DE9207812U1 - Operational amplifier with high common mode rejection - Google Patents

Operational amplifier with high common mode rejection

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Description

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Siemens AktiengesellschaftSiemens AG

Operationsverstärker mit hoher Gleichtaktunterdrückung 5Operational amplifier with high common mode rejection 5

Die Neuerung betrifft einen Operationsverstärker mit symmetrischen Eingängen und symmetrischen Ausgängen.The innovation concerns an operational amplifier with balanced inputs and balanced outputs.

Diesen Operationsverstärkern werden symmetrische Eingangssignale zugeführt, d. h. Eingangssignale die in ihrem Betrag übereinstimmen, bezogen auf einen Referenzwert jedoch entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen. Die an den symmetrischen Ausgängen eines derartigen Operationsverstärkers anliegenden Ausgangssignale sollten dementsprechend gleiche Amplituden, mit entgegengesetztem Vorzeichen aufweisen. Das bedeutet, daß die Summe beider Signale immer möglichst gleich Null sein sollte, was einer maximalen Gleichtaktunterdrückung entspricht.These operational amplifiers are fed with symmetrical input signals, i.e. input signals that are equal in magnitude but have opposite signs in relation to a reference value. The output signals at the symmetrical outputs of such an operational amplifier should therefore have the same amplitudes but opposite signs. This means that the sum of both signals should always be equal to zero, which corresponds to maximum common-mode rejection.

Aufgabe der Neuerung ist es, einen Operationsverstärker der eingangs genannten Art anzugeben, der eine hohe Gleichtaktunterdrückung aufweist.The aim of the innovation is to provide an operational amplifier of the type mentioned above that has a high common-mode rejection.

Diese Aufgabe wird durch einen Operationsverstärker gemaß Anspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen eines derartigen Operationsverstärkers sind Gegenstand von Unteransprüchen.This object is achieved by an operational amplifier according to claim 1. Embodiments and further developments of such an operational amplifier are the subject of subclaims.

Die Neuerung wird nachfolgend anhand des in der einzigen Figur der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.The innovation is explained in more detail below using the embodiment shown in the only figure in the drawing.

Bei dem als Ausführungsbeispiel gezeigten Operationsverstärker sind als symmetrische Endstufe zwei nicht invertierende Verstärker 3, 4 vorgesehen, deren Ausgangsan-In the operational amplifier shown as an example, two non-inverting amplifiers 3, 4 are provided as a symmetrical output stage, the output of which

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Schlüsse 43, 44 die Ausgänge des Operationsverstärkers bilden. Die nichtinvertierenden Verstärker 3, 4 sind als Push-Pull-Ausgangsstufen mit hohem Eingangs- und niedrigem Ausgangswiderstand ausgeführt. Zwischen die Ausgangsanschlüsse der beiden nichtinvertierenden Verstärker 3, 4 ist ein aus zwei in Reihe geschalteten Widerständen 1, 2 bestehender Spannungsteiler geschaltet. Die Widerstände 1, 2 weisen identische Widerstandswerte auf, so daß der Teilungsfaktor des Spannungsteilers gleich 0,5 ist. Neben der gezeigten ohmschen Spannungsteilung können darüber hinaus auch bei bestimmten Anwendungen, insbesondere zur Frequenzkompensation, auch Spannungsteiler mit induktiven oder kapazitiven Anteilen vorgesehen werden.The outputs of the operational amplifier are formed by the terminals 43, 4. The non-inverting amplifiers 3, 4 are designed as push-pull output stages with high input and low output resistance. A voltage divider consisting of two resistors 1, 2 connected in series is connected between the output connections of the two non-inverting amplifiers 3, 4. The resistors 1, 2 have identical resistance values, so that the division factor of the voltage divider is 0.5. In addition to the ohmic voltage division shown, voltage dividers with inductive or capacitive components can also be provided for certain applications, in particular for frequency compensation.

