 und an ihren Gates (Stromsteueranschlüssen) mit ei nem Vorspannungsanschluss 40. Des Weiteren enthält die Gleichspannungspegel-Trennschaltung 8 zwei NMOS-Transistoren 8-1 und 8-2, die an ihren Sourcen in Kaskodenschaltung mit den Transistoren 3-1 und 4-1 der dritten bzw. der vierten Konstantstromquelle 3 und 4 verbunden sind, an ihren Drains mit dem fünften bzw. dem sechsten Stromausgangsanschluss 18 und 19 und an ihren Gates mit dem Vorspannungsanschluss 20. Dem Vorspannungsanschluss 20 wird eine Vorspannung zugeführt, so dass die Transistoren 3-1 und 4-1 der dritten und der vierten Konstantstromquelle 3 und 4 in einem Sättigungsbereich betrieben werden können. Dem Vorspannungsanschluss 40 wird eine Konstantspannung zugeführt, so dass die Transistoren 3-1 und 4-1 der dritten und der vierten Konstantstromquelle 3 und 4 einen gewünschten Stromfluss zulassen. Dementsprechend trennt die Gleichspannungspegel-Trennschaltung mit dem Aufbau in Fig. 6(a) einen Gleichspannungspegel zwischen dem dritten und dem vierten Stromausgangsanschluss 16 und 18 sowie zwischen dem vierten und dem sechsten Stromausgangsanschluss 17 und 19 und gibt Ströme aus, die über den dritten und den vierten Stromausgangsanschluss 16 und 17 zu dem fünften und dem sechsten Stromausgangsanschluss 18 und 19 fließen.
Auch bei dem Aufbau in Fig. 6(b) enthält die dritte bzw. vierte Konstantstromquelle 3 und 4 NPN-Transistoren 3-2 und 4-2, die auf gleiche Weise geschaltet sind, und die Gleichspannungspegel-Trennschaltung 8 enthält zwei NPN-Transistoren 8-3 sowie 8-4, die auf gleiche Weise geschaltet sind. Dem Vorspannungsanschluss 20 jedoch wird eine Vorspannung zugeführt, so dass die Transistoren 3-2 und 4-2 der dritten und der vierten Konstantstromquelle 3 und 4 in einem ungesättigten Bereich betrieben werden können.
Fig. 7(a) und 7(b) zeigen Beispiele für den Aufbau der Ausgangspufferschaltung 22. Fig. 7(a) zeigt ein Beispiel, bei dem MOS-Transistoren eingesetzt werden, und Fig. 7(b) zeigt ein Beispiel, bei dem Bipolartransistoren eingesetzt werden. Der Aufbau in Fig. 7(a) enthält eine Reihenschaltung eines PMOS-Transistors 10 und eines NMOS-Transistors 11, die an ihren Gates mit dem fünften Stromausgangsanschluss 18 bzw. dem zweiten Stromausgangsanschluss 15 verbunden sind. Der Aufbau in Fig. 7(b) enthält gleichfalls eine Reihenschaltung eines PNP-Transistors 10' und eines NPN-Transistors 11'.
Um maximale Ausprägung der Effekte der Erfindung zu erzielen, sind die Transistoren, die in der ersten Stromspiegelschaltung 7 enthalten sind, und der Transistor 11 der zweiten Polarität, der in der Ausgangspufferschaltung 22 enthalten ist, vom gleichen Typ, und die Transistoren, die in der zweiten Stromspiegelungsschaltung 9 enthalten sind, sowie der Transistor 10 der ersten Polarität, der in der Ausgangspufferschaltung 22 enthalten ist, sind ebenfalls vom gleichen Typ. Das heißt, wenn die erste Stromspiegelschaltung 7 beispielsweise NMOS-Transistoren enthält, ist der Transistor 11 der zweiten Polarität der Ausgangspufferschaltung 22 vorzugsweise ein NMOS-Transistor, und wenn die erste Stromspiegelungsschaltung 7 NPN-Transistoren enthält, ist der Transistor 11 der zweiten Polarität der Ausgangspufferschaltung 22 vorzugsweise ein NPN-Transistor.
Im Folgenden wird die Funktion des Operationsverstärkers in Fig. 1 beschrieben.
