DE3405809A1 - Output stage - Google Patents
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Abstract
Description
PRINZ, LEISER, FUNKE= &>e&RTNERPRINZ, LEISER, FUNKE = &> e & RTNER
Patentanwälte tiuropean T'a'tcnt "AttorneysPatent Attorneys tiuropean T'a'tcnt "Attorneys
München Stuttgart 3 4 0 58Munich Stuttgart 3 4 0 58
17. Februar 198417th February 1984
TEXAS INSTRUMENTS
DEUTSCHLAND GiMBH
Haggertystraße 1
8050 Freising TEXAS INSTRUMENTS
GERMANY GiMBH
Haggertystraße 1
8050 Freising
Unser Zeichen: T 3553Our reference: T 3553
AusgangsstufeOutput stage
Die Erfindung bezieht sich auf eine Ausgangsstufe mit
symmetrischer Spannungsversorgung zur Ansteuerung einer einseitig an Masse liegenden Last, nit einer Eingangsklemme zum Anlegen einer Eingangsspannung und einer Ausgang
ski emme zur Abgabe einer Ausgangsspannung.The invention relates to an output stage with
symmetrical power supply for controlling a load connected to ground on one side, with an input terminal for applying an input voltage and an output ski emme for delivering an output voltage.
Es sind als Source-Folger arbeitende Ausgangsstufen bekannt,
die in der bekannten CMOS-Technologie aufgebaut
sind und in Klasse-B-Verstärkern angewendet werden. Bei solchen Ausgangsstufen ist jedoch der Ausgangsspannungsbereich
begrenzt, da an den die Ausgangsstufe bildenden komplementären Feldeffekttransistoren relativ hohe Spannungsabfälle
auftreten, die gleich den Schwellenspannungen dieser Transistoren sind.There are known output stages which operate as source followers and which are constructed in the known CMOS technology
and are used in class B amplifiers. In the case of such output stages, however, the output voltage range is limited, since relatively high voltage drops occur across the complementary field effect transistors forming the output stage, which are equal to the threshold voltages of these transistors.
Schw/MaSister / Ma
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ausgangsstufe der eingangs angegebenen Art zu schaffen, die einen hohen /lusgangsspannungshub bei niedrigem Ruhestrom ermöglicht und die sich gleichzeitig mit kleinem Platzbedarf als integrierte Schaltung herstellen läßt.The invention is based on the object of creating an output stage of the type specified at the beginning, which have a high output voltage swing at a low one Allows quiescent current and which at the same time produce as an integrated circuit with a small footprint leaves.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen ersten Schaltungszweig mit einem ersten Schaltungselement zur Leitung des durch die Last fließenden Ausgangsstroms bei Vorliegen einer Eingangsspannung der einen Polarität, einem zweiten Schaltungszweig mit einem zweiten Schaltungselement zur Leitung des durch die Last fließenden Ausgangsstroms bei Vorliegen einer Eingangsspannung der anderen Polarität und eine Kopplungsschaltung, die aus der Eingangsspannung ein Steuersignal für den zweiten Schaltungszweig ableitet.According to the invention, this object is achieved by a first circuit branch with a first circuit element for conducting the output current flowing through the load when an input voltage of one polarity is present, a second circuit branch with a second circuit element for conducting the flowing through the load Output current in the presence of an input voltage of the other polarity and a coupling circuit that consists of derives a control signal for the second circuit branch from the input voltage.