Die Eingangsanschlüsse der beiden nichtinvertierenden Verstärker 3, 4 sind jeweils über eine Stromquelle 28, 29 mit einem positiven Versorgungspotential 45 gekoppelt und zum anderen mit dem Kollektor eines npn-Transistors 24, 26 verbunden. Die Emitter der beiden Transistoren 24, 26 sind über jeweils einen Widerstand 25, 27 auf ein negatives Versorgungspotential 46 geführt. Die Basen der beiden Transistoren 24, 26 sind jeweils mit Basis und Kollektor eines npn-Transistors 13, 14 verbunden, deren Emitter wiederum über jeweils einen Widerstand 11, 12 mit dem negativen Versorgungspotential 46 verschaltet sind. Die miteinander verbundenen Basen und Kollektoren der npn-Transistoren 13, 14 sind zudem mit dem Kollektor jeweils eines pnp-Transistors 20, 21 verbunden, deren Emitter wiederum mit den Emittern jeweils eines npn-Transistors 5, 6 verschaltet sind. Die Kollektoren der beiden npn-Transistoren 5, 6 sind miteinander sowie mit Basis und Kollektor eines pnp-Transistors 7 und mit der Basis eines pnp-Transistors 41 verbunden. Die Emitter der beiden pnp-Transistoren 7, 41 sind über jeweils einen Widerstand 8, 40 an das positive Versorgungspotential 45 angeschlossen. Schließlich ist der KollektorThe input connections of the two non-inverting amplifiers 3, 4 are each coupled to a positive supply potential 45 via a current source 28, 29 and are also connected to the collector of an npn transistor 24, 26. The emitters of the two transistors 24, 26 are each connected to a negative supply potential 46 via a resistor 25, 27. The bases of the two transistors 24, 26 are each connected to the base and collector of an npn transistor 13, 14, the emitters of which are in turn connected to the negative supply potential 46 via a resistor 11, 12. The interconnected bases and collectors of the npn transistors 13, 14 are also connected to the collector of a pnp transistor 20, 21, whose emitters are in turn connected to the emitters of a npn transistor 5, 6. The collectors of the two npn transistors 5, 6 are connected to each other as well as to the base and collector of a pnp transistor 7 and to the base of a pnp transistor 41. The emitters of the two pnp transistors 7, 41 are each connected to the positive supply potential 45 via a resistor 8, 40. Finally, the collector

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des pnp-Transistors Al zum einen mit den Basen der beiden pnp-Transistoren 20, 21 verbunden und zum anderen über eine Stromquelle 42 mit dem negativen Versorgungspotential 46 gekoppelt. Als Eingänge 9, 10 des Operationsverstärkers sind die Basen der beiden npn-Transistoren 5, 6 vorgesehen.of the pnp transistor Al is connected on the one hand to the bases of the two pnp transistors 20, 21 and on the other hand coupled via a current source 42 to the negative supply potential 46. The bases of the two npn transistors 5, 6 are provided as inputs 9, 10 of the operational amplifier.

Des weiteren ist der Kollektor des pnp-Transistors 20 mit den Kollektoren eines pnp-Transistor 22 und eines npn-Transistors 32 verbunden. In gleicher Weise ist der Kollektor des pnp-Transistors 21 mit den Kollektoren eines pnp-Transistors 23 und eines npn-Transistors 30 verschaltet. Die Emitter der pnp-Transistoren 22, 23 sind miteinander und mit dem Emitter eines npn-Transistors verbunden. Der Kollektor des npn-Transistors 16 ist mit der Basis eines pnp-Transistors 38, mit Basis und Kollektor eines pnp-Transistors 17 sowie mit dem Kollektor eines npn-Transistors 15.verschaltet. An der Basis des npn-Transistors 15 liegt dabei ein Referenzpotential 19 an. Der Emitter des npn-Transistors 15 ist auf den Emitter eines pnp-Transistors 36 geführt, dessen Kollektor wiederum mit Basis und Kollektor eines npn-Transistors 34 verschaltet ist. Die Emitter der npn-Transistoren 34, 32, 30, deren Basen im übrigen miteinander verbunden sind, sind jeweils über einen Widerstand 35, 33, 31 mit dem negativen Versorgungspotential 46 gekoppelt.Furthermore, the collector of the pnp transistor 20 is connected to the collectors of a pnp transistor 22 and an npn transistor 32. In the same way, the collector of the pnp transistor 21 is connected to the collectors of a pnp transistor 23 and an npn transistor 30. The emitters of the pnp transistors 22, 23 are connected to each other and to the emitter of an npn transistor. The collector of the npn transistor 16 is connected to the base of a pnp transistor 38, to the base and collector of a pnp transistor 17 and to the collector of an npn transistor 15. A reference potential 19 is applied to the base of the npn transistor 15. The emitter of the npn transistor 15 is connected to the emitter of a pnp transistor 36, the collector of which is in turn connected to the base and collector of an npn transistor 34. The emitters of the npn transistors 34, 32, 30, whose bases are otherwise connected to one another, are each coupled to the negative supply potential 46 via a resistor 35, 33, 31.

