DE3049187A1 - Verstaerker - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen integrierten Verstärker nach dem Gattungsbegriff des Anspruches 1. Dieser Verstärker umfaßt
in bekannter Weise eine Stromquelle und einen Verstärkungsabschnitt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen integrierten Verstärker der eingangs genannten Art so auszubilden, daß er bei
kleinsten Strömen betriebsbereit ist und eine genau angebbare stabile Verstärkung über einen großen Temperaturbereich unabhängig
von den Herstellungsparametern aufweist. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der im Anspruch 1 gekennzeichneten
Erfindung. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.
Bei dem erfindungsgemäßen Verstärker wird durch die Stromquelle
ein Referenzstrom vorgegeben, der bei Temperaturänderungen und veränderten Herstellungsparametern kompensierend wirkt. Die
Stromquelle besteht aus zwei Stromspiegeln und einem Referenzwider stand. Die Stromspiegel geben einen Strom durch den Referenzwiderstand
vor, der von der Versorgungsspannung abhängig ist. Durch Anpassung des ReferenzwiderStandes an die Lastwiderstände
des Verstärkers erfolgt eine Kompensation in Bezug auf Temperaturänderungen und in Bezug auf veränderte Herstellungsparameter.
Anhand zweier in den Figuren der beiliegenden Zeichnung dargestellterAusführungsbeispiele
sei im folgenden die Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigen-
Fig. 1 ein Schaltungsdiagramm des erfindungsgemäßen Verstärkers mit Sperrschichttransistoren; und
Fig. 2 ein Schaltungsdiagramm des erfindungsgemäßen Verstärkers mit CMOS-Feldeffekttransistoren.
Der unter Verwendung von Sperrschichttransistoren aufgebaute Verstärker gemäß Fig. 1 umfaßt eine Stromquelle, bestehend
aus den Transistoren Q1, Q2, Q3 und Q4, sowie aus einem Widerstand
R und einen Verstärkerabschnitt, bestehend aus den
1 130037/0842
ORiGi(NiAL
- 4 Transistoren Q5, Q6 und Q7 und einem Paar von Lastwiderständen
Der Transistor Q1 der Stromquelle ist über einen Widerstand R, mit seinem Emitter an eine Massepotentialleitung 15 angeschlossen,
Die Basis des Transistors Q2 ist mit dessen Kollektor verbunden, wodurch die Kollektor/Basisspannung auf Null eingestellt wird
und dieser als Diode arbeitet. Die Transistoren Q1 und Q2 bilden einen ersten Stromspiegel.
Die Basis des Transistors Q3 ist ebenfalls mit dessen Kollektor
verbunden, so daß auch dieser als Diode arbeitet. Der Emitter dieses Transistors Q3 ist an eine positive Spannungsversorgungsleitung
25 angeschlossen. Ferner ist der Kollektor und somit auch die Basis des Transistors Q3 mit dem Kollektor des Transistors
Q1 verbunden. Der Transistor Q4 ist mit seinem Emitter an die positive Spannungsversorgungsleitung 25, mit seiner Basis
an den Kollektor des Transistors Q1 und mit seinem Kollektor an die Basis des Transistors Q1 angeschlossen. Die Transistoren Q3
und Q4 bilden einen zweiten Stromspiegel.
Der Verstärkungsabschnitt umfaßt Transistoren Q5 und Q6, deren
Emitter miteinander verbunden und an den Kollektor des Transistors Q7 angeschlossen sind. Die Basisanschlüsse der Transistoren
Q5 und Q6 sind an Eingangsklemmen 33 und 32 angeschlossen und die Kollektoren beider Transistoren Q5 und Q6 sind einerseits
an Ausgangsanschlüsse 42 und 43 und andererseits über Lastwiderstände RT an die positive Spannungsversorgungsleitung
25 angeschlossen. Der Transistor Q7 ist ferner mit seiner Basis an die Basis des Transistors Q1 und somit auch an die Kollektoren
der Transistoren Q2 und Q4 und mit seinem Emitter an die Massepotentialleitung 15 angeschlossen.