In der erfindungsgemäßen Schaltung wird der erste Schaltungszweig unmittelbar von der Eingangsspannung gesteuert, und das in diesem Schaltungszweig enthaltene erste Schaltungselement liefert den Laststrom, wenn die Eingangsspannung die eine Polarität hat. Der zweite Schaltungszweig wird nicht unmittelbar von der Eingangsspannung, sondern unter Mitwirkung einer Kopplungsschaltung gesteuert, die aus der Eingangsspannung ein Steuersignal für den zweiten Schaltungszweig ableitet. Der zweite Schaltungszweig liefert den Äusgangsstrom, wenn die Eingangsspannung die andere Polarität hat. Die Ausgangsstufe hat einen großen Ausgangshub, der nahezu den gesamten VersorgungsSpannungsbereich überdeckt.In the circuit according to the invention, the first circuit branch is controlled directly by the input voltage, and the first circuit element contained in this circuit branch supplies the load current when the input voltage has one polarity. The second circuit branch is not directly derived from the input voltage, but controlled with the assistance of a coupling circuit, which generates a control signal for from the input voltage derives the second circuit branch. The second circuit branch supplies the output current when the input voltage has the other polarity. The output stage has a large output swing that covers almost the entire supply voltage range covered.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Advantageous further developments of the invention are characterized in the subclaims.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:The invention will now be described by way of example with reference to the drawing explained. Show it:
Fig. 1 ein teilweise schematisch ausgeführtes Schaltbild der erfindungsgemäßen Ausgangsstufe und1 shows a partially schematic circuit diagram of the output stage according to the invention and
Fig. 2 ein vollständiges Schaltbild der erfindungsgemäßen Ausgangsstufe.2 shows a complete circuit diagram of the output stage according to the invention.
Die in Fig. 1 dargestellte Ausgangsstufe weist eine Versorgungsspannungsklemme 10 zum Anlegen einer positiven Versorgungsspannung und eine Versorgungsspannungsklenune zum Anlegen einer negativen Versorgungsspannung auf. Ferner enthält sie eine Eingangsklemme 14 und eine Ausgangsklemme 16. Eine als Widerstand dargestellte Last 18 liegt zwischen der Ausgangsklemme 16 und Masse.The output stage shown in Fig. 1 has a supply voltage terminal 10 for applying a positive supply voltage and a supply voltage cycle to apply a negative supply voltage. It also contains an input terminal 14 and an output terminal 16. A load 18, shown as a resistor, lies between the output terminal 16 and ground.
Die dargestellte Ausgangsstufe enthält als aktive Elemente Feldeffekttransistoren mit isolierter Gate-Elektrode.. Die Eingangsklemme 14 ist mit der Gate-Elektrode eines Eingangstransistors T1 verbunden, bei dem es sich um einen P-Kanal-Transistor handelt, wie der an der Source-Elektrode gezeichnete Pfeil symbolisch veranschaulicht. Dieser Transistor wird leitend, wenn seine Gate-Spannung negativ gegenüber seiner Drain-Spannung gemacht wird. Mit der Drain-Elektrode des Transistors T1 ist eine Klemme einer Stromquelle SI verbunden, deren andere Klemme mit der Versorgungsspannungsklemme 12 verbunden ist. Die Source-Elektrode des Transistors T1 ist mit der Ausgangsklemme 16 verbunden. An die Drain-Elektrode des Transistors T1 sind die Gate-Elektroden von zwei weiteren Transistoren T2 und T3 angeschlossen, bei denen es sich jedoch um N-Kanal-Transistoren handelt, wie die an ihren Source-Elektroden gezeichneten Pfeile symbolisch angeben. Diese N-Kanal-Transistoren werden leitend, wenn ihre Gate-Spannung positiv gegenüber ihrer Drain-Spannung wird. Die Drain-Source-Strecke des Transistors T2 liegt zwischen der Ausgangsklemme 16 und der Versorgungsspannungsklemme 12. Mit der Ausgangsklemme 16 ist auch die Gate-Elektrode eines Feldeffekttransistors T4 verbunden, dessen Drain-Elektrode mit der Versorgungsspannungsklemme 12 und dessen Source-Elektrode mit einer Klemme einer Stromquelle S2 verbunden ist, deren zweite Klemme an der Versorgungsspannungsklemme 10 liegt. An die Source-Elek-The output stage shown contains field effect transistors with an insulated gate electrode as active elements. The input terminal 14 is connected to the gate electrode of an input transistor T1, which is is