DE3933986A1 - Komplementaerer stromspiegel zur korrektur einer eingangsoffsetspannung eines "diamond-followers" bzw. einer eingangsstufe fuer einen breitbandverstaerker - Google Patents

Description

Ein gewöhnlicher "Diamond-Follower" läßt sich z. B. als Differentialeingangsstufe eines Breitbandverstärkers verwenden. Die Fig. 1 zeigt den Grundaufbau eines "Diamond- Followers" (Brückenfolgestufe). Damit der "Diamond-Follower" als Differentialeingangsstufe verwendet werden kann, sind Kollektoren von Transistoren 6 und 8 mit komplementären Eingängen einer Gegentakt-Ausgangsstufe verbunden. Eine Klemme 2 in Fig. 1 dient als +V _IN -Anschluß, während eine Klemme 3 als -V _IN -Anschluß dient. In der Regel ist es erwünscht, daß ein Differentialverstärker eine Eingangsoffsetspannung mit dem Wert Null aufweist. Ist also die Verstärkerausgangsspannung Null, so soll auch die Spannungsdifferenz zwischen den Differentialeingangsanschlüssen Null sein. Es ist allerdings schwierig, bei einem "Diamond- Follower" eine Null-Eingangsoffsetspannung zu erhalten, da alle Basis-Emitterspannungen V _BE gleich sein müssen, wenn die Eingangsoffsetspannung V _OS Null sein soll. Die Basis- Emitterspannungen V _BE der Transistoren sind durch die Gleichung

V _BE = V _TH ln (I _C /I _S )

bestimmt, wobei V _TH = (kT/q), k die Boltzman-Konstante, T die Sperrschichttemperatur in Grad Kelvin, q die Eletronenladung, I _C der Kollektorstrom und I _S der Sättigungsstrom sind. Bei einem gewöhnlichen Prozeß zur Herstellung einer integrierten Schaltung werden die NPN-Transistoren, also die Transistoren 6 und 7, unter völlig anderen Bedingungen hergestellt als die PNP-Transistoren 5 und 8. In einigen Fällen können die NPN-Transistoren sogenannte "vertikale" Einrichtungen sein, während die PNP-Transistoren "laterale" oder "vertikale" PNP-Einrichtungen sein können. Der Sättigungsstrom eines Transistors ist eine starke Funktion der verschiedenen Herstellungsparameter, einschließlich eine Funktion des Dotierungspegels an beiden Seiten des Emitter-Basis-Übergangs. Die Emitter- Basis-Übergänge der NPN-Transistoren 6 und 7 werden durch Prozeßschritte gebildet, die sich von denen zur Bildung der Emitter-Basis-Übergänge der PNP-Transistoren 5 und 8 erheblich unterscheiden. Die Sättigungsströme der NPN-Transistoren 6 und 7 hängen sehr stark von den Diffusionsparametern bei der N⁺⁺ Emitterdiffusion ab, während die Sättigungsströme der PNP-Transistoren 5 und 8 nicht durch die N⁺⁺ Emitterdiffusionen beeinflußt werden. Darüber hinaus unterscheiden sich die Kontaktpotentiale der NPN-Transistoren und der PNP-Transistoren voneinander, da die Kontaktpotentiale ebenfalls in starker Weise von den Sättigungsströmen abhängen. Die Differenz zwischen den Kontaktpotentialen bei NPN- und PNP-Transistoren führt jedoch zu großen und manchmal unkontrollierbaren Änderungen der Eingangsoffsetspannung der "Diamond-Follower"-Schaltung nach Fig. 1, wenn diese als Differentialeingangsstufe für einen Verstärker verwendet wird.

Zur Lösung des oben beschriebenen Problems wurde bereits vorgeschlagen, zu Dioden geschaltete NPN-Transistoren oder PNP-Transistoren in Serie mit den Transistoren, 5, 6, 7 und 8 zu verwenden, so daß jeder Emitter-Basis-Übergang eines NPN-Transistors in Serie mit einem entsprechenden Emitter- Basis-Übergang eines PNP-Transistors liegt. Diese Lösung erfordert jedoch eine vergrößerte Chipfläche für die integrierte Schaltung des Verstärkers und führt darüber hinaus zu schlechteren Betriebseigenschaften durch zusätzliches Rauschen und weitere Kapazitäten, so daß letztlich der Verstärker einen schlechteren Frequenzgang aufweist.

Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, eine komplementäre Stromspiegelschaltung zu schaffen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine einfache und kostengünstige Technik zur Reduzierung der Offsetspannung in einer "Diamond-Follower"-Schaltung zu entwickeln.

