SE430287B - Operationsforsterkare - Google Patents

Description

s1ea2sb-7 g s 2 10 15 20 25 35 40 Ett ändamål med föreliggande uppfinning är således att lösa problemet förknippat med effektiv inre frekvenskompensering i CMOS-operationsförstärkare.

Ett annat ändamål med uppfinningen är att tillhandahålla en förbättrad CMOS-operationsförstärkarkrets med adekvat frek- venskompensering och reducerade förlusteffekter. l .Ännu ett ändamål med uppfinningen är att åstadkomma en CMOS-operationsförstärkarkrets som besitter förbättrad under- trvckning av störningar från strömkällan, se ' Ett ytterligare ändamål med uppfinningen är att tillhanda- hålla en CMOS-operationsförstärkare som är speciellt väl lämpad för användning i storskaleintegrerade kretsar (LSI-kretsar).

Ett annat ändamål med uppfinningen är att åstadkomma större förstärknings-bandbredds-produkt i operationsförstärkare. g I enlighet med uppfinningens principer uppnås frekvenskom- pensering i en operationsförstärkare medelst en kombination av ett par kondensatorer och en transmissionsgrind bestående av två som en resistor verkande MOS-transistorer. Den ena kondensatorn Miller-multipliceras med förstärkarens öppna slingförstärkning och utgör förstärkarens dominerande pol. Tidskonstanten för denna kondensator och de båda MOS-anordníngarna används för att skifta det i högra halvplanet belägna nollstället (som uppkommer om transmissionsgrindens MOS-anordningar ej förefinns) till gynn- samt läge i det vänstra halvplanet. Den andra kondensatorn an- vänds för kompenseringen för att förbättra förstärkarens förstärk- nings-bandbredds-produkt och för att förbättra förstärkarens un- dertryckning av störningar från strömkällan. Denna andra konden- sator utnyttjar pol-nollställe-eliminering för ökning av nivå- skiftstegets bandbredd och möjliggör således genom avlägsnande av sekundärpoler att det dominanta polläget skiftas till högre frekvens genom att den första kondensatorn göres mindre. Härige- nom ökas förstärknings-bandbredds-produkten. Operationsförstär- karens undertryckning av störningar från strömkällan är likaså beroende av läget av den dominanta polen och förbättras allt- eftersom polen förskjuts mot högre frekvens. _l Andra ändamål, fördelar och särdrag hos uppfinningen kommer att framgå av nedanstående, under hänvisning till den bifogade ritningen företagna beskrivning. Ritníngens enda figpr visar princípschemat för en operationsförstärkare utförd i enlighet med föreliggande uppfinníngs principer.> 10 15 20 25 so' 35 40 8103280-7 Rítningsfiguren visar principschemat för en operationsför- stärkare 10 utförd i enlighet med uppfinningsprinciperna och för- sedd med MOSFET-element. Vanligtvis ingår i operationsförstärka- ren en differentialförstärkare 12, som är förbunden med ett för- spänningsnät 14, samt ett mellanliggande nivåskiftningssteg 16, som är förbundet med ett utgångssteg 18. I differentialförstär- karen ingår typiskt ett ingångssteg förbundet med en konstant- strömkälla 20. Mellan differentialförstärkaren 12 och utgångsste- get 18 är ett i enlighet med uppfinningen utfört frekvenskompen- seringsorgan 22 inkopplat. g Samtliga transistorelement i operationsförstärkarens 10 olika komponenter är MOSFET-anordningar, och för korrekt funktion av operationsförstärkaren måste dessa anordningar (utom transis- torerna 96 och 98 i en nedan beskriven transmissionsgrind) arbe- 1:a i bounat tinstånd och således ej i sin linjära område.

Förspänningsnätet 14 har till funktion att säkerställa att MOSFBT-anordningarna (utom anordningarna 96 och 98) arbetar i det bottnade området, och detta nät innefattar MOSFBT-anordningar 24 och 26, var och en försedd med emitter, kollektor och styre.

Transistorns 24 emitterelektrod är via en matarledning 28 förbun- den med en positiv spänningskälla VDD under det att transistorns 26 emitter via en matarledníng 30 är förbunden med en negativ spänningskälla VSS. Transistorns 24 kollektor- och styrelektro- der är anslutna till en punkt 32, och transistorns 26 kollektor- och styrelektroder är anslutna till en punkt 34. Dessa båda punkter 32 och 34 är förbundna via en ledare 36, och en ledning 38 från punkten 34 tillför förspänning såväl till konstantström- källan som till kretsens nívåskiftningssektion.

Konstantströmkällan 20 består av en MOSFET-anordning vars styre är anslutet till förspänningsledningen 38, Denna transis- tors emitter är ansluten till den negativa matningsledningen 30 och dess kollektor till differentialförstärkarens ingångssteg.