Der Transistor Q3 ist ein PNP-Transistor, dessen Emitter-Sperrschichtbereich
an denjenigen des PNP-Transistors Q4 angepaßt ist. Die Transistoren Q1 und Q2 sind NPN-Transistoren mit einander
angepaßten Emitter-Sperrschichtbereichen, wobei der Emitter-
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ORIGINAL INSPECTED
Sperrschichtbereich des Transistors Q1 die N-fache Größe des Emitter-Sperrschichtbereiches des Transistors Q2 aufweist. Der
Strom durch eine Diode läßt sich etwa durch folgende Gleichung angeben:
I = J_„ h A. exp I Vbe q
3 \ (MES)KT
sB
In dieser Gleichung bedeuten:
J der durch die Herstellung bedingte Leckstrom
hf die Stromverstärkung
A. den Eiriitter-Sperrschichtbereich
V, die Basis/Emitterspannung
q die elektronische Ladungskonstante
K die BoItzmann'sehe Konstante
T die Temperatur in Grad Kelvin
MES eine Herstellerkonstante.
Bei einer Anordnung auf einem monolithisch integrierten Schaltkreis
nimmt die Diodengleichung folgende Gestalt an:
I = C1 Aj exp (0Vbe)
In dieser Gleichung bedeuten C1 und θ Konstanten für alle
Komponenten des integrierten Schaltkreises.
Der den Widerstand R. durchfließende Strom I1 ergibt sich zu
II = Vr/R1 '
wobei V^ = Vbe2 - Vbel.
Ruft man sich in Erinnerung, daß der Sperrschichtbereich A. des
Transistors Q1 dem N-fachen des Sperrseh ieht btireiches des Transistors
Q2 entspricht, so ergibt sich:
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1I = (Vbe2 - Vbe1)/R1
= In(N A./A.) /RQ = l^
Der Betrieb der Stromquelle wird durch den noch vorhandenen Leck strom oder durch die Zuführung eines externen Stromes zu
einen, der Stromspiegel ausgelöst. Wenn der Emitter-Sperrschichtbereich
des Transistors Q1 zweimal so groß- wie der Emitter-Sperrschichtbereich
des Transistors Q2 ist, so kann man zeigen, daß der Spannungsabfall über dem Referenzwiderstand R1 ungefähr 18 mV
beträgt.
Der Strom durch den Transistor Q2 gibt einen bestimmten Wert für die Basis/Emitterspannung dieses Transistors vor. Diese
Spannung entspricht der Summe aus der Emitter/Basisspannung des Transistors Q1 plus der über dem Referenzwiderstand R1 abfallenden
Spannung. Wenn die Spannung über dem Referenzwiderstand R.
nicht 18 mV entspricht, so übersteigt die Basis/Emitterspannung des Transistors Q1 die für den Stromfluß durch den Referenzwiders
ta η ei R1 erforderliche Spannung. Der Transistor Q1 zieht daher
mehr Strom als der Transistor Q2. Der Transistor Q3 bildet diesen Strom in dem Transistor Q4 ab, der seinerseits mehr Strom
an di-n Transistor Q2 liefert und somit dessen Basis/Emitterspannung
anhebt. Dieser Rückführungszyklus setzt sich solange fort, bis die Spannung über dem Referenzwiderstand R1 dem Wert
entspricht, der erforderlich ist, um gleich große Ströme durch die Transistoren Q1 und Q2 zu ziehen. Wenn dies geschehen ist,
so ist die Stromquelle stabil.
Die ßpannungsverstärkung des Verstärkers ergibt sich wie folgt:
V2ZV1 = gm RL ^ Av ,
wobt; i die Steilheit gm = θ I .
DLt- bfiden Lastwiderstände R sind aneinander angepaßt und
cj It- ich groß und die Transistoren Q5 und Q6 sind aneinander
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angepaßt und so vorgespannt, daß bei einer Eingangsspannung V1 = 0 der Strom durch den Transistor Q5 dem Strom durch den
Transistor Q6 entspricht. Der Transistor Q7 ist an die Transistoren Q1 und Q2 angepaßt und weist daher die gleiche Basis/Emitterspannung
wie der Transistor Q2 auf. Der Transistor Q7 bildet daher den Strom durch den Transistor Q2 im Verhältnis der
Emitter/Sperrschichtbereiche der Transistoren Q2 und Q7 ab.
1Q2 = 1I
1Q7 = MI1
1Q7 = MI1
wobei der Faktor M dem Quotienten aus Sperrschichtbereich des Transistors Q7 und Sperrschichtbereich des Transistors Q2 entspricht.