Ein Differenzsignal wird in den ersten und den zweiten Differenzstromverstärker 5 und 6 eingeleitet. Aufgrund des Eingangssignals kommt es zu einer Stromwertdifferenz zwischen einem Strom, der über den ersten Stromausgangsanschluss 14 ausgegeben wird, und einem Strom, der über den zweiten Stromausgangsanschluss 15 ausgegeben wird. Wenn beispielsweise angenommen wird, dass eine Spannung an dem negativphasigen Eingangsanschluss 12 um einen geringen Spannungswert ΔV höher ist als eine Spannung an dem positivphasigen Eingangsanschluss 13, verringert sich ein Strom, der von dem ersten Stromausgangsanschluss 14 ausgegeben wird, um einen geringen Stromwert ΔI gegenüber einem Strom, der im Gleichgewichtszustand ausgegeben wird, und ein von dem zweiten Stromausgangsanschluss 15 ausgegebener Strom hingegen steigt um den geringen Stromwert ΔI gegenüber einem Strom an, der im Gleichgewichtszustand ausgegeben wird. Wenn ein Stromspiegelverhältnis der ersten Stromspiegelschaltung 7 auf "1" gesetzt wird, wird ein Strom mit dem gleichen Wert wie der des Stroms, der über den ersten Stromausgangsanschluss 14 eingeleitet wird, an dem zweiten Stromausgangsanschluss 15 in die erste Stromspiegelschaltung 7 geleitet. Das heißt, die erste Stromspiegelschaltung 7 gibt einen Strom aus, der den gleichen Wert wie der Strom hat, der über den ersten Stromausgangsanschluss 14 eingegeben wird, jedoch entgegengesetzte Polarität.
Dementsprechend wird an dem zweiten Stromausgangsanschluss 15 ein von dem ersten Differenzstromverstärker 5 zugeführter Strom um den geringen Stromwert ΔI erhöht, und ein Strom, der von der ersten Stromspiegelschaltung 7 zugeführt wird, wird um den geringen Stromwert ΔI erhöht. Daher kann ein Strom mit einem Wert 2ΔI, d. h. dem Doppelten des geringen Stromwerts ΔI, fließen und an den Stromsteueranschluss (Gate oder Basis) des Transistors 11 der zweiten Polarität (in Fig. 7 N-Transistor) der Ausgangspufferschaltung 22 ausgegeben werden. Dadurch steigt eine Spannung an dem Stromsteueranschluss des Transistors 11 der zweiten Polarität an, so dass der Wert eines Stroms, der von der Erdspannungsquelle Vs über den Transistor 11 der zweiten Polarität zu dem Ausgangsanschluss 21 fließt, ansteigt.
Des Weiteren wird das Differenzsignal, das in den ersten Differenzstromverstärker 5 eingeleitet wird, auch in den zweiten Differenzstromverstärker 6 eingeleitet. Dementsprechend steigt auf die gleiche Weise wie oben beschrieben, ein Strom, der von dem zweiten Differenzstromverstärker 6 zu dem dritten Stromausgangsanschluss 16 fließt, um den geringen Stromwert ΔI an, und ein Strom, der zu dem vierten Stromausgangsanschluss 17 fließt, wird um den geringen Stromwert ΔI verringert. Da die dritte und die vierte Konstantstromquelle 3 und 4 stets einen Konstantstrom zuführen, werden zwei Ströme, die in die Gleichspannungspegel-Trennschaltung 8 eingeleitet werden, entsprechend um den geringen Stromwert 41 erhöht bzw. verringert. Dadurch wird ein Strom, der zu dem fünften Stromausgangsanschluss 18 fließt, um den geringen Stromwert ΔI verringert, und ein Strom, der zu dem sechsten Stromausgangsanschluss 19 fließt, wird um den geringen Stromwert ΔI erhöht. Da die zweite Stromspiegelschaltung 9 über den fünften Stromausgangsanschluss 18 einen Strom mit dem gleichen Wert wie der Strom, der zu dem sechsten Stromausgangsanschluss 19 fließt, ausgibt, wird ein Strom mit einem Wert 2ΔI, d. h. dem Doppelten des geringen Stromwerts Δ1, an den Stromsteueranschluss des Transistors 10 der ersten Polarität (in Fig. 7 P-Transistor) der Ausgangspufferschaltung 22 ausgegeben. Dadurch nimmt eine Spannung an dem Stromsteueranschluss des Transistors 10 der ersten Polarität zu, so dass ein Strom, der von der Spannungsquelle Vo mit der niedrigen Spannung zu dem Ausgangsanschluss 21 über den Transistor 10 der ersten Polarität fließt, zunimmt.