Ingångssteget innehåller ett par MOSFET-anordningar 42 och 44, vilkas respektive emitterelektroder är anslutna till en ge- mensam ledning 46, som även förbinder en kopplingspunkt 40 med transistorns 20 kollektor. Anordningens 42 kollektorelektrod är ansluten till en kopplingspunkt 48 hos differentialförstärkaren, och anordningens 44 kollektorelektrod är ansluten till en kopp- lingspunkt 50 hos differentialförstärkaren. Ingångsanordningens 42 styre är förbundet med en negativ ingàngsklämma hos opera- 1.0 15 20 zs 30 V35 40 aïoazeo-7 L 4 tionsförstärkaren, och anordningens 44 styre är förbundet med förstärkarens positiva ingångsklämma. ' Differentialförstärkarens 12 belastningsenhet innefattar ett par MOSPET-anordningar S2 och 54, vilkas emítterelektroder båda är anslutna till den positiva matarledningen 28. Anord- ningarnas styren är sinsemellan förbundna samt anslutna till kopplingspunkten 48 via en ledning 58.

Operationsförstärkarens nivåskiftníngssteg 16 innehåller ett par MOSFET-anordningar 60 och 62, som är seríekopplade mel- lan de positiva och negativa matarledningarna. Anordningens 60 kollektor är ansluten till den positiva matarledningen 28, och anordníngens 62 emitter är ansluten till den negativa matarled- ningen 30. f .

Anordningens 60 emítter är via en ledning 64 ansluten till anordningens 62 kollektor. Anordningens 60 styre ar via en leda- re 66 ansluten till kopplingspunkten 50. En första punkt 68 hos ledningen 66 är via en ledning 70 ansluten till styret hos en MOSFET-anordning 72 i operationsförstärkarens 10 utgångssteg 18.

En andra punkt 74 hos ledningen 66 är via en ledning 76 ansluten till ena sidan av en kondensator 78, vars andra sida är förbun- den med ledningen 64.

Utgångssteget 18 innehåller MOSFET-anordningen 72, vars emítter är förbunden med den positiva matarledningen 28, samt en andra MOSFET-anordning 80, vars emitter är förbunden med den ne- gativa matarledningen 30. Dessa båda transistorers kollektorelek- troder är sammankopplade medelst en gemensam ledning 82. MOSFET- anordningens 80 styre är över en ledning 84 anslutet till en kopplingspunkt 86 i ledningen mellan anordningarna 60 och 62.

Frekvenskompenseringsorganet 22, utfört i enlighet med fö- religgande uppfinning, är anordnat mellan differentialförstärkar- steget 12 och utgångssteget 18. Detta organ innehåller kondensa- torn 78 mellan ledningarna 64 och 66 samt även en kondensator 88, som har sin ena sida ansluten till en kopplingspunkt 90 vid differentialförstärkarens 12 utgångssida. Kondensatorns 88 andra sida är via en ledning 92 ansluten till en mellanförbindnings- ledning 94 mellan kollektorelektroderna hos de båda MOSFET-tran- sistorerna 96 och 98, vilkas emittrar båda är anslutna till ena änden av ledningen 100, vars andra ände vid ledningen 82 avslutas vid utgängsklämman 102 för operationsförstärkaren 10.

Funktionen hos denna, med frekvenskompenseringsorganet ut- 15 20 25 30 35 40 rustade operationsförstärkare kan beskrivas på följande sätt.

Transistorerna 96 och 98 bildar en transmissíonsgrind som funge- rar som resístor. Kondensatorn 88 i ledningen 92 Miller-mu1tip1i- ceras med öppen-sling-förstärkningen hos operationsförstärkaren och fungerar som dominerande pol i överföringsfunktionen. Om transistorerna 96 och 98 ej funnes, skulle direkt förbindelse av kondensatorn 88 med utgången 102 ge upphov till nollställe i högra halvplanet. Genom användning av transistorerna 96 och 98 omvandlas detta högerhalvplansnollställe till ett nollställe i vänstra halvplanet och detta placeras företrädesvis så att det utsläcker sekundärpoler i den öppna slíngans frekvenssvar.

Kondensatorn 78 har sådan funktion att det av transistorer- na 60 och 62 bestående nivåskiftningssteget blir bredbandigare.

Detta uppnås genom att det av kondensatorn 78 alstrade nollstäl- let utsläcker den pol som alstras av transistorns 60 styre-kapa- citans. Genom avlägsnandet av sekundärpolerna i operationsför- stärkarens överföringsfunktion kan den dominerande polen tillå- tas ligga vid högre frekvens; varigenom förstärkarens förstärk- nings-bandbreddsprodukt ökas.