Sodann liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine einfache und kostengünstige Technik zur Reduzierung der Eingangsoffsetspannung eines Verstärkers zur Verfügung zu stellen, bei dem eine "Diamond-Follower"-Schaltung als Differentialeingangsstufe verwendet wird.

Lösungen der gestellten Aufgaben sind den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche zu entnehmen. Kurz gesagt stellt die Erfindung eine komplementäre Stromspiegelschaltung zur Verfügung. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind zwei komplementäre Stromspiegel vorhanden, die als Stromquellen für eine "Diamond-Follower"-Schaltungsstufe verwendet werden. In einem beschriebenen Ausführungsbeispiel stellen die komplementären Stromspiegelschaltungen Ströme durch einen PNP-Transistor und durch einen NPN-Transistor auf einer Seite der "Diamond-Follower"-Schaltung so ein, daß sich die V _BE -Spannungen dieser beiden Transistoren den V _BE -Spannungen eines jeweiligen NPN-Transistors bzw. PNP-Transistors angleichen, die sich auf der anderen Seite der "Diamond-Follower"-Schaltung befinden. Dadurch wird eine Null-Eingangsoffsetspannung erzielt. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein "Diamond-Follower" (Brückenfolgestufe) als Differentialeingangsstufe für einen Breitbandverstärker verwendet. Bipolare und CMOS-Ausführungen dieses Ausführungsbeispiels werden beschrieben.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein schematisch dargestelltes Schaltungsdiagramm einer "Diamond-Follower"-Schaltung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vorspannungsschaltung mit zwei komplementären Stromspiegelschaltungen,

Fig. 3 ein vereinfachtes Schaltungsdiagramm eines Breitbandverstärkers, der die Schaltung nach Fig. 2 als Vorspannungsschaltung verwendet und bei dem eine modifizierte "Diamond-Follower"-Schaltung als Differentialeingangsstufe zum Einsatz kommt, und

Fig. 4 ein der Fig. 3 ähnliches Schaltungsdiagramm eines Breitbandverstärkers mit komplementären Feldeffekttransistoren.

Die Fig. 1 zeigt den Grundaufbau eines sogenannten "Diamond-Followers" (Brückenfolgestufe). Er enthält eine Konstantstromquelle 10, durch die ein Strom I₁ hindurchfließt. Die Stromquelle 10 liegt zwischen +V _S und einem Leiter 23, der einerseits mit der Basis eines NPN-Transistors 6 und andererseits mit dem Emitter eines PNP-Transistors 5 verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 6 ist mit +V _S verbunden (bei Verwendung der "Diamond-Follower"- Schaltung als Differentialeingangsstufe eines Vertärkers ist der Kollektor des Transistors 6 allerdings mit einem Eingang einer Verstärkungs- und Ausgangsstufe des Verstärkers verbunden, während der Kollektor des Transistors 8 mit dem anderen Eingang der Verstärkungs- und Ausgangsstufe verbunden ist, wie die Fig. 3 zeigt). Der Kollektor des Transistors 5 ist mit -V _S verbunden, während seine Basis mit einem Leiter 2 verbunden ist. Weiterhin ist der Leiter 2 mit der Basis eines NPN-Transistors 7 verbunden, dessen Kollektor mit +V _S verbunden ist. Der Emitter des Transistors 7 ist über einen Leiter 24 mit einer Konstantstromquelle 12 verbunden, durch die ein Strom I₂ hindurchfließt, wobei dieser Strom nach -V _S abfließt. Der Leiter 24 ist weiterhin mit der Basis eines PNP-Transistors 8 verbunden, dessen Kollektor ebenfalls an -V _S liegt. Der Emitter des Transistors 6 und der Emitter des Transistors 8 sind beide mit einem Leiter 3 verbunden. In Fig. 1 sind die Emitterflächen der Transistoren 6 und 8 so gewählt, daß sie dem k-flachen derjenigen der Transistoren 5 und 7 entsprechen.

Wie sich leicht erkennen läßt, ist die Spannung zwischen den Leitern 23 und 24 gleich dem ersten Ausdruck V _{BE 5} + V _{BE 7} und dem zweiten Ausdruck V _{BE 6} + V _{BE 8}. Die Offsetspannung V _OS ist ferner V _IN minus V _OUT , also entweder gleich dem Ausdruck V _{BE 6} - V _{BE 5} oder dem Ausdruck V _{BE 7} - V _{BE 8}. Die Eingangsoffsetspannungen werden daher nur dann den Wert Null annehmen, wenn die V _BE -Spannungen der NPN-Transistoren 6 und 7 gleich denjenigen der PNP-Transistoren 5 und 8 sind. Wie bereits zuvor erwähnt, ist dies häufig nicht der Fall, wenn die genannte Schaltung als integrierte Festkörperschaltung realisiert wird.