Dementsprechend haben die Ströme, die durch die Transistoren 10 und 11 mit den verschiedenen Polaritäten fließen, die in der Ausgangspufferschaltung 22 enthalten sind, unterschiedliche Werte, und so wird allein der resultierende Differenzstrom über den Ausgangsanschluss 21 ausgegeben.
Der Operationsverstärker der vorliegenden Ausführung hat also den AB-Ausgangsaufbau und steuert sowohl den Transistor 10 der ersten Polarität als auch den Transistor 11 der zweiten Polarität, die zu der Ausgangspufferschaltung 22 gehören, unter Verwendung des Differenzsignals.
Fig. 8 zeigt eine Abwandlung des Operationsverstärkers der oben beschriebenen Ausführung.
In Fig. 8 enthält eine Pegelverschiebungseinrichtung 30' des abgewandelten Operationsverstärkers nicht wie die Pegelverschiebungseinrichtung 30 des beschriebenen Operationsverstärkers, der in Fig. 1 dargestellt ist, die zweite Stromquelle 2, sondern enthält lediglich die erste Stromquelle 1, die auch als die zweite Stromquelle 2 arbeitet. Dieser Operationsverstärker hat den gleichen Signalweg wie die oben beschriebene Ausführung, und daher kann der Operationsverstärker gemäß dieser Abwandlung ebenfalls ähnlich wie bei der oben beschriebenen Ausführung den AB-Ausgang erzeugen.
Fig. 9 zeigt einen speziellen Aufbau des Operationsverstärkers in Fig. 8, bei dem MOS- Transistoren eingesetzt werden. Das heißt, die erste Stromquelle 1 hat den Aufbau in Fig. 2(a), der erste und der zweite Differenzstromverstärker 5 und 6 haben den Aufbau in Fig. 3(a), die erste Stromspiegelschaltung 7 hat den Aufbau in Fig. 4(a), die zweite Stromspiegelschaltung 9 hat den Aufbau in Fig. 5(a), die dritte und die vierte Konstantstromquelle 3 und 4 und die Gleichspannungspegel-Trennschaltung 8 haben den Aufbau in Fig. 6(a) und die Ausgangspufferschaltung 22 hat den Aufbau in Fig. 7(a). Jedoch sind bei dem ersten und dem zweiten Differenzstromverstärker 5 und 6 die Widerstandselemente 5-1 und 5-2 in Fig. 3(a) weggelassen. Des Weiteren enthält die Ausgangspufferschaltung 22 Phasenausgleichsschaltungen 35a und 35b zusätzlich zu dem PMOS-Transistor 10 und dem NMOS- Transistor 11.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf Fig. 9 detailliert beschrieben, dass der vorliegende Operationsverstärker mit der Spannungsquelle Vo mit der niedrigen Spannung fehlerfrei betrieben werden kann.
Wie aus Fig. 8 ersichtlich ist, ist eine Spannung, die für den Betrieb des Operationsverstärkers erforderlich ist, eine Summe der Gate-Source-Spannung des Transistors 9-2 der zweiten Stromspiegelschaltung 9, der Drain-Source-Spannung des Transistors 8-1 der Gleichspannungspegel-Trennschaltung 8 und der Drain-Source-Spannung des Transistors 3-1 der dritten Konstantstromquelle 3. Wenn davon ausgegangen wird, dass die Gate-Source-Spannung jedes Transistors 0,9 V beträgt und die Drain-Source-Spannung 0,2 V beträgt, beträgt die Summe dieser Spannungen ungefähr 1,3 V. So kann der Operationsverstärker mit einer Speisespannung betrieben werden, die halb so niedrig ist wie die herkömmlicherweise erforderliche Spannung, d. h. 2,7 V.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf Fig. 9 bewiesen, dass der Wert eines Stroms, der durch die Ausgangspufferschaltung im Gleichgewichtszustand des vorliegenden Operationsverstärkers fließt, auch bei Verwendung der Spannungsquelle Vo mit einer anderen Spannung kaum schwankt. Im Gleichgewichtszustand des Operationsverstärkers in Fig. 9 sind Ströme, die durch den ersten und den zweiten Differenzstromverstärker 5 und 6 fließen, einander gleich, d. h. es gelten die folgenden Gleichungen:

