WO2002015390A1

WO2002015390A1 - Zweistufiger operationsverstärker

Info

Publication number: WO2002015390A1
Application number: PCT/DE2001/003038
Authority: WO
Inventors: Udo Ausserlechner
Original assignee: Infineon-Technologies Ag
Priority date: 2000-08-11
Filing date: 2001-08-09
Publication date: 2002-02-21
Also published as: US6664857B2; DE10039438C2; DE10039438A1; US20030146792A1

Abstract

Es ist ein zweistufiger Operationsverstärker angegeben mit einer Eingangsstufe (ES) und einer nachgeschalteten Ausgangsstufe (AS). Ein die Eingangsstufe (ES) versorgendes, von einem Mittel zur Spannungsreduzierung (VR) bereitgestelltes erstes Versorgungspotential (VDD1) ist dabei betragsmässig kleiner als eine die Ausgangsstufe (AS) versorgendes zweites Versorgungspotential (VDD2). Bei geringer Chipfläche durch überwiegende Verwendbarkeit von Standard -MOS-Bauelementen und bei geringem Strombedarf sind hohe Ausgangsspannungen am Ausgang (OUT) des Opertaionsverstärkers möglich.

Description

Beschreibung

Zweistufiger Operationsverstärker

Die Erfindung betrifft einen zweistufigen Operationsverstärker mit einer Eingangsstufe, der ein zu verstärkendes Signal an ihrem Eingang zuführbar ist, und an deren Ausgang ein erstes verstärktes Signal bereitsteht, und mit einer Ausgangsstufe, die eingangsseitig an den Ausgang der Eingangsstufe angeschlossen ist, und an deren Ausgang ein zweites verstärktes Signal ableitbar ist.

Eine gattungsgemäße Anordnung ist beispielsweise in dem Dokument JP 11088070 A angegeben. Dort ist ein Verstärkerschalt- kreis mit einer von einer ersten Versorgungsspannung versorgten Eingangsstufe und einer nachgeschalteten, von einer zweiten Versorgungsspannung versorgten Ausgangsstufe angegeben, wobei die zweite Versorgungsspannung größer als die erste Versorgungsspannung ist.

In der Druckschrift Tietze, Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik, 9. Auflage 1990, Seiten 542-546 sind integrierte Spannungsregler zur Bereitstellung einer stabilisierten Gleichspannung angegeben.

Eine Standard-CMOS-Technologie weist üblicherweise eine geringe Spannungsfestigkeit innerhalb spezifizierter Grenzen auf. Für höhere Spannungen, wie sie beispielsweise an ASIC (Application Specific Integrated Circuit) -Interfaces auftre- ten können, ist beispielsweise die Hochvolt-CMOS-Technologie geeignet, welche jedoch einen erhöhten Chipflächenbedarf aufweist und zudem nicht ohne zusätzlichen Aufwand in einem herkömmlichen Standard-CMOS-Fertigungsprozeß integrierbar ist.

Weiterhin existiert eine Hochvolt-Bipolar-Transistortechno- logie. Ein vollständig oder überwiegend aus Hoc volt-Bipolar- Transistoren aufgebauter Operationsverstärker weist jedoch einen großen Flächenbedarf auf, eine geringe Phasenreserve aufgrund der großen Parasitärkapazitäten von Hochvolt- Bipolar-Transistoren, einen großen, durch die verhältnismäßig geringe Stromverstärkung bedingten Verstärker-Offset, sowie ein verhältnismäßig schlechtes PSRR (power supply rejection ratio) , welches ebenfalls durch die großen parasitären Kapazitäten bedingt ist.

Ein weiterer, gattungsgemäßer zweistufiger Operationsverstär- ker in einer Ausführung als Klasse AB Rail-to-Rail-

Operationsverstärker ist beispielsweise in der Literaturstelle "Design of Low-Voltage, Low-Power Operational Amplifier Cells", Ron Hogervorst et al., Cluver Academic Publishers, Boston, auf Seite 151 angegeben.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen gattungsgemäßen, zweistufigen Operationsverstärker derart weiterzubilden, daß dieser für hohe AusgangsSpannungen geeignet ist und ein gutes PSRR-Verhalten aufweist.