Die Fig. 2 zeigt eine Schaltung mit einer Vorspannungs- Stromquelle 21 zur Erzeugung eines Konstantstroms I _B , der als Steuerstrom für eine komplementäre Stromspiegelschaltung 10 und für eine weitere komplementäre Stromspiegelschaltung 12 dient, wobei die in Fig. 2 gezeigte Schaltung in Übereinstimmung mit der Erfindung zur Bildung der Stromquellen 10 und 12 in der "Diamond-Follower"-Schaltung nach Fig. 1 verwendet werden. Die komplementäre Stromspiegelschaltung 10 enthält einen NPN-Transistor 16, dessen Kollektor und Basis an +V _S liegen und dessen Emitter mit einem Leiter 17 und mit der Vorspannungs-Stromschaltung 21 verbunden ist. Der Leiter 17 ist ebenfalls mit der Basis eines PNP-Transistors 15 verbunden, dessen Emitter an +V _S liegt und dessen Kollektor mit einem Leiter 23 verbunden ist. Der Strom I₁ fließt durch den Transistor 15 hindurch, wie durch den Pfeil 10 A angegeben ist. Die komplementäre Stromspiegelschaltung 12 enthält einen zu einer Diode geschalteten PNP-Transistor 25, dessen Kollektor und Basis an -V _S liegen und dessen Emitter über einen Leiter 22 mit der Vorspannungs-Stromquelle 21 und der Basis einen NPN-Transistors 20 verbunden ist. Der Emitter des Transistors 20 liegt an -V _S , wobei sein Kollektor mit einem Leiter 24 verbunden ist. Der Strom I₂ fließt durch den Transistor 20, wie durch den Pfeil 12 A angegeben ist.

In Übereinstimmung mit der Erfindung liefert die in Fig. 2 gezeigte Vorspannungsschaltung Ströme I₁ und I₂ mit Amplituden, die sich als Funktion der Sättigungsströme I _S der NPN-Transistoren und der PNP-Transistoren so ändern, daß der Wert des Stroms I₁, der durch den PNP-Transistor 5 hindurchfließt, dessen Spannung V _BE so einstellt, daß sie gleich derjenigen des NPN-Transistors 6, obwohl sich deren Kontaktpotentiale und normierte Sättigungsströme voneinander unterscheiden. Die Schaltung nach Fig. 2 erzeugt ebenfalls einen Strom I₂ mit einem Wert, durch den die Spannung V _BE des NPN-Transistors 7 so eingestellt wird, daß sie gleich der Spannung V _BE des PNP-Transistors 8 ist, obwohl deren Kontaktpotentiale und normierte Sättigungsströme infolge von Schwankungen der Herstellungsparameter unterschiedlich sind.

Eine Analyse der Schaltung nach Fig. 1 unter Einschluß der folgenden Gleichungen (1) bis (12) führt zu Strömen I₁ und I₂ für den Fall, daß die Spannungen V _BE der PNP-Transistoren und der NPN-Transistoren in Fig. 1 gleich sein müssen, und zwar unabhängig von Schwankungen ihrer Sättigungsströme oder Kontaktpotentiale.

Die Eingangsoffsetspannung V _OS für die Schaltung nach Fig. 1 ergibt sich durch die nachfolgende Gleichung (1).

V _OS = V _IN -V _OUT (1)

Es läßt sich somit erkennen, daß V _OS auch durch jede der beiden nachfolgenden Gleichungen ausgedrückt werden kann:

V _OS = V _{BE 6} -V _{BE 5} (1,1)

V _OS = V _{BE 7} -V _{BE 8} (1,2)

Wird V _OS auf den Wert Null gesetzt, so führt Gleichung (1,1) zu folgendem Ausdruck:

Dagegen führt Gleichung (1,2) zum Ausdruck:

Der Sättigungsstrom I _S (NPN) für NPN-Transistoren und der Sättigungsstrom I _S (PNP) für PNP-Transistoren sind über das Verhältnis m miteinander gekoppelt, das bei der Herstellung integrierter Schaltungen von Serie zu Serie oder von Wafer zu Wafer verschieden sein kann. Das Verhältnis m ist jedoch sehr gleichförmig über eine bestimmte integrierte Schaltung. Die folgende Gleichung bezieht sich auf die Sättigungsströme in der Schaltung nach Fig. 1:

Gleichung (2) führt demzufolge zu

während Gleichung (3) zu

führt.