Gleichungen 4:

Vgs(10) = Vgs(9-1) = Vgs(9-2) -
Vgs(11) = Vgs(7-2) = Vgs(7-1)
Die Bezugszeichen in den Klammern entsprechen in diesen Gleichungen den Bezugszeichen der Transistoren in Fig. 9. Dementsprechend gelten die folgenden Gleichungen bezüglich der Ströme, die durch die entsprechenden Transistoren fließen:

Gleichungen 5:

Ids(10) / Ids(9-2) = A(10) / A(9-2)
lds(11) / Ids(7-1) = A(11) / A(7-1)
wobei A = (Gate-Breite des Transistors) 1 (Gate-Länge des Transistors).
Der Drain-Source-Strom Ids des Transistors 9-2 der zweiten Stromspiegelschaltung 9 wird auf der Grundlage der Ströme in den Transistoren 1-1, 3-1 und 4-1 der ersten, der dritten und der vierten Konstantstromquelle 1, 3 und 4 bestimmt, und der Drain-Source-Strom Ids des Transistors 7-1 der ersten Stromspiegelschaltung 7 wird auf der Grundlage eines Stroms in dem Transistor 1-1 der ersten Konstantstromquelle 1 bestimmt. So werden die Drain-Source-Ströme in den oben aufgeführten Gleichungen unabhängig von dem Spannungswert der Spannungsquelle Vo bestimmt.
Im Folgenden wird die Funktion des vorliegenden Operationsverstärkers ausführlich unter Bezugnahme auf Fig. 15(a) und 15(b) beschrieben. Das Potential an einem Knoten C in Fig. 9, das den Ausgangsstrom des Transistors 10 der ersten Polarität, der in der Ausgangspufferschaltung 22 enthalten ist, bestimmt, wird, wie in Fig. 15(a) dargestellt, durch den Transistor 9-1 der zweiten Stromspiegelungsschaltung 9 bestimmt, und es hat eine Spannung Vo - Vgs9-1, bei der es sich um eine Spannung handelt, die um die Gate- Source-Spannung Vgs9-1 des Transistors 9-1 niedriger ist als die Speisespannung der Spannungsquelle. Die Gate-Source-Spannung Vgs10 des Transistors 10 der ersten Polarität, der in der Ausgangspufferschaltung 22 enthalten ist, entspricht der Gate-Source- Spannung Vgs9-1 des Transistors 9-1 der zweiten Stromspiegelschaltung 9. Desgleichen wird, wie in Fig. 15(b) dargestellt, das Potential an Knoten D in Fig. 9, das den Ausgangsstrom des Transistors 11 der zweiten Polarität, der in der Ausgangspufferschaltung 22 enthalten ist, bestimmt, durch den Transistor 7-2 der ersten Stromspiegelschaltung 7 bestimmt, und es handelt sich um eine Spannung Vgs7-2, die um die Gate-Source-Spannung Vgs7-2 des Transistors 7-2 höher ist als das Erdpotential. Die Gate-Source-Spannungen Vgs9-1 und Vgs7-2 schwanken nicht, da die Drain-Source-Ströme Ids9-1 und Ids7-2 der Transistoren 9-1 und 7-2 unabhängig von der Spannung der Speisespannung Vo konstant sind. Dementsprechend schwanken auch die Gate-Source-Spannungen Vgs10 und Vgs11 des Transistors 10 der ersten Polarität und des Transistors 11 der zweiten Polarität, die in der Ausgangspufferschaltung 22 enthalten sind, auch dann nicht, wenn die Spannungsquelle Vo eine andere Spannung aufweist. Dadurch haben die Ströme, die durch die Transistoren 10 und 11 im Gleichgewichtszustand fließen, selbst dann konstante Werte, wenn die Spannungsquelle Vo eine andere Spannung hat.
Dementsprechend haben bei dem vorliegenden Operationsverstärker die Ströme, die durch die beiden Transistoren 10 und 11 der Ausgangspufferschaltung 22 fließen, im Gleichgewichtszustand Werte, die kaum durch die Spannung der eingesetzten Spannungsquelle Vo beeinflusst werden.
Des Weiteren kann, da der erste und der zweite Differenzstromverstärker 5 und 6 die Transistoren mit der gleichen Polarität enthalten, der Eingangs-Dynamikbereich des Operationsverstärkers groß sein. Darüber hinaus kann die Gleichspannungsverstärkung von ungefähr 60 dE leicht erzielt werden.
