DE68929371T2 - Verstärker mit grosser verstärkung für integrierte schaltungen - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft Verstärker. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Verstärker von einfacher Konstruktion, der als Teil eines integrierten Schaltkreis-Chips (IC- Chips) ausgebildet ist und eine hohe Schleifenverstärkung sowie weitere wünschenswerte Eigenschaften bietet.
• Für auf IC-Chips ausgebildete Verstärker sind eine Vielzahl von Schaltungskonstruktionen verwendet worden. Operationsverstärker werden in großem Umfang eingesetzt und weisen gewöhnlich eine Differenzeingangsstufe und eine unsymmetrische Ausgangsstufe auf. Gewöhnlich wird eine Wirklast, wie z. B. ein pnp-Stromspiegel, an die Kollektoren der Differenzstufentransistoren angekoppelt. Der unsymmetrische Ausgang des Stromspiegels kann eine oder mehrere Spannungsverstärkungsstufen steuern.
• Derartige Verstärker haben zwar vielen praktischen Zwecken gedient, aber ihre Leistung ist in gewissen Punkten nicht völlig zufriedenstellend. Zum Beispiel neigt die Verstärkung von bekannten Verstärkern bei Laständerungen, beispielsweise infolge von Änderungen der Umgebungstemperatur, zu unerwünscht starken Schwankungen. Weitere Aspekte der bekannten Verstärkerkonstruktionen müssen verbessert werden, um den Anforderungen an moderne Präzisions-Linearelemente zu genügen.
• EP-A-0 072 082 offenbart einen Differenzverstärker mit einer Präzisionswirklast, die aus primären und sekundären Transistorlastkreisen besteht. Eine Änderung des Ausgangsstroms verändert den Basisstrom des Transistors. Der Verstärker wird dann eine bestimmte Arbeit leisten müssen, um einen Ausgleich dieser Änderung zu versuchen, aber es wird kein Vorspannungseffekt erzeugt. Außerdem erkennt der Stromquellentransistor keine Änderungen der Ausgangslast.
• Auf ähnliche Weise liefert der Ausgang bei 11 des Differenzverstärkers von GB-A-2 073 527 keine Rückkopplung zum Vorspannen der Eingangsstufentransistoren. Die Vorspannung ist konstant.
• US-A-4 188 588 offenbart eine Schaltungsanordnung mit unsymmetrischen kathodengekoppelten FET-Gegentaktstufen. Unsymmetrische kathodengekoppelte Gegentaktstufen-Konfigurationen von Feldeffekttransistoren, die thermisch miteinander gekoppelt und angepaßt sind, abgesehen von ungleichen Schwellenpotentialen, werden als Eingangsstufe eines Komparators oder eines rückgekoppelten Verstärkers verwendet, um die Differenz zwischen ihren Gate-Potentialen konstant zu halten.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die nachstehend ausführlich beschrieben werden soll, wird ein Verstärkertyp mit einer Differenzeingangsstufe zur Steuerung einer Wirklast bereitgestellt, die ein unsymmetrisches Ausgangssignal erzeugt, das einer Spannungsverstärkungsstufe zugeführt wird. Die Verstärkung des Verstärkers wird durch eine Vorspannungsschaltung, welche die Differenzeingangsstufe zwangsweise jederzeit symmetrisch hält, von Laständerungseffekten isoliert. Die Gesamtverstärkung des Verstärkers kann äußerst hoch sein, z. B. kann in der Praxis ein Verstärkungsfaktor von 2 Millionen erzielt werden.
• Auf weitere Aufgaben, Aspekte und Vorteile der Erfindung wird in der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung teils hingewiesen, teils sind sie daraus ersichtlich.
• Fig. 1 zeigt ein Schaltschema, das die Schaltungsanordnung eines bevorzugten erfindungsgemäßen Verstärkers darstellt.
• Wie in der unteren linken Ecke der Zeichnung erkennbar, weist der Verstärker einen Eingangsschaltungsanschluß 10 auf, an den das Eingangssignal angelegt wird. Das Eingangssignal kann aus irgendeiner der verschiedensten Spannungsquellen abgeleitet werden, wie z. B. von der Ausgangsspannung eines Bandgap-Spannungsnormals. Das Eingangssignal wird vom Anschluß 10 der Basis eines Transistors 12 eines einfachen angepaßten Differenztransistorpaars in Emitterschaltung zugeführt, d. h. die Emitter der beiden Transistoren sind entweder direkt (wie dargestellt) oder indirekt zusammengeschaltet. Die Basis des anderen Differenztransistors 14 empfängt ein Signal, das bei dieser Ausführungsform durch eine Widerstandsgegenkopplungsschaltung erzeugt wird, die mit der Verstärkerausgangsschaltung gekoppelt ist, wie später beschrieben wird. So läßt sich erkennen, daß der Verstärker in dieser Ausführungsform als Folgeverstärker gestaltet ist.
