EP2013968A1

EP2013968A1 - Operationsverstärker

Info

Publication number: EP2013968A1
Application number: EP07724519A
Authority: EP
Inventors: Odile Dequiedt; Wolfram Kluge
Original assignee: Atmel Germany GmbH
Current assignee: Atmel Germany GmbH
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2007-04-24
Publication date: 2009-01-14
Also published as: DE102006020485B4; WO2007124895A1; CN101432964A; DE102006020485A1; US7535300B2; CN101432964B; US20080084245A1

Abstract

Operationsverstärker und Verwendung eines Operationsverstärkers mit einem Eingangsdifferenzverstärker (A1, A2, A3, A4), der mit einem ersten Eingang (In11, In12, In13, In14) und mit einem zweiten Eingang (In21 , In22, In23, In24) verbunden ist, und mit einer differentiellen Ausgangsstufe (D1, D2, D3, D4), die mit dem Eingangsdifferenzverstärker (A1, A2, A3, A4) und einem ersten Ausgang (O21, O22, O23, O24) und einem zweiten Ausgang (O11, O12, O13, O14) verbunden ist, bei dem die differentielle Ausgangsstufe (D1, D2, D3, D4) einen ersten Zweig mit zwei ersten Transistoren ([MP211, MN211], [MP221, MN221], [QP231, QN231], [QP241, QN241]) aufweist, deren Drain beziehungsweise Kollektor miteinander und mit dem ersten Ausgang (O21, O22, O23, O24) verbunden sind, die differentielle Ausgangsstufe (D1, D2, D3, D4) einen zweiten Zweig mit zwei zweiten Transistoren ([MP212, MN212], [MP222, MN222], [QP232, QN232], [QP242, QN242]) aufweist, deren Drain beziehungsweise Kollektor miteinander und mit dem zweiten Ausgang (O11, O12, O13, O14) verbunden sind, die ersten Gates beziehungsweise die ersten Basen der zwei ersten Transistoren ([MP211, MN211], [MP221, MN221], [QP231, QN231], [QP241, QN241]) im ersten Zweig miteinander und mit einem ersten Ausgang (OD11, OD12, OD13, OD24) des Eingangsdifferenzverstärkers (A1, A2, A3, A4) verbunden sind, die zweiten Gates beziehungsweise die zweiten Basen der zwei zweiten Transistoren ([MP212, MN212], [MP222, MN222], [QP232, QN232], [QP242, QN242]) im zweiten Zweig miteinander und mit einem zweiten Ausgang (OD21, OD22, OD23, OD14) des Eingangsdifferenzverstärkers (A1, A2, A3, A4) verbunden sind, die differentielle Ausgangsstufe (D1, D2, D3, D4) eine Konstantstromquelle (CS21, CS22, CS23, CS24) aufweist, die mit jedem Zweig zur Speisung eines Stromes (I21, I22, I23, I24) durch die Zweige verbunden ist.

Description

Operationsverstärker

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Operationsverstärker, insbesondere für ein batteriebetriebenes Funksystem.

Verstärker werden für eine Vielzahl von Anwendungsfällen benötigt. So werden Verstärker für Filterschaltungen oder zur Verstärkung von Messsignalen, beispielsweise in Sensorsystemen verwendet. Eine bekannte Verstärkerschaltung ist beispielsweise der Operationsverstärker. Für ein weites Anwendungsgebiet können Verstärker vorteilhafterweise ein breites Frequenzband verstärken. Für einige Anwendungen ist es auch ausreichend, dass der Verstärker als Selektivverstärker lediglich ein schmales Frequenzband im Bereich einer Betriebsfrequenz verstärkt.

Ein Operationsverstärker kann einen Eingangsdifferenzverstärker und eine Ausgangsstufe aufweisen. Ein Operationsverstärker ist beispielsweise in „Analoge Schaltungen"; Seifart; 4. Aufl.; Verlag Technik Berlin; 1994; Seiten 276 bis 286 offenbart. Die Eingangsstufe eines Operationsverstärkers ist beispielsweise ein Differenzverstärker. Ein Differenzverstärker ist beispielsweise in „Analoge Schaltungen"; Seifart; 4. Aufl.; Verlag Technik Berlin; 1994; Seiten 107 ff. offenbart. Die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers ist proportional zur Differenzspannung zwischen beiden Eingangsklemmen. Gleichtaktspannungen, die an beiden Eingängen in gleicher Amplitude und Phasenlage wirken, werden vom idealen Differenzverstärker nicht verstärkt. Die vorteilhaften Eigenschaften erhält der Differenzverstärker durch seinen weitgehend symmetrischen Aufbau. Die Emitter der beiden Eingangstransistoren können miteinander und mit einer Eingangskonstantstromquelle verbunden sein.

In IEEE Journal of Solid-State Circuits, VOL. 38, NO. 2, Feb. 2003; Seiten 176 ff. ist ein Niederleistungs - 2,4 GHz - Sender/Empfänger - CMOS IC mit einem Differenzverstärker bekannt. Aus IEEE Journal of Solid-State Circuits, VOL. 38, NO. 4, April 2003 ist ein 5,2 GHz Nieder-Rauschen-Verstärker in 0,35 μm CMOS-Technologie mit einem Differenzverstärker bekannt.

