DE60118977T2

DE60118977T2 - Differentialverstärker mit grossem gleichtaktbereich

Info

Publication number: DE60118977T2
Application number: DE60118977T
Authority: DE
Inventors: Hong Wei San Jose WANG; Ardie Laguna Niguel VENES
Original assignee: Broadcom Corp
Current assignee: Broadcom Corp
Priority date: 2000-12-15
Filing date: 2001-12-17
Publication date: 2006-12-21
Anticipated expiration: 2021-12-18
Also published as: EP1354399A2; WO2002049208A2; US7064610B2; WO2002049208A3; US20050195032A1; EP1354399B1; US20020075074A1; DE60118977D1; US7193464B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erweitern eines Eingangssignalbereichs eines Bauteiles, welches das Eingangssignal empfängt. Im Besonderen betrifft die vorliegende Erfindung einen Entwurf für einen Verstärker, der dessen Eingangssignalbereich erweitert. Noch genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung einen Entwurf für einen Differentialverstärker mit einem großen Eingangs-Gleichtaktsignalbereich.
Einschlägiger Stand der Technik
Betriebsverstärker sind Schlüsselelemente, die in vielen analogen und gemischten analog/digitalen Anwendungen verwendet werden. Diese Anwendungen werden zunehmend als kleine, tragbare Packungen ausgeführt, die geringe Leistungsversorgungsspannungen erfordern. Diese Erfordernis stellt hohe Ansprüche an die Fähigkeit von Betriebsverstärkern, die großen Spannungsschwünge zur Verfügung zu stellen, die benötigt werden, um einen breiten dynamischen Bereich zu gewährleisten.
Herkömmlicher Weise werden Betriebsverstärker unter Verwendung von Differentialverstärkern implementiert, um die Spannungsschwünge zu erhöhen. Der Zweck eines Differentialverstärkers ist es, Änderungen in seinem Differentialeingangssignal zu erfassen und gleichzeitig Änderungen in seinem Gleichtakt- bzw. durchschnittlichen Eingangssignal zu unterdrücken. Durch das Entfernen der Gleichtaktkomponente eines Eingangssignals können Differentialverstärker relativ große Spannungsschwünge unterstützen.
Differentialverstärker sind wesentliche Baublöcke der meisten modernen IC-Verstärker und werden nach ihrer Fähigkeit zum Herstellen von angepassten Transistoren auf einem Chip eingestuft. Differentialverstärker sind insbesondere nützlich für Mischsignalanwendungen, bei denen das von digitalen Schaltungen erzeugte Rauschen Analogsignale verzerren kann. Rauschen, das an beiden Eingangssignalen einer Differentialschaltung auftritt, wird an den Ausgangssignalen unterdrückt.
1 ist eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Differentialverstärkers 100. Der Differentialverstärker 100 weist zwei Transistoren "M₁" 102 und "M₂" 104 auf, deren Source-Anschlüsse mit einander verbunden sind. Eine Stromquelle "I_TAIL" 106 ist parallel mit einem Widerstand "R_TAIL" 108 zwischen die Source-Anschlüsse und eine erste Leistungsversorgungsspannung "V_SS" 110 geschaltet. (Bei einer Ausführungsform könnte V_SS 110 Analogmasse sein.) Ein Widerstand ist mit dem Drain-Anschluss jedes Transistors verbunden. "R_D1" 112 ist mit dem Drain-Anschluss von M₁ 102 verbunden; "R_D2" 114 ist mit dem Drain-Anschluss von M₂ 104 verbunden. R_D1 112 und R_D2 114 sind zusammen mit einer zweiten Leistungsversorgungsspannung "V_DD" 116 verbunden. (Bei einer Ausführungsform könnte V_DD 116 Analogmasse sein.) Der Differentialverstärker 100 empfängt ein Differentialeingangssignal und empfängt ein Differentialausgangssignal. Das Differentialeingangssignal weist ein erstes Eingangssignal "v_i1" 118 auf, das an den Gate-Anschluss von M₁ 102 gelegt ist, und ein zweites Eingangssignal "v_i2" 120, das an den Gate-Anschluss von M₂ 104 gelegt ist. Das Differentialausgangssignal weist ein erstes Ausgangssignal "v_o1" 122 auf, das am Drain-Anschluss von M₂ 104 erzeugt wird, und ein zweites Ausgangssignal "v_o2" 124, das am Drain-Anschluss von M₁ 102 erzeugt wird. Bevorzugt ist der Differentialverstärker 100 symmetrisch, so dass jede Komponente auf der Seite eines Ausgangs (z.B. M₁ 102, R_D1 112) einer identischen Komponente auf der Seite des anderen Ausgangs (z.B. M₂ 104, R_D2 114) entspricht.
M₁ 102 und M₂ 104 weisen ein Differentialpaar auf und haben die Aufgabe, die Verteilung des von I_TAIL 106 zwischen V_DD 116 und V_SS 110 fließenden Stroms zu steuern. Die Summe des durch sowohl M₁ 102 als auch M₂ 104 fließenden Stroms ist gleich I_TAIL 106. Wenn beispielsweise v_i1 118 bezogen auf v_i2 120 zunimmt, nimmt der Anteil des Gesamtstroms von I_TAIL 106, der durch M₁ 102 und Rpi 112 fließt, zu, während der Teil, der durch M₂ 104 und R_D2 114 fließt, abnimmt. Mehr Strom, der durch R_D1 112 fließt, verstärkt den Spannungsabfall über R_D1 112, während weniger Strom, der durch R_D2 114 fließt, den Spannungsabfall über R_D2 114 verstärkt. Somit nimmt v_o1 122 bezogen auf v_o2 124 zu.
Das Differentialeingangssignal kann so ausgedrückt werden, wie in Gleichung (1) gezeigt ist: vid = vi1 – vi2 Gleichung (1),während das Gleichtakt-Eingangssignal so ausgedrückt werden kann, wie in Gleichung (2) gezeigt ist: vic = vi1 + vi2]/2 Gleichung (2).
Genauso kann das Differentialausgangssignal so ausgedrückt werden, wie in Gleichung (3) gezeigt ist: vod = vo1 – vo2 Gleichung (3)während das Gleichtakt-Ausgangssignal so ausgedrückt werden kann, wie in Gleichung (4) gezeigt ist: voc = [vo1 + vo2]/2 Gleichung (4).
Wie oben stehend angemerkt wurde, ist es der Zweck des Differentialverstärkers 100, Veränderungen in seinem Differentialeingangssignal v_id zu erfassen und dabei Veränderungen in seinem Gleichtakt-Eingangssignal v_ic zu unterdrücken. Die Fähigkeit des Differentialverstärkers 100, dieses Ziel zu verwirklichen, kann durch mehrere Gütezahlen ausgedrückt werden. Insbesondere ist das Gleichtakt-Unterdrückungsverhältnis, CMRR ("Common Mode Rejection Ratio"), so definiert, wie in Gleichung (5) gezeigt ist: CMRR ≡ |Adm/Acm| Gleichung (5),wobei A_dm die Differentialmodus-Verstärkung und A_cm die Gleichtakt-Verstärkung ist. A_dm kann so ausgedrückt werden, wie in Gleichung (6) gezeigt ist: Adm = vod/vid|vic = 0 = 1/2{[(vo1 – vo2)/vi1] + [(vo2 – vo1)/vi2]} Gleichung (6).
A_cm kann so ausgedrückt werden, wie in Gleichung (7) gezeigt ist: Acm = voc/vic|vid = 0 = 1/2{[(vo1 + vo2)/vi1] + [(vo2 + vo1)/vi2]} Gleichung (7).
Beim Entwerfen von Differentialverstärkern ist es wünschenswert, den Wert von CMRR zu maximieren. Dies zeigt die Maximierung der gewünschten Differentialmodus-Verstärkung und/oder Minimierung der unerwünschten Gleichtakt-Verstärkung an. Die Kleinsignalanalyse eines Differentialverstärkers kann dazu verwendet werden, CMRR als Funktion der internen physikalischen Parameter der Transistoren auszudrücken, aus denen der Differentialverstärker 100 besteht. Die Kleinsignalanalyse muss sowohl Differentialmodus- als auch Gleichtaktoperationen berücksichtigen.
2 ist eine schematische Darstellung einer Kleinsignal-Modellschaltung 200 des Differentialverstärkers 100. In der Schaltung 200 ist M₁ 102 als eine Stromquelle "i₁" 202 modelliert, die parallel zu einem Ausgangswiderstand "r_o1" 204 zwischen einen Knoten "N₀" 206 und einen Knoten "N₁" 208 geschaltet ist. Ein Eingangswiderstand "r_π1" 210 ist in Reihe zwischen N₀ 206 und ein erstes Eingangssignal "v_i3" 212 geschaltet. R_D1 112 ist in Reihe zwischen N₁ 208 und Masse geschaltet. Ein erstes Ausgangssignal "v_o3" 214 wird an N₁ 208 erzeugt. Auf die gleiche Weise ist M₂ 104 als eine Stromquelle "i₂" 216 modelliert, die parallel mit einem Ausgangswiderstand "r_o2" 218 zwischen N₀ 206 und einen Knoten "N₂" 220 geschaltet ist. Ein Eingangswiderstand "r_π2" 222 ist in Reihe zwischen N₀ 206 und ein zweites Eingangssignal "v_i4" 224 geschaltet. Ein zweites Ausgangssignal "v_o4" 226 wird an N₂ 220 erzeugt. R_D2 114 ist in Reihe zwischen N₂ 220 und Masse geschaltet. R_TAIL 108 ist in Reihe zwischen N₀ 206 und Masse geschaltet.