Der Strom durch den Transistor Ql teilt sich gleichmäßig auf
die Transistoren Q5 und Q6 auf. Somit entspricht der Strom I durch jeden der Lastwiderstände RT der Hälfte des Stromes durch
den Transistor Q7.
1L = MI1/2
Durch Substitution erhält man somit folgenden Ausdruck für die Verstärkung:
A = θ IT FL = M θ I1 RT/2
ν LL 1 L
ν LL 1 L
= M θ in (N) R-/2 θ R1 = M In(N) R_/2R1.
J-i! Jj I
Der endgültige Ausdruck für die Verstärkung umfaßt nur die Faktoren M, N, sowie R. und R . M und N sind geometrische Konstanten
und da der Widerstand R1 an den Widerstand RT angepaßt
Ί J-i
ist, wird das Verhältnis von R1 zu R1 nicht durch eine veränderte
Bearbeitung bei der Herstellung des Schaltkreises beeinflußt. Der Schaltkreis arbeitet auf einem Mikrostrompegel und der
Schaltungsentwurf ist vollständig integrierbar. Somit wird eine vorausbestimmbare stabile Verstärkung unabhängig von der
Verarbeitung, der Temperatur und Spannungsänderungen vorgegeben.
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In Fig. 2 ist ein entsprechender Schaltkreis in CMOS-Technolcgie
dargestellt. Die Arbeitsweise des Schaltkreises gemäß Fig. ist im wesentlichen die gleiche wie diejenige des Schaltkreises
gemäß Fig. 1. Die der Arbeitsweise zugrundeliegenden Gleichungen
sind jedoch etwas verschieden.
Die zwei den Referenzstrom bildenden Stromspiegel umfassen
P-Kanal-MOSFETS Q3 und Q4 sowie N-Kanal-MOSFETS Q1 und Q2. Die
Feldeffekttransistoren Q3 und Q4 besitzen gleiche Gate-Bereiclse
und sie bilden daher gleiche Ströme ab. Das Verhältnis zwischen Gate-Breite und Gate-Länge W/L des Feldeffekttransistors QI ist
N-mal so groß wie das entsprechende Verhältnis W/L bei dem
Feldeffekttransistor Q2. Durch R. ist wiederum der den Strom
einstellende Widerstand vorgegeben.
Der Strom eines als Diode betriebenen MOSFET-Transistors ist in etwa durch die Sah-Gleichung vorgegeben:
1D = k (W/L) (VGS - V 2
In dieser Gleichung bedeuten
In dieser Gleichung bedeuten
k = -jTT- eine Bearbeitungskonstante
W und L die Gate-Breite und die Gate-Länge
Vnc die Gate/Source-Spannung
V die Schwellwertspannung der Komponente, die für alle Komponenten des integrierten Schaltkreises
als identisch angenommen werden kann.
Für die Transistoren Q1 und Q2 ergibt sich somit
= k N (W/L) (VGS1- VT)2 (1)
I02 = k (W/L) (VGS2 - VT) 2 (2)
Unter der Annahme, daß diese beiden Ströme einander gleich sind, ergibt sich
ν -V= (v -V)/ /n (31
GS1 T l GS2 Τ' / V l '
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Die Spannungen in den Gleichungen (1) und (2) stehen zueinander in folgender Beziehung:
VGS2 = VGS1 + 1DI V
somit ergibt sich
somit ergibt sich
1DI · 1D2 = {<VGS2 - V - (VG-S1 ~
Durch Einsetzen der Gleichung (3) erhält man
Ό2 = (VGS2 - VT) ( v^N - 1) /R1 ^N (4)
Die Kombination der Gleichungen (2) und (4) und die Elimination
der Spannungen führt zu folgender Gleichung:
(5)
= ( V^N - 1)2/ jk (W/L) R1 2 n
Zwischendurch sei auf den Verstärkerabschnitt des Schaltkreises Bezug genommen. Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers ist
durch folgenden Ausdruck vorgegeben:
Das Gate-Verhältnis des Transistors Q5 beträgt hier K(W/L). Aus
der Sah-Gleichung erhält man ferner
I05 = kK (W/L) (VGS5 - VT)2 (7)
Eliminiert man die Spannung aus den Gleichungen (6) und (7), so erhält man
I05 = Av2 / 4 k K (W/L) R1 2 (8)
Nunmehr gilt es, die Stromquelle und den Verstärkerabschnitt des Schaltkreises in Beziehung zueinander zu bringen. Nimmt man
das Gate-Verhältnis des Feldeffekttransistors Q7 mit M(W/L) an
und berücksichtigt man die Tatsache, daß V_o den gleichen Wert
Gb
hinsichtlich der Feldeffekttransistoren Q2 und Q7 besitzt, so ergibt sich
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1D7 " M 1D2-
Da sich der Strom durch den Feldeffekttransistor Q7 gleichmäßig
auf die Feldeffekttransistoren Q5 und Q6 aufteilt, erhält man
1DS = 1D? / 2·
Eliminiert man I07 aus diesen letzten zwei Gleichungen, so ergibt
sich
I02 = 2 I05 / M.