• Die Kollektoren der Differenztransistoren 12 bzw. 14 sind mit geteilten Kollektoren 16 bzw. 18 eines pnp- Transistors 20 verbunden, der als Wandler vom Differenzeingang zum unsymmetrischen Ausgang dient. Dieser Transistor ist als Stromspiegel gestaltet, der eine Wirklast für die Differenzeingangsstufe bildet. Der obere Kollektor 18 bildet den unsymmetrischen Ausgang des Stromspiegels und steuert die Basis eines pnp-Spannungsverstärkungstransistors 22, der in Emitterschaltung mit dem Transistor 20 verbunden ist. Der Spannungsverstärkungstransistor 22 bildet einen Teil der Ausgangsschaltung.
• Die gemeinsamen Emitter der Transistoren 20 und 22 bilden zusammen ein Ausgangsanschlußelement für die erste Stufe (wobei der Ausgangsanschluß in der Zeichnung als Schaltungspunkt 24 gekennzeichnet ist). Dieser Ausgangsanschluß ist seinerseits mit einem weiteren Teil der Ausgangsschaltung verbunden, der allgemein bei 26 angedeutet ist. Die Ausgangslast umfaßt alle mit dem Anschlußpunkt 24 verbundenen Schaltungen, einschließlich der Ausgangsschaltung 26 und eines Mehrfachkollektortransistors 28, der weiter unten beschrieben wird.
• Die Ausgangsschaltung 26 weist ein Transistorpaar 30, 32 in Darlington-Schaltung auf, welche die äußere Last 34 steuern. Der Lastwiderstand 34 liegt parallel zu einer Widerstandskette 36, von der ein Gegenkopplungssignal für die Basis des zweiten Transistors 14 des Differenzeingangspaares abgeleitet wird.
• Der Spannungsverstärkungstransistor 22 weist Doppelkollektoren auf, die miteinander und mit dem Emitter eines weiteren pnp-Transistors 38 verbunden sind, der als Kaskode wirkt. Dieser Kaskodentransistor 38 erhöht die Ausgangsimpedanz des Verstärkers, ein wichtiges Merkmal, wenn die dynamische Impedanz der Last relativ hoch ist.
• Der Kollektorstrom des Kaskodentransistors 38 steuert einen Transistor 40 eines Stromspiegels, der allgemein mit 42 bezeichnet wird. Der andere Spiegeltransistor 44 liefert den Gegentakt-Vorspannungsstrom für die Differenzeingangstransistoren 12, 14. Dieser Spiegel 42 reflektiert folglich den Strom des Spannungsverstärkungstransistors 22 über den Kaskodentransistor 38 zu den Emittern der Differenzeingangstransistoren 12, 14.
• Der Emitterstrom für die Transistoren 12, 14 fließt auch in der Last, d. h. in der mit dem Schaltungspunkt 24 verbundenen Schaltungsanordnung. Der Laststrom umfaßt den Strom der drei parallelgeschalteten Kollektoren des Transistors 28 und den sehr kleinen Anteil des Basisstroms für den ersten Darlington-Transistor 30.
• Der Strom durch den Stromspiegeltransistor 20 ist im wesentlichen gleich dem des Spannungsverstärkungstransistors 22. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Ströme in den Spiegeltransistoren 44 und 40 notwendigerweise gleich sind und daher die entsprechenden, in den Transistoren 20 und 22 fließenden Ströme ebenfalls gleich sein müssen. Folglich ist der Gesamtsignalstrom in der Last am Schaltungspunkt 24 im wesentlichen doppelt so hoch wie der Strom im Spannungsverstärkungstransistor 22. Tatsächlich verdoppelt sich die Vorwärtssteilheit des Transistors 22 durch diese Wiederverwendung seines Stroms. Dadurch erhöht sich die Gesamtverstärkung um etwa 6 dB.
• Ein noch wichtigeres Ergebnis wird jedoch durch diese Vorspannungsschaltung für die Differenzeingangstransistoren 12, 14 erzielt. Genauer gesagt, wie oben festgestellt, erzwingt der Stromspiegel 42 eine gleiche Aufteilung des Laststroms am Schaltungspunkt 24 zwischen den beiden Transistoren 20, 22 in Emitterschaltung. Außerdem sind auch die Basisströme der Transistoren 20 und 22 gleich und addieren sich jeweils zu den gleichen Strömen der geteilten Kollektoren des Transistors 20. (Die Kaskodenwirkung des Transistors 38 gewährleistet, daß die Kollektorspannung des Spannungsverstärkungstransistors 22 seiner Basisspannung - und der Basisspannung des Transistors 20 - sehr nahe kommt, so daß die Basisströme nicht durch den Early-Effekt unsymmetrisch werden.) Dementsprechend werden die Ströme in den Kollektoren der Transistoren 12 und 14 im wesentlichen auf dem gleichen Wert gehalten.
• Daher läßt sich erkennen, daß die Differenzeingangsstufe mit den Transistoren 12 und 14 durch die beschriebene Vorspannungsschaltung stets zwangsweise in Symmetrie gehalten wird. Durch Laststromänderungen ändern sich die Basisspannungen und die Basisströme beider Transistoren 20 und 22 so, daß die Eingangsstufe symmetrisch bleibt. Dadurch wird der Verstärker praktisch unabhängig von Laständerungen.