Die Emitter der pnp-Transistoren 17, 38 sind über jeweils einen Widerstand 18, 37 mit dem positiven Versorgungspotential 45 gekoppelt. Der Kollektor des pnp-Transistors 38 ist zum einen mit den Basen der pnp-Transistoren 36, 22, 23 verbunden und zum anderen über eine Stromquelle 39 mit dem negativen Versorgungspotential 46 gekoppelt. Schließlich ist die Basis des npn-Transistors 16 mit dem den Abgriff des Spannungsteilers bildenden Knotenpunkt zwischen den Widerständen 1, 2 verbunden.The emitters of the pnp transistors 17, 38 are each coupled to the positive supply potential 45 via a resistor 18, 37. The collector of the pnp transistor 38 is connected to the bases of the pnp transistors 36, 22, 23 and is also coupled to the negative supply potential 46 via a current source 39. Finally, the base of the npn transistor 16 is connected to the node between the resistors 1, 2, which forms the tap of the voltage divider.

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Bei einem erfindungsgemäßen Operationsverstärker wird mittels des Spannungsteilers ein Mittelwert der an den Ausgängen 43, 44 anliegenden symmetrischen Spannung gebildet, der in einer zweiten Differenzverstärkerstufe mit demIn an operational amplifier according to the invention, a mean value of the symmetrical voltage present at the outputs 43, 44 is formed by means of the voltage divider, which is then combined in a second differential amplifier stage with the

Referenzwert 19 verglichen wird. Diese Differenzverstärkerstufe besteht im vorliegenden Ausführungsbeispiel im wesentlichen aus den beiden npn-Transistoren 15, 16 und einer Stromquellenanordnung mit dem pnp-Transistor 17 sowie dem Widerstand 18. Einer ersten Differenzverstärkerstufe, die beispielsweise der zuvor genannten entspricht, wird über die Eingänge 9, 10 ein symmetrisches Eingangssignal zugeführt. Diese erste Differenzverstärkerstufe, die im wesentlichen durch die npn-Transistoren 5, 6, den pnp-Transistor 7 sowie den Widerstand 8 gegeben ist, ist mit einer Last abgeschlossen. Die Last wird im vorliegenden Fall durch zwei Stromspiegel gebildet, die jeweils mit einem Ausgangsanschluß der ersten Differenzverstärkerstufe gekoppelt sind. Dies ist zum einen der Stromspiegel mit den npn-Transistoren 13, 24 sowie den Widerständen 11, 25 und zum anderen der Stromspiegel mit den npn-Transistoren 14, 26 sowie den Widerständen 12, 27. Außer zur Erzeugung der Last dienen die beiden Stromspiegel darüber hinaus in Verbindung mit den Stromquellen 28, 29 zur Signalauskopplung für die beiden nicht invertierenden Verstärker 3, 4, wobei die Transistoren 24, 26 die Signale über den Lasten invertieren und verstärken. Mit der Last ist die zweite Differenzverstärkerstufe nun derart gekoppelt, daß ein Stromzweig dieser Differenzverstärkerstufe auf die Eingangskreise beider Stromspiegel in gleichem Maße wirkt. Dazu wird der durch den npn-Transistor 16 fließende Strom mittels der pnp-Transistoren 22, 23 in zwei gleich große Ströme aufgeteilt und diese in die Eingangskreise der beiden Stromspiegel eingespeist werden.Reference value 19 is compared. In the present embodiment, this differential amplifier stage consists essentially of the two npn transistors 15, 16 and a current source arrangement with the pnp transistor 17 and the resistor 18. A first differential amplifier stage, which corresponds to the one mentioned above, for example, is supplied with a symmetrical input signal via the inputs 9, 10. This first differential amplifier stage, which is essentially provided by the npn transistors 5, 6, the pnp transistor 7 and the resistor 8, is terminated with a load. In the present case, the load is formed by two current mirrors, each of which is coupled to an output connection of the first differential amplifier stage. This is, on the one hand, the current mirror with the npn transistors 13, 24 and the resistors 11, 25 and, on the other hand, the current mirror with the npn transistors 14, 26 and the resistors 12, 27. In addition to generating the load, the two current mirrors also serve, in conjunction with the current sources 28, 29, to output signals for the two non-inverting amplifiers 3, 4, whereby the transistors 24, 26 invert and amplify the signals via the loads. The second differential amplifier stage is now coupled to the load in such a way that a current branch of this differential amplifier stage acts equally on the input circuits of both current mirrors. To do this, the current flowing through the npn transistor 16 is divided into two equal currents using the pnp transistors 22, 23 and these are fed into the input circuits of the two current mirrors.