Aus Gleichung (5) wird folgender Ausdruck erhalten:

Dagegen läßt sich aus Gleichung (6) der Ausdruck

herleiten.

Da die Emitterbereiche der Transistoren 6 und 8 das k-fache derjenigen der Transistoren 7 und 5 betragen, läßt sich mit Hilfe der Gleichung (7) folgender Ausdruck entwickeln:

I₀ = I _mk (9)

Dagegen wird unter Verwendung der Gleichung (8) der Ausdruck

erhalten. Wird k als Quotient aus I _{S 8} durch I _{S 5} definiert, so führen die Gleichungen (9) und (10) jeweils zu den nachfolgenden Gleichungen (11) und (12):

Zur Erzielung einer Offsetspannung mit dem Wert Null in der in Fig. 2 gezeigten "Diamond-Follower"-Schaltung müssen also die Stromquellen 10 und 12 Ströme I₁ und I₂ liefern, die jeweils durch die Gleichungen (11) und (12) bestimmt sind, wobei m das Verhältnis der Sättigungsströme von NPN-Transitoren und PNP-Transistoren und k das Verhältnis zwischen den Emitterflächen der Transistoren 6 oder 8 zu denjenigen der Transistoren 7 oder 5 sind.

Die Gleichungen (13) bis (20) zeigen eine ähnliche Analyse für die Stromquellenschaltung nach Fig. 2. Der Strom I₁, der durch den PNP-Transistor 15 hindurchfließt, ist durch die nachfolgende Gleichung gegeben:

Hierin sind I _S 15 ein Sättigungsstrom des Transistors 15 und V _BE 16 die Größe der Basis-Emitter-Spannung des NPN- Transistors 16. In ähnlicher Weise wird der Strom I₂, der durch den NPN-Transistor 20 hindurchfließt, durch die nachfolgende Gleichung bestimmt:

Hierin ist V _TH gleich kT dividiert durch q.

Die Gleichung für V _{BE 16} als Funktion von I _B ergibt sich zu:

Ferner wird die Spannung V _{BE 25} durch folgenden Ausdruck bestimmt:

Nach Einsatz von Gleichung (15) in Gleichung (13) wird folgende Gleichung erhalten:

Dagegen wird nach Einsatz der Gleichung (16) in Gleichung (14) der nachstehende Ausdruck erhalten:

Wird für das Verhältnis I _{S 16} zu I _{S 15} in Gleichung (17) der Wert m eingesetzt, so führt dies zu

In ähnlicher Weise führt der Einsatz des Verhältnisses von I _{S 20} zu I _{S 25} in Gleichung (18) durch den Wert m zu

I₂ = mI _B (20)

Die oben beschriebenen Beziehungen zwischen I₁, I₂, I _B und m sind exakt diejenigen, die in der "Diamond-Follower"- Schaltung nach Fig. 1 erfüllt sein müssen, um eine Eingangsoffsetspannung V _OS zu erzeugen, die den Wert Null aufweist. Auch der Strom I₀ ergibt sich exakt aus k, multipliziert mit I _B .

Im nachfolgenden wird eine Skalierung beschrieben, die bei der komplementären Stromspiegelschaltung nach Fig. 2 vorgesehen werden kann. Sei angenommen, daß die Emitterbereiche der Transistoren 15 und 20 um einen Faktor x relativ zu denjenigen der Transistoren 16 und 25 jeweils skaliert bzw. im Maßstab verändert sind, gilt beispielsweise

I _{S 15} = x · I _{S 25} und I _{S 20} = x · I _{S 16},

so läßt sich eine Analyse an Hand der nachfolgenden Gleichungen durchführen:

Anhand der Gleichungen (21) läßt sich erkennen, daß für die Ausgangsströme I₁ und I₂ folgende Ausdrücke erhalten werden:

Durch Einsatz von Gleichung (4), die das Verhältnis m = I _S (NPN))/(I _S (PNP)) definiert, werden folgende Ausdrücke erhalten:

Werden die Gleichungen (23) und (24) mit den Gleichungen (19) und (20) jeweils verglichen, so fällt auf, daß die einzige Differenz darin besteht, daß die Vorspannungsstrom I _B um den Faktor x maßstäblich verändert ist. Das bedeutet, daß die Vorspannungs-Stromquelle auf einem niedrigen Pegel gehalten werden kann, so daß sich der Leistungsverbrauch des komplementären Stromspiegels minimieren läßt.