Der Wert von i₁ 202 kann so ausgedrückt werden, wie in Gleichung (8) gezeigt ist: i1 = gmv1 Gleichung (8),wobei g_m die Transkonduktanz von M₁ 102 (bzw. M₂ 104, weil der Differentialverstärker 100 symmetrisch ist) und v₁ der Spannungsabfall über r_π1 210 ist.
Auf die gleiche Weise kann der Wert von i₂ 216 ausgedrückt werden, wie in Gleichung (9) gezeigt ist: i2 = gmv2 Gleichung (9),wobei v₂ der Spannungsabfall über r_π2 222 ist.
Im Differentialmodus kann der Wert von v_i3 212 so ausgedrückt werden, wie in Gleichung (10) gezeigt ist: vi3 = vid/2 Gleichung (10),wobei der Wert von v_i4 224 so ausgedrückt werden kann, wie in Gleichung (11) gezeigt ist: vi4 = –vid/2 Gleichung (11).
Auf die gleiche Weise kann der Wert von v_o3 214 so ausgedrückt werden, wie in Gleichung (12) gezeigt ist: vo3 = vod/2 Gleichung (12),während der Wert von v_o4 226 so ausgedrückt werden kann, wie in Gleichung (13) gezeigt ist: vo4 = –vod/2 Gleichung (13).
Falls M₁ 102 und M₂ 104 MOSFETs sind, sind die Eingangswiderstände r_π1 210 und r_π 222 ausreichend hoch, um als unendlich angenommen werden zu können. Somit kann der Wert von i₁ 202 so ausgedrückt werden, wie in Gleichung (14) gezeigt ist: i1 = gmvid/2 Gleichung (14),und der Wert von i₂ 216 kann so ausgedrückt werden, wie in Gleichung (15) gezeigt ist: i2 = –gmvid/2 Gleichung (15).
Da der Differentialverstärker 100 symmetrisch ist, und die Eingangssignale durch gleiche, aber entgegengesetzte Spannungen angetrieben werden, gibt es keine Variation in der Spannung über R_TAIL 108. Bei der Kleinsignalanalyse ist dieser Zustand effektiv der gleiche wie das Anschließen von N₀ 206 an Masse.
Somit kann die weitere Analyse der Kleinsignal-Modellschaltung 200, die im Differentialmodus arbeitet, durch das Analysieren einer Kleinsignal-Differentialmodus-Modellhalbschaltung vereinfacht werden.
3 ist eine schematische Darstellung einer Kleinsignal-Differentialmodus-Modellhalbschaltung 300. In der Halbschaltung 300 sind i₁ 202, r_o1 204 und R_D1 112 parallel zwischen N₀ 206 und N₁ 208 geschaltet. N₀ 206 ist mit Masse verbunden. v_o3 214 wird an N₁ 208 erzeugt. Unter Bezugnahme auf die Gleichungen (6), (12) und (14) kann A_dm so ausgedrückt werden, wie in Gleichung (16) gezeigt ist: Adm = –gmR Gleichung (16),wobei R der effektive Widerstand der parallelen Kombination von r_o1 204 und R_D1 112 ist.
Unter erneuter Bezugnahme auf 2 können im Gleichtakt die Werte von v_i3 212 und v_i4 224 so ausgedrückt werden, wie in Gleichung (17) gezeigt ist: vi3 = vi4 = vic Gleichung (17).
Auf die gleiche Weise können die Werte von v_o3 214 und v_o4 226 so ausgedrückt werden, wie in Gleichung (18) gezeigt ist: vo3 = vo4 = voc Gleichung (18).
Wenn M₁ 102 und M₂ 104 MOSFETs sind, sind die Eingangswiderstände r_π1 210 und r_π2 222 ausreichend groß, um als unendlich angenommen zu werden. Somit können die Werte von i₁ 202 und i₂ 216 so ausgedrückt werden, wie in Gleichung (19) gezeigt ist: i1 = i2 = gmvic Gleichung (19).
Da der Differentialverstärker 100 symmetrisch ist, und die Eingangssignale durch gleiche Spannungen angetrieben werden, kann die weitere Analyse der im Gleichtakt operierenden Kleinsignal-Modellschaltung 200 durch Analysieren einer Kleinsignal-Gleichtakt-Modellhalbschaltung vereinfacht werden.
4 ist eine schematische Darstellung einer Kleinsignal-Gleichtakt-Modellhalbschaltung 400. In der Halbschaltung 400 ist ein Widerstand "R_TAIL2" 402 zwischen N₀ 206 und Masse geschaltet. Der Wert von R_TAIL2 402 kann so ausgedrückt werden, wie in Gleichung (20) gezeigt ist: RTAIL2 = 2 × RTAIL Gleichung (20).
Im Prinzip wird R_TAIL 108 in der Kleinsignal-Modellschaltung 200 zuerst als eine parallele Kombination von zwei Widerständen modelliert, die zwischen N₀ 206 und Masse geschaltet sind. Jeder Widerstand in der parallelen Kombination hat einen Widerstandswert, der gleich R_TAIL2 402 ist, so dass der Widerstandswert der parallelen Kombination gleich R_TAIL 108 bleibt. Dies ermöglicht es, die Kleinsignal-Modellschaltung 200 als Kleinsignal-Gleichtakt-Modellhalbschaltung 400 neu zu konfigurieren, so dass sie den Spannungsabfall über R_TAIL 108 berücksichtigt.
Des Weiteren ist in der Halbschaltung 400 i₁ 202 zwischen N₀ 206 und N₁ 208 geschaltet, so dass i₁ 202 und R_TAIL2 402 in Reihe zwischen N₁ 208 und Masse geschaltet sind. Zusätzlich sind r_o1 204 und R_D1 112 parallel zwischen N₁ 208 und Masse geschaltet. v_o3 214 wird an N₁ 208 erzeugt. Unter Bezugnahme auf die Gleichungen (7), (18), (19) und (20) kann A_cm so ausgedrückt werden, wie in Gleichung (21) gezeigt ist: Acm = –gmR/[1 + gmRTAIL2] Gleichung (21),wobei R der effektive Widerstand der parallelen Kombination von r_o1 204 und R_D1 112 ist.
Somit kann CMRR unter erneuter Bezugnahme auf die Gleichungen (5), (16) und (21) als Funktion der internen physikalischen Parameter der Transistoren ausgedrückt werden, aus denen der Differentialverstärker 100 besteht, wie in Gleichung (22) gezeigt ist: CMRR = 1 + gmRTAIL2 Gleichung (22).
In praktischen Implementierungen werden Differentialverstärker unter Verwendung von aktiven Vorrichtungen als Stromquellen, und in den meisten Fällen auch als Lasten, ausgeführt. Aktive Vorrichtungen stellen hohe Widerstandswerte zur Verfügung, während sie weniger Spannungsabfälle verursachen und weniger Chipfläche verbrauchen als passive Widerstände.
5 ist eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Differentialverstärkers 500 mit aktiven Lasten. Der Differentialverstärker 500 weist ein Differentialpaar 502 von Verstärkungstransistoren M₁ 102 und M₂ 104 auf, deren Source-Anschlüsse mit einander verbunden sind. Ein Lasttransistor ist mit dem Drain-Anschluss eines jeden Verstärkungstransistors verbunden. "M₃" 504 ist mit dem Drain-Anschluss von M₁ 102 verbunden; "M₄" 506 ist mit dem Drain-Anschluss von M₂ 104 verbunden. M₃ 504 und M₄ 506 sind zusammen an die Leistungsversorgungsspannung V_DD 116 angeschlossen. Eine erste Vorspannung "V_biasp" 508 hält die Lasttransistoren M₃ 504 und M₄ 506 gesättigt. Ein fünfter Transistor "M₅" 510 stellt eine Stromquelle für den Differentialverstärker 500 zur Verfügung. M₅ 510 ist zwischen die Source-Anschlüsse von M₁ 102 und M₂ 104 und die Leistungsversorgungsspannung V_SS 110 geschaltet. Eine zweite Vorspannung "V_biasn" 512 hält den Transistor M₅ 510 gesättigt. Das erste Eingangssignal v_i1 118 ist an den Gate-Anschluss von M₁ 102 gelegt, und das erste Ausgangssignal v_o1 122 wird am Drain-Anschluss von M₂ 104 erzeugt. Das zweite Eingangssignal v_i2 120 ist an den Gate-Anschluss von M₂ 104 gelegt, und das zweite Ausgangssignal v_o2 124 wird am Drain-Anschluss von M₁ 102 erzeugt.
In dem Differentialverstärker 500 sind M₁ 102, M₂ 104 und M₅ 510 NMOSFETs, während M₃ 504 und M₄ 506 PMOSFETs sind. Für den Fachmann dürfte jedoch ersichtlich sein, dass auch andere Transistorenkonfigurationen verwendet werden könnten. Bevorzugt ist der Differentialverstärker 500 symmetrisch, so dass jede Komponente auf der Seite eines Ausgangs (z.B. M₁ 102, M₃ 504) einer identischen Komponente auf der Seite des anderen Ausgangs (z.B. M₂ 104, M₄ 506) entspricht.
Auch wenn die Verwendung von aktiven Vorrichtungen als Stromquellen und Lasten einige Vorteile besitzt, weist sie leider auch das Problem auf, dass sie den Eingangs-Gleichtaktsignalbereich einschränkt. (Es ist wünschenswert, einen Eingangs-Gleichtaktsignalbereich von V_SS bis V_DD zu haben.) Der Grund dafür ist, dass die Stromquellentransistoren gesättigt gehalten werden müssen.