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Beide Differenzverstärkerstufen wiesen kollektorgekoppelte Transistorpaare - nämlich die npn-Transistoren 15, 16 bzw. 5,6- auf, deren Versorgungsströme über jeweils einen zugeordneten Stromspiegel 17, 18, 37, 38 bzw. 7, 8, AO, in Verbindung mit jeweils einer Konstantstromquelle - den Stromquellen 39 bzw. 42 - an den Basen der pnp-Transistoren 34, 32, 30 bzw. 20, 21 die jeweiligen Hilfspotentiale erzeugen, die wiederum über die pnp-Transistoren 34, 32, 30 bzw. 20, 21 in Verbindung mit den npn-Transistoren 15, 16 bzw. 5, 6 den Versorgungsstrom der jeweiligen Differenzverstärkerstufe bestimmen. Damit ergeben sich insgesamt jeweils Regelkreise für die Versorgungsströme der Differenzverstärkerstufen, deren Weite hauptsächlich vom Konstantstrom der jeweiligen Stromquelle 39 bzw. 42 sowie vom Übersetzungsverhältnis des jeweils zugeordneten Stromspiegels abhängen.Both differential amplifier stages had collector-coupled transistor pairs - namely the npn transistors 15, 16 and 5,6 - whose supply currents, via an associated current mirror 17, 18, 37, 38 and 7, 8, AO, in conjunction with a constant current source - the current sources 39 and 42 - generate the respective auxiliary potentials at the bases of the pnp transistors 34, 32, 30 and 20, 21, respectively, which in turn determine the supply current of the respective differential amplifier stage via the pnp transistors 34, 32, 30 and 20, 21 in conjunction with the npn transistors 15, 16 and 5, 6, respectively. This results in a total of control loops for the supply currents of the differential amplifier stages, the width of which depends mainly on the constant current of the respective current source 39 or 42 and on the transformation ratio of the respective associated current mirror.

Damit wird zum einen eine höhere Verstärkung bei den einzelnen Differenzverstärkerstufen erzielt und zum anderen eine sehr effektive und unaufwendige Stromaufteilung für die beiden Lasten mittels der pnp-Transistoren 22, 23 bei der zweiten Differenzverstärkerstufe ermöglicht.This achieves, on the one hand, a higher gain in the individual differential amplifier stages and, on the other hand, enables a very effective and inexpensive current distribution for the two loads using the pnp transistors 22, 23 in the second differential amplifier stage.

Zur Erhöhung der Steilheit ist zudem ein Stromspiegel mit einem Eingangskreis und zwei Ausgangskreisen vorgesehen, der durch die npn-Transistoren 30, 32, 34 in Verbindung mit den Widerständen 31, 33, 35 gebildet wird.To increase the steepness, a current mirror with one input circuit and two output circuits is also provided, which is formed by the npn transistors 30, 32, 34 in conjunction with the resistors 31, 33, 35.

Abschließend sei bemerkt, daß der erfindungsgemäße Operationsverstärker im besonderen für bipolare Schaltungstechnik ausgelegt ist, jedoch auch ohne weiteres in MOS-Technologie realisiert werden kann. Indem der Mittelwert der symmetrischen Ausgangsspannung gegenüber einem Referenzpotential ausgeregelt wird, wird eine sehr hohe Gleichtaktunterdrückung erzielt. Die Schaltung selbst ist dabeiFinally, it should be noted that the operational amplifier according to the invention is designed in particular for bipolar circuit technology, but can also be easily implemented in MOS technology. By regulating the mean value of the symmetrical output voltage against a reference potential, a very high common-mode rejection is achieved. The circuit itself is

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derart ausgelegt, daß mit geringem Aufwand insbesondere bei bipolarer Technologie eine in hohem Maße toleranzfreie und effektive Regelung ergibt.designed in such a way that a highly tolerance-free and effective control is achieved with little effort, especially with bipolar technology.

Claims (1)