• Man kann feststellen, daß die Last am Schaltungspunkt 24 durch die Emitter der Transistoren 20 und 22 gesteuert wird. Dieser Lastanschluß an die Emitter ermöglicht es, an den Kollektorstrom des Spannungsverstärkungstransistors 22 heranzukommen und ihn zu verwenden, um das Verhältnis der Ströme in den Eingangsstufentransistoren 20 und 22 konstant zu halten. Dieses Ergebnis wird erzielt, indem das Verhältnis des Laststroms zum Gegentaktstrom der Differenzeingangsstufe konstant gehalten wird. Infolgedessen ist die Differenzspannung an der Eingangsstufe stets äußerst niedrig.
• Die scheinbare Lastunabhängigkeit für die Verstärkung des Verstärkers funktioniert gut über den Laststrombereich, wo die beteiligten Transistoren normal arbeiten. Die Darlington- Transistoren 30, 32 sind in dieser Hinsicht von Nutzen, indem sie die Entwicklung eines beträchtlichen Stroms für die äußere Last 34 ohne wesentliche Auswirkung auf die Funktion der früheren Stufen ermöglichen. Die Darlington-Transistoren liefern auch die Basisvorspannung für den Kaskodentransistor 38.
• Der Betriebsstrom für den Verstärker kommt von dem Mehrfachkollektortransistor 28. Dieser Transistor wird durch eine herkömmliche, allgemein mit 50 bezeichnete Schaltung vorgespannt, die in der vorliegenden speziellen Ausführungsform dazu führte, daß der Transistor 28 einen Gesamtstrom von etwa 4 uA erzeugte, und die Versorgungsspannungs-Empfindlichkeit verminderte. Der Transistorstrom wird durch die mehreren Kollektoren aufgeteilt, wobei etwa 3 uA in die Transistoren 20, 22 in Emitterschaltung fließen und etwa 1 uA einen weiteren Transistor 52 steuert. Dieser letztere Transistor liefert einen sehr niedrigen Strom von seiner Basis, um die Schleife zu starten, die vom Emitter des Kaskodentransistors 38 zum Stromspiegel 42, durch den rechten Eingangstransistor 14 zur Basis des Spannungsverstärkungstransistors 22 und schließlich zurück zum Kaskodentransistor 38 verläuft. Der niedrige Strom von der Basis des Transistors 52 gewährleistet den Start dieser Schleife. Seine Größe ist vergleichbar mit dem Basisstrom des Kaskodentransistors 38, so daß er den Fehler reduziert, der durch den Kollektorstromverlust vom Spannungsverstärkungstransistor 22 durch die Basis des Kaskodentransistors entsteht.
• Als Teil des Verstärkers ist auch eine Strombegrenzungsanordnung enthalten. In Reihe mit dem Darlington- Ausgangstransistor 32 ist ein Widerstand 54 geschaltet, der den größten Teil des Ausgangsstroms führt, um dadurch eine diesem Ausgangsstrom entsprechende Spannung zu entwickeln. Diese Spannung steuert die Basis eines Steuertransistors 56, der dem Mehrfachkollektortransistor 28 Emitterstrom entziehen kann. Um den Emitterstrom stark zu verändern, muß der Steuertransistor 56 einen ziemlich starken Strom an einen Widerstand 58 abgeben, der mit diesem Emitter in Reihe geschaltet ist. Dies hat die nützliche Wirkung einer "Verschärfung" des Stromgrenzwerts, da der Steuertransistor, wenn er für diesen Zweck genügend Strom zieht, eine hohe Vorwärtssteilheit aufweist, so daß sich weitere Spannungsänderungen am Widerstand 54 direkt auf den Emitter des Transistors 28 auswirken. Obwohl der Steuertransistor 56 eine hohe Vorwärtssteilheit aufweist, weist der Transistor 28 eine niedrige Vorwärtssteilheit auf, die mit dem Einsetzen der Strombegrenzung noch niedriger wird. Während der letztere Transistorstrom reduziert wird, arbeitet der Verstärker wegen der geringen Empfindlichkeit gegenüber seinem Laststrom weiterhin mehr oder weniger normal. Wenn schließlich der Strom von den Kollektoren des Transistors 28 auf den Basisstrom reduziert wird, der vom Transistor 30 zur Versorgung der Last benötigt wird, kommt die Funktion des Verstärkers völlig zum Erliegen, und die Ausgangsspannung fällt mit jeder weiteren Belastung ab.
• Hierin ist zwar eine spezielle bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ausführlich beschrieben worden, aber dies hatte den Zweck, die Grundgedanken der Erfindung zu erläutern, und ist nicht unbedingt als Einschränkung der Erfindung aufzufassen, da der Fachmann offensichtlich viele modifizierte Anordnungen der Erfindung herstellen kann, ohne von ihrem wahren Umfang abzuweichen. Zum Beispiel könnte das angepaßte Differenzeingangspaar durch ein nichtangepaßtes Paar ersetzt werden, um einen zur absoluten Temperatur proportionalen Strom (PTAT-Strom) für eine Bandgap-Schaltung zu erzwingen. Als Alternative könnte der geregelte Ausgang zum Aktivieren eines Bandgap-Spannungsnormals eingesetzt werden, das durch den Verstärker verstärkt werden könnte. Weitere Varianten werden für den Fachmann offensichtlich sein.