Die Aufgabe wird mit einem eingangs genannten, zweistufigen Operationsverstärker gelöst, bei dem ein Mittel zur Spannungsreduzierung vorgesehen ist, das an seinem Ausgang an die Eingangsstufe zu deren Versorgung mit einem ersten Ver- sorgungspotential angeschlossen ist und das an seinem Eingang mit der Ausgangsstufe zur Versorgung mit einem zweiten Versorgungspotential verbunden ist und bei dem die Ausgangsstufe eine Ruhestrom-Einstellungsschaltung für zumindest einen Ausgangstransistor der Ausgangsstufe aufweist, die zu ihrer Spannungsversorgung an das erste Versorgungspotential angeschlossen ist.

Der Operationsverstärker kann mehr als zwei Stufen haben.

Das die Eingangsstufe versorgende erste Versorgungspotential ist betragsmäßig kleiner als das die Ausgangsstufe versorgende zweite Versorgungspotential. Die Spannungsversorgung der Ausgangsstufe mit einem hohen, zweiten Versorgungspotential, welches dem zweistufigen Operationsverstärker zuführbar ist, hat den Vorteil, daß innerhalb eines Operationsverstärkers eine Kombination verschiedener Technologien, beispielsweise einer Standard-CMOS-Technologie mit einer Hochvolt-Bipolar-Technologie möglich ist. Ein derart weitergebildeter zweistufiger Operationsverstärker ist weitgehend mit Standard-MOS-Transistoren aufbaubar, mit ver- hältnismäßig kleiner Chipfläche und mit gutem PSRR-Verhalten realisierbar und für hohe AusgangsSpannungen geeignet.

Zur weiteren Verbesserung des Operationsverstärkers unter anderem bezüglich Stromverbrauch und Flächenbedarf können neben der Eingangsstufe und der Ruhestrom-Einstellungsschaltung für zumindest einen Ausgangstransistor der Ausgangsstufe auch weitere Schaltungsteile der Ausgangsstufe vom kleineren, ersten Versorgungspotential versorgt werden.

Zur Ableitung des kleineren, ersten Versorgungspotentials vom größeren zweiten Versorgungspotential kann das Mittel zur Spannungsreduzierung als eine interne Spannungsregelungs- schaltung ausgeführt sein, welche bezüglich des PSRR und der Spannungsstabilisierung des ersten Versorgungspotentials op- timiert werden kann, so daß im Falle eines Auftretens von

Störimpulsen auf der Ebene des zweiten Versorgungspotentials nur vernachlässigbar kleine Störungen auf das erste Versorgungspotential führende Leitungen überkoppeln, von denen wiederum nur ein geringer Teil in die Eingangsstufe des zweistu- figen Operationsverstärkers hineingetragen wird.

Während das zweite Versorgungspotential in einem Bereich von -18 V bis +25 V liegen kann, beträgt das hiervon abgeleitete erste Versorgungspotential, welches betragsmäßig kleiner als das zweite Versorgungspotential ist, beispielsweise +3 Volt. In vielen anwenderspezifischen integrierten Schaltkreisen (ASIC, application specific integrated circuit) ist eine der- o CO tv> N P¹ P¹ cn o cn O Cn O cn

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je ein Treiber-Transistor an je einen Stromspiegel-Transistor angeschlossen, wobei die Treiber-Transistoren eingangsseitig an den Ausgang der Eingangsstufe angeschlossen sind. Die Treiber-Transistoren können Standard-MOS-Transistoren sein. Gemeinsam mit je einer Ruhestrom-Einstellungsschaltung und je einem Ausgangstransistor bildet je ein Treiber-Transistor eine gemischte translineare Schleife mit dem Ziel, die hoch- ohmigen Ausgänge der Eingangsstufe möglichst gering sowohl kapazitiv als auch ohm'sch zu belasten. Hierdurch ist der zweistufige Operationsverstärker bezüglich seiner Phasenreserve und seiner Geradeausverstärkung verbessert, und der systematische Offset wird verringert.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorlie- genden Erfindung sind die Treiber-Transistoren MOS- Transistoren, bevorzugt Standard-MOS-Transistoren und die Stromspiegel- und Ausgangs-Transistoren Bipolar-Transistoren, bevorzugt hochvolt-feste Bipolartransistoren.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbei- spielen anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 das Prinzip der vorliegenden Erfindung anhand eines Blockschaltbildes mit Ein- und Ausgansstufe,