Häufig wird die "Diamond-Follower"-Schaltung als Leistungstreiber verwendet. Die Fig. 3 zeigt eine andere Verwendung eines "Diamond-Followers". Gemäß Fig. 3 ist die "Diamond- Follower"-Schaltung nach Fig. 1 durch die komplementäre Stromspiegelschaltung nach Fig. 2 vorgespannt, um die Ströme I₁ und I₂ zu erzeugen, wobei die Vorspannungs-Steuerschaltung 21 den Vorspannungsstrom I _B zu den komplementären Stromspiegel-Steuertransistoren 16 und 25 liefert. Der Kollektor 6 A des Transistors 6 ist über einen Widerstand 33 von z. B. 1200 Ohm mit +V _S und weiterhin direkt mit der Basis eines PNP-Hochzieh-Transistors verbunden, der in der Ausgangsstufe 32 liegt. Der Kollektor 8 A des Transistors 8 ist über einen Widerstand 34 von z. B. 1200 OHM mit -V _S und darüber hinaus mit der Basis eines NPN-Herunterzieh-Transistors verbunden, der ebenfalls in der Ausgangsstufe 32 liegt. Details der Vorspannungsschaltung 21 und der Betrieb der PNP-Stromspiegelschaltung, die die Ausgangsstufe 32 mit +V _S verbindet, sowie der Betrieb der NPN-Stromspiegelschaltung, die die Ausgangsstufe 32 mit -V _S verbindet, sind in der parallelen US-Patentanmeldung Ser. Nr. 02 23 796 beschrieben, die am 25. Juli 1988 eingereicht wurde. Sie trägt den Titel "WIDE-BAND AMPLIFIER WITH CURRENT MIRROR FEEDBACK TO BIAS CIRCUIT". Selbstverständlich läßt sich die "Diamond-Follower"-Schaltung mit komplementären Stromquellen gemäß Fig. 3 auch im Zusammenhang mit konventionellen Techniken zur Begrenzung des Stroms in den Ausgangstransistoren verwenden, und zwar eher als die Stromspiegel-Rückkopplungsstruktur, die in Fig. 3 zu erkennen ist.

Der Ausgang I _B der Vorspannungs-Steuerschaltung bewirkt, daß die NPN/PNP-Stromspiegel 10 und 11 geeignete Vorspannungsströme liefern, um die Leiterspannungen +V _IN und -V _IN auf dasselbe Potential zu bringen. Auch der Strom I₀ in den Transistoren 6 und 8 ist im Verhältnis zu I _B steuerbar. Häufig kann eine Stromskalierung vorteilhaft dadurch ausgeführt werden, daß die Flächenverhältnisse der Transistoren 16 und 15 sowie der Transistoren 25 und 20 geeignet eingestellt werden.

Die Schaltung gemäß Fig. 3 läßt sich, falls dies gewünscht wird, auch modifizieren, um anstelle eines Kurzschlusses zwischen der Basis des Transistors 16 und +V _S zu Dioden geschaltete NPN- oder PNP-Transistoren oder eine andere Spannungsquelle vorzusehen. Der Emitter des zur Diode geschalteten Transistors kann mit der Basis des Transistors 16 verbunden sein, während Basis und Kollektor des zur Diode geschalteten Transistors mit +V _S verbunden sein können. In ähnlicher Weise kann ein zu einer Diode geschalteten NPN- PNP-Transistor den Kurzschluß zwischen der Basis des Transistors 25 und -V _S ersetzen. In diesem Fall ist der Emitter des zur Diode geschalteten PNP-Transistors mit der Basis des Transistors 25 verbunden, während Kollektor und Basis des zur Diode geschalteten Transistors mit -V _S verbunden sind. Solche zu Dioden geschalteten Transistoren minimieren die Basisbreitenmodulation der Transistoren 16 und 25, um sie näher an die Betriebsbedingungen der Transistoren 7 und 5 heranzubringen, von denen keiner mit einer Null-Kollektor/Basis-Vorspannung arbeitet. Irgendein Spannungsabfall zwischen dem Kollektor und der Basis der Transistoren 16 und 25, der z. B. durch die oben erwähnten und zu Dioden geschalteten Transistoren zusätzlich erhalten wird, erhöht den Strom, den die Transistoren 16 und 25 leiten können, bevor sie infolge innerer Ohm′scher Spannungsabfälle in die Sättigung gelangen. Ferner können auch Degenerationswiderstände in Serie mit den Emittern der Transistoren 15, 16, 5, 6, 7, 8, 20 und 25 liegen, um die exponentielle Änderung des Vorspannungsströme von den komplementären NPN/PNP-Stromspiegeln zu mildern bzw. zu dämpfen, wenn sich die Sättigungsströme der NPN-Transistoren und der PNP-Transistoren voneinander unterscheiden. Die Verwendung der Degenerationswiderstände führt nicht zu einer so wirksamen Reduzierung der Eingangsoffsetspannung wie die Verwendung der in Fig. 3 gezeigten Schaltung. Jedoch werden durch die genannten Degenerationswiderstände die Schwankungen der Vorspannungsströme in den Transistoren 5 und 7 reduziert, was höchst wünschenswert ist, da der Frequenzgang der Transistoren 5 und 7 zu einem Teil auch von deren Emitterströmen abhängt und eine hinreichende Vorspannungsstromdifferenz zu Verzerrungen im Frequenzgang des Verstärkers führt.