a P-channel transistor, as the arrow drawn on the source electrode symbolically illustrates. This transistor becomes conductive when its gate voltage is made negative with respect to its drain voltage. One terminal of a current source SI is connected to the drain electrode of transistor T1, and the other terminal is connected to it Terminal connected to supply voltage terminal 12 is. The source electrode of the transistor T1 is connected to the output terminal 16. To the drain electrode of the Transistor T1, the gate electrodes of two further transistors T2 and T3 are connected, which are however, N-channel transistors are involved, as symbolically indicated by the arrows drawn on their source electrodes. These N-channel transistors become conductive when their gate voltage is positive compared to their drain voltage will. The drain-source path of the transistor T2 lies between the output terminal 16 and the supply voltage terminal 12. With output terminal 16 is also the The gate electrode of a field effect transistor T4 is connected, the drain electrode of which is connected to the supply voltage terminal 12 and whose source electrode is connected to one terminal of a power source S2, the second terminal of which is connected to the Supply voltage terminal 10 is present. To the source elec-
trode des Transistors T4 sind auch die Source-Elektroden von zwei weiteren Transistoren T5 und T6 angeschlossen, deren Gate-Elektroden miteinander verbunden und an die ebenfalls verbundenen Drain-Elektroden der Transistoren T5 und T3 angeschlossen sind. Die Drain-Elektrode des Transistors T6 ist mit der Drain-Elektrode eines Transistors T7 verbunden, und sie ist auch an die miteinander verbundenen Gate-Elektroden des Transistors T7 und eines weiteren Transistors T8 angeschlossen. Die Source-Elektrode des Transistors T7 ist ebenso wie die Source-Elektrode des Transistors T8 mit der Versorgungsspannungsklemme 12 verbunden. Die Drain-Elektrode des Transistors T8 ist mit der Gate-Elektrode eines Transistors T9 verbunden und an eine Klemme einer Stromquelle S3 angeschlossen, deren andere Klemme an eine weitere Stromquelle S4 und an die Versorgungsspannungsklemme 10 angeschlossen ist. Die zweite Klemme der Stromquelle S4 ist mit der Drain-Elektrode des Transistors T9 verbunden, und sie steht mit der Gate-Elektrode eines Transistors T10 in Verbindung, dessen Source-Elektrode mit der Versorgungsspannungsklemme 10 verbunden ist und dessen Drain-Elektrode mit der Ausgangsklemme 16 verbunden ist. Die Source-Elektrode des Transistors T9 ist an die Versorgungsspannungsklemme 12 angeschlossen.The source electrodes of two further transistors T5 and T6 are connected to the electrode of transistor T4, their gate electrodes are connected to one another and to the drain electrodes of the transistors, which are also connected T5 and T3 are connected. The drain electrode of transistor T6 is connected to the drain electrode of a transistor T7 connected, and it is also connected to the interconnected gate electrodes of the transistor T7 and connected to another transistor T8. The source electrode of the transistor T7 is just like the source electrode of the transistor T8 to the supply voltage terminal 12 connected. The drain electrode of transistor T8 is connected to the gate electrode of a transistor T9 and connected to one terminal of a power source S3, the other terminal of which is connected to a further power source S4 and is connected to the supply voltage terminal 10. The second terminal of the power source is S4 connected to the drain electrode of the transistor T9, and it is connected to the gate electrode of a transistor T10 in connection, whose source electrode is connected to the supply voltage terminal 10 and whose Drain electrode is connected to the output terminal 16. The source electrode of the transistor T9 is connected to the supply voltage terminal 12 connected.
Die beschriebene Ausgangsstufe verhält sich wie eine in CMOS-Technik aufgebaute Source-Folger-Stufef jedoch kann mit ihr gegenüber einer herkömmlichen CMOS-Source-Folger-Stufe ein höherer Ausgangsspannungshub bei niedrigerem Ruhestrom erzielt werden.The output stage described behaves like a source follower stage f constructed using CMOS technology, however, compared to a conventional CMOS source follower stage, it can achieve a higher output voltage swing with a lower quiescent current.