Diese Gleichtaktbeschränkung ist insbesondere schwierig bei Anwendungen, die z.B. IEEE Std 1596.3-1996 für Niederspannungs-Differentialsignale für eine skalierbare kohärente Schnittstelle (Low Voltage Differential Signals for Scalable Coherent Interface) einhalten sollen, was einen großen Eingangs-Gleichtaktsignalbereich erfordert. Eine Analyse des Eingangs-Gleichtaktsignalbereichs für den Differentialverstärker 500 macht diese Beschränkung deutlich.
Bei dem Differentialverstärker 500 kann die Untergrenze von v_ic so ausgedrückt werden, wie in Gleichung (23) gezeigt ist: vic > VSS + vTn + vovM5 Gleichung (23),wobei v_Tn die Schwellenspannung von M₁ 102 (bzw. M₂ 104), und v_ovM5 die Übersteuerspannung von M₅ 510 ist.
Auf die gleiche Weise kann die Obergrenze von v_ic so ausgedrückt werden, wie in Gleichung (24) gezeigt ist: vic < VDD + vTn – vovload Gleichung (24),wobei v_ovload die Übersteuerspannung von M₃ 504 (bzw. M₄ 506) ist. Normalerweise ist v_Tn > v_ovload. Somit zeigt die Analyse, dass die Untergrenze des Eingangs-Gleichtaktsignalbereichs auf nicht wünschenswerte Weise oftmals größer als V_SS sein muss, während die Obergrenze des Eingangs-Gleichtaktsignalbereichs auf wünschenswerte Weise größer als oder gleich V_DD gehalten werden kann.
Ein herkömmlicher Lösungsansatz für dieses Problem besteht darin, einen Differentialverstärker so zu konfigurieren, dass er zwei Differentialpaare aufweist, um den Eingangs-Gleichtaktsignalbereich zu vergrößern. 6 ist eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Differentialverstärkers 600 mit zwei Differentialpaaren. Der Differentialverstärker 600 weist ein Differentialpaar 502 von Verstärkungstransistoren M₁ 102 und M₂ 104 auf, deren Source-Anschlüsse mit einander verbunden sind. M₅ 510 ist zwischen V_SS 110 und die Source-Anschlüsse von M₁ 102 und M₂ 104 geschaltet. V_biasn 512 hält den Transistor M₅ 510 gesättigt.
Der Differentialverstärker 600 weist ferner ein zweites Differentialpaar 602 von Verstärkungstransistoren "M₆" 604 und "M₇" 606 auf, deren Source-Anschlüsse mit einander verbunden sind. Ein sechster Transistor "M₈" 608 stellt eine Stromquelle für die Verstärkungstransistoren M₆ 604 und M₇ 606 zur Verfügung. M₈ 608 ist zwischen V_DD 116 und die Source-Anschlüsse M₆ 604 und M₇ 606 geschaltet. Eine dritte Vorspannung "V_biasp2" 610 hält den Transistor M₈ 608 gesättigt.
Das erste Eingangssignal v_i1 118 ist an die Gate-Anschlüsse von sowohl M₁ 102 als auch M₆ 604 gelegt. Das zweite Eingangssignal v_i2 120 ist an die Gate-Anschlüsse von sowohl M₂ 104 und M₇ 606 gelegt. Das erste Ausgangssignal v_o1 122 wird am Drain-Anschluss von M₂ 104 erzeugt. Das zweite Ausgangssignal v_o2 124 wird am Drain-Anschluss von M₁ 102 erzeugt. Ein drittes Ausgangssignal "vo₅" 612 wird am Drain-Anschluss von M₇ 606 erzeugt. Ein viertes Ausgangssignal "v_o6" 614 wird am Drain-Anschluss von M₆ 604 erzeugt.
Der Differentialverstärker 600 benötigt eine darauf folgende Stufe, für Gewöhnlich eine Kaskodenstruktur, um Lasten für die Verstärkungstransistoren M₁ 102, M₂ 104, M₆ 604 und M₇ 606 zur Verfügung zu stellen, und um die vier Ausgangssignale v_o1 122, v_o2 124, vo₅ 612 und v_o6 614 zu verarbeiten.
Bei dem Differentialverstärker 600 sind M₁ 102, M₂ 104 und Mg 510 NMOSFETs, während M₆ 604, M₇ 606 und M₈ 608 PMOSFETs sind. Für den Fachmann dürfte jedoch ersichtlich sein, dass auch andere Transistorkonfigurationen verwendet werden könnten. Bevorzugt ist der Differentialverstärker 600 symmetrisch, so dass jede Komponente auf der Seite eines Ausgangs (z.B. M₁ 102, M₆ 604) einer identischen Komponente auf der Seite des anderen Ausgangs (z.B. M₂ 104, M₇ 606) entspricht.
Eine Analyse des Eingangs-Gleichtaktsignalbereichs für den Differentialverstärker 600 zeigt, dass er breiter als der des Differentialverstärkers 500 ist. Für den Differentialverstärker 600 kann die Untergrenze von v_ic so ausgedrückt werden, wie in Gleichung (25) gezeigt ist: vic > VSS + vTp + vovloadn Gleichung (25), wobei v_Tp die Schwellenspannung von M₆ 604 (bzw. M₇ 606) und v_ovloadn die Übersteuerspannung einer NMOSFET-Last in der darauf folgenden Stufe (nicht gezeigt) ist. Normalerweise ist V_Tp < 0, aber |vTp| > |v_ovloadn|.
Auf die gleiche Weise kann die Obergrenze von v_ic so ausgedrückt werden, wie in Gleichung (26) gezeigt ist: vic < VDD + vTn – vovloadp Gleichung (26),wobei v_ovloadp die Übersteuerspannung einer PMOSFET-Last in der darauf folgenden Stufe (nicht gezeigt) ist. Somit, wenn v_ovloadp = v_ovM5 und v_ovloadp = v_ovloadp, zeigen Vergleiche von Gleichung (23) mit Gleichung (25) und von Gleichung (24) mit Gleichung (26), dass die Obergrenze des Eingangs-Gleichtaktsignalbereich auf erwünschte Weise größer als oder gleich V_DD gehalten werden kann, und die Untergrenze des Eingangs-Gleichtaktsignalbereichs auf erwünschte Weise ebenfalls kleiner als oder gleich V_SS gehalten werden kann.
Während aber der Differentialverstärker 600 den Eingangs-Gleichtaktsignalbereich maximiert, weist der Entwurf mehrere Probleme auf, die seine Nützlichkeit beeinträchtigen. Beträchtliche Energie geht verloren, und wertvolle Substratfläche wird verbraucht, um den zweiten Stromquellentransistor zu tragen und die darauf folgende Stufe zu tragen, die benötigt wird, um Lasten für die Verstärkungstransistoren zur Verfügung zu stellen und die beiden zusätzlichen Ausgangssignale zu verarbeiten. Des Weiteren hängt eine erfolgreiche Implementierung des Differentialverstärkers 600 von der Fähigkeit ab, die Differentialpaare 502 und 602 mit übereinstimmenden Verstärkungen und einem ähnlichen Übergangsverhalten herzustellen. Dies ist sehr schwierig zu bewerkstelligen, wenn das Differentialpaar 502 NMOSFETs aufweist und das Differentialpaar 602 PMOSFETs aufweist.
Beispiele für solche Verstärker des Standes der Technik sind in US-Patent Nr.5371474 und in der Europäischen Patentanmeldung Nr. 7233752 zu finden.
Was benötigt wird, ist ein Differentialverstärkerentwurf, der den Eingangs-Gleichtaktsignalbereich, den Leistungsverlust und die verbrauchte Substratfläche optimiert und die Schwierigkeit der Verstärkungsanpassung zwischen einem Differentialpaar aus NMOSFETs und einem Differentialpaar aus PMOSFETs vermeidet.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erweitern eines Eingangssignalbereichs einer Komponente, die das Eingangssignal empfängt. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Entwurf für einen Verstärker, der dessen Eingangssignalbereich erweitert. Noch genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung einen Entwurf für einen Differentialverstärker mit einem großen Eingangs-Gleichtaktsignalbereich.
Der Differentialverstärker der vorliegenden Erfindung weist zwei Differentialpaare auf. Jedes Differentialpaar weist zwei Verstärkungs-MOSFETs auf, deren Source-Anschlüsse mit einander verbunden sind. Die Drain-Anschlüsse von entsprechenden Verstärkungs-MOSFETs in jedem Differentialpaar sind ebenfalls mit einander und mit dem Drain-Anschluss eines entsprechenden Last-MOSFET verbunden. Die Verstärkungs-MOSFETs sind von einem gleichen Typ: entweder NMOSFETs oder PMOSFETs. Die Last-MOSFETs sind von dem entgegengesetzten Typ zu den Verstärkungs-MOSFETs.
Eine Vorspannung hält die Last-MOSFETs gesättigt. Die Vorspannung hat den Effekt, dass sie die Spannungen eines Eingangs-Gleichtaktsignals auf einen Bereich beschränkt, der geringer als der erwünschte Spannungsbereich ist. Der erwünschte Spannungsbereich erstreckt sich zwischen den Spannungen, die Leistung an den Verstärker liefern.