Die oben beschriebene Schaltungstechnik, die einen komplementären Stromspiegel zur Erzeugung des Stroms verwendet, der erforderlich ist, um die V _BE -Spannungen unterschiedlicher Transistoren oder dergleichen aneinander anzupassen, erlaubt dem Schaltungsdesigner von Breitband-Spannungspuffer- und Wechselimpedanz-Verstärkern, sich um einen weiteren Schritt der idealen Null-Offsetspannung zu nähern, ohne daß es erforderlich ist, den Prozeß zur Herstellung integrierter Schaltungen stärker zu steuern, um dadurch die PNP- und NPN-Sättigungsströme aneinander anzugleichen. Die obige Schaltungstechnik ermöglicht eine weniger komplexe Herstellungsweise, da nicht mehr darauf geachtet zu werden braucht, die Ströme I _S (NPN) und I _S (PNP) so weit wie möglich aneinander anzugleichen. Auch läßt sich mit der genannten Technik die Herstellungsrate verbessern, da die Eingangsoffsetspannung nicht länger dafür ausschlaggebend ist, ob sich ein jeweiliger Wafer noch verwenden läßt oder nicht.

Im Vorstehenden wurde die Erfindung im Zusammenhang mit einem "Diamond-Follower" (Brückenfolgestufe) beschrieben. Hierauf ist die Erfindung jedoch nicht beschränkt. Es kann auch andere Anwendungsfälle geben, bei denen es gewünscht ist, sogenannte "Mischeinrichtungs"-Anschlußströme und Spannungen zu steuern. Es ist weiterhin nicht erforderlich, daß die Transistoren bipolar sind. Das oben erläuterte Konzept gilt auch dann, wenn die NPN-Transistoren und PNP-Transistoren jeweils durch N-Kanal-MOSFETS und P-Kanal- MOSFETS ersetzt werden, was die Fig. 4 zeigt. Die Fig. 4 stellt praktisch eine MOSFET-Ausführung der Schaltung nach Fig. 3 dar.

Die "Körper"-Elektroden der MOSFETS sollten mit ihren Sourceelektroden verbunden sein, um zu vermeiden, daß durch eine Körper-Source-Spannungsdifferenz die MOS-Schwellenspannungen ansteigen. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß dielektrisch isolierte (DI) Substrate verwendet werden. In der Fig. 4 lassen sich die Ströme I _B und I₁ durch folgende Gleichungen ausdrücken:

I _B = k _N (V _{GS 16A} -V _TN )² (26)

und

I₁ = k _P (V _{GS 15A} -V _TP )² (27)
z

Gleichung (26) ergibt:

Ferner führt Gleichung (27) zu:

Da

ist, ergibt sich insgesamt:

Dabei sind:

Ferner sind µ _n und µ _p die n-Kanal- und p-Kanalbeweglichkeiten, das Verhältnis von Kanalbreite zu Kanallänge des betrachteten MOSFETs, V _TN und V _TP jeweils die p-Kanal- und die n-Kanal-MOSFET-Schwellenspannung und C _OX die normierte Gatekapazität des betrachteten MOSFETs. Gleichung (30) liefert einen Wert für I₁, der von der "parametrischen" Differenz zwischen den P-Kanal- und N-Kanal-Schwellenspannungen abhängt, und der dafür verwendet werden kann, nicht V _OS betreffende Eigenschaften verschiedener CMOS-Schaltungen, die keine "Diamond-Followers" sind, zu kompensieren, wenn Schwankungen in einer oder in beiden Schwellenspannungen auftreten.

Die Offsetspannung der "Diamond-Follower"-Schaltung läßt sich auch in anderer Weise und nicht unter Verwendung der oben beschriebenen komplementären Stromspiegelschaltungen einstellen. Die Ströme I₁ und I₂ lassen sich z. B. durch Trimmen konventioneller Stromquellen verändern. Ferner können die Ströme I₁ und I₂ auch durch irgendwelche anderen gesteuerten Stromquellenschaltungen erzeugt werden, die einen komplementären Stromspiegel verwenden, um ein Steuersignal zu erzeugen. Darüber hinaus läßt sich auch ein rückgekoppelter Ausgang eines Verstärkers zur Einstellung der Vorspannungsströme verwenden, welche den Vorspannungs-Eingangsanschlüssen 23 und 24 zugeführt werden.

Basis, Emitter und Kollektor eines Transistors werden aus Gründen der Definition jeweils als Steuerelektrode, erste stromführende Elektrode und zweite stromführende Elektrode bezeichnet. Auch Gate, Source und Drain eines MOSFETs werden aus Definitionsgründen jeweils als Steuerelektrode, erste stromführende Elektrode und zweite stromführende Elektrode bezeichnet.

Claims (6)

1. Verfahren zur Erzeugung einer Null-Offsetspannung in einer "Diamond-Follower"-Schaltung mit ersten und zweiten Vorspannungs-Eingangsanschlüssen, einem Eingangsanschluß (2) und einem Ausgangsanschluß (3), gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• (a) Erzeugung einer ersten NPN-V _BE -Spannung,
• (b) Anlegen der ersten NPN-V _BE -Spannung zwischen Basis und Emitter eines ersten PNP-Transistors (15) zur Erzeugung eines ersten Vorspannungsstroms (I₁),
• (c) Verwendung des ersten Vorspannungsstroms (I₁), um die V _BE -Spannung eines ersten Paares von Transistoren (5, 6) mit entgegengesetztem Leitungstyp aneinander anzugleichen, wobei der eine Transistor (5) dieses ersten Paares mit seiner Basis am Eingangsanschluß (2) und mit seinem Emitter am ersten Vorspannungs-Eingangsanschluß und der andere Transistor (6) dieses ersten Paares mit seinem Emitter am Ausgangsanschluß (3) und mit seiner Basis am ersten Vorspannungs-Eingangsanschluß liegen,
• (d) Erzeugung einer ersten PNP-V _BE -Spannung,
• (e) Anlegen der ersten PNP-V _BE -Spannung zwischen Basis und Emitter eines ersten NPN-Transistors (20) zur Erzeugung eines zweiten Vorspannungsstroms (I₂), und
• (f) Verwendung des zweiten Vorspannungsstroms (I₂), um die V _BE -Spannung eines zweiten Paares von Transistoren (7, 8) mit entgegengesetztem Leitungstyp aneinander anzugleichen, wobei der eine Transistor (7) des zweiten Paares mit seiner Basis am Eingangsanschluß (2) und mit seinem Emitter am zweiten Vorspannungs-Eingangsanschluß und der andere Transistor (8) dieses zweiten Paares mit seinem Emitter am Ausgangsanschluß (3) und mit seiner Basis am zweiten Vorspannungs-Eingangsanschluß liegen, so daß die Spannung zwischen dem Eingangsanschluß (2) und dem Ausgangsanschluß Null ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte (a) und (b) zusammen die Erzeugung eines Steuerstroms einschließen, der durch einen zweiten NPN- Transistor (16) und durch einen zweiten PNP-Transistor (25) hindurchfließt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt (c) der ersten Vorspannungsstrom (I₁) durch einen dritten PNP-Transistor hindurchfließt, um eine zweite PNP-V _BE -Spannung zu erzeugen, daß im Schritt (f) der zweite Vorspannungsstrom (I₂) durch einen vierten NPN-Transistor hindurchfließt, um eine zweite NPN-V _BE -Spannung zu erzeugen, und daß die Summe aus zweiter PNP-V _BE -Spannung und zweiter NPN-Spannung zwischen der Basis des dritten NPN- Transistors und der Basis des vierten PNP-Transistors angelegt wird.