Des Weiteren schwanken, da Knoten, die mit den Gates des PMOS-Transisitors 10 und des NMOS-Transistors 11 der Ausgangspufferschaltung 22 verbunden sind, eine hohe Impedanz haben, die Gate-Spannungen stark entsprechend der Schwankung der Ausgangsströme der Differenzstromverstärker 5 und 6 auf dem Eingangspegel. Dadurch können die Werte der Ströme, die durch die beiden Transistoren 10 und 11 der Ausgangspufferschaltung 22 fließen, stark verändert werden, was dazu führt, dass in Betrieb ein starker Strom über den Ausgangsanschluss 21 ausgegeben wird.
Im Folgenden wird der Operationsverstärker in Fig. 9 Simulation unterzogen, und die Ergebnisse werden beschrieben, um die Effekte der Erfindung zu bestätigen. Ein Schaltungsaufbau, der bei der Simulation eingesetzt wird, ist in Fig. 10 dargestellt. Eine Parallelschaltung aus einer Kapazität von 1 nF und einem Widerstand von 50 Ω wird als zu steuernde Last eingesetzt.
Fig. 11 zeigt eine Ausgangswellenform des Operationsverstärkers 9, die erreicht wird, indem ein Signal mit einer Sinuswelle von 10 kHz bei einer Gleichspannung von 1,2 V ± 0,5 V zugeführt wird. Da ein Spannungsfolger-Schaltungsaufbau eingesetzt wird, wird ein Signal mit im Wesentlichen der gleichen Amplitude wie das Eingangssignal ausgegeben. So kann bestätigt werden, dass der Operationsverstärker in Fig. 9 die Last von 50 Ω zufriedenstellend steuern kann.
Fig. 12 zeigt ein Frequenzspektrum der Ausgangswellenform. Wie in Fig. 12 dargestellt ist, tritt die Störung der zweiten Harmonischen bei ungefähr -60 dB auf, und es wird bestätigt, dass kein Problem bezüglich der Qualität der Ausgangswellenform vorliegt. Fig. 13 zeigt die Beziehung zwischen einer Speisespannung und einem Stromwert eines. Stroms, der durch den PMOS-Transistor 10 und den NMOS-Transistor 11 der Ausgangspufferschaltung 22 in dem Operationsverstärker in Fig. 9 fließt. Selbst wenn die Speisespannung von 2,4 V auf 3,3 V verändert wird, ändert sich der Wert des Stroms, der durch diese Transistoren fließt, lediglich um ungefähr 10%. Damit wird bestätigt, dass der Wert eines Stroms, der durch diese Transistoren im Gleichgewichtszustand fließt, durch die Veränderung der Spannung der eingesetzten Spannungsquelle Vo nicht ohne weiteres beeinflusst wird.
Damit ist bewiesen, dass der Operationsverstärker gemäß der Erfindung zufriedenstellend und definitiv bei einer niedrigen Spannung betrieben werden kann und einen Aufbau aufweist, der durch die Veränderung der Spannung einer eingesetzten Spannungsquelle nicht ohne weiteres beeinflusst wird.
Die Effekte der Erfindung werden nicht nur mit der beschriebenen Ausführung erzielt. Wenn die PMOS-Transistoren und die NMOS-Transistoren gegeneinander ausgetauscht werden und die Speisespannung durch die Erdspannung in dem Operationsverstärker in Fig. 9 ersetzt wird, können die Effekte der Erfindung auf die gleiche Weise wie bei der bereits beschriebenen Ausführung erzielt werden.
Der vorliegende Operationsverstärker kann beispielsweise in einer Wiedergabevorrichtung für CDs (Compact-Discs) zum Verstärken eines Abtastsignals eingesetzt werden. Eine der artige Wiedergabevorrichtung kann entweder stationär oder tragbar sein. Des Weiteren können die Effekte der Erfindung unabhängig von der Spannung einer eingesetzten Spannungsquelle erzielt werden, wie dies oben beschrieben ist, und daher kann der Operationsverstärker nicht nur bei einer allgemeinen Niedrigspannungsquelle eingesetzt werden, sondern auch bei einer Spannungsquelle mit niedrigerer Spannung.