Wenn an die Eingangsklemme 14 eine negative Spannung angelegt wird, wird der P-Kanal-Transistor T1 leitend. Da der durch diesen Transistor fließende Strom von der Spannungsquelle S1 konstant gehalten wird, hat der ÜbergangWhen a negative voltage is applied to input terminal 14 becomes, the P-channel transistor T1 becomes conductive. Since the current flowing through this transistor comes from the voltage source S1 is held constant, the transition has
des Transistors T1 in den leitenden Zustand zur Folge, daß die Spannung an seiner Drain-Elektrode ansteigt. Dies hat zur Folge, daß die Transistoren T2 und T3 in den leitenden Zustand übergehen, weil deren Basis-Elektroden mit der Drain-Elektrode des Transistors T1 verbunden sind. Im Bereich negativer Eingangsspannungen kann daher der durch die Last 18 fließende Strom durch den Transistor T2 fließen während der Strom, der durch den von der Eingangsspannung gesteuerten Transistor T1 fließt, konstant bleibt. Dies bed-eutet aber, daß auch das Eingangsverhalten dieses Transistors unabhängig vom jeweiligen Ausgangsstrom gehalten wird; insbesondere bleibt seine Schwellenspannung unverändert, die bei zunehmendem Drainstrom ansteigen würde.of the transistor T1 in the conductive state with the result that the voltage at its drain electrode increases. this has the consequence that the transistors T2 and T3 go into the conductive state, because their base electrodes are connected to the drain electrode of the transistor T1. Therefore, in the range of negative input voltages the current flowing through the load 18 will flow through the transistor T2 while the current flowing through the from the input voltage controlled transistor T1 flows, remains constant. But this means that the input behavior this transistor is kept independent of the respective output current; in particular his Threshold voltage unchanged, which would increase with increasing drain current.
Wenn die Eingangsspannung an der Eingangsklemme 14 sich von negativen Werten her dem Spannungswert O V nähert, geht der Transistor T1 zunehmend in den gesperrten Zustand über, so daß die Spannung an seiner Drain-Elektrode absinkt, was auf die Verbindung der Drain-Elektrode mit der Konstantstromquelle S1 zurückzuführen ist. Mit dem Absinken der Spannung an der Drain-Elektrode des Transistors TI sinkt auch die Spannung an der Gate-Elektrode des Transistors T2, so daß auch dieser Transistor in einen Zustand übergeht, in dem er weniger Strom leitet. Das gleiche Verhalten zeigt der Transistor T3, an dessen Gate-Elektrode die gleiche Spannung wie an der Gate-Elektrode des Transistors T2 anliegt.If the input voltage at input terminal 14 approaches the voltage value O V from negative values, the transistor T1 goes increasingly into the blocked state, so that the voltage at its drain electrode decreases, which is due to the connection of the drain electrode to the constant current source S1. With the decrease in the voltage at the drain electrode of the transistor TI also decreases the voltage at the gate electrode of the transistor T2, so that this transistor also goes into a state in which it has less current directs. The same behavior shows the transistor T3, at the gate electrode the same voltage as on the gate electrode of the transistor T2 is applied.
Wie aus dem Schaltbild von Fig. 1 unmittelbar zu erkennen ist, liegt an der Gate-Elektrode des Transistors T4 die an der Ausgangsklemme 16 anliegende Spannung. Die an der Source-Elektrode dieses Transistors anliegende Spannung unterscheidet sich von der Ausgangsspannung um einen Schwellenspannungswert und auch die Source-Spannung und die Spannung an der mit der Drain-ElektrodeAs can be seen directly from the circuit diagram of FIG. 1, it is connected to the gate electrode of the transistor T4 the voltage present at output terminal 16. The voltage applied to the source electrode of this transistor differs from the output voltage around a threshold voltage value and also the source voltage and the voltage at the one with the drain electrode
verbundenen Gate-Elektrode des Transistors T5 unterscheiden sich um einen Schwellenspannungswert. Daraus folgt, daß an der Drain-Elektrode des Transistors T5 und an der damit verbundenen Drain-Elektrode des Transistors T3 die gleiche Spannung wie an der Gate-Elektrode des Transistors T4, nämlich die Ausgangsspannung anliegt. An den Transistoren T2 und T3 liegen somit die gleichen Drain-Spannungen und die gleichen Gate-Spannungen, was zur Folge hat, daß sich die dabei durch diese Transistoren fließenden Ströme genau wie die Verhältnisse zwischen ihren Kanalbreiten und ihren Kanallängen verhalten. Dies bedeutet, daß die durch diese Transistoren fließenden Ströme bei gleichen anliegenden Spannungen und gleichen Kanallängen ausschließlich durch ihren geometrischen Aufbau festgelegt sind, unabhängig von irgendwelchen Kurzkanaleffekten .connected gate electrode of transistor T5 differ is a threshold voltage value. It follows that at the drain electrode of the transistor T5 and the same voltage at the connected drain electrode of the transistor T3 as at the gate electrode of the Transistor T4, namely the output voltage is applied. The transistors T2 and T3 are thus the same Drain voltages and the same gate voltages, which has the consequence that the thereby through these transistors flowing currents behave just like the ratios between their channel widths and their channel lengths. this means that the currents flowing through these transistors with the same applied voltages and the same Channel lengths are determined solely by their geometric structure, regardless of any short channel effects .