Dies gestattet eine Kombination der Gleichungen (5) und (8) und eine Elimination der Ströme. Die sich ergebende Gleichung kann
so manipuliert werden, daß sich folgender Ausdruck für die Verstärkung A ergibt:
A = ( VN-D V/2KM/N R1-ZR1. ' (9)
In dieser Gleichung sind die Größen K, M und N Konstanten, die durch die Gate-Verhältnisse vorgegeben sind und die Widerstände
R1 und RT weisen gleiche Temperaturkoeffizienten und angepaßte
Eigenschaften mit einer festen Geometrie zueinander auf. Daraus folgt, daß die Verstärkung A unabhängig von der Spannung, der
Temperatur und den Herstellungs- sowie Verarbeitungsparametern ist.
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Claims (4)
- HONEYWELL INC. 23. Dezember 1980Honeywell Plaza 1007752 GeMinneapolis, Minn., USA Hz/deVerstärkerPatentansprüche:Integrierter, eine stabile Verstärkung aufweisender Verstärker mit einer Stromquelle und einem Verstärkungsabschnitt, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle umfaßt:Erste und zweite Transistoren (Q1 und Q2) von einem ersten Leitfähigkeitstyp, wobei der Emitter des ersten Transistors über einen Referenzwiderstand (R1) und der Emitter des zweiten Transistors direkt an den einen Pol (15) einer Spannungsquelle angeschlossen sind und wobei die beiden Basen und der Kollektor des zweiten Transistors miteinander verbunden sind;dritte und vierte Transistoren (Q3 und Q4) vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, deren Emitter mit dem anderen Pol der Betriebsspannungsquelle verbunden sind, deren Basen zusammengeschaltet und an die Kollektoren der ersten und dritten Transistoren angeschlossen sind und wobei der Kollektor des vierten Transistors mit der Basis des ersten Transistors verbunden ist;
und daß der Verstärkungsabschnitt umfaßt: Fünfte und sechste Transistoren (Q5 und Q6) vom ersten Leitfähigkeitstyp, deren Kollektoren über entsprechende Lastwiderstände (R^) mit dem zweiten Pol (25) der Betriebsspannungsquelle verbunden sind und wobei das Eingangssignal zwischen den Basen dieser Transistoren angelegt wire! und130037/03 4 2das Ausgangssignal zwischen den Kollektoren dieser Transistoren abgenommen wird;und einen siebten Transistor (Q7), der mit seinem Emitter an den ersten Pol (15) der Betriebsspannungsquelle, mit seiner Basis an die Basis des ersten Transistors und mit seinem Kollektor an die Emitter der fünften und sechsten Transistoren angeschlossen ist. - 2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter-Sperrschichtbereich des ersten Transistors (Q1) und des siebten Transistors (Q7) um ein ganzzahliges Vielfaches größer als der Emitter-Sperrschichtbereich des zweiten Transistors (Q2) ist.
- 3. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die ersten, zweiten und fünften bis siebten Transistoren gegenüber den dritten und vierten Transistoren einen unterschiedlichen Leitfähigkeitstyp aufweisen.
- 4. Verstärker nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die Verwendung von n-MOS-Feldeffekttransistoren und p-MOS-Feldeffekttransistoren als Transistoren unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps.130037/0842
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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Publication Number | Publication Date |
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DE3049187A1 true DE3049187A1 (de) | 1981-09-10 |
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Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE2833996C2 (de) * | 1978-08-03 | 1984-12-13 | Robert Bosch Gmbh, 7000 Stuttgart | Transistorverstärker |
-
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-
1981
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- 1981-01-08 GB GB8100512A patent/GB2067374A/en not_active Withdrawn
Also Published As
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Legal Events
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---|---|---|---|
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |