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Technisches
Gebiet
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Diese
Erfindung bezieht sich auf Verstärker
und insbesondere auf Leitungstreiberverstärker mit verteilter Verstärkung.
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Hintergrund
der Erfindung
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Leitungstreiberverstärker bleiben
ein Engpass in der modernen Konstruktion von Analogschaltungen. Ihre
Integration in andere Analogschaltungskomponenten ist problematisch.
Ein Grund dafür
besteht darin, dass der Bedarf an der Verwendung von Versorgungsspannungen
mit einer relativ großen
Größe die Realisierung
der Vorteile verhindert, die sich aus der Verwendung einer feineren
und viel schnelleren Technik für
integrierte Schaltungen ergeben würde. Andere Gründe umfassen
einen großen
Energieverbrauch und eine Empfindlichkeit gegenüber dem Rauschen, das von den
Energieversorgungen und dem Substrat der integrierten Schaltung
kommt. Tatsächlich
sollte ein geeignet konstruierter Leitungstreiberverstärker gut
gesteuerte Ruheströme
in seinen Ausgangstransistoren haben, einhergehend mit der Fähigkeit,
während
des Übergangszustands
Ströme
von einer viel größeren Größe bereitzustellen.
Außerdem
sind in vielen Anwendungen die Leitungstreiberverstärkerverzerrungseigenschaften
bei hohen Frequenzen sehr wichtig.
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In
früher
bekannten Leitungstreiberverstärkeranordnungen ändert sich
die Steilheit des Verstärkerausgangstransistors
mit dem Strom. Folglich hängt
die Verstärkerbandbreite
von dem Ausgangstransistorstrom ab. Dies führt zu einer dynamischen Verzerrung
in der Verstärkerausgabe,
die eine Nichtlinearität
in dem Frequenzbereich verursacht.
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Das
U.S.-Patent mit der Nummer 5 210 506 offenbart einen Ausgangspufferverstärker mit
einer Endstufe für
kleine Ausgangskapazitäten
und einer Endstufe für
große
Ausgangskapazitäten.
Die Endstufen haben miteinander verbundene Ausgänge.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß der Erfindung
ist ein Verstärker
nach Anspruch 1 vorgesehen. Die obengenannten und andere Probleme
und Einschränkungen
von früher
bekannten Leitungstreiberverstärkern
werden folglich durch das Verwenden von Verstärkerstufen gelöst, von
denen jede eine Mehrzahl von Ausgangstransistoren und eine entsprechende
Mehrzahl von Hilfsverstärkern
aufweist. Die Ausgangstransistor- und Hilfsverstärkerpaare sind parallel geschaltet.
Jeder der Hilfsverstärker
weist ein eingebautes Spannungs-Offset auf, beginnend mit einem
Hilfsverstärker
mit dem kleinsten Spannungs-Offset bis zu dem Hilfsverstärker mit
dem größten Offset. Die
einzelnen Hilfsverstärker
halten ihre entsprechenden Ausgangstransistoren in einem AUS-Zustand,
so lange das Gesamtverstärkereingangssignal
eine Größe hat,
die kleiner ist als der Hilfsverstärker-Offset-Spannungspegel.
Wenn der Eingangssignalgrößepegel
gleich oder größer als
der Offset-Pegel eines Hilfsverstärkers ist, schaltet dieser
Hilfsverstärker
seinen entsprechenden Ausgangstransistor in einen EIN-Zustand. Folglich
sind für
Eingangssignale mit einer kleineren Größe weniger als alle Ausgangstransistoren
in einem EIN-Zustand, während
für Eingangssignale
mit einer Maximalgröße alle
Ausgangstransistoren in einem EIN-Zustand sind. Die Verwendung der
Hilfsverstärker-Ausgangstransistor-Paare
ermöglicht
die Verwendung von Transistoren mit einer kleineren Größe, von
denen jeder einen niedrigeren Ausgangsstrom hat als ein entsprechender einzelner
Ausgangstransistor. Da alle Ausgangstransistoren in jeder Verstärkerstufe
parallel geschaltet sind, ist der Verstärkerausgangsstrom die Summe
der Ströme,
die durch die Ausgangstransistoren im EIN-Zustand laufen. Folglich
ist die Verstärkerbandbreite
weniger von dem Ausgangstransistorstrom abhängig und ist die dynamische
Linearität
der Gesamtverstärkerstruktur
in dem Frequenzbereich deutlich verbessert.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung sind die Hilfsverstärker-Offset-Spannungspegel
festgelegt, während
in einer anderen Ausführungsform
der Erfindung die Offset-Spannungspegel der Hilfsverstärker einstellbar,
z.B. programmierbar, sind.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
in vereinfachter Blockdiagrammform Details eines früher bekannten
Leitungstreiberverstärkers;
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2 stellt
graphisch eine Bandbreite in Abhängigkeit
von Ausgangstransistorstromeigenschaften für den Verstärker gemäß 1 dar;
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3 zeigt
in vereinfachter Blockdiagrammform Details eines Leitungstreiberverstärkers, der
eine Ausführungsform
der Erfindung aufweist;
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4 zeigt
in vereinfachter Form Details eines Differenzverstärkers, der
einen eingebauten Offset-Spannungspegel aufweist, der in den in
dem Leitungstreiberverstärker
gemäß 3 verwendeten
Hilfsverstärkern
verwendet werden kann; und
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5 zeigt
in vereinfachter Form Details eines Differenzverstärkers, der
einen programmierbaren Offset-Spannungspegel hat.
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Detaillierte
Beschreibung
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Man
beachte, dass in dem folgenden Beispiel die Transistoren als Feldeffekttransistoren
(FETs) gezeigt werden, die Erfindung jedoch auch mit anderen Halbleitervorrichtungstransistorelementen
vorteilhaft angewendet werden kann. Folglich werden die FETs der
Einfachheit und Klarheit der Darstellung halber nachstehend als "Transistoren" bezeichnet.
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1 zeigt
in vereinfachter Blockdiagrammform Details einer typischen Ausgangsstufe
eines früher bekannten
Leitungstreiberverstärkers 100.
Der Verstärker 100 ist
ein sogenannter symmetrischer Verstärker von einem in der Technik
bekannten Typ, der zwei ähnliche
Ausgangsstufen aufweist. Eine Verstärkerstufe 101 weist
den Hilfsverstärker 102 und
den Ausgangstransistor 103 auf und die andere Verstärkerstufe 104 weist den
Hilfsverstärker 105 und
den Ausgangsfeldeffekttransistor 106 auf. Die Verstärkerstufe 101 ist
zwischen den Eingangsanschluss 107, den Ausgangsanschluss 108 und
den Versorgungsspannungsan schluss 109 des Verstärkers 100 geschaltet.
Die Verstärkerstufe 102 ist
zwischen den Eingangsanschluss 107, den Ausgangsanschluss 108 und
den Massepotentialanschluss 110 geschaltet. Man beachte,
dass der Ausgangstransistor 103 ein "P"-Typ
ist und der Ausgangstransistor 106 ein "N"-Typ
ist, ansonsten sind die Verstärkerstufen 101 und 102 im
Wesentlichen identisch. Da die Stufen 101 und 102 des
Verstärkers 100 im
Wesentlichen identisch sind, wird nur die Stufe 101 im
Detail erörtert.
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Dieser
frühere
Verstärker 100 ist
wegen seiner durch Rückkopplung
bedingten) Linearität
und seiner Fähigkeit
zur Bereitstellung von Ausgangsspannungsaussteuerungsweiten von
großer
Größe attraktiv.
Um die Linearität
des Verstärkers 100 bei
hohen Frequenzen zu verbessern, sollte die Bandbreite bezüglich Verstärkung eins
seiner Verstärkerstufen,
zum Beispiel der Verstärkerstufe 101,
die den Hilfsverstärker 102 und
den Ausgangstransistor 103 aufweist, maximiert werden.
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Die Übertragungsfunktion
des Verstärkers
102 ist
bestimmt durch
wobei I/τ die dominante Polfrequenz ist.
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Die Übertragungsfunktion
der Verstärkerstufe
101 ist
bestimmt durch:
wobei
gm
OUT die Steilheit des Ausgangstransistors
103 ist
und R
L die Lastimpedanz ist. Diese Übertragungsfunktion
gilt für
sehr kleine Ausgangslasten (50 Ω oder
weniger), so dass der Miller-Effekt nicht bedeutsam ist, d.h. es
besteht keine kapazitive Kopplung zwischen dem Ausgang des Hilfsverstärkers
102 und
dem Ausgang des Ausgangstransistors
103. Der Ausgangstransistor
103 würde normalerweise
niedrige Ruheströme
tragen (typischerweise 100 μA–1 mA),
während
der Spitzenstrom 100–400
mA sein kann.
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2 stellt
graphisch eine Bandbreite in Abhängigkeit
von Ausgangstransistorstromeigenschaften für den Verstärker gemäß
1 dar. Da
sich gm
OUT der Ausgangstransistoren des
in
1 gezeigten Verstärkers mit dem Strom ändert, ist
die Bandbreite der (die Verzögerung
durch die) Ausgangsstufe signalabhängig, wie durch die Kennlinie
in
2 gezeigt ist, welche die Bandbreite in Abhängigkeit
von dem Ausgangstransistorstrom (I
OUT) darstellt.
Dies führt
zu einer dynamischen Verzerrung der Ausgangsstufe. Die kapazitive
Last des Hilfsverstärkers
wird hauptsächlich
durch die Gate-Kapazitanz Cgs des Ausgangstransistors für sehr kleine Widerstandsausgangslastimpedanzen
bestimmt. Für
eine vorgeschriebene Anforderung an den Maximalspannungspegel auf
einer vorgeschriebenen Widerstandslastimpedanz wird bei einer gegebenen
CMOS-Technik die Größe des Ausgangstransistors
103 und
sein Cgs bestimmt. Die entstehende Übertragungsfunktion für die Verstärkerstufe
101 ist:
wobei
gm
IN die Steilheit des Verstärkers
102 ist.
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Die
Gleichung 3 weist darauf hin, dass die Optimierung des Frequenzverhaltens
der Übertragungsfunktion
die Optimierung Ft = Cgs/gm des Ausgangstransistors
103 ergibt.
Das Verhältnis
Ft kann folgendermaßen
gezeigt werden:
wobei
W, L und I die Breite bzw. die Länge
bzw. der Strom des Ausgangstransistors sind. Um Ft für eine vorgeschriebene
Anforderung an den Strom und eine Kanallänge L des Ausgangstransistors
zu maximieren, sollte die Breite W des Kanals minimiert werden.
Da der frühere
Leitungstreiberverstärker
100 mit
unter schiedlichen Ausgangsspannungspegeln arbeitet und sein Ausgangstransistor
103 so
konstruiert ist, dass er den Maximalspannungspegel liefert, ist
die Kanalbreite W übergroß und ist
die Frequenzantwort des Leitungstreiberverstärkers
100 nicht optimiert.
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3 zeigt
in vereinfachter Blockdiagrammform Details eines Leitungstreiberverstärkers 300,
der eine Ausführungsform
der Erfindung aufweist. Genauer wird der Verstärker 300 gezeigt,
der zwei Verstärkerstufen 301 und 302 aufweist.
Die Verstärkerstufe 301 weist
eine Mehrzahl von Hilfsverstärkern 303-1 bis 303-N und ihre
jeweiligen zugehörigen
Ausgangstransistoren 304-1 bis 304-N auf, die
parallel geschaltet sind. Auf ähnliche
Weise weist die Verstärkerstufe 302 die
Hilfsverstärker 305-1 bis 305-N und
ihre jeweiligen Ausgangstransistoren 306-1 bis 306-N auf,
die parallel geschaltet sind. Jeder der Hilfsverstärker 303 und 305 in
diesem Beispiel weist einen Differenzverstärker mit einem ersten und einem
zweiten Eingang und einem Ausgang auf und hat eine "eingebaute", d.h. intern erzeugte,
Offset-Spannung. Die Differenzverstärker sind derart konstruiert, dass
sie eine bestimmte Offset-Spannung liefern, wie untenstehend bezüglich 4 beschrieben
wird. Ein erster Eingang von jedem der Hilfsverstärker 303 und 305 ist
mit dem Eingangsanschluss 307 des Verstärkers 300 verbunden,
während
ein zweiter Eingang der Hilfsverstärker 303 und 305 mit
dem Ausgangsanschluss 308 des Verstärkers 300 verbunden
ist. Auf ähnliche
Weise ist ein Ausgang von jedem der Hilfsverstärker 303-1 bis 303-N mit
einem Gate-Anschluss der jeweiligen zugehörigen Ausgangstransistoren 304-1 bis 304-N verbunden.
Ein Source-Anschluss
von jedem der Ausgangstransistoren 304 ist mit dem Versorgungsspannungsanschluss 309 verbunden,
während
der Drain-Anschluss von jedem der Ausgangstransistoren 304 mit dem
Ausgangsanschluss 308 verbunden ist. Auf ähnliche
Weise ist ein Ausgang von jedem der Hilfsverstärker 305-1 bis 305-N mit
einem Gate-Anschluss der jeweiligen zugehörigen Ausgangstransistoren 306-1 bis 306-N verbunden.
Ein Source-Anschluss von jedem der Ausgangstransistoren 306 ist
mit dem Anschluss 310 verbunden, der in diesem Beispiel
ein Massepotential ist, während
der Drain-Anschluss von jedem der Ausgangstransistoren 306 mit
dem Ausgangsanschluss 308 verbunden ist. Wie gezeigt, sind
in diesem Beispiel die Ausgangstransistoren 304 in CMOS-Technik
hergestellte Feldeffekttransistoren vom „N"-Typ. Auf ähnliche Weise sind in diesem
Beispiel die Ausgangstransistoren 306 auch in CMOS-Technik
hergestellte Feldeffekttransistoren vom „N"-Typ.
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Es
sei bemerkt, dass diese Hilfsverstärker 303-1 bis 303-N und
ihre jeweiligen zugehörigen
Ausgangstransistoren 304-1 bis 304-N parallel
zwischen den Eingangsanschluss 307 des Verstärkers 300,
den Versorgungsspannungsanschluss 309 und den Ausgangsanschluss 308 des
Verstärkers 300 geschaltet
sind. Ferner sind die Hilfsverstärker 305-1 bis 305-N und
ihre jeweiligen zugehörigen
Ausgangstransistoren 306-1 bis 306-N parallel
zwischen den Eingangsanschluss 307 des Verstärkers 300,
den Massepotentialanschluss 310 und den Ausgangsanschluss 308 des
Verstärkers 300 geschaltet.
Da gemäß der Erfindung
in den Verstärkerstufen 301 und 302 eine
Mehrzahl von Ausgangstransistoren 304 bzw. 306 verwendet
werden, können
die einzelnen Ausgangstransistoren eine kleinere Größe haben
als sonst erforderlich wäre,
wenn ein einzelner Ausgangstransistor pro Verstärkerstufe verwendet worden
wäre, wie
es in früheren
Leitungstreiberverstärkern
der Fall war. In diesem Beispiel wird der Leitungstreiberverstärker 300 in
Form einer integrierten Schaltung mittels CMOS-Technik implementiert.
Außerdem
sind in diesem Beispiel die Hilfsverstärker 303 und 305 entsprechend
ihrer einzelnen eingebauten Offset-Spannung in einer Reihe angeordnet.
Folglich haben die Hilfsverstärker 303-1 und 305-1 jeder
die kleinste erwünschte
Offset-Spannung,
während
die Hilfsverstärker 303-N und 305-N die
größte erwünschte Offset-Spannung
haben. Die dazwischen liegenden Hilfsverstärker 303 und 305 haben
Offset-Spannungen, die von den die Schaltung Implementierenden wie
erwünscht
bestimmt werden. Auf diese Weise halten die Hilfsverstärker 303 und 305 ihre
zugehörigen
Ausgangstransistoren 304 bzw. 306 in einem AUS-Zustand,
solange die an den Anschluss 307 gelieferte Eingangssignalgröße kleiner
ist als die Offset-Spannung der Hilfsverstärker. Wenn die Größe des an
den Eingangsanschluss 307 gelieferten Eingangssignals die
Offsetspannung des Hilfsverstärkers
(der Hilfsverstärker)
erreicht oder übersteigt,
steuert sie dessen (steuern sie deren) zugehörige(n) Ausgangstransistor(en)
in einen EIN-Zustand. Folglich können
einer oder mehrere der Ausgangstransistoren 304 und einer
oder mehrere der Ausgangstransistoren 306 in einem EIN-Zustand
sein. Wenn die Eingangssignalgröße gleich
oder größer ist
als die größte Offset-Spannung,
werden alle Ausgangstransistoren in den EIN-Zustand gesteuert und
beteiligen sich an der Lieferung des Ausgangsstroms des Verstärkers 300.
Mit Bezug auf Gleichung 4 wird festgestellt, dass für eine gegebene
Anforderung an den Ausgangsstrom und eine gegebene Ausgangstransistorkanallänge L die
Kanalbreite W reduziert werden sollte. Dies ist in der oben beschriebenen
Ausführungsform
der Erfindung durch die Verwendung der Mehrzahl von Ausgangstransistoren
mit kleineren Kanalbreiten realisiert, und dadurch, dass je nach
Größe des Eingangssignals
nur diese Ausgangstransistoren in einem EIN-Zustand sind. Das heißt, für kleinere
Eingangssignalgrößen sind
weniger Ausgangstransistoren in einem EIN-Zustand als für größere Eingangssignalgrößen. Folglich
wird auf diese Weise die effektive Breite W eines der Mehrzahl von
Ausgangstransistoren äquivalenten
Transistors proportional zu dem Ausgangsstrom I des Verstärkers 300 und
ist Ft für
alle Eingangssignalpegel gemäß der Erfindung
gleich und maximiert.
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Man
beachte, dass diese Mehrfach-Hilfsverstärker- und Mehrfach-Ausgangstransistor-Ausführungsform
der Erfindung die Linearität
des Gesamtleitungstreiberverstärkers 300 in
dem Frequenzbereich erhöht. Es
gibt jedoch einen Kompromiss zwischen der Anzahl von zu verwendenden
Hilfsverstärker-
und Ausgangstransistorenstufen und der Leistung des Verstärkers 300.
Deshalb kann nur eine marginale Verbesserung bezüglich der Leistung erwartet
werden, sobald eine vorgeschriebene Anzahl von Hilfsverstärkerstufen
unter der Verwendung von zusätzlichen
Hilfsverstärker-
und Ausgangstransistorenstufen verwendet wurde.
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4 zeigt
in vereinfachter Form Details eines Differenzverstärkers, der
einen eingebauten Offset-Spannungspegel aufweist, der in den in
dem Leitungstreiberverstärker
gemäß 3 verwendeten
Hilfsverstärkern 303 oder 305 verwendet
werden kann. Ein Eingangssignal wird über die Eingangsanschlüsse 401 an
die Gate-Anschlüsse
der Feldeffekttransistoren 402 und 403 geliefert.