Ein Source-Follower ist mit dem Gate-Anschluss jedes Verstärkungs-MOSFET in einem der Differentialpaare verbunden. Jeder Source-Follower weist einen getriebenen MOSFET und einen nicht-getriebenen MOSFET auf. Sie sind von dem entgegengesetzten Typ zu dem der Verstärkungs-MOSFETs. Der Source-Anschluss jedes getriebenen MOSFET und der Drain-Anschluss des entsprechenden nicht-getriebenen MOSFET sind mit dem Gate-Anschluss des entsprechenden Verstärkungs-MOSFET verbunden. Ein Eingangssignal ist an zwei Anschlüsse in jeder Hälfte des Differentialverstärkers gelegt: den Gate-Anschluss des getriebenen MOSFET des Source-Follower, und den Gate-Anschluss des Verstärkungs-MOSFET, der nicht mit dem Source-Follower verbunden ist. Der Source-Follower bewirkt eine Verschiebung der Spannung des Eingangssignals, um den Bereichsverlust in Folge der Vorspannung zu kompensieren.
Der Differentialverstärker weist ferner ein Paar von Umschalt-MOSFETs auf, deren Source-Anschlüsse mit einander und mit einem Stromquellen-MOSFET verbunden sind. Eine weitere Vorspannung hält den Stromquellen-MOSFET gesättigt. Der Drain-Anschluss eines der Umschalt-MOSFETs ist mit den Source-Anschlüssen der Verstärkungs-MOSFETs in dem von den Source-Followers getriebenen Differentialpaar verbunden. Eine Bezugsspannung ist an den Gate-Anschluss dieses Umschalt-MOSFET gelegt. Der Drain-Anschluss des anderen Umschalt-MOSFET ist mit den Source-Anschlüssen der Verstärkungs-MOSFETs in dem anderen Differentialpaar verbunden. Ein Eingangs-Gleichtaktsignal ist an den Gate-Anschluss dieses Umschalt-MOSFET gelegt. Die andere Vorspannung und die Schwellenspannungen der Umschalt-MOSFETs besitzen auch den Effekt, die Spannungen des Eingangs-Gleichtaktsignals auf einen Bereich von weniger als dem Bereich der wünschenswerten Spannungsbereiche zu beschränken.
Die Umschalt-MOSFETs haben die Aufgabe, die Verteilung des von dem Stromquellen-MOSFET fließenden Stroms zu steuern. Wenn etwa die Eingangs-Gleichtaktsignalspannung gleich der Bezugsspannung ist, fließen gleiche Anteile des Gesamtstroms durch beide Umschalt-MOSFETs; wenn die Eingangs-Gleichtaktsignalspannung größer als die Bezugsspannung ist, fließt ein größerer Anteil des Gesamtstroms durch den MOSFET-Schalter, der an das durch die Eingangssignale getriebene Differentialpaar gebunden ist; und wenn die Eingangs-Gleichtaktsignalspannung geringer als die Bezugsspannung ist, fließt ein größerer Anteil des Gesamtstroms durch den MOSFET-Schalter, der an das durch die Source-Follower getriebene Differentialpaar gebunden ist.
Ein an den Differentialverstärker gelegtes Differentialeingangssignal weist zwei separate Signale auf. Jedes separate Signal ist an die Gate-Anschlüsse jedes der beiden Verstärkungs-MOSFETs in dem Differentialpaar, das nicht von dem Source-Follower getrieben wird, und an den getriebenen MOSFET des Source-Follower gelegt. Jeder Source-Follower bewirkt eine Verschiebung der Spannung seines Eingangssignals, um den Bereichsverlust in Folge der Vorspannungen und der Schwellenspannungen der Umschalt-MOSFETs zu kompensieren.
Wenn gleiche Anteile des Gesamtstroms durch beide Umschalt-MOSFETs fließen, arbeiten beide Differentialpaare zum Verstärken der Eingangssignale; wenn ein größerer Anteil des Gesamtstroms durch den MOSFET-Schalter fließt, der an das von den Eingangssignalen direkt getriebene Differentialpaar gebunden ist, arbeitet dieses Differentialpaar dominant; wenn ein größerer Anteil des Gesamtstroms durch den MOSFET-Schalter fließt, der an das von den Source-Followern getriebene Differentialpaar gebunden ist, arbeitet dieses Differentialpaar dominant.
Vorteilhaft optimiert der Differentialverstärker seinen Eingangs-Gleichtaktsignalbereich unter Verwendung von Differentialpaaren eines gleichen Typs. Dies mildert Schwierigkeiten, die bei der Herstellung von Differentialpaaren mit angepassten Verstärkungen und einem ähnlichen Übergangsverhalten auftreten.
Des Weiteren benötigt der Differentialverstärker keine darauf folgende Stufe, um Lasten für seine Verstärkungs-MOSFETs zur Verfügung zu stellen oder um zusätzliche Ausgangssignale zu verarbeiten. Somit verbraucht er weniger Leistung und auch weniger Substratfläche. Zusätzliche Einsparungen von Leistung und Substratfläche werden dadurch verwirklicht, dass beide Differentialpaare Strom aus dem gleichen Stromquellen-MOSFET ziehen.
Ein wieder anderer Vorteil, der durch den Entwurf des Differentialverstärkers zur Verfügung gestellt wird, ist ein größeres Gleichtaktunterdrückungsverhältnis, weil die Umschalt-MOSFETs in einer Kaskodenkonfiguration verbunden sind und eine konstantere Beibehaltung des Gesamtstroms über den Eingangs-Gleichtaktspannungsbereich bewirken.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die beigefügten Zeichnungen, die Teil der vorliegenden Beschreibung bilden, veranschaulichen die vorliegende Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zur weiteren Erläuterung der Grundgedanken der Erfindung, um einen einschlägigen Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung auszuführen und anzuwenden.
1 ist eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Differentialverstärkers 100.
2 ist eine schematische Darstellung einer Kleinsignal-Modellschaltung 200 des Differentialverstärkers 100.
3 ist eine schematische Darstellung einer Kleinsignal-Differentialmodus-Modellhalbschaltung 300.
4 ist eine schematische Darstellung einer Kleinsignal-Gleichtakt-Modellhalbschaltung 400.
5 ist eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Differentialverstärkers 500 mit aktiven Lasten.
6 ist eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Differentialverstärkers 600 mit zwei Differentialpaaren.
7 ist eine schematische Darstellung eines Differentialverstärkers 700, der als NMOSFET-Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist.
8 ist eine schematische Darstellung einer Kleinsignal-Modellschaltung 800 des Differentialpaares 502 des Differentialverstärkers 700.
9 ist eine schematische Darstellung einer Schaltung 900 zum Erhalten von v_ic 736 aus v_i1 118 und v_i2 120.
10 ist eine schematische Darstellung eines Differentialverstärkers 1000, der als PMOSFET-Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist.
11 ist eine schematische Darstellung eines Einfacheingang-Verstärkers 1100 der vorliegenden Erfindung.
12 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1200 zum Erweitern eines Eingangssignalbereichs einer Komponente, die ein Signal empfängt.
Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen identische oder funktionell ähnliche Elemente bezeichnen. Ferner gibt die Zahl ganz links in jedem Bezugszeichen die Figur an, in der das Bezugszeichen erstmalig verwendet wurde.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erweitern eines Eingangssignalbereichs einer Komponente, die das Eingangssignal empfängt. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Entwurf für einen Verstärker, der dessen Eingangssignalbereich erweitert. Noch genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung einen Entwurf für einen Differentialverstärker mit einem großen Eingangs-Gleichtaktsignalbereich.
7 ist eine schematische Darstellung eines Differentialverstärkers 700, der als NMOSFET-Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist. Der Differentialverstärker 700 weist ein erstes Differentialpaar 502 aus Verstärkungs-NMOSFETs M₁ 102 und M₂ 104 auf, deren Source-Anschlüsse an einem ersten Knoten "N₃" 702 verbunden sind, und ein zweites Differentialpaar 704 aus Verstärkungs-NMOSFETs "M₉" 706 und "M₁₀" 708, deren Source-Anschlüsse an einem zweiten Knoten "N₄" 710 verbunden sind. Das erste und das zweite Differentialpaar 502, 704 sind parallel verbunden. Die Drain-Anschlüsse von M₁ 102 und M₉ 706 sind an einem dritten Knoten "N₅" 712 verbunden; die Drain-Anschlüsse von M₂ 104 und M₁₀ 708 sind an einem vierten Knoten "N₆" 714 verbunden. M₃ 504 ist als Last-PMOSFET zwischen V_DD 116 und N₅ 712 geschaltet; M₄ 506 ist als Last-PMOSFET zwischen V_DD 116 und N₆ 714 geschaltet. Die erste Vorspannung V_biasp 508 hält M₃ 504 und M₄ 506 gesättigt.
Ein erster Umschalt-NMOSFET "M₁₁" 716 und ein zweiter Umschalt-NMOSFET "M₁₂" 718 haben ihre Source-Anschlüsse an einem fünften Knoten "N₇" 720 verbunden. Der Drain-Anschluss von M₁₁ 716 ist mit N₃ 702 verbunden; der Drain-Anschluss von M₁₂ 718 ist mit N₄ 710 verbunden. M₁₁ 716 und M₁₂ 718 weisen zusammen ein Differential-Schaltnetz auf. Die Stromquelle NMOSFET M₅ 510 ist zwischen V_SS 110 und N₇ 720 geschaltet. Die zweite Vorspannung V_biasn 512 hält M₅ 510 gesättigt.
Der Source-Anschluss eines ersten Spannungsverschiebungs-PMOSFET "M₁₃" 722 ist mit dem Gate-Anschluss von M₉ 706 an einem sechsten Knoten "N₈" 724 verbunden. Der Drain-Anschluss von M₁₃ 722 ist mit V_SS 110 verbunden. Ein zweiter Stromquellen-PMOSFET "M₁₄" 726 ist zwischen V_DD 116 und N₈ 724 geschaltet. Der Source-Anschluss eines zweiten Spannungsverschiebungs-PMOSFET "M₁₅" 728 ist mit dem Gate-Anschluss von M₁₀ 708 an einem siebten Knoten "N₉" 730 verbunden. Der Drain-Anschluss von M₁₅ 728 ist mit V_SS 110 verbunden. Ein dritter Stromquellen-PMOSFET "M₁₆" 732 ist zwischen V_DD 116 und N₉ 730 geschaltet. Eine dritte Vorspannung "V_biasp3" 734 hält sowohl M₁₄ 726 als auch M₁₆ 732 gesättigt.
Das erste Eingangssignal v_i1 118 ist an die Gate-Anschlüsse von sowohl M₁ 102 als auch M₁₃ 722 an einem erstem Eingangsanschluss "N₁₀" 736 gelegt; das zweite Eingangssignal v_i2 120 ist an die Gate-Anschlüsse von sowohl M₂ 104 als auch M₁₅ 730 an einem zweitem Eingangsanschluss "N₁₁" 738 gelegt. N₁₀ 736 und N₁₁ 738 weisen zusammen einen Differentialeingang auf. Das erste Ausgangssignal v_o1 122 wird an N₆ 714 erzeugt, der ein erster Ausgangsanschluss ist; das zweite Ausgangssignal v_o2 124 wird an N₅ 712 erzeugt, der ein zweiter Ausgangsanschluss ist. N₆ 714 und N₅ 714 weisen zusammen einen Differentialausgang auf. Ein Eingangs-Gleichtaktsignal (s. Gleichung (2)) "v_ic" 747 ist an den Gate-Anschluss von M₁₁ 716 gelegt; eine Bezugsspannung "v_ref" 742 ist an den Gate-Anschluss von M₁₂ 718 gelegt.
Bevorzugt ist der Differentialverstärker 700 symmetrisch, so dass jede Komponente auf der Seite eines Ausgangs (z.B. M₁ 102, M₃ 504, M₉ 706, M₁₁ 716, M₁₃ 722, M₁₄ 726) einer identischen Komponente auf der Seite des anderen Ausgangs entspricht (z.B. M₂ 104, M₄ 506, M₁₀ 708, M₁₂ 718, M₁₅ 728, M₁₆ 732).
In dieser Konfiguration bilden M₁₃ 722 und M₁₄ 726 einen ersten Source-Follower 744, wobei M₁₃ 722 der getriebene PMOSFET und M₁₄ 726 der nicht-getriebene PMOSFET ist. Somit kann die Spannung an N₈ 724, v_N8, so ausgedrückt werden, wie in Gleichung (27) gezeigt ist: vN8 = vi1 – vTpM13 + vovM13 Gleichung (27),wobei v_TpM13 die Schwellenspannung von M₁₃, und v_ovM13 die Übersteuerspannung von M₁₃ ist. Auf die gleiche Weise bilden _M15 728 und M₁₆ 732 einen zweiten Source-Follower 746, wobei M₁₅ 728 der getrieben PMOSFET und M₁₆ 732 der nicht-getriebene PMOSFET ist. Somit kann die Spannung an N₉ 730, v_N9, so ausgedrückt werden, wie in Gleichung (28) gezeigt ist: vN9 = vi2 – vTpM15 + vovM15 Gleichung (28),wobei v_TpM15 die Schwellenspannung von M₁₅ und v_ovM15 die Übersteuerspannung von M₁₅ ist. Normalerweise ist v_TpM13 < 0, und v_TpM15 < 0. Somit bewirken M₁₃ 722 und M₁₅ 728 eine Pegelverschiebung von v_i1 118 bzw. v_i2 120 um die Summe der Absolutwerte der Schwellen- und Übersteuerspannung von M₁₃ 722 (oder äquivalent von M₁₅ 728). Der erste und der zweite Source-Follower 744, 746 weisen zusammen eine Differential-Offsetschaltung auf.
Das erste Differentialpaar 502 verstärkt v_i1 und v_i2 direkt, während das zweite Differentialpaar 704 v_N8 und v_N9 verstärkt. Somit verstärkt das zweite Differentialpaar 704 v_i1 und v_i2 indirekt wegen des Spannungsabfalls über M₁₃ 722 und M₁₅ 728. Basierend auf dem momentanen Wert von v_ic 736 bewirken M₁₁ 716 und M₁₂ 718 die die Steuerung davon, welches von dem ersten und zweiten Differentialpaar 502, 704 das andere während der Verstärkung dominiert. Der Effekt dieser Anordnung ist es, dass jedes Differentialpaar 502, 704 seinen eigenen entsprechenden Eingangs-Gleichtaktsignalbereich besitzt, so dass der gesamte Eingangs-Gleichtaktsignalbereich des Differentialverstärkers 700 verbessert ist. Beispielsweise dominiert das erste Differentialpaar 502 über einen ersten Eingangs-Gleichtaktsignalbereich, und das zweite Differentialpaar 704 dominiert über einen zweiten Eingangs-Gleichtaktsignalbereich.
M₁₁ 716 steuert einen ersten Stromfluss zu dem ersten Differentialpaar 502 basierend auf v_ic 740. Auf die gleiche Weise steuert M₁₂ 718 einen zweiten Stromfluss zu dem zweiten Differentialpaar 704. Somit bestimmen M₁₁ 716 und M₁₂ 718 die jeweilige Verstärkung der Differentialpaare 502, 704. Die Summe des durch sowohl M₁₁ 716 als auch M₁₂ 718 fließenden Stroms ist gleich dem durch M₅ 510 fließenden Gesamtstrom. Wenn beispielsweise v_ic 740 gleich v_ref 742 ist, fließen gleiche Anteile des Gesamtstroms durch M₁₁ 716 und M₁₂ 718; wenn v_ic 740 größer als v_ref 742 ist, fließt ein größerer Anteil des Gesamtstroms durch M₁₁ 716; und wenn v_ic 740 geringer als v_ref 742 ist, fließt ein größerer Anteil des Gesamtstroms durch M₁₂ 718.
Wenn gleiche Anteile des Gesamtstroms sowohl durch M₁₁ 716 als auch M₁₂ 718 fließen, stellen beide Differentialpaare 502, 704 eine gleiche Verstärkung für v_i1 und v_i2 zur Verfügung. Wenn ein größerer Anteil des Gesamtstroms durch M₁₁ 716 fließt, stellt das erste Differentialpaar 502 mehr Verstärkung zur Verfügung als das zweite Differentialpaar 704. Wenn ein größerer Anteil des Gesamtstroms durch M₁₂ 718 fließt, stellt das zweite Differentialpaar 704 mehr Verstärkung zur Verfügung als das erste Differentialpaar 502.
Bei einer Ausführungsform ist v_ref 740 auf einen Spannungspegel eingestellt, der höher als die Untergrenze des Eingangs-Gleichtaktsignalbereichs des Differentialpaares 502 ist. Für den Fachmann wären jedoch auch andere Spannungspegel ersichtlich, auf die v_ref 740 eingestellt werden könnte.
Eine Analyse des Eingangs-Gleichtaktsignalbereichs für den Differentialverstärker 700 zeigt, dass er breiter als derjenige des Differentialverstärkers 500 ist. Bei dem Differentialverstärker 700 kann die Untergrenze von v_ic so ausgedrückt werden, wie in Gleichung (29) gezeigt ist: vic > VSS + vTn2 + vovM5 + vdsM12 – vpoffsef Gleichung (29), wobei v_Tn2 die Schwellenspannung von M₉ 706 (bzw. M₁₀ 708), v_ovM5 die Übersteuerspannung von M₅ 510, v_dsM12 die Drain-Source-Spannung von M₁₂ 718, und v_poffset die Summe der Absolutwerte der Schwellen- und Übersteuerspannung von M₁₃ 722 (bzw. M₁₅ 728) ist. M₁₂ 718 arbeitet im linearen Bereich als Schalter. Es ist möglich, dass v_poffset > v_Tn2 + v_ovM5 + v_dsM12.
Auf die gleiche Weise kann die Obergrenze von v_ic so ausgedrückt werden, wie in Gleichung (30) gezeigt ist: vic < VDD + vTn – vovload Gleichung (30),wobei v_Tn die Schwellenspannung von M₁ 102 (bzw. M₂ 104) und v_ovload die Übersteuerspannung von M₃ 504 (bzw. M₄ 506) ist. Ein Vergleich von Gleichung (23) mit Gleichung (29) ergibt, dass die Obergrenze des Eingangs-Gleichtaktsignalbereichs auf erwünschte Weise größer als oder gleich V_DD gehalten werden kann. Auf ähnliche Weise ergibt ein Vergleich von Gleichung (24) mit Gleichung (30), dass die Untergrenze des Eingangs-Gleichtaktsignalbereichs auf erwünschte Weise geringer als oder gleich V_SS gehalten werden kann.
Vorteilhaft optimiert der Differentialverstärker 700 seinen Eingangs-Gleichtaktsignalbereich unter Verwendung von Differentialpaaren aus NMOSFETs. Dies mildert Schwierigkeiten, die bei der Herstellung von Differentialpaaren mit angepassten Verstärkungen und einem ähnlichen Übergangsverhalten auftreten.
Auch erfordert der Differentialverstärker 700, anders als der Differentialverstärker 600, nicht eine darauf folgende Stufe, um Lasten für seine Verstärkungstransistoren zur Verfügung zu stellen oder um zusätzliche Ausgangssignale zu verarbeiten. Somit verbraucht der Differentialverstärker 700 im Vergleich mit dem Differentialverstärker 600 sowohl weniger Leistung als auch weniger Substratfläche.
Weitere Einsparungen an Leistung und Substratfläche werden dadurch verwirklicht, dass beide Differentialpaare 502, 704 Strom vom Stromquellentransistor M₅ 510 ziehen. Auch wenn der Differentialverstärker 700 Stromquellentransistoren M₁₄ 726 und M₁₆ 732 aufweist, so ist die Größe dieser Vorrichtungen um eine Größenordnung (etwa zehn Mal) kleiner als die des Stromquellentransistors M₈ 608 in dem Differentialverstärker 600. Wenn entsprechende Vorrichtungen der Differentialverstärker 600 und 700 eine ähnliche Größe besitzen, verbraucht der Differentialverstärker 700 somit weniger Leistung und nimmt weniger Substratfläche ein.
Ein weiterer Vorteil, der durch den Entwurf des Differentialverstärkers 700 im Vergleich mit dem Differentialverstärker 600 zur Verfügung gestellt wird, ist ein größeres CMRR. Im Hinblick darauf, dass das CMRR des Differentialverstärkers 100 durch eine Analyse der Kleinsignal-Modellschaltung 200 in 2 erhalten wurde, kann eine ähnliche Analyse an einer Kleinsignal-Modellschaltung für den Differentialverstärker 700 durchgeführt werden, um sein CMRR zu ermitteln.
8 ist eine schematische Darstellung einer Kleinsignal-Modellschaltung 800 des Differentialpaares 502 des Differentialverstärkers 700. Da das Differentialpaar 502 die Verstärkungstransistoren M₁ 102 und M₂ 104 aufweist, die sie mit den Differentialverstärkern 100, 600 und 700 gemeinsam haben, besitzt die Kleinsignal-Modellschaltung 800 eine ähnliche Topologie wie die Kleinsignal-Modellschaltung 200, mit einigen Unterschieden, die nachfolgend erläutert werden.
Während der Differentialverstärker 100 Widerstände R_D1 112 und R_D2 114 als passive Lasten verwendet, verwendet der Differentialverstärker 700 Transistoren M₃ 504 und M₄ 506 als aktive Lasten. Somit ist R_D1 112 der Schaltung 200 in der Schaltung 800 durch einen Widerstand "_r0M3" 802 ersetzt, welcher dem Ausgangswiderstand von M₃ 504 entspricht. Auf die gleiche Weise ist R_D2 114 der Schaltung 200 in der Schaltung 800 durch einen Widerstand "_r0M4" 804 ersetzt, welcher dem Ausgangswiderstand von M₄ 506 entspricht. Eine Kleinsignal-Modellschaltung für den Differentialverstärker 600 (nicht gezeigt) würde eine ähnliche Ersetzung beinhalten.
Auf ähnliche Weise, während der Differentialverstärker 100 eine (ideale) Stromquelle I_TAIL 106 verwendet, die parallel mit dem Widerstand R_TAIL 108 verbunden ist, verwendet das Differentialpaar 502 (in beiden Differentialverstärkern 600 und 700) einen Stromquellentransistor M₅ 510. Somit ist R_TAIL 108 der Schaltung 200 in der Schaltung 800 durch einen Widerstand "r_0M5" 806 ersetzt, welcher dem Ausgangswiderstand von M₅ 510 entspricht.
Anders als die Differentialverstärker 100 oder 600 weist der Differentialverstärker 700 jedoch auch die Umschalttransistoren M₁₁ 716 und M₁₂ 718 auf. Daher weist die Schaltung 800 auch einen Widerstand "r_0M11" 808 auf, welcher dem Ausgangswiderstand von M₁₁ 716 entspricht, in Reihe mit r_0M5 806 zwischen N₀ 206 und Masse geschaltet.
Während die Analyse der Kleinsignal-Modellschaltung 200 also die Gleichung (22) als Ausdruck des CMRR für die Differentialverstärker 100 und 600 ergab, zeigt eine parallele Analyse der Kleinsignal-Modellschaltung 800, dass das CMRR des Differentialpaares 502 des Differentialverstärkers 700 so ausgedrückt werden kann, wie in Gleichung (31) gezeigt ist: CMRR = [1 + 2gm × (r0M5 + r0M11)] Gleichung (31).
Eine ähnliche Analyse des Differentialpaares 704 zeigt, dass sein CMRR so ausgedrückt werden kann, wie in Gleichung (32) gezeigt ist: CMRR = [1 + 2gm × (r0M5 + r0M12)] Gleichung (32),wobei r_0M12 der Ausgangswiderstand von M₁₂ 718 ist. (Normalerweise ist r_0M11 = r_0M12.) Somit ist das CMRR des Differentialverstärkers 700 größer als das der Differentialverstärker 100 oder 600, wenn (r_0M5 + r_0M12) > R_TAIL.
9 ist eine schematische Darstellung einer Schaltung 900 zum Erhalten von v_ic 740 aus v_i1 118 und v_i2 120. In der Schaltung 900 ist ein erster Teilungswiderstand "R_div1" 902 in Reihe zwischen einen ersten Knoten "N₁₂" 904 und einen zweiten Knoten "N₁₃" 906 geschaltet. Ein zweiter Teilungswiderstand "R_div2" 908 ist in Reihe zwischen N₁₃ 906 und einen dritten Knoten "N₁₄" 910 geschaltet. Der Widerstand von R_div1 ist gleich dem Widerstand von R_div2. Das erste Eingangssignal v_i1 118 ist an N₁₂ 904 gelegt; das zweite Eingangssignal v_i2 120 ist an N₁₄ 910 gelegt. Das Eingangs-Gleichtaktsignal v_ic 740 wird an N₁₃ 906 erzeugt. Für den Fachmann wären auch andere Mittel ersichtlich, mit denen v_ic 740 aus v_i1 118 und v_i2 120 erhalten werden könnte. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Verwendung der Schaltung 900 beschränkt.
10 ist eine schematische Darstellung eines Differentialverstärkers 1000, der als ein PMOSFET-Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist. Der Differentialverstärker 1000 weist ein erstes Differentialpaar 602 aus den Verstärkungs-PMOSFETs M₆ 604 und M₇ 606 auf, deren Source-Anschlüsse an einem ersten Knoten "N₁₃" 1002 verbunden sind, und ein zweites Differentialpaar 1004 aus Verstärkungs-PMOSFETs "M₁₇" 1006 und "M₁₈" 1008, deren Source-Anschlüsse an einem zweiten Knoten "N₁₄" 1010 verbunden sind. Das erste und das zweite Differentialpaar 602, 1004 sind parallel verbunden. Die Drain-Anschlüsse von M₆ 604 und M₁₇ 1006 sind an einem dritten Knoten "N₁₅" 1012 verbunden; die Drain-Anschlüsse von M₇ 606 und M₁₈ 1008 sind an einem vierten Knoten "N₁₆" 1014 verbunden. Ein erster Lasttransistor "M₁₉" 1016 ist als ein Last-NMOSFET zwischen V_SS 110 und N₁₅ 1012 geschaltet; ein zweiter Lasttransistor "M₂₀" 1018 ist als ein Last-NMOSFET zwischen V_SS 110 und N₁₆ 1014 geschaltet. Eine erste Vorspannung "V_biasn2" 1020 hält M₁₉ 1016 und M₂₀ 1018 gesättigt.
Ein erster Umschalt-PMOSFET "M₂₁" 1022 und ein zweiter Umschalt-PMOSFET "M₂₂" 1024 haben ihre Source-Anschlüsse an einem fünften Knoten "N₁₇" 1026 verbunden. Der Drain-Anschluss von M₂₁ 1022 ist mit N₁₃ 1002 verbunden; der Drain-Anschluss von M₂₂ 1024 ist mit N₁₄ 1010 verbunden. M₂₁ 1022 und M₂₂ 1024 weisen zusammen ein Differential-Schaltnetz auf. Die Stromquelle PMOSFET M₈ 608 ist zwischen V_DD 116 und N₁₇ 1026 geschaltet. Die zweite Vorspannung V_biasp2 610 hält M₈ 608 gesättigt.
Der Source-Anschluss eines ersten Spannungsverschiebungs-NMOSFET "M₂₃" 1028 ist mit dem Gate-Anschluss von M₁₇ 1006 an einem sechsten Knoten "N₁₈" 1030 verbunden. Der Drain-Anschluss von M₂₃ 1028 ist mit V_DD 116 verbunden. Eine zweite Stromquelle NMOSFET "M₂₄" 1032 ist zwischen V_SS 110 und N₁₈ 1030 geschaltet. Der Source-Anschluss eines zweiten Spannungsverschiebungs-NMOSFET "M₂₅" 1034 ist mit dem Gate-Anschluss von M₁₈ 1008 an einem siebten Knoten "N₁₉" 1036 verbunden. Der Drain-Anschluss von M₂₅ 1034 ist mit V_DD 116 verbunden. Ein dritter Stromquellen- NMOSFET "M₂₆" 1038 ist zwischen V_SS 110 und N₁₉ 1036. Eine dritte Vorspannung "V_biasn3" 1040 hält sowohl M₂₄ 1032 als auch M₂₆ 1038 gesättigt.