Der durch den Transistor T3 fließende Strom wird von der Stromquelle S3 bestimmt. Dies wird dadurch erreicht, daß die Transistorgruppen T6, T7, T8 und T3, T5, T6 jeweils Stromspiegelschaltungen bilden, die den von der Konstantstromquelle S3 gelieferten Strom in der Drain-Leitung des Transistors T3 reproduzieren. Der von den Transistoren T6, T7 und T8 gebildete erste Stromspiegel bewirkt, daß der in der Drain-Leitung des Transistors T8 fließende Strom gleich dem in der Drain-Leitung des Transistors T7 fließende Strom ist, und der von den Transistoren T3, T5 und T6 gebildete Stromspiegel erzeugt in der Drain-Leitung des Transistors T3 den gleichen Strom, der auch in der Drain-Leitung des Transistors T6 fließt. Der in der Drain-Leitung des Transistors T8 fließende Strom, der von der Stromquelle S3 konstant gehalten wird und, wie erläutert, gleich dem durch den Transistor T3 fließenden Strom ist, steht somit aufgrund der bereits erläuterten Beziehung zwischen den die Transistoren T2 und T3 durchfließenden Strömen mit dem durch den Transistor T2 fließenden Strom in einer fest vorgegebenen Beziehung.The current flowing through the transistor T3 is determined by the current source S3. This is achieved in that the transistor groups T6, T7, T8 and T3, T5, T6, respectively Form current mirror circuits, which form the current supplied by the constant current source S3 in the drain line of the transistor T3 reproduce. The first current mirror formed by the transistors T6, T7 and T8 causes that the current flowing in the drain line of the transistor T8 is equal to that in the drain line of the transistor T7 flowing current, and the current mirror formed by the transistors T3, T5 and T6 generated in the drain line of the transistor T3 the same current that also flows in the drain line of the transistor T6. The in the drain line of the transistor T8 flowing current, which is kept constant by the current source S3 and how explained, is equal to the current flowing through the transistor T3, is therefore due to the already explained Relationship between the currents flowing through the transistors T2 and T3 with that through the transistor T2 flowing current in a fixed predetermined relationship.
Eine an die Eingangsklemme 14 angelegte positive Spannung sperrt den Transistor T1, so daß wegen der Stromquelle S1 die Spannung an der Gate-Elektrode des Transistors T2 abnimmt. Dadurch wird der Strom durch den Transistor T2 und auch der Strom durch den sich ebenso verhaltenden Transistor T3 reduziert. Wie bereits erwähnt wurde, wird durch die von den Transistoren T6, T7, T8 und T3, T5, T6 gebildeten Stromspiegel der Strom durch den Transistor T 8 ebenfalls reduziert. Ein Absinken des Stroms durch den Transistor T8 führt dadurch zu einem Anstieg der Gate-Spannung des Transistors T9, so daß dieser Transistor in den leitenden Zustand übergeht. Dies führt zu einem Absinken der Drain-Spannung des Transistors T9. Diese Drain-Spannung liegt auch an der Gate-Elektrode des Transistors T10 an, so daß dieser Transistor entsprechend der Abnahme seiner Gate-Spannung mehr Strom leitet. Beim Anliegen einer positiven Spannung an der Eingangsklemme 14 kann der der Last 18 zugeführte Strom daher über den Transistor T10 fließen, während er beim Anliegen einer negativen Spannung an der Eingangsklemme 14 über den Transistor T2 geliefert wurde. Während der Ausgangsstrom vom Transistor T10 geliefert wird, fließt durch den Transistor T2 zwar ebenfalls ein Strom, der ein Verluststrom ist, weil er nicht zur Last 18 gelangt/ doch kann dieser Verluststrom auf einem sehr niedrigen Wert gehalten werden, so daß ein guter Wirkungsgrad der Ausgangsstufe erreicht wird.A positive voltage applied to the input terminal 14 blocks the transistor T1, so that because of the current source S1 the voltage at the gate electrode of the transistor T2 decreases. This causes the current to flow through transistor T2 and the current through the transistor T3, which behaves in the same way, is also reduced. As already mentioned, is determined