Uppfínningen tjänar även för förbättring av undertryckning av störningar från strömkällan. Vid låga frekvenser kommer inte några störningar på matarledningen VDD att förstärkas av utgångs- stegstransistorn 72 eftersom den senare har låg styre-emitter- spänning Vgs. (Eftersom differentialförstärkarens utgångsklämma 90 är en högimpediv punkt, kommer alla störningar från strömkäl- lan att uppträda även på denna.) Med ökande frekvens kommer emel- lertid kondensatorn 88 att alstra en mindre impedans mellan punk- terna102 och 90. Således kommer strömkällestörningar icke i sin helhet att uppträda vid punkten 10% vilket ger upphov till en smärre styre-emitterspänning hos transistorn 72. Denna spänning förstärks i utgångsstegets transistorer 72 och 80 och medför försämrad strömkällestörundertryckning. Vid föreliggande uppfin- ning möjliggör användning av den första kondensatorn 78 att den andra kondensatorn 88 kan göras mindre och därigenom uppvisa större impedans mellan punkterna HH och 90. Detta förorsakar att strömkällestörningar förstärkes i operationsförstärkaren upp till högre frekvens än vad som eljest skulle ske, varvid stör- ningsegcnskapcrna förbättras inom det lågfrekventa audioband som är av störst intresse vid de flesta applikationer för MOS-opera- tíonsförstärkare. s1oz2ao-7 swoazanav För fackmannen är det uppenbart att många ändringar avseende konstruktion, utföríngsformer och applikationer av uppfinningen är möjligaïinom ramen för uppfinningen. Beskrivningen har rent illustrativt syfte och får ej uppfattas såsom begränsande.

Claims (2)

1. 8193280- 7 7 Patentkrav 1. Operationsförstärkarkrets innefattande dels ett par ström- matningsledare (28, 30) inrättade att förbindas med två potential- källor (VDD, VSS) av olika nivå, dels ett till dessa ledare anslutet förspänningsorgan (14), och dels en till förspänningsorganet ansluten dífferentialförstärkare (12) med en utgàngsklämma, k ä n n e t e c k- n a d av att operationsförstärkaretsen även innefattar dels ett med en ingång och en utgång försett spänningsförskjutningsorgan (16), som innefattar första och andra NOS-transistoter (60, 62), varvid den första transistorns (60) styre tjänar som nämnda ingång och är anslutet till differentialförstärkarens utgångsklämma, under det att den andra transistorns (62) styre är anslutet till förspänningsorganet (1M), och varvid den första transistorn (60) har sin kollektor ansluten till den ena strömmatningsledaren (28) och sin som nämnda utgång tjänande emít- ter till kollektorn hos den andra transistorn (62), vars emitter är ansluten till den andra strömmatningsledaren (30), dels ett utgångssteg (18) med en utgång (102) och en till spänningsförskjutningsorganets (16) utgång ansluten ingång, dels en med en första och en andra ingång för- sedd transmissionsgrínd (96, 98), varvid grindens första ingång är an- sluten till utgångsstegets (18) utgång, samt dels frekvenskompenserings- organ (22) anslutna mellan differentialförstärkaren (12) och utgångs- steget (18) i och för att medge att den dominerande polen i kretsens överföringsfunktion kan ligga vid relativt hög frekvens så att kretsens förstärknings-bandbredds-produkt ökar, vilka frekvenskompenseringsorgan innefattar en första kondensator (88), som har sin ena platta ansluten till differentialförstärkarens utgângsklämma och sin andra platta till transmissionsgrindens andra ingång (94), och en andra kondensator (78), som har sin ena platta ansluten till differentialförstärkarens utgångs- klämma och sin andra platta till spänningsförskjutningsorganets utgång.

2. Operationsförstärkarkrets enligt kravet 1, k ä n n e t e c k- n and av att transmissionsgrinden innefattar en första och en andra MOS-transistor (96, 98) av sinsemellan motsatt ledningstyp och var och en försedd med en emitter, en kollektor och ett styre, varvid den första MOS-transistorns emitter tillsammans med den andra MOS-transis- torns emitter är ansluten till utgångsstegets (18) utgång (102), under det att den första NOS-transistorns kollektor är ansluten till den andra MOS-transistorns kollektor och därvid bildar transmissionsgrindens andra ingång, varjämte de första och andra MOS-transistorernas styren är förbundna med var sin av nämnda strömmatningsledare (28, 30). 810328=-0-7 3. Operationsförstärkarkrets enligt kravet 1, k Ä n n e- t e c k>n a d av att nämnda andra kondensator (78) är ansluten mellan styret och emittern hos spänningsförskjutningsorganets första transístor_(60) i och för avlägsnande av sekundärpoler i överförings- funktionen. I _ u. Operationsförstärkarkrets enligt kravet 1, k ä n n e- t e c k n a d av att utgângssteget uppvisar en ytterligare ingång som är ansluten till differentialförstärkarens (12) utgångsklämma. 5. Operationsförstärkarkrets enligt kravet H, k ä n n e- t e c k n a d av att utgångssteget (18) innefattar en första och en andra MOS-transistor (72, 80) av sinsemellan motsatt ledningstyp och *var och en försedd med en emitter, en kollektor och ett styre, varvid den första MOS-transistorn (72) har sin emitter ansluten till den ena strömmatningsledaren (28), sitt styre tjänande som nämnda ytterligare ingång, vilken är förbunden med differentialförstärkarens (12) utgångs- klämma, och sin kollektor ansluten till utgångsstegets (18) utgång (102), under det att den andra MOS-transistorn har sin emitter ansluten till den andra strömmatningsledaren (30), sitt styre anslutet till spän- ningsförskjutníngsorganets (16) utgång och sin kollektor ansluten till utgångsstegets (18) utgång (102). - - _ 1