Das erste Eingangssignal v_i1 118 ist an die Gate-Anschlüsse von sowohl M₆ 604 als auch M₁₇ 1006 an einem ersten Eingangsanschluss "N₂₀" 1042 gelegt; das zweite Eingangssignal v_i2 120 ist an die Gate-Anschlüsse von sowohl M₇ 606 als auch M₁₈ 1008 an einem zweiten Eingangsanschluss "N₂₁" 1044 gelegt. N₂₀ 1042 und N₂₁ 1044 weisen zusammen einen Differentialeingang auf. Das erste Ausgangssignal v_o1 122 wird an N₁₆ 1014 erzeugt, der ein erster Ausgangsanschluss ist; das zweite Ausgangssignal v_o2 124 wird an N₁₅ 1012 erzeugt, der ein zweiter Ausgangsanschluss ist. N₁₆ 1014 und N₁₅ 1012 weisen zusammen einen Differentialausgang auf. Das Eingangs-Gleichtaktsignal (s. Gleichung (2)) v_ic 740 ist an den Gate-Anschluss von M₂₁ 1022 gelegt; die Bezugsspannung v_ref 742 ist an den Gate-Anschluss von M₂₂ 1024 gelegt.
Bevorzugt ist der Differentialverstärker 1000 symmetrisch, so dass jede Komponente auf der Seite eines Ausgangs (z.B. M₆ 604, M₁₇ 1006, M₁₉ 1016, M₂₁ 1022, M₂₃ 1028, M₂₄ 1032) einer identischen Komponente auf der Seite des anderen Ausgangs entspricht (z.B. M₇ 606, M₁₈ 1008, M₂₀ 1018, M₂₂ 1024, M₂₅ 1034, M₂₆ 1038).
In dieser Konfiguration bilden M₂₃ 1028 und M₂₄ 1032 einen ersten Source-Follower 1046, wobei M₂₃ 1028 der getriebene NMOSFET und M₂₄ 1032 der nicht-getriebene NMOSFET ist. Somit kann die Spannung an N₁₈ 1030, v_N18, so ausgedrückt werden, wie in Gleichung (33) gezeigt ist: vN18 = vi1 – vTnM23 – vovM23 Gleichung (33),wobei v_TnM23 die Schwellenspannung von M₂₃ und v_ovM23 die Übersteuerspannung von M₂₃ ist. Auf die gleiche Weise bilden M₂₅ 1034 und M₂₆ 1038 einen zweiten Source-Follower 1048, wobei M₂₅ 1034 der getriebene NMOSFET und M₂₆ 1038 der nicht-getriebene NMOSFET ist. Somit kann die Spannung an N₁₉ 1036, V_N19, so ausgedrückt werden, wie in Gleichung (34) gezeigt ist: vN19 – vi2 – vTnM25 – vovM25 Gleichung (34), wobei v_TnM25 die Schwellenspannung von M₂₅ und v_ovM25 die Übersteuerspannung von M₂₅ ist. Somit bewirken M₂₃ 1028 und M₂₅ 1034 eine Pegelverschiebung von v_i1 118 bzw. v_i2 120 um die Summe der Absolutwerte der Schwellen- und Übersteuerspannung von M₂₃ 1028 (oder äquivalent M₂₅ 1034). Der erste und der zweite Source-Follower 1046, 1048 weisen zusammen eine Differentialverschiebungsschaltung auf.
Das erste Differentialpaar 602 verstärkt v_i1 und v_i2 direkt, während das zweite Differentialpaar 1004 v_N18 und v_N19 verstärkt. Somit verstärkt das zweite Differentialpaar 1004 indirekt v_i1 und v_i2 wegen des Spannungsabfalls über M₂₃ 1028 und M₂₅ 1034. Basierend auf dem momentanen Wert von v_ic 736 bewirken M₂₁ 1022 und M₂₂ 1024 die Steuerung davon, welches von dem ersten und zweiten Differentialpaar 602, 1004 das andere während der Verstärkung dominiert. Der Effekt dieser Anordnung ist es, dass jedes Differentialpaar 602, 1004 seinen eigenen entsprechenden Eingangs-Gleichtaktsignalbereich besitzt, so dass der gesamte Eingangs-Gleichtaktsignalbereich des Differentialverstärkers 1000 verbessert ist. Beispielsweise dominiert das erste Differentialpaar 602 über einen ersten Eingangs-Gleichtaktsignalbereich, und das zweite Differentialpaar 1004 dominiert über einen zweiten Eingangs-Gleichtaktsignalbereich.
M₂₁ 1022 steuert einen ersten Stromfluss zu dem ersten Differentialpaar 602 basierend auf v_ic 740. Auf die gleiche Weise steuert M₂₂ 1024 einen zweiten Stromfluss zu dem zweiten Differentialpaar 1004. Daher bestimmen M₂₁ 1022 und M₂₂ 1024 die jeweilige Verstärkung der Differentialpaare 602, 1004. Die Summe des durch sowohl M₂₁ 1022 als auch M₂₂ 1024 fließenden Stroms ist gleich dem durch M₈ 608 fließenden Gesamtstroms. Wenn beispielsweise v_ic 740 gleich v_ref 742 ist, fließen gleiche Anteile des Gesamtstroms durch M₂₁ 1022 und M₂₂ 1024; wenn v_ic 740 geringer als v_ref 742 ist, fließt ein größerer Anteil des Gesamtstroms durch M₂₁ 1022; und wenn v_ic 740 größer als v_ref 742 ist, fließt ein größerer Anteil des Gesamtstroms durch M₂₂ 1024.
Wenn gleiche Anteile des Gesamtstroms sowohl durch M₂₁ 1022 als auch M₂₂ 1024 fließen, stellen beide Differentialpaare 602, 1004 eine gleiche Verstärkung für v_i1 und v_i2 zur Verfügung. Wenn ein größerer Anteil des Gesamtstroms durch M₂₁ 1022 fließt, stellt das erste Differentialpaar 602 mehr Verstärkung zur Verfügung als das zweite Differentialpaar 1004. Wenn ein größerer Anteil des Gesamtstroms durch M₂₂ 1024 fließt, stellt das zweite Differentialpaar 1004 mehr Verstärkung zur Verfügung als das erste Differentialpaar 502.
Bei einer Ausführungsform ist v_ref 740 auf einen Spannungspegel eingestellt, der geringer als die Obergrenze des Eingangs-Gleichtaktsignalbereichs des Differentialpaares 602 ist. Für den Fachmann wären jedoch auch andere Spannungspegel ersichtlich, auf die v_ref 740 eingestellt werden könnte.
Eine Analyse des Eingangs-Gleichtaktsignalbereichs für den Differentialverstärker 1000 zeigt, dass er breiter als derjenige des Differentialverstärkers 500 ist. Bei dem Differentialverstärker 1000 kann die Untergrenze von v_ic so ausgedrückt werden, wie in Gleichung (35) gezeigt ist: vic > VSS + vTp2 + Vovload2 Gleichung (35),wobei v_Tp2 die Schwellenspannung von M₆ 604 (bzw. M₇ 606) und v_ovload2 die Übersteuerspannung von M₁₉ 1016 (bzw. M₂₀ 1016) ist. Normalerweise ist v_Tp2 < 0, aber |v_Tp2| > |v_ovload2|.
Auf die gleiche Weise kann die Obergrenze von v_ic so ausgedrückt werden, wie in Gleichung (36) gezeigt ist: vic < VDD + vTp3 – vovM8 + vdsM22 + vnoffset Gleichung (36),wobei v_Tp3 die Schwellenspannung von M₁₇ 1006 (bzw. M₁₈ 1008), v_ovM8 die Übersteuerspannung von M₈ 608, v_dsM22 die Drain-Source-Spannung von M₂₂ 1024, und v_noffset die Summe der Absolutwerte der Schwellen- und Übersteuerspannung von M₂₃ 1028 (bzw. M₂₅ 1034) ist. Normalerweise ist v_Tp3 < 0 und v_dsM22 < 0. M₂₂ 1024 arbeitet im linearen Bereich als Schalter. Es ist möglich, dass v_noffset > –v_Tp3 + v_ovM8 + v_dsM22 ist. Ein Vergleich von Gleichung (23) mit Gleichung (35) ergibt, dass die Obergrenze des Eingangs-Gleichtaktsignalbereichs auf erwünschte Weise größer als oder gleich V_DD gehalten werden kann. Auf ähnliche Weise ergibt ein Vergleich von Gleichung (24) mit Gleichung (36) auch, dass die Untergrenze des Eingangs- Gleichtaktsignalbereichs auf erwünschte Weise geringer als oder gleich V_SS gehalten werden kann.
Die vorstehende Erläuterung der vorliegenden Erfindung war im Zusammenhang mit ihrer Anwendung in einem Differentialverstärker. In einer breiteren Bedeutung betrifft die vorliegende Erfindung jedoch ein Verfahren zum Erweitern eines Eingangssignalbereichs einer jeglichen Komponente, die ein Signal empfängt. Für den Fachmann dürfte ersichtlich sein, dass die vorliegende Erfindung in dieser allgemeinen Bedeutung in jeglicher Anzahl von Ausführungsformen verwirklicht werden kann, in denen eine Schaltung zuerst den Spannungspegel des Eingangssignals verschiebt und daraufhin das Eingangssignal verarbeitet.
11 ist eine schematische Darstellung eines Einfacheingang-Verstärkers 1100 der vorliegenden Erfindung. Der Einfacheingang-Verstärker 1100 weist einen ersten Verstärkungstransistor M₁ 102 und einen zweiten Verstärkungstransistor M₉ 706 auf, deren Drain-Anschlüsse an einem ersten Knoten N₅ 712 verbunden sind. Die Source-Anschlüsse von M₁ 102 und M₉ 706 sind mit V_SS 110 verbunden. Der Lasttransistor M₃ 504 ist zwischen V_DD 116 und N₅ 712 geschaltet. Um zusätzlich eine aktive Last zur Verfügung zu stellen, arbeitet M₃ 504 auch als Stromquelle für den Einfacheingang-Verstärker 1100. Der Source-Anschluss von M₃ 504 ist mit V_DD 116 verbunden. Die erste Vorspannung V_biasp 508 hält M3 504 gesättigt. Der Source-Anschluss des Spannungsverschiebungs-Transistors M₁₃ 722 ist mit dem Gate-Anschluss von M₉ 706 an dem zweiten Knoten N₈ 724 verbunden. Der Drain-Anschluss von M₁₃ 722 ist mit V_SS 110 verbunden. Der zweite Stromquellentransistor M14 726 ist zwischen V_DD 116 und N₈ 724 geschaltet. Die zweite Vorspannung V_biasp3 hält M₁₄ 726 gesättigt.
Das Eingangssignal v_i1 118 ist an die Gate-Anschlüsse von sowohl M₁ 102 als auch M₁₃ 722 am Eingangsanschluss N₁₀ 736 gelegt. Das Ausgangssignal v_o2 124 wird an N₅ 712 erzeugt, welcher der Ausgangsanschluss ist. In dieser Konfiguration bilden M₁₃ 722 und M₁₄ 726 den Source-Follower 744, wobei M₁₃ 722 der getriebene MOSFET und M₁₄ 726 der nicht-getriebene MOSFET ist. Somit kann die Spannung an N₈ 724, v_N8, so ausgedrückt werden, wie oben in Gleichung (27) gezeigt ist: vN8 = vi1 – vTpM13 Gleichung (27),wobei v_TpM13 die Schwellenspannung von M₁₃ ist. Normalerweise ist v_TpM13 < 0. Somit bewirkt M₁₃ 722 eine Pegelverschiebung von v_i1 118 um die Schwellenspannung. Der Source-Follower 744 weist eine Offset-Schaltung auf. Während also M₁ 102 v_i1 direkt verstärkt, verstärkt M₈ 706 v_N8. Mg 706 verstärkt also indirekt v_i1 wegen des Spannungsabfalls über M₁₃ 722.
Für den Einfacheingang-Verstärker 1100 kann die Untergrenze von v_i1 118 so ausgedrückt werden, wie in Gleichung (37) gezeigt ist: vi1 > VSS + vTn2 – vpoffset Gleichung (37),wobei v_Tn2 die Schwellenspannung von M₉ 706 und v_poffset die Summe der Absolutwerte der Schwellen- und Übersteuerspannung von M₁₃ 722 ist. Es ist möglich, dass V_poffset > v_Tn2.
Auf die gleiche Weise kann die Obergrenze von v_i1 so ausgedrückt werden, wie in Gleichung (38) gezeigt ist: vi1 < VDD + vTn – vovload Gleichung (38),wobei v_Tn die Schwellenspannung von M₁ 102 und v_ovload die Übersteuerspannung von M₃ 504 ist. Normalerweise ist v_Tn > v_ovload. Somit kann die Obergrenze des Eingangssignalbereichs auf erwünschte Weise größer als oder gleich V_DD gehalten, und die Untergrenze des Eingangssignalbereichs kann auch auf erwünschte Weise geringer als oder gleich V_SS gehalten werden.
Bei dem Einfacheingang-Verstärker 1100 sind M₁ 102 und M₉ 706 NMOSFETs, während M₃ 504, M₁₃ 722 und M₁₄ 726 PMOSFETs sind. Für den Fachmann dürfte jedoch ersichtlich sein, dass auch andere Transistorenkonfigurationen verwendet werden könnten.
12 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1200 zum Erweitern eines Eingangssignalbereichs einer Komponente, die das Eingangssignal empfängt. Bei dem Verfahren 1200 wird in einem Schritt 1202 der Pegel der Spannung des Eingangssignals verschoben. Dies wird durchgeführt, um das Eingangssignal im Hinblick auf Vorspannungen innerhalb der Komponente zu kompensieren, welche die Spannungen des Eingangssignals auf einen geringeren Bereich als den wünschenswerten Spannungsbereich beschränken. Der wünschenswerte Spannungsbereich erstreckt sich zwischen den Spannungen, die der Komponente Leistung liefern Beispielsweise verschieben die Offset-Transistoren M₁₃ 722 und M₁₅ 728 den Pegel des Eingangssignals v_i1 118 bzw. v_i2 120 um die Schwellenspannungen.
Optional wird in einem Schritt 1204 eine Unterkomponente aus einer Mehrzahl von Unterkomponenten ausgewählt, um die pegelverschobene Spannung zu verarbeiten. Bei einer Ausführungsform wird die Unterkomponente im Ansprechen auf einen Vergleich zwischen einer Gleichtakt-Spannung des Eingangssignals und einem Bezugssignal ausgewählt. Beispielsweise steuert M₁₁ 716 den Stromfluss zu dem Differentialpaar 502 basierend auf v_ic 736. Auf die gleiche Weise steuert M₁₂ 718 den Stromfluss zu dem Differentialpaar 704. Basierend auf den momentanen Wert von v_ic 736 haben M₁₁ 716 und M₁₂ 718 die Aufgabe zu steuern, welches der Differentialpaare 502, 704 das andere während der Verstärkung dominiert. Wenn ein größerer Anteil des Gesamtstroms durch M₁₂ 718 fließt, stellt das Differentialpaar 704 mehr Verstärkung zur Verfügung als das Differentialpaar 502. Somit wird das Differentialpaar 704 ausgewählt, um die pegelverschobene Spannung zu verarbeiten.
In einem Schritt 1206 wird die pegelverschobene Spannung innerhalb der Komponente verarbeitet. Bei einer Ausführungsform wird die Offset-Spannung innerhalb der Komponente verstärkt. Beispielsweise verstärkt das Differentialpaar 704 v_N8 und V_N9 und verarbeitet dadurch die pegelverschobenen Spannungen. Wegen des Spannungsabfalls über M₁₃ 722 und M₁₅ 728 verstärkt das Differentialpaar 704 indirekt v_i1 und v_i2.
Schlussfolgerung
Obgleich verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung obenstehend beschrieben sind, dürfte verständlich sein, dass diese beispielhaft und nicht einschränkend präsentiert wurden Für den Fachmann dürfte ersichtlich sein, dass verschiedene Änderungen von Form und Detail daran vorgenommen werden können, ohne von dem Grundgedanken und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Daher sollte die vorliegende Erfindung nicht durch eine der obenstehend beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen eingeschränkt, sondern vielmehr nur durch die nachfolgenden Patentansprüche und deren Äquivalente definiert werden.

Claims

Differentialverstärker (700), welcher aufweist: einen Differentialeingang (736, 738), welcher in der Lage ist, ein Differentialsignal (N10, N11) zu empfangen; ein erstes Differentialpaar (502), das mit dem Differentialeingang gekoppelt ist; ein zweites Differentialpaar (704), das mit dem Differentialeingang gekoppelt ist und mit dem ersten Differentialpaar an einem Differentialausgang (712, 714) parallel verbunden ist; und eine Stromquelle (510); dadurch gekennzeichnet, dass ein Differential-Umschaltschaltkreis vorgesehen ist, welcher einen ersten und einen zweiten Umschalt-MOSFET (716, 718) aufweist, die Source-Anschlüsse (720) der MOSFETs mit einander sowie mit der Stromquelle (510) verbunden sind; die Drain und das Gate des ersten Umschalt-MOSFET (716) mit dem ersten Differentialpaar (502) bzw. mit einem Eingangs-Gleichtaktsignal (Vic) gekoppelt sind; und die Drain und das Gate des zweiten Umschalt-MOSFET (718) mit dem zweiten Differentialpaar (704) bzw. mit einer Bezugsspannung (Vref) gekoppelt sind.
Differentialverstärker (700) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker ferner eine Differential-Offsetschaltung (744, 746) aufweist, welche zwischen den Differentialeingang (736, 738) und das zweite Differentialpaar (704) gekoppelt ist und in der Lage ist, den Pegel des Differentialsignals von einem ersten Pegel auf einen zweiten Pegel zu verschieben.
Differentialverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Differentialpaar (502) mit einer ersten Leistungsversorgungsspannung und einer zweiten Leistungsversorgungsspannung vorgespannt ist; und das zweite Differentialpaar (704) mit der ersten Leistungsversorgungsspannung und der zweiten Leistungsversorgungsspannung vorgespannt ist.
Differentialverstärker nach Anspruch 3, wobei der Differential-Umschaltschaltkreis (716, 718) einen ersten Stromfluss an das erste Differentialpaar (502) relativ zu einem zweiten Stromfluss an das zweite Differentialpaar (704) erhöht, wenn sich die Gleichtaktspannung (Vic) des Differentialeingangssignals an die erste Leistungsversorgungsspannung annähert.
Differentialverstärker nach Anspruch 3, wobei der Differential-Umschaltschaltkreis (716, 718) einen ersten Stromfluss an das erste Differentialpaar (502) relativ zu einem zweiten Stromfluss an das zweite Differentialpaar (704) erniedrigt, wenn sich die Gleichtaktspannung (Vic) des Differentialeingangssignals an die zweite Leistungsversorgungsspannung annähert.