Die Transistoren 402 und 403 werden zusammen mit
Lastimpedanzen 407 und 408 und einem Vorspann-Feldeffekttransistor 405 in
der bekannten Differenzpaarverstärkerkonfiguration
zwischen dem Versorgungsspannungsanschluss 409 und in diesem
Beispiel dem Massepotentialanschluss 410 verbunden. Eine
Vorspannungsspannung wird über
den Vorspannungsanschluss 406 an den Gate-Anschluss des
Transistors 405 angelegt, um den Betriebsstrom des Differenzverstärkers auf
bekannte Weise einzustellen.
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Wie
obenstehend aufgezeigt, hat jeder der Hilfsverstärker 303 und 305 einen
eingebauten Offset-Spannungspegel. Dieser Offset-Spannungspegel
wird dadurch erreicht, dass die Transistoren 402 und 403 zu
einer Stromfehlanpassung veranlasst werden. Um den Offset-Spannungspegel
zu steuern, sollte die Stromfehlanpassung zwischen den Transistoren 402 und 403 größer sein
als die Schwellenfehlanpassung zwischen den Transistoren. Folglich
ist für
die gleiche Gate-Source-Anschlussspannung über den Transistoren 402 und 403 die
Stromfehlanpassung proportional zu den Verhältnissen W/L der Kanäle der Transistoren 402 und 403, wobei
W die Kanalbreite und L die Kanallänge ist. Tatsächlich verursacht
die entstehende Stromfehlanpassung eine erwünschte Abweichung in der Ausgangsspannung
an dem Ausgang 404 relativ zu der Spannung, wenn die Transistoren 402 und 403 symmetrisch
sind. Folglich ergibt sich ein erwünschter Offset-Spannungspegel gemäß der Erfindung.
Man beachte, dass es in der Praxis vorteilhaft ist, für den Kanal
eine feste Länge
L zu haben und nur die Kanalbreite W einzustellen, um die erwünschte Stromfehlanpassung
zwischen den Transistoren 402 und 403 und folglich
die Verstärker-Offset-Spannung
zu erreichen.
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5 zeigt
in vereinfachter Form Details eines Differenzverstärkers mit
einem programmierbaren Offset-Spannungspegel, der vorteilhaft in
den in der in 3 gezeigten Ausführungsform
der Erfindung verwendeten Hilfsverstärkern verwendet werden kann.
Elemente, die denen, die in dem in 4 gezeigten
Differenzverstärker
verwendet werden, in Betrieb und Funktionalität ähnlich sind, wurden gleiche
nummeriert und werden hier nicht im Detail erörtert. Folglich ist eine Mehrzahl
von Feldeffekttransistoren 403-1 bis 403-Y gezeigt, die
relativ zueinander und zu der Kanalfläche des Transistors 402 unterschiedliche
Kanalflächen
haben. Um einen erwünschten
Offset-Spannungspegel zu erreichen, werden dann ein bestimmter oder
mehrere der Transistoren 403-1 bis 403-Y über entsprechende
steuerbare Schalter 411-1 bis 411-Y in das zweite
Bein des Differenzverstärkers 500 als
Transistor 403 gemäß 4 geschaltet.
Die Gründe,
aus denen daraus eine erwünschte
Offset-Spannung resultiert, wurden oben bezüglich des in 4 gezeigten
Differenzverstärkers
beschrieben und sind gleichermaßen
auf den Differenzverstärker 500 gemäß 5 anwendbar.
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Die
oben beschriebenen Anordnungen sind natürlich lediglich veranschaulichend
für die
Prinzipien der Erfindung. Tatsächlich
können
vom Fachmann zahlreiche andere Anordnungen entworfen werden, ohne
vom Sinn und Umfang der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel kann
es wünschenswert
sein, Ausgangstransistoren mit verschiedenen Größen anstatt alle mit der gleichen
Größe zu verwenden,
je nach der speziellen Anwendung oder dem Erzielen einer erwünschten
Antworteigenschaft. Außerdem
ist es vorgesehen, dass die Erfindung in einer sogenannten symmetrischen
Verstärkerkonfiguration
implementiert wird. Wie man eine solche symmetrische Verstärkerkonfiguration
realisiert, ist dem Durchschnittsfachmann klar.