Claims

1. AB-Operationsverstärker, der umfasst:

eine erste Spannungsquelle mit einer vorgegebenen Spannung;

eine zweite Spannungsquelle mit einer Spannung, die sich von der vorgegebenen Spannung unterscheidet;

eine Ausgangspufferschaltung (22), die eine Reihenschaltung eines Transistors einer ersten Polarität (10), der mit der ersten Spannungsquelle verbunden ist, eines Transistors einer zweiten Polarität (11), der mit der zweiten Spannungsquelle verbunden ist, und einen Ausgangsanschluss (21) enthält, der an einem Knoten zwischen den Transistoren vorhanden ist, wobei die Transistoren unter Verwendung eines Eingangsdifferenzsignals gesteuert werden;

einen ersten Differenzstromverstärker (5), der Transistoren einer vorgegebenen Polarität enthält und das Differenzsignal zur Verstärkung empfängt und den Transistor der zweiten Polarität steuert; sowie

eine Pegelverschiebungsschaltung (30), die eine Spannung erzeugt, die einem Stromsteueranschluss (18) des Transistors der ersten Polarität zugeführt werden soll, um den Transistor der ersten Polarität zu steuern, und wobei die Pegelverschiebungsschaltung enthält:

eine Konstantstromquelle (2), die einen Konstantstrom zuführt;

einen zweiten Differenzstromverstärker (6), der Transistoren mit der gleichen Polentat wie die Transistoren enthält, die in dem ersten Differenzstromverstärker enthalten sind, um den Konstantstrom von der Konstantstromquelle zu empfangen und das Differenzsignal zur Verstärkung zu empfangen;

eine Stromrückspiegelungsschaltung (50), die zwischen den zweiter Differenzstromverstärker und die zweite Spannungsquelle geschaltet ist, um einen Ausgangsstrom des zweiten Differenzstromverstärkers zu spiegeln, sowie

eine Stromspiegelschaltung (9), die zwischen die erste Spannungsquelle und die Stromrückspiegelschaltung geschaltet ist, so dass ein Strom mit einem Stromwert, der auf einem Ausgangsstrom der Stromrückspiegelschaltung basiert, zu dem Stromsteueranschluss des Transistors der ersten Polarität fließen und ihm zugeführt werden kann.

2. Operationsverstärker nach Anspruch 1,

wobei die Stromrückspiegelungsschaltung enthält:

zwei Konstantstromquellen, die jeweils mit zwei Stromausgangsanschlüssen des zweiten Differenzstromverstärkers verbunden sind, sowie

eine Gleichspannungspegel-Trennschaltung mit zwei Stromausgangsanschlüssen, die Ströme ausgibt, die zu den beiden Stromausgangsanschlüssen des zweiten Differenzstromverstärkers jeweils über die beiden Stromausgangsanschlüsse der Gleichspannungspegel-Trennschaltung fließen, und die einen Gleichspannungspegel zwischen den beiden Stromausgangsanschlüssen derselben und den beiden Stromausgangsanschlüssen des zweiten Differenzstromverstärkers trennt.