by the transistors T6, T7, T8 and T3, The current mirror formed by T5, T6 also reduces the current through the transistor T 8. A decrease in the Current through the transistor T8 leads to an increase in the gate voltage of the transistor T9, so that this transistor goes into the conductive state. This leads to a decrease in the drain voltage of the Transistor T9. This drain voltage is also applied to the gate electrode of the transistor T10, so that this The transistor conducts more current according to the decrease in its gate voltage. When a positive voltage is applied at the input terminal 14, the current supplied to the load 18 can therefore flow via the transistor T10, while when a negative voltage is applied to the input terminal 14 it is supplied via the transistor T2 became. While the output current is supplied by transistor T10, it does flow through transistor T2 also a current that is a leakage current because it does not reach the load 18 / but this leakage current can be kept at a very low value, so that a good efficiency of the output stage is achieved.
Fig. 2 zeigt das vollständige Schaltbild der beschriebenen Ausgangsstufe; in diesem Schaltbild sind auch die in Fig. 1 nur schematisch dargestellten Konstantstromquellen in ihrer Realisierung mittels Feldeffekttransistoren dargestellt. Die Stromquelle S1 entsteht durch Zusammenwirkung der Transistoren T11, T12 und T13, und die Stromquelle S2 entsteht durch Zusammenwirkung derFig. 2 shows the complete circuit diagram of the output stage described; in this diagram are also the In Fig. 1 only schematically shown constant current sources in their implementation by means of field effect transistors shown. The current source S1 is created by the interaction of the transistors T11, T12 and T13, and the current source S2 is created by the interaction of the
Transistoren ΊΊ 1 , Τ14 und Τ15. Die Transistoren T16, T17 und T18 erzeugen in der Drain-Leitung des Transistors T8 und in der Drainleitung des Transistors T9 einen konstanten Strom; sie haben somit die Wirkung der Stromquellen S3 und S4. Im übrigen stimmt die Schaltung von Fig. 2 mit der von Fig. 1 überein, so daß sich eine erneute Beschreibung ihrer Wirkungsweise erübrigt.Transistors ΊΊ 1, Τ14 and Τ15. The transistors T16, T17 and T18 generate in the drain line of the transistor T8 and a constant current in the drain line of transistor T9; they thus have the effect of the current sources S3 and S4. Otherwise, the circuit of FIG. 2 corresponds to that of FIG. 1, so that a new Description of their mode of action superfluous.
Die beschriebene Ausgangsstufe läßt sich sehr gut als integrierte Schaltung herstellen, die auf einem Halbleiterplättchen wenig Platz benötigt. Da, wie oben erläutert, die den Ausgangsstrom liefernden Transistoren mit kleinen Abmessungen ausgeführt werden können, ohne daß sich dabei die geschilderte nachteilige Wirkung ergibt, daß der durch den Kanal der jeweiligen Feldeffekttransistoren fließende Strom wegen der kurzen Kanallänge bei gleicher Gate- und Drain-Spannung nicht mehr nur vorn Verhältnis von Kanallänge zu Kanalbreite bestimmt wird.The output stage described can be used very well as Manufacture integrated circuit that takes up little space on a semiconductor die. Since, as explained above, the transistors supplying the output current can be made with small dimensions without the disadvantageous effect described results that the through the channel of the respective field effect transistors Due to the short channel length with the same gate and drain voltage, the current flow is no longer based solely on the ratio is determined by channel length to channel width.
Claims (3)
DEUTSCHLAND GMBH
Haggertystraße 1
8050 Freising TEXAS INSTRUMENTS
GERMANY GMBH
Haggertystraße 1
8050 Freising
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| DE3405809C2 (en) | 1986-08-14 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| D2 | Grant after examination | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8330 | Complete disclaimer |