In IEEE International Solid-State Circuits Conference, 1994, Paper FA 14.1 ist ein 3V CMOS Rail-to-Rail Input/Output Operational Amplifier for VLSI Cell Libraries offenbart. In IEEE Journal of Solid-State Circuits, VOL. 35, NO. 4, APRIL 2000 ist ein 1.2 V CMOS Operational Amplifier with Dynamically Biased Output Stage offenbart.

Aus der WO 01/73943 A1 ist eine elektronische Ausgangsstufe für CMOS- LVDS-Pegel (LVDS-Iow voltage differential signaling) zur Anwendung in analogen und digitalen Hochfrequenzschaltungen bekannt. Die Ausgangsstufe weist einen ersten und einen zweiten Transistor auf, die mit einem ersten Anschluss an eine Stromquelle und mit einem Steueranschluss an Eingangsanschlüsse angeschlossen sind. Ein dritter und ein vierter Transistor sind mit einem ersten Anschluss an ein Versorgungspotential angeschlossen mit einem zweiten Anschluss an einen zweiten Anschluss des ersten und des zweiten Transistors sowie an einen Ausgangsanschluss und mit einem Steueranschluss an umgeformte Eingangssignale. Zur Umformung der Eingangssignale ist ein Differenzverstärker vorgesehen, der mit dem Steueranschluss des dritten und vierten Transistors verbunden ist. Der Differenzverstärker dient dazu die Eingangssignale zu verstärken, zu invertieren und mit einem Spannungsoffset zu versehen. Auch ist es möglich über Hoch- und Niedrig-Pegel aus dem Differenzverstärker die gewünschte Ausgangsspannung am Ausgang der Ausgangsstufe einzustellen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen möglichst einfachen Operationsverstärker für eine möglichst hohe Stromtreiberfähigkeit zu entwickeln.

Diese Aufgabe wird durch einen Operationsverstärker mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Demzufolge ist ein Operationsverstärker mit mindestens einem Eingangsdifferenzverstärker und mindestens einer Ausgangsstufe vorgesehen. Der Eingangsdifferenzverstärker ist mit einem ersten Eingang und mit einem zweiten Eingang verbunden. Die Ausgangsstufe ist differentiell ausgebildet, so dass diese mit einem ersten Ausgang und einem zweiten Ausgang des Operationsverstärkers verbunden ist. Ein durch den Operationsverstärker verstärktes Nutzsignal ist an dem ersten Ausgang und an dem zweiten Ausgang dabei gegenphasig.

Die Ausgangsstufe kann mit dem Eingangsdifferenzverstärker indirekt über eine weitere Stufe verbunden sein. Vorzugsweise ist die Ausgangsstufe mit dem Eingangsdifferenzverstärker jedoch direkt verbunden. Die Ausgangsstufe weist Bipolartransistoren oder Feldeffekttransistoren auf.

Die differentielle Ausgangsstufe weist einen ersten Zweig mit zwei ersten Transistoren auf, deren Drain beziehungsweise Kollektor miteinander und mit dem ersten Ausgang verbunden sind. Die differentielle Ausgangsstufe weist weiterhin einen zweiten Zweig mit zwei zweiten Transistoren auf, deren Drain beziehungsweise Kollektor miteinander und mit dem zweiten Ausgang verbunden sind. Vorzugsweise sind der erste Zweig und der zweite Zweig symmetrisch ausgebildet. Vorzugsweise weisen der erste Zweig und der zweite Zweig gleiche Transistoren auf. Unter gleichen Transistoren werden dabei Transistoren verstanden, die voneinander bedingt durch Toleranzen des Fertigungsprozesses geringe Unterschiede aufweisen können.

Die ersten Gates beziehungsweise die ersten Basen der zwei ersten Transistoren im ersten Zweig sind miteinander und mit einem ersten

Ausgang des Eingangsdifferenzverstärkers verbunden. Die zweiten Gates beziehungsweise die zweiten Basen der zwei zweiten Transistoren sind im zweiten Zweig miteinander und mit einem zweiten Ausgang des

Eingangsdifferenzverstärkers verbunden. Die derart verbundenen zwei ersten Transistoren und zwei zweiten Transistoren werden im Folgenden als

Vollbrücke bezeichnet.

An beiden Gate-Anschlüssen beziehungsweise an beiden Basis-Anschlüssen der Transistoren eines Zweiges liegt daher stets dieselbe Spannung an. Es sind keine Stufen zur Einstellung einer für die zwei Gates beziehungsweise zwei Basen eines Zweiges unterschiedlichen Bias-Spannung vorgesehen.

Die zwei Transistoren eines Zweiges sind vorzugsweise als so genannte push-pull-Stufe verschaltet. Vorzugsweise weist jeder Zweig einen N-Kanal- Feldeffekttransistor (NMOS, N-JFET) und einen P-Kanal-Feldeffekttransistor (PMOS, P-JFET) auf. Bei der push-pull-Stufe ist dabei vorteilhafterweise die Source des N-Kanal-Feldeffekttransistor mit Masse oder einem negativen Versorgungsspannungsanschluss verbunden. Alternativ ist vorzugsweise die Source des P-Kanal-Feldeffekttransistors mit einem positiven Versorgungsspannungsanschluss verbunden.

Alternativ weist jeder Zweig einen npn-Bipolartransistor und einen pnp- Bipolartransistor auf. Bei der push-pull-Stufe ist dabei vorteilhafterweise der Emitter des npn-Transistors mit Masse oder einem negativen Versorgungsspannungsanschluss verbunden. Alternativ ist vorzugsweise der Emitter des pnp-Transistors mit einem positiven Versorgungsspannungsanschluss verbunden. Die Vollbrücke ist somit vorzugsweise aus zwei push-pull-Stufen (Gegentakt- verstärker) gebildet. Die beiden Zweige sind vorteilhafterweise im Rahmen von Fertigungstoleranzen gleich ausgebildet. Der Drain beziehungsweise Kollektor jedes Transistors eines Zweiges ist mit einem Ausgang des Operationsverstärkers verbunden. Somit sind die Lastanschlüsse an der Vollbrücke in der Brückendiagonalen ausgebildet.

Weiterhin weist die differentielle Ausgangsstufe eine Konstantstromquelle auf. Die Konstantstromquelle ist mit jedem Zweig zur Speisung eines Stromes verbunden. Hierzu ist die Konstantstromquelle mit einer Source beziehungsweise einem Emitter eines Transistors der ersten Transistoren des ersten Zweiges und mit einer Source beziehungsweise einem Emitter eines Transistor der zweiten Transistoren des zweiten Zweiges verbunden. Eine Source beziehungsweise ein Emitter des anderen Transistors der ersten Transistoren des ersten Zweiges ist vorzugsweise mit einem Versorgungsspannungsanschluss verbunden. Zudem ist vorzugsweise eine Source beziehungsweise ein Emitter des anderen Transistors der zweiten Transistoren des zweiten Zweiges mit dem Versorgungsspannungsanschluss verbunden. Folglich sind die durch die Transistoren gebildeten push-pull- Stufen mit der Konstantstromquelle verbunden, beziehungsweise ist die Konstantstromquelle mit der Vollbrücke zur Speisung eines Stromes durch die Vollbrücke verbunden.

Werden beispielsweise Feldeffekttransistoren in der differentiellen Ausgangsstufe verwendet, fließt der Konstantstrom durch die Speisung mittels der Konstantstromquelle über Drain-Source-Strecken der Transistoren. Ein kleiner Anteil fließt bei hohen Frequenzen zudem als Verschiebestrom über die Gate-Kapazitäten und die Gate-Anschlüsse ab oder zu. Werden beispielsweise Bipolartransistoren in der differentiellen Ausgangsstufe verwendet, fließt der Konstantstrom durch die Speisung mittels der Konstantstromquelle über Kollektor-Emitter-Strecken der Transistoren. Ein kleiner Anteil fließt zudem als Basisstrom über die Basis- Anschlüsse der Bipolartransistoren ab oder zu. Unter einer Konstantstromquelle ist dabei je nach Flussrichtung des Stromes eine Stromquelle oder eine Stromsenke zu verstehen.

Gemäß einer ersten Ausgestaltungsvariante sind die zwei ersten Transistoren komplementäre Bipolartransistoren und die zwei zweiten Transistoren komplementäre Bipolartransistoren. Gemäß einer zweiten Ausgestaltungsvariante sind die zwei ersten Transistoren komplementäre Feldeffekttransistoren und die zwei zweiten Transistoren komplementäre Feldeffekttransistoren.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Arbeitspunkt der Ausgangsstufe derart eingestellt ist, dass im Arbeitspunkt der Konstantstrom der Konstantstromquelle zur einen Hälfte durch die zwei ersten Transistoren des ersten Zweiges und zur anderen Hälfte durch die zwei zweiten Transistoren des zweiten Zweiges fließt. Unter der Hälfte des Stromes wird dabei nicht eine mathematische Hälfte sondern eine hälftige Aufteilung des Stromes im Rahmen der Fertigungstoleranzen des Operationsverstärkers verstanden. Der Ausgangsstrom oder die Ausgangspannung des Operationsverstärkers weist aufgrund dieser Fertigungstoleranzen üblicherweise einen geringen Offset auf.

Vorzugsweise weist der Eingangsdifferenzverstärker einen ersten Eingangstransistor und einen zweiten Eingangstransistor auf. Vorzugsweise sind zudem ein erster Source-Anschluss beziehungsweise ein erster Emitteranschluss des ersten Eingangstransistors und ein zweiter Source- Anschluss beziehungsweise ein zweiter Emitteranschluss des zweiten Eingangstransistors mit einer Eingangskonstantstromquelle verbunden. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Konstantstromquelle der differentiellen Ausgangsstufe und die Eingangskonstant- stromquelle des Eingangsdifferenzverstärkers an demselben Versorgungs- spannungsanschluss des Operationsverstärkers angeschlossen.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Verwendung eines Operationsverstärkers für ein batteriebetriebenes Funksystem. Dabei weist der Operationsverstärker einen Eingangsdifferenzverstärker und eine differentielle Ausgangsstufe auf, die mit dem Eingangsdifferenzverstärker verbunden ist. Die differentielle Ausgangsstufe weist einen ersten Zweig mit einer push-pull-Stufe mit zwei ersten Transistoren und einen zweiten Zweig mit einer push-pull-Stufe mit zwei zweiten Transistoren auf. Die differentielle Ausgangsstufe weist weiterhin eine Konstantstromquelle auf, die mit jeder push-pull-Stufe zur Speisung eines Stromes durch die push-pull-Stufen verbunden ist.

Die zuvor beschriebenen Weiterbildungsvarianten sind sowohl einzeln als auch in Kombination besonders vorteilhaft. Dabei können sämtliche Weiterbildungsvarianten untereinander kombiniert werden. Einige mögliche Kombinationen sind in der Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Figuren erläutert. Diese dort dargestellten Möglichkeiten von Kombinationen der Weiterbildungsvarianten sind jedoch nicht abschließend.

Im Folgenden wird die Erfindung in Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Dabei zeigen

Fig. 1 einen ersten schematischen Schaltplan eines ersten

Ausführungsbeispiels eines Operationsverstärkers;

Fig. 2 einen zweiten schematischen Schaltplan eines zweiten

Ausführungsbeispiels eines Operationsverstärkers; Fig. 3 einen dritten schematischen Schaltplan eines dritten

Ausführungsbeispiels eines Operationsverstärkers; und

Fig. 4 einen vierten schematischen Schaltplan eines vierten

Ausführungsbeispiels eines Operationsverstärkers.

Fig. 1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Operationsverstärkers. Ziel dieses Ausführungsbeispiels des Operationsverstärkers ist es, einen möglichst geringen Stromverbrauch oder eine möglichst hohe Stromtreiberfähigkeit bei gegebenem Betriebsstrom zu erreichen. Der Operationsverstärker weist einen Eingangsdifferenzverstärker A1 auf, der mit einem ersten Eingang In-π und mit einem zweiten Eingang In_2I des Operationsverstärkers verbunden ist. Weiterhin weist der Operationsverstärker eine differentielle Ausgangsstufe D1 auf, die mit dem Eingangsdifferenzverstärker A1 und einem ersten Ausgang On und einem zweiten Ausgang O₂i verbunden ist. Die Versorgungsspannung V+ im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 beträgt 1 ,8 V.

Die differentielle Ausgangsstufe D1 weist zwei NMOS-Feldeffekttransistoren Mp2n, MN2H und zwei PMOS-Feldeffekttransistoren MP212 und MN₂1₂ auf. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 werden als Transistoren Mp₂n, M_N2n, M_P212, und M_N2i₂ MOSFETS einer CMOS-Technologie verwendet. Alternativ können auch Sperrschichtfeldeffekttransistoren verwendet werden.

Als Ausgangsstufe können zwei push-pull-Stufen verwendet werden. Einer der beiden Transistoren jeder push-pull-Stufe, im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist dies der PMOS-Feldeffekttransistor eines Zweiges ist dabei nicht mit dem Source-Anschluss an der Betriebsspannung V+, sondern an einer Konstantstromquelle CS21 angeschlossen. Ein erster Zweig der differentiellen Ausgangsstufe D1 weist einen PMOS- Transistor M_P2n und einen NMOS-Transistor M_N2n auf, die vorzugsweise komplementär sind. Die Gate-Anschlüsse beider Transistoren M_P2n und M_N211 sind direkt miteinander verbunden. Weiterhin sind die Gate-Anschlüsse beider Transistoren Mp₂n und M_N2n mit einem Ausgang ODH des Eingangsdifferenzverstärkers A1 verbunden.

Ebenfalls sind die Drain-Anschlüsse beider Transistoren Mp₂n und MN2H direkt miteinander und mit einem Ausgang O₂i der Ausgangsstufe D1 verbunden. Der Source-An Schluss des NMOS-Transistor M_N2n ist mit einem Versorgungsspannungsanschluss - hier mit Masse GND - verbunden. Hingegen ist der Source-Anschluss des PMOS-Transistors Mp₂n mit der Konstantstromquelle CS₂₁ verbunden.

Ein zweiter Zweig weist ebenfalls einen PMOS-Transistor Mp_2I2 und einen NMOS-Transistor M_N212 auf, die vorzugsweise ebenfalls komplementär sind. Die Gate-Anschlüsse beider Transistoren Mp₂i₂ und MN₂₁₂ sind direkt miteinander verbunden. Weiterhin sind die Gate-Anschlüsse beider Transistoren M_P2i₂ und M_N212 mit einem Ausgang O_D2i des Eingangsdifferenzverstärkers A1 verbunden.

Ebenfalls sind die Drain-Anschlüsse beider Transistoren M_P212 und M_N2i₂ direkt miteinander und mit einem Ausgang O₂₂ der Ausgangsstufe D1 verbunden. Der Source-Anschluss des NMOS-Transistor M_N2i₂ ist mit einem Versorgungsspannungsanschluss - hier mit Masse GND - verbunden. Hingegen ist der Source-Anschluss des PMOS-Transistors Mp₂₁₂ mit dem Source-Anschluss des PMOS-Transistors M_P2n des anderen Zweiges und mit der Konstantstromquelle CS_2I verbunden. Die Konstantstromquelle CS_2I ist mit einem Versorgungsspannungsanschluss, hier dem positiven Versorgungsspannungsanschluss V+, verbunden. Die vier Transistoren MP2H, MN2H , MP212, MN₂₁₂ können in der beschriebenen Verschaltung auch als Vollbrücke bezeichnet werden. Die differentielle Ausgangsstufe D1 weist daher die Konstantstromquelle CS₂₁ auf, die mit der Vollbrücke zur Speisung eines Stromes I₂₁ durch die Vollbrücke verbunden ist. Der Strom l₂i durch die Vollbrücke ist dabei ausschließlich durch die Konstantstromquelle CS₂₁ festgelegt, sofern durch die Ausgänge On oder O21 der Ausgangsstufe D1 kein zusätzlicher Strom den Strom I₂₁ der Konstantstromquelle CS₂₁ überlagert.

Die Konstantstromquelle CS₂₁ dient weiterhin der Arbeitspunkteinstellung. Die Spannung VDI stellt sich selbstständig ein, indem die ersten Transistoren des ersten Zweiges und die zweiten Transistoren des zweiten Zweiges mit der Konstantstromquelle CS₂₁ betrieben sind.

Der Eingangsdifferenzverstärker A1 weist zwei Eingangstransistoren M_Pm und Mp₁₁₂ auf, die im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 als PMOS- Feldeffekttransistoren ausgebildet sind. Alternativ können selbstverständlich auch andere Transistortypen, wie Sperrschichtfeldeffekttransistoren verwendet werden. Der Gate-Anschluss des ersten Eingangstransistors Mp₁₁₁ ist mit einem Eingang In_2I des Operationsverstärkers verbunden. Der Gate-Anschluss des zweiten Eingangstransistors M_Pn₂ ist mit dem anderen Eingang In₁₁ des Operationsverstärkers verbunden. Die Source-An Schlüsse beider Eingangstransistoren Mp₁₁₁ und Mp₁-_I2 sind direkt miteinander und mit einer Eingangskonstantstromquelle CS₁₁ verbunden. Die Eingangskonstant- Stromquelle CS₁₁ ist wiederum mit einem Versorgungsspannungsanschluss , hier mit dem positiven Versorgungsspannungsanschluss V+ verbunden.

Der Drain-Anschluss des ersten Eingangstransistors Mp_{H 1} ist mit einer weiteren Stromquelle und mit einem ersten Ausgang Op₁₁ des Eingangsdifferenzverstärkers A1 und somit direkt mit den Gate-Anschlüssen der Transistoren Mp₂₁₁ und M_N2n der differentiellen Ausgangsstufe D1 verbunden. Der Drain-Anschluss des zweiten Eingangstransistors ist mit einer wiederum weiteren Stromquelle und mit einem zweiten Ausgang Ooi2 des Eingangsdifferenzverstärkers A1 und somit direkt mit den Gate- Anschlüssen der Transistoren M_P212 und M_N2i₂ der differentiellen Ausgangsstufe D1 verbunden.

Für die mit der Konstantstromquelle CS21 verbundene Vollbrücke des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 wird im Gegensatz zu einem AB-Verstärker kein Ansteuerschaltkreis zur Bereitstellung von Bias- und Signalspannung an den Gates der Ausgangstransistoren M_P2n, M_N211, M_P212, und M_N2i2 benötigt. Dies hat den Vorteil, dass push-pull-Betrieb dieser Gegentaktstufe erreicht wird, ohne zusätzlichen Aufwand für die Ansteuerung der Ausgangstransistoren Mp₂n, IvWn, MP212, und M_N2i2 zu benötigen. Die maximal zu verstärkende Frequenz wird durch die elektrischen Eigenschaften der Ausgangstransistoren Mp2n, MN2H, MP212, und MN212 bestimmt und nicht durch zusätzliche Verstärkerstufen verringert.

Die maximale Treiberstärke wird erreicht, wenn die Steilheiten der PMOS- Feldeffekttransistoren und der NMOS-Feldeffekttransistoren im Rahmen von Fertigungstoleranzen gleich sind. In diesem Fall kann eine Signalamplitude (Spitze-Spitze) von maximal 2 x l₂i von den Transistoren des ersten Zweiges und des zweiten Zweiges an den Ausgängen On, O₂i abgegeben werden, wobei in jedem der beiden Zweige ein Ruhestrom von I₂₁/2 fließt. Ein weiterer möglicher Vorteil ist, dass die Schaltung der Fig. 1 einen geringen Versorgungsstrom benötigt, wobei der Strom In für den Eingangsdifferenzverstärker A1 durch die Konstantstromquelle CSn und der Strom I₂₁ für die Ausgangsstufe D1 durch die Konstantstromquelle CS21 festgelegt ist.

Für einen zuverlässigen Betrieb des Eingangsdifferenzverstärkers ist es im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 nur schlecht möglich die Eingangs-

Gleichtaktspannung auf die halbe Versorgungsspannung V+/2 von 0,9V zu legen. Die Summe aus Schwellspannung, Vdsat des Verstärkertransistors und Vdsat der Eingangskonstantstromquelle CSn sind im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 größer als 0,9 V. Somit kann die praktische Eingangs- Gleichtaktspannung bei 0,6V bis 0,7V liegen, womit eine symmetrische Aussteuerung der Ausgangsstufe D1 nicht erforderlich ist.

Die Gleichtaktregelschaltung, die für den differentiellen Operationsverstärker der Fig. 1 bevorzugt verwendet wird, ist in der Fig. 1 zur vereinfachten Darstellung nicht gezeigt.

In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Operationsverstärker als Schaltplan schematisch dargestellt. Die Ausgangsstufe D2 mit der Konstantstromquelle CS22 und den Transistoren MP221, MN221, MP222, und MN₂₂₂ unterscheidet sich nicht von der Ausgangsstufe D1 in Fig. 1. Hingegen weist der Eingangsdifferenzverstärker A2 einen ersten NMOS- Feldeffekttransistor M_N121 und einen zweiten NMOS-Feldeffekttransistor M_1M1₂₂ auf, deren Gate-Anschlüsse mit Eingängen Ini₂ und Iri₂₂ des Operationsverstärkers verbunden sind. Zudem sind die Source-Anschlüsse der Transistoren M_Ni₂₂. M_Ni2i mit einer Eingangskonstantstromquelle CS12 verbunden. Die Eingangskonstantstromquelle CS₁₂ ist wiederum mit Masse GND verbunden.

An den Eingängen Ini₂ und In₂₂ liegt ein Eingangssignal an, das sowohl einen Gleichtaktsignalanteil als auch einen Gegentaktsignalanteil aufweisen kann. Unter einem Gleichtaktsignal wird dabei ein Signal verstanden, dass an beiden Eingängen Ini₂ und In₂₂ des Eingangsdifferenzverstärkers A2 mit gleicher Frequenz und gleicher Phasenlage und gleicher Amplitude anliegt. Unter einem Gegentaktsignal wird ein an den Eingängen lni₂ und In₂₂ anliegendes Signal mit gleicher Frequenz, gleicher Amplitude und einer um 180° verschobenen Phase verstanden. Gleichtaktsignale und Gegentakt- Signale können auch einander überlagert sein. Das Gegentaktsignal ist dabei üblicherweise das Nutzsignal. Das Gegentaktsignal wird durch den Eingangsdifferenzverstärker A2 spannungsverstärkt und gelangt über die Ausgänge 0_Di₂ und O_D22 des Eingangsdifferenzverstärkers A2 an die Gate-Anschlüsse der Transistoren Mp22i, M_N221, MP222_> und M_N222 der Ausgangsstufe D2. Die Gate-Elektroden der Transistoren Mp22i, MN22I , MP222, und MN₂₂₂ stellen dabei eine kapazitive Impedanz als zusätzliche Last des Eingangsdifferenzverstärkers A2 dar. Je kleiner diese kapazitive Last ausgebildet ist, desto höher kann eine maximale Verstärkungsfrequenz des Eingangsdifferenzverstärkers A2 erzielt werden. Mit Verringerung der kapazitiven Last wird jedoch auch die Gate-Weite der Transistoren M_P22i, M_{N221 >} MP222, und M_N222 der Ausgangsstufe D2 verringert. Dies wiederum verringert die Stromtreibfähigkeit der Ausgangsstufe D2.

In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Operationsverstärker in Form eines Schaltplans schematisch dargestellt. In der Fig. 3 werden für den Eingangsdifferenzverstärker A3 und für die Ausgangsstufe D3 Bipolartransistoren Qp₂₃I, QN23I , QP23I , QP232, QN232, QNI3I und Qm₃₂ verwendet.

Der Eingangsdifferenzverstärker A3 weist npn-Bipolartransistoren QN₂32 und Q._N131 als Eingangstransistoren auf. Die Basen der Eingangstransistoren Q-N₂₃₂ und Q.N131 sind mit den Eingängen lni₃ und In₂3 des Operationsverstärkers verbunden. Die Emitter der Eingangstransistoren Q.N₂₃₂ und Q.N₁31 sind mit einer Eingangskonstantstromquelle CS₁₃ verbunden, die wiederum mit Masse GND verbunden ist.

Die Ausgangsstufe D3 weist einen ersten Zweig mit einem komplementären npn-Bipolartransistor Q_N23i und pnp-Bipolartransistor Qp₂₃i auf, deren Basen miteinander und mit einem Ausgangs O_Di₃ des Eingangsdifferenzverstärkers A3 verbunden sind. Weiterhin sind die Kollektoren des npn-Bipolartransistors QN23_I und des pnp-Bipolartransistors Qp₂3i miteinander und mit einem Ausgang O₁₃ der Ausgangsstufe D3 verbunden. Der Emitter des npn- Bipolartransistors Q_N23I ist mit einer Konstantstromquelle CS₂₃ verbunden, die wiederum mit Masse GND verbunden ist. Der Emitter des pnp- Bipolartransistors Q_P231 ist hingegen mit einem Versorgungsspannungs- anschluss, hier mit der positiven Versorgungsspannung V+, verbunden.

Weiterhin weist die Ausgangsstufe D3 einen zweiten Zweig mit einem komplementären npn-Bipolartransistor QN232 und pnp-Bipolartransistor Q_P232 auf. Der Emitter des npn-Bipolartransistors QN232 ist mit dem Emitter des npn-Bipolartransistors QN₂31 und mit der Konstantstromquelle CS₂3 verbunden. Demzufolge ist sowohl die Konstantstromquelle CS₂₃ der Ausgangsstufe D3 als auch die Eingangskonstantstromquelle CS₁₃ des Eingangsdifferenzverstärkers A3 mit demselben Versorgungsspannungs- potential (hier GND) verbunden.

Das Ausführungsbeispiel der Fig. 3 ist besonders für kleine Versorgungs- Spannungen durch eine Batterie geeignet. Hierzu sind vorzugsweise besonders kleine Basis-Emitter-Spannungen im Arbeitspunkt und hohe Stromverstärkungsfaktoren der Bipolartransistoren vorteilhaft. Für besonders hohe Frequenzen werden vorteilhafterweise Heterobipolartransistoren, beispielsweise mit einem Mischkristall aus Silizium-Germanium verwendet.

Fig. 4 zeigt ein wiederum anderes Ausführungsbeispiel eines Operationsverstärkers anhand eines schematischen Schaltplans. Im Unterschied zu Fig. 3 weist der Eingangsdifferenzverstärker A4 pnp- Bipolartransistoren Q_P14i und QPI₄₂ als Eingangstransistoren auf. Die Basen der Eingangstransistoren QPI₄I und Q._P142 sind mit den Eingängen lni₄ und In₂₄ des Operationsverstärkers verbunden. Die Emitter der Eingangstransistoren Qp_14I und Qp₁₄₂ sind mit einer Eingangskonstantstromquelle CS₁₄ verbunden, die wiederum mit der positiven Versorgungsspannung V+ verbunden ist. Das Ausführungsbeispiel der Fig. 4 weist den Vorteil auf, dass die Basisströme der Transistoren Qp24i, QN24I , QP242 und QN242 nicht durch Extrastufen separat eingestellt werden müssen, sondern durch die Stromverteilung des Stromes I₂₄ der Konstantstromquelle CS₂₄ automatisch in ihrem Arbeitspunkt eingestellt werden. Vorteilhafterweise weisen die Transistoren QP2₄I, QN241, QP242 und QN242 hierzu eine im Rahmen der Fertigungstoleranzen gleiche Stromverstärkung auf.

Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele der vier Figuren beschränkt. Beispielsweise können in den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 und 2 anstelle der NMOS-Feldeffekttransistoren npn-Bipolar- transistoren und anstelle der PMOS-Feldeffekttransistoren pnp-Bipolar- transistoren verwendet werden. Beispielsweise können in den Ausführungs- beispielen der Figuren 3 und 4 anstelle der npn-Bipolartransistoren NMOS- Feldeffekttransistoren und anstelle der pnp-Bipolartransistoren PMOS- Feldeffekttransistoren verwendet werden. Ebenfalls können in dem Eingangsdifferenzverstärker und/oder in der Ausgangsstufe auch gemischt Bipolartransistoren und Feldeffekttransistoren verwendet werden. Ebenfalls ist es möglich im Eingangsdifferenzverstärker und/oder in der Ausgangsstufe Transistoren in Kaskodeschaltung oder in Darlingtonschaltung zu verwenden um eine höhere Spannungsverstärkung oder Stromverstärkung zu erzielen.

Der Eingangsdifferenzverstärker ist vorteilhafterweise zusammen mit der differentiellen Ausgangsstufe auf einem Halbleiterchip als integrierte Schaltung ausgebildet.

Bezuqszeichenliste

MN2H , MN212, MNI2I , MNI22, Feldeffekttransistoren (NMOS, N-SFET)

Mpin, Mpi₁₂, Mp₂n, M_P212, Feldeffekttransistoren (PMOS, P-SFET)

Mp221 , Mp222

QNI3I , QNI32, QN23I, QN232, npn-Bipolartransistor

QN241 , QN242

Qp23i , QP232, Qp-141, Qpi42, pnp-Bipolartransistor

Qp241, QP242

CSn, CS21, CS₁₂, CS22, Stromquelle, Stromsenke

V+ positiver Versorgungsspannungsanschluss

GND Masse-Anschluss

Irin, ln₂i, In₁₂, In₂₂, In^, Eingang des Eingangsdifferenzverstärkers;

In₂₃, In₁₄, In₂₄ Eingang des Operationsverstärkers

ODH , O₀₂₁, OD-I₂, OD22, Ausgang des Eingangsdifferenzverstärkers

OD13> OD23> OD14> OD24

O_{1 I}, O₂₁, O₁₂, O₂₂, O₁₃, Ausgang der Ausgangsstufe; Ausgang des

O₂₃, O₁₄, O₂₄ Operationsverstärkers

A1 , A2, A3, A4 Eingangsdifferenzverstärker

D1 , D2, D3, D4 Ausgangsstufe

I Strom

V Spannung

Claims

Patentansprüche

1. Operationsverstärker,

- mit einem ersten Eingang (Inn, lni₂, lni_3l lni₄),

- mit einem zweiten Eingang (In₂-I, In₂₂, In₂3, In₂₄),

- mit einem Eingangsdifferenzverstärker (A1 , A2, A3, A4), der mit dem ersten Eingang (Irin, lni₂, lni₃, In^) und mit dem zweiten Eingang

(ln₂i, In₂₂, In₂₃, In₂₄) verbunden ist,

- mit einem ersten Ausgang (O₂i, O₂₂, O₂₃, O₂₄),

- mit einem zweiten Ausgang (On, O₁₂, Oi₃, Ou), und

- mit einer differentiellen Ausgangsstufe (D1 , D2, D3, D4), die mit dem Eingangsdifferenzverstärker (A1 , A2, A3, A4) und dem ersten

Ausgang (O₂₁, O₂₂, O₂₃, O₂₄) und dem zweiten Ausgang (On, Oi₂, Oi₃, Oi₄) verbunden ist, bei dem