Figur 2 eine beispielhafte Ausführungsform der Eingangsstu- fe des Operationsverstärkers,

Figur 3 ein erstes Ausführungsbeispiel der Ausgangsstufe des Operationsverstärkers,

Figur 4 ein zweites Ausführungsbeispiel der Ausgangsstufe des Operationsverstärkers und Figur 5 ein drittes Ausführungsbeispiel der Ausgangsstufe des Operationsverstärkers.

Figur 1 zeigt einen zweistufigen Operationsverstärker mit ei- ner Eingangsstufe ES, der ein zu verstärkendes Signal an ihrem Eingang El, E2 beispielsweise als symmetrisches Signal zuführbar ist, und an deren Ausgang Pl, P2 ein erstes verstärktes Signal bereitsteht. Dieses ist einer Ausgangsstufe AS des zweistufigen Operationsverstärkers an deren Eingang zuführbar, wobei am Ausgang OUT der Ausgangsstufe AS ein zweites verstärktes Signal ableitbar ist. Insgesamt bilden die Eingänge El, E2 den invertierenden und den nicht- invertierenden Eingang des Operationsverstärkers und der Ausgang OUT ist ein single-ended Ausgang des Operationsverstär- kers . Während die Eingangsstufe ES an einen ersten Versorgungspotential-Anschluß angeschlossen ist, ist die Ausgangs- stufe AS an einen zweiten Versorgungspotential-Anschluß angeschlossen. Das erste Versorgungspotential VDDl ist dabei betragsmäßig kleiner als das zweite Versorgungspotential VDD2. Zur Ableitung des ersten Versorgungspotentials VDDl vom zweiten Versorgungspotential VDD2 ist ein als Spannungsregelung VR ausgebildetes Mittel zur Spannungsreduzierung vorgesehen. Die zweite Versorgungsspannung, welche zwischen zweitem Versorgungspotential VDD2 und Bezugspotential GND gebil- det ist, kann in einem Bereich von -18 V bis +25 V liegen. Demgegenüber ist das erste Versorgungspotential VDDl seinem Betrag nach deutlich geringer und liegt beispielsweise bei +3 V. Da der zweistufige Operationsverstärker nicht vollständig von der hohen, für ein in einem weiten Spannungsbereich einstellbares Ausgangssignal erforderlichen Spannung versorgt wird, sondern lediglich Teilbereiche der Ausgangsstufe AS des zweistufigen Operationsverstärkers von einem hohen Versorgungspotential und die Eingangsstufe ES von einem geringem Versorgungspotential versorgt sind, ist der zweistufige Ope- rationsverstärker mit geringer Chipfläche bei hoher Ausgangsspannung und großem PSRR (Power Supply Rejection Ratio) realisierbar . Figur 2 zeigt eine mögliche schaltungstechnische Realisierung der Eingangsstufe ES aus Figur 1. Zur Versorgung der Eingangsstufe ES ist diese mit einem ersten Versorgungspotenti- al-Anschluß zur Zuführung eines ersten Versorgungspotentials VDDl sowie mit einem Bezugspotential GND verbunden. Mit einem Spannungsregler VR ist das erste Versorgungspotential VDDl vom betragsmäßig größeren zweiten Versorgungspotential VDD2 ableitbar. Das zu verstärkende, am Eingang El, E2 zuführbare Signal, welches ein differentielles symmetrisches Signal sein kann, ist einem Differenzverstärker., gebildet aus zwei PMOS- Transistoren TI, T2, an deren Gate-Anschlüssen zuführbar. Der zum Betrieb dieses Differenzverstärkers TI, T2 erforderliche Bias-Strom wird von der Stromquelle II bereitgestellt. Aus- gangsseitig an den Differenzverstärker TI, T2 ist eine gefaltete Kaskodeschaltung angeschlossen, welche vier MOS- Transistoren T3, T4, T5, T6 umfaßt. Ausgangsseitig an der Kaskodeschaltung T3, T4,^'T5, T6 ist ein erstes verstärktes Signal an einem Ausgang P2 abgreifbar, wobei zusätzlich ein Ausgang Pl der Eingangsstufe mit einer dritten Stromquelle 13 gebildet ist. Die Kaskodeschaltung T3 bis T6 ist über eine zweite Stromquelle 12 an das erste Versorgungspotential VDDl angeschlossen. Im einzelnen weist die Kaskodeschaltung je zwei Transistoren T3, T4; T5, T6 auf, deren Gate-Anschlüsse miteinander verbunden sind, wobei je zwei Transistoren T3,