92 6 1 3 1 6 OE92 6 1 3 1 6 OE x Schutzansprüche x Protection claims 1. Operationsverstärker1. Operational amplifier mit einem Spannungsteiler (1, 2), der zwischen die Ausgänge des Operationsverstärkers bildende Ausgangsanschlüsse einer symmetrischen Endstufe (3, 4) geschaltet ist,with a voltage divider (1, 2) which is connected between the output terminals of a symmetrical output stage (3, 4) forming the outputs of the operational amplifier, mit einer ersten Differenzverstärkerstufe (5 bis 8), deren Eingangsanschlüsse die symmetrischen Eingänge (9, 10) des Operationsverstärkers bilden und deren Ausgangsanschlüsse zum einen jeweils mit einer Last (11 bis 14) abgeschlossen und zum anderen mit jeweils einem Eingangsanschluß der Endstufe (3, 4) gekoppelt sind, und mit einer zweiten Differenzverstärkerstufe (15 bis 18), deren einer Eingangsanschluß an ein Referenzpotential (19) und deren anderer Eingangsanschluß an den Abgriff des Spannungsteilers (1, 2) angeschlossen ist und bei dem ein Ausgangsanschluß mit beiden Lasten (11 bis 14) gekoppelt ist.with a first differential amplifier stage (5 to 8), whose input connections form the symmetrical inputs (9, 10) of the operational amplifier and whose output connections are each terminated with a load (11 to 14) and are each coupled with an input connection of the output stage (3, 4), and with a second differential amplifier stage (15 to 18), one input connection of which is connected to a reference potential (19) and the other input connection of which is connected to the tap of the voltage divider (1, 2) and in which an output connection is coupled to both loads (11 to 14). 2. Operationsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kopplung des einen Ausgangsanschlusses des zweiten Differenzverstärkers (15 bis 18) mit den beiden Lasten (11 bis 14) zwischen jeweils eine der Lasten (11 bis 14) und den Ausgangsanschluß die gesteuerten Strecken zweier Transistoren (22, 23) geschaltet sind, an deren Steueranschlüssen ein erstes Hilfspotential angelegt ist.2. Operational amplifier according to claim 1, characterized in that for coupling the one output terminal of the second differential amplifier (15 to 18) to the two loads (11 to 14) between each of the loads (11 to 14) and the output terminal, the controlled paths of two transistors (22, 23) are connected, to whose control terminals a first auxiliary potential is applied. 3. Operationsverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Lasten (11 bis 14) die Eingangskreise zweier Stromspiegel (11, 13, 24, 25; 12, 14, 26, 27) vorgesehen sind, deren Ausgangskreise jeweils zum einen mit einer Stromquelle (28; 29) und zum anderen mit einem der Eingangsanschlüsse3. Operational amplifier according to claim 1 or 2, characterized in that the input circuits of two current mirrors (11, 13, 24, 25; 12, 14, 26, 27) are provided as loads (11 to 14), the output circuits of which are each connected on the one hand to a current source (28; 29) and on the other hand to one of the input terminals 92 6 1 3 1 6 OE92 6 1 3 1 6 OE der Endstufe (3, A) verbunden sind.the output stage (3, A). A. Operationsverstärker nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß den Lasten (11 bis IA) jeweils ein Ausgangskreis eines weiteren Stromspiegels (30 bsi 35) parallel geschaltet ist, dessen Eingangskreis über die gesteuerte Strecke eines weiteren, mit seinem Steueranschluß an dem ersten Hilfspotential liegenden Transistor (36) mit dem anderen Ausgangsanschluß der zweiten Differenzverstärkerstufe (15 bis 18) gekoppelt ist.A. Operational amplifier according to claim 2 or 3, characterized in that an output circuit of a further current mirror (30 to 35) is connected in parallel with the loads (11 to IA), the input circuit of which is coupled to the other output terminal of the second differential amplifier stage (15 to 18) via the controlled path of a further transistor (36) having its control terminal connected to the first auxiliary potential. 5. Operationsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis A, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Ausgangsanschlüsse der ersten Differenzverstärkerstufe (5 bis 8) und die Lasten (11 bis IA) jeweils die gesteuerte Strecke eines mit seinen Steueranschlüssen an einem zweiten Hilfspotential liegenden Transistors (20, 21) geschaltet ist.5. Operational amplifier according to one of claims 1 to A, characterized in that between the output terminals of the first differential amplifier stage (5 to 8) and the loads (11 to IA) there is connected in each case the controlled path of a transistor (20, 21) having its control terminals at a second auxiliary potential. 6. Operationsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet-, daß mindestens eine der Differenzverstärkerstufen (5 bis 8; 15 bis 18) ein aus einer Stromquelle (7, 8; 17, 18) ge speistes, kollektorgekoppeltes, bipolare Transistorpaar (5, 6; 15, 16) aufweist.6. Operational amplifier according to one of claims 1 to 5, characterized in that at least one of the differential amplifier stages (5 to 8; 15 to 18) has a collector-coupled bipolar transistor pair (5, 6; 15, 16) fed from a current source (7, 8; 17, 18). 7. Operationsverstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß erstes bzw. zweites Hilfspotential entsprechend dem Versorgungsstrom der ersten bzw. zweiten Differenzverstärkerstufe (5 bis 8; 15 bis 18) geregelt wird.7. Operational amplifier according to claim 6, characterized in that the first or second auxiliary potential is regulated according to the supply current of the first or second differential amplifier stage (5 to 8; 15 to 18).
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