- die differentielle Ausgangsstufe (D1 , D2, D3, D4) einen ersten Zweig mit zwei ersten Transistoren ([M_P2n, M_N2n], [M_P22i, M_N22i], [Qp₂3i,

QN23I], [Qp24i, QN24I]) aufweist, deren Drain beziehungsweise Kollektor miteinander und mit dem ersten Ausgang (O₂₁ , O₂₂, O₂₃, O₂₄) verbunden sind,

- die differentielle Ausgangsstufe (D1 , D2, D3, D4) einen zweiten Zweig mit zwei zweiten Transistoren ([M_P2i₂, MN212], [Mp₂₂₂, MN222], [QP232,

Q.N232], [QP242, QN242]) aufweist, deren Drain beziehungsweise Kollektor miteinander und mit dem zweiten Ausgang (On, O₁₂, Oi₃, d₄) verbunden sind,

- die ersten Gates beziehungsweise die ersten Basen der zwei ersten Transistoren ([M_P2ii, M_N2n], [Mp₂₂₁, M_N22i], [Qp23i, QN231], [Qp24i, QN24I]) im ersten Zweig miteinander und mit einem ersten Ausgang (ODH , 0_DI2, 0_DI3, O_D24) des Eingangsdifferenzverstärkers (A1 , A2, A3, A4) verbunden sind,

- die zweiten Gates beziehungsweise die zweiten Basen der zwei zweiten Transistoren ([Mp₂I₂, MN212], [M_P222, M_N222], [QP232, QN232],

[Qp₂42, QN₂₄₂]) im zweiten Zweig miteinander und mit einem zweiten Ausgang (O_D2i, OD22, OD23, O₀I₄) des Eingangsdifferenzverstärkers (A1 , A2, A3, A4) verbunden sind,

- die differentielle Ausgangsstufe (D1 , D2, D3, D4) eine Konstantstromquelle (CS₂i, CS₂₂, CS₂₃, CS₂₄) aufweist, die mit jedem

Zweig zur Speisung eines Stromes (I₂₁, I₂₂, I₂₃, I₂₄) durch die Zweige verbunden ist.

2. Operationsverstärker nach Anspruch 1 , bei dem die zwei ersten Transistoren komplementäre Bipolartransistoren ([Qp₂3i,

QN231], [Q.P241, QN24I]) Und die zwei zweiten Transistoren komplementäre Bipolartransistoren ([Qp₂₃₂,

QN232], [QP242, QN242]) Sind.

3. Operationsverstärker nach Anspruch 1 , bei dem die zwei ersten Transistoren komplementäre Feldeffekttransistoren

([M_P2ii, M_N2ii], [Mp₂₂I, M_N22i]) und die zwei zweiten Transistoren komplementäre Feldeffekttransistoren

([Mp₂₁₂, M_N212], [Mp₂₂₂, MN222]) sind.

4. Operationsverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Arbeitspunkt der zwei ersten Transistoren ([M_P2n, MN2HL [Mp₂₂₁,

M_N22i], [QP23I, QN23I], [Qp24i, Q.N24i]) im ersten Zweig und der zwei zweiten Transistoren ([M_P2i₂, MN212], [M_P222, MN222], [QP232, QN232], [QP242, QN242]) im zweiten Zweig derart eingestellt ist, dass der Konstantstrom (I₂₁, I₂₂,

I₂3, I₂₄) der Konstantstromquelle (CS21, CS₂₂, CS₂3, CS24) zur einen Hälfte durch die zwei ersten Transistoren ([Mp₂H, M_N2n], [M_P22i, M_N22i], [Qp23i, QN23I], [Qp24i, QN24I]) des ersten Zweiges und zur anderen Hälfte durch die zwei zweiten Transistoren ([M_P212, MN212], [M_P222, MN222], [QP232, QN232], [QP242, QN242]) des zweiten Zweiges fließt.

5. Operationsverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem

- der Eingangsdifferenzverstärker (A1 , A2, A3, A4) einen ersten Eingangstransistor (Mpm, M_Ni2i, QN₁3₁, QPMI) und einen zweiten Eingangstransistor (M_Pn₂, M_Ni22, QNI32, QP142) aufweist,

- ein erster Source-Anschluss beziehungsweise ein erster Emitteranschluss des ersten Eingangstransistors (M_Pm, M_Ni2i, QN131, Q_PI₄I) und ein zweiter Source-Anschluss beziehungsweise ein zweiter Emitteranschluss des zweiten Eingangstransistors (M_Pn₂, M_N122, Q.N132, Q.P142) mit einer Eingangskonstantstromquelle (CSn, CSi₂,

CS₁₃, CSi₄) verbunden sind, und

- die Konstantstromquelle (CS₂i, CS₂₂, CS₂₃, CS₂₄) der differentiellen Ausgangsstufe (D1 , D2, D3, D4) und die Eingangskonstantstromquelle (CS₁₁, CS₁₂, CS₁₃, CSi₄) des Eingangsdifferenzverstärkers (A1 , A2, A3, A4) an demselben Versorgungsspannungsanschluss (V+,

GND) angeschlossen sind.

6. Verwendung eines Operationsverstärkers nach einem der vorhergehenden Ansprüche für ein batteriebetriebenes Funksystem.