4. Verstärker mit einem Null-Offset, gekennzeichnet durch:

• (a) erste und zweite Differentialeingangsanschlüsse (2, 3),
• (b) erste und zweite Vorspannungs-Eingangsanschlüsse,
• (c) erste und zweite Differentialausgangsanschlüsse,
• (d) einen ersten PNP-Transistor (5), dessen Emitter mit dem ersten Vorspannungs-Eingangsanschluß (23), dessen Kollektor mit einem ersten Spannungsversorgungsleiter und dessen Basis mit dem ersten Differentialeingangsanschluß (2) verbunden sind,
• (e) einen zweiten NPN-Transistor (7), dessen Emitter mit dem zweiten Vorspannungs-Eingangsanschluß (24), dessen Kollektor mit einem zweiten Spannungsversorgungsleiter und dessen Basis mit dem ersten Differentialeingangsanschluß (2) verbunden sind,
• (f) einen dritten NPN-Transistor (6), dessen Basis mit dem ersten Vorspannungs-Eingangsanschluß (23), dessen Emitter mit dem zweiten Differentialeingangsanschluß (3) und dessen Kollektor mit dem ersten Differentialausgangsanschluß verbunden sind,
• (g) einen vierten PNP-Transistor (8), dessen Basis mit dem zweiten Vorspannungs-Eingangsanschluß (24), dessen Emitter mit dem zweiten Differentialeingangsanschluß (3) und dessen Kollektor mit dem zweiten Differentialausgangsanschluß verbunden sind,
• (h) eine Vorspannungsstrom-Steuerschaltung (21) mit einem Vorspannungsstrom-Senkenanschluß und einen Vorspannungsstrom- Quellenanschluß,
• (i) einen ersten komplementären Stromspiegel (10), mit
  - einem fünften NPN-Transistor (16), dessen Kollektor und Basis mit dem zweiten Spannungsversorgungsleiter (+V _S ) und dessen Emitter mit dem Vorspannungsstrom-Senkenanschluß verbunden sind sowie
  - einem sechsten PNP-Transistor (15), dessen Emitter mit dem zweiten Spannungsversorgungsleiter (+V _S ), dessen Basis mit dem Vorspannungsstrom-Senkenanschluß und dessen Kollektor mit dem ersten Vorspannungs-Eingangsanschluß (23) verbunden sind, wobei der fünfte NPN- Transistor (16) und der sechste PNP-Transistor (15) so zusammenarbeiten, daß ein erster Vorspannungsstrom (I₁) erzeugt wird, der den ersten PNP-Transistor (5) im Hinblick auf irgendeine Differenz in den normierten Sättigungsströmen des ersten PNP-Transistors (5) und des zweiten NPN-Transistors (7) kompensiert,
• (j) einen zweiten komplementären Stromspiegel (12) mit
  - einem siebten PNP-Transistor (25), dessen Basis und Kollektor mit dem ersten Spannungsversorgungsleiter (-V _S ) und dessen Emitter mit dem Vorspannungsstrom- Quellenanschluß verbunden sind sowie
  - einem achten NPN-Transistor (20), dessen Emitter mit dem ersten Spannungsversorgungsleiter (-V _S ), dessen Basis mit dem Vorspannungsstrom-Quellenanschluß und dessen Kollektor mit dem zweiten Vorspannungs-Eingangsanschluß (24) verbunden sind, wobei der siebte PNP-Transistor (25) und der achte NPN-Transistor (20) so zusammenarbeiten, daß ein zweiter Vorspannungsstrom (I₂) erzeugt wird, der den zweiten NPN-Transistor (7) im Hinblick auf irgendeine Differenz in den normierten Sättigungsströmen des zweiten NPN-Transistors (7) und des ersten PNP-Transistors (5) kompensiert.

5. Verstärker mit einem Null-Offset nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste PNP-Transistor (5) einen normierten Sättigungsstrom aufweist, der sich wesentlich von dem des zweiten NPN-Transistors (7) unterscheidet.

6. Komplementäre Stromspiegelschaltung, gekennzeichnet durch:

• (a) eine Stromquelle (21) zur Erzeugung eines Steuerstroms (I _B ),
• (b) einen ersten und einen zweiten Spannungsversorgungsleiter (+V _S , -V _S ),
• (c) erste und zweite Ausgangsanschlüsse (23, 24),
• (d) einen PNP-Ausgangstransistor (15), dessen Emitter mit dem ersten Spannungsversorgungsleiter und dessen Kollektor mit dem ersten Ausgangsanschluß (23) verbunden sind,
• (e) erste, mit der Stromquelle (21) gekoppelte Mittel (16) zur Erzeugung einer NPN-V _BE -Spannung in Antwort auf den Steuerstrom (I _B ),
• (f) Mittel zum Anlegen der NPN-V _BE -Spannung zwischen Basis und Emitter des PNP-Ausgangstransistors (15) zwecks Lieferung eines ersten Steuerstroms (I₁) vom ersten Ausgangsanschluß (23),
• (g) einen NPN-Ausgangstransistor (20), dessen Emitter mit dem zweiten Spannungsversorgungsleiter und dessen Kollektor mit dem zweiten Ausgangsanschluß (24) verbunden sind,
• (h) zweite, mit der Stromquelle (21) gekoppelte Mittel (25) zur Erzeugung einer PNP-V _BE -Spannung in Antwort auf den Steuerstrom (I _B ), und
• (i) Mittel zum Anlegen der PNP-V _BE -Spannung zwischen Basis und Emitter des NPN-Ausgangstransistors (20) zur Aufnahme eines zweiten Steuerstroms (I₂) in den zweiten Ausgangsanschluß (24).