T5; T4, Tβ mit ihren gesteuerten Strecken miteinander verbunden sind, an denen der Ausgang des Differenzverstärkers TI, T2 angeschlossen ist. Zwischen den Steueranschlüssen eines ersten Transistorpaares T3, T4 und dem Bezugspotential GND ist zusätzlich eine erste Spannungsquelle Ul vorgesehen. Die miteinander verbundenen Gate-Anschlüsse eines zweiten Transistorpaares T5, T6 sind unmittelbar an die zweite Stromquelle 12 angeschlossen. Die Kaskodeschaltung ermöglicht eine Verarbeitung auch geringer Eingangssignal-Potentiale.

Da die Eingangsstufe ES vom kleineren ersten Versorgungspotential VDDl versorgt wird, ist sie in flächen- und stromspa- CO co tV> tv> P> P¹ cn o cn o Cn o Cn

Eingangsstufe nur mit einer verhältnismäßig geringen Kapazität .

Der versorgungspotentialseitig angeordnete Ausgangstransistor T7, welcher mit dem als Bipolar-Diode geschalteten Stromspiegel-Transistor T18 einen Stromspiegel bildet, erhält seine Ruhestrom-Einstellung von Stromquelle 14, welche an das Bezugspotential GND sowie an einen PMOS-Transistor T13 angeschlossen ist, der mit dem Treiber-Transistor T16 verbunden ist. Weiterhin ist Stromquelle 14 über zwei als Dioden geschaltete PMOS-Transistoren T14, T15 an ein virtuelles erstes Bezugspotential angeschlossen. Das virtuelle Bezugspotential wird dabei mit zwei Bipolar-Transistoren T20, T28 zum einen über den Dioden-Transistoren T14, T15 sowie lastseitig am Treiber-Transistor T16 eingestellt. Der Bipolar-Transistor T20 ist dabei kollektorseitig über einen als Bipolar-Diode beschalteten Transistor T21 an das zweite, höhere Versorgungspotential angeschlossen, so daß das Kollektorpotential am Transistor T20 demjenigen am Transistor T28 möglichst nahe kommt. Die Einstellung des virtuellen Versorgungspotentials, welches auf Höhe des ersten Versorgungspotentials liegt, wird dabei mit einem Stromspiegel-Transistor T22 realisiert, dessen Basisanschluß zum einen mit Bipolar-Transistor T20 und zum anderen mit Bipolar-Transistor T28 verbunden ist, dessen Emitter mit dem ersten Bezugspotential VDDl und dessen Kollektor über einen weiteren Stromspiegel T23, T24 mit einer Stromquelle 16 verbunden ist, welche am Bezugspotential GND angeschlossen ist, und einem weiteren Bipolar-Transistor T25, welcher vom ersten Bezugspotential VDDl gesteuert wird.

Neben Stromquelle 14 tragen auch Bipolar-Transistor T20 und Bipolar-Transistor T28 sowie die MOS-Transistoren T16, T13, T14 und T15, welche gemeinsam eine translineare Schleife bilden, zur Ruhestrom-Einstellung durch den pnp-Ausgangstransi- stör T7 bei. co o IV) N) -> P¹ cn o Cji O C i o Cn

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Die beschriebenen Ausführungsformen zeichnen sich durch geringe Streukapazitäten, geringen systematischen Offset und geringen Flächenbedarf aus .