3. Operationsverstärker nach Anspruch 2, wobei eine der beiden Konstantstromquellen der Stromrückspiegelungsschaltung einen Transistor enthält, der zwi schen einen der Stromausgangsanschlüsse des zweiten Differenzstromverstärkers und die zweite Spannungsquelle geschaltet ist,

die andere Konstantstromquelle der Stromrückspiegelungsschaltung einen Transistor enthält, der zwischen den anderen Stromausgangsanschluss des zweiten Differenzstromverstärkers und die zweite Spannungsquelle geschaltet ist, und

die beiden Transistoren der Konstantstromquellen gemeinsam an Stromsteueranschlüssen derselben mit einem Vorspannungsanschluss verbunden sind.

4. Operationsverstärker nach Anspruch 2, wobei die Gleichspannungspegel-Trennschaltung zwei Transistoren enthält, die jeweils zwischen zwei Stromausgangsanschlüsse derselben und zwei Stromausgangsanschlüsse des zweiten Differenzstromverstärkers geschaltet sind, und

die zwei Transistoren der Gleichspannungspegel-Trennschaltung gemeinsam an Stromsteueranschlüssen derselben mit einem Vorspannungsanschluss verbunden sind.

5. Operationsverstärker nach Anspruch 1, wobei die Stromspiegelschaltung mit der ersten Spannungsquelle verbunden ist,

die Stromspiegelschaltung zwei Stromanschlüsse aufweist, die mit der Stromrückspiegelungsschaltung verbunden sind, und über einen der Stromanschlüsse einen Strom abgibt, der einen Stromwert aufweist, der proportional zu einem Strom ist, der in den anderen Stromanschluss eingeleitet wird, und dazu entgegengesetzte Polarität aufweist, und

der Strom, der von der Stromspiegelschaltung ausgegeben wird, dem Stromsteueranschluss des Transistors der ersten Polarität zugeführt wird.

6. Operationsverstärker nach Anspruch 5, wobei die Stromspiegelschaltung einen ersten Transistor enthält, der sich zwischen der ersten Spannungsquelle und einem der Stromanschlüsse derselben befindet, sowie einen zweiten Transistor, der sich zwischen der ersten Spannungsquelle und dem anderen Stromanschluss derselben befindet, und

der erste und der zweite Transistor miteinander an Stromsteueranschlüssen derselben verbunden sind, und der Stromsteueranschluss des zweiten Transistors ebenfalls mit einem anderen Anschluss desselben verbunden ist, der mit dem anderen Stromanschluss verbunden ist.

7. Operationsverstärker nach Anspruch 1, der des Weiteren eine Stromspiegelschaltung umfasst, die zwischen den ersten Differenzstromverstärker und die zweite Spannungsquelle geschaltet ist,

wobei die zusätzliche Stromspiegelschaltung es ermöglicht, einen Strom mit einem Stromwert, der auf einem Ausgangsstrom des ersten Differenzstromverstärkers beruht, fließen zu lassen und an einen Stromsteueranschluss des Transistors der zweiten Polarität auszugeben.

8. Operationsverstärker nach Anspruch 1, wobei die Konstantstromquelle (1) des zweiten Differenzstromverstärkers auch als Konstantstromquelle arbeitet, die dem ersten Differenzstromverstärker den Konstantstrom zuführt.

9. Operationsverstärker nach Anspruch 1,

wobei eine Spannung Vo der ersten Spannungsquelle so festgelegt wird, so dass sie die folgende Beziehung erfüllt:

Vo < 3Vt

wobei Vt eine Schwellenspannung der Transistoren anzeigt, die in dem Operationsverstärker enthalten sind.

10. Operationsverstärker nach Anspruch 9, wobei die erste Spannungsquelle eine Spannung von 1,3 V hat.

11. Operationsverstärker nach Anspruch 6, wobei der Transistor der ersten Polarität, der in der Ausgangspufferschaltung enthalten ist, und die Transistoren der Stromspiegelschaltung, die in der Pegelverschiebungseinrichtung enthalten ist, vom gleichen Typ und der gleichen Polarität sind.

12. Operationsverstärker nach Anspruch 7, wobei der Transistor der zweiten Polarität, der in der Ausgangspufferschaltung enthalten ist, und die Transistoren der Stromspiegelschaltung, die mit dem ersten Differenzstromverstärker verbunden ist, vom gleichen Typ und der gleichen Polarität sind.