In alternativen Ausführungsformen der Schaltung können die wenigen verwendeten Bipolar-Transistoren, welche alle hoch- voltfest sind, durch Hochvolt-CMOS-Transistoren ersetzt werden.

Claims

Patentansprüche

1. Zweistufiger Operationsverstärker mit

- einer Eingangsstufe (ES) , der ein zu verstärkendes Signal an ihrem Eingang (II, 12) zuführbar ist, und an deren Ausgang (Pl, P2) ein erstes verstärktes Signal bereitsteht und

- einer Ausgangsstufe (AS), die eingangsseitig an den Ausgang (Pl, P2) der Eingangsstufe angeschlossen ist, und an deren

Ausgang (OUT) ein zweites verstärktes Signal ableitbar ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

- daß ein Mittel zur Spannungsreduzierung (VR) vorgesehen ist, das an seinem Ausgang an die Eingangsstufe (ES) zu deren Versorgung mit einem ersten Versorgungspotential (VDDl) angeschlossen ist und das an seinem Eingang mit der Aus- gangsstufe (AS) zur Versorgung mit einem zweiten Versorgungspotential (VDD2) verbunden ist, und

- daß die Ausgangsstufe (AS) eine Ruhestrom-Einstellungsschaltung für zumindest einen Ausgangstransistor (T7) der Ausgangsstufe (AS) aufweist, die zu ihrer Spannungsversor- gung an das erste Versorgungspotential (VDDl) angeschlossen ist.

2. Operationsverstärker nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Eingangsstufe (ES) einen Differenzverstärker^' (TI, T2) , dem das zu verstärkende Signal zuführbar ist und eine diesem nachgeschaltete Kaskodeschaltung (T3, T4, T5, T6) aufweist.

3. Operationsverstärker nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Ausgangsstufe (AS) je eine Ruhestrom-Einstellungsschaltung für je einen Ausgangstransistor (T7, T8) aufweist, von denen ein erster (T7) an das zweite Versor- gungspotential (VDD2) und ein zweiter (T8) an ein Bezugspotential (GND) angeschlossen ist.

4. Operationsverstärker nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Ruhestrom-Einstellungsschaltung für den zweiten Ausgangstransistor (T8) zu ihrer Spannungsversorgung an das erste Versorgungspotential (VDDl) angeschlossen ist.

5. Operationsverstärker nach Anspruch 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Ruhestrom-Einstellungsschaltung für den ersten Ausgangstransistor (T7) zu ihrer Spannungsversorgung an das erste Versorgungspotential (VDDl) angeschlossen ist.

6. Operationsverstärker nach Anspruch 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß Bipolar-Transistoren (T20, T28) vorgesehen sind, welche einerseits an die Ruhestrom-Einstellungsschaltung für den ersten Ausgangstransistor (T7) und andererseits an das zweite Versorgungspotential (VDD2) angeschlossen sind.

7. Operationsverstärker nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zur Erzeugung eines Basispotentials für die Bipolar- Transistoren (T20, T28) der Ruhestrom-Einstellungsschaltung für den ersten Ausgangstransistor (T7) eine Teilschaltung (T22, T23, T24, T25, 16) vorgesehen ist, welche an die Basisanschlüsse der Bipolar-Transistoren (T20, T28) angeschlossen ist.

8. Operationsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zur Ansteuerung der Ausgangstransistoren (T7, T8) je ein Stromspiegel-Transistor (T18, T19) an je einen Ausgangstransistor (T7, T8) unter Bildung je eines Stromspiegels angeschlossen ist, denen zu ihrer Ansteuerung das er- ste verstärkte Signal zuführbar ist.

9. Operationsverstärker nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zur Ansteuerung der beiden Stromspiegel (T7, T18; T8, T19) je ein Treiber-Transistor (T16, T17) an je einen Stromspiegel-Transistor (T18, T19) angeschlossen ist, wobei die Treiber-Transistoren (T16, T17) eingangsseitig an den Ausgang (Pl, P2) der Eingangsstufe (ES) angeschlossen sind.

10. Operationsverstärker nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Treiber-Transistoren (T16, T17) MOS-Transistoren und die Stromspiegel- und Ausgangstransistoren (T7, T18; T8, T19) Bipolar-Transistoren sind.