Claims (6)

1. Verstärker für integrierte Schaltungen, der aufweist:

ein Transistorpaar (12, 14) mit je einer Basiselektrode, wobei die Transistoren ferner Kollektor- und Emitterelektroden aufweisen;

eine Einrichtung zum Zusammenschalten eines Satzes von gemeinsamen Emitterelektroden der Transistoren;

eine Einrichtung zum Anlegen von Spannungssignalen an die Basiselektroden des Transistorpaars;

eine Transistoreinrichtung (20, 22), die als Wandler vom Differenzeingang zum unsymmetrischen Ausgang eingerichtet ist und durch das Transistorpaar gesteuert wird; und

eine mit der Transistoreinrichtung verbundene Ausgangsschaltung (26) zum Erzeugen eines Ausgangssignals;

gekennzeichnet durch:

eine Rückkopplungseinrichtung (38, 42, 14, 22), die von der Ausgangsschaltung ein Rückkopplungssignal empfängt und mit den gemeinsamen Elektroden des Transistorpaars (12, 14) gekoppelt ist, wobei die Rückkopplungseinrichtung einen Stromspiegel (42) aufweist, der so eingerichtet ist, daß er den durch das Transistorpaar fließenden Strom zwingt, dem Rückkopplungssignal von der Ausgangsschaltung synchron zu folgen.

2. Verstärker für integrierte Schaltungen nach Anspruch 1, wobei die Transistoreinrichtung (20, 22) einen Transistor (20) aufweist, dessen Emitter als Ausgangselement (24) dient.

3. Verstärker für integrierte Schaltungen nach Anspruch 2, wobei die Ausgangsschaltung (26) mit einem Spannungsverstärkungstransistor (22) verbunden ist, der mit dem Emitter (24) der Transistoreinrichtung verbunden ist und eine Last (34) steuert.

4. Verstärker für integrierte Schaltungen nach Anspruch 3, wobei der Stromspiegel (20, 22) ein Paar Kollektoren aufweist, die jeweils mit den Kollektoren des Transistorpaars (12, 14) verbunden sind; und

wobei einer der Kollektoren außerdem mit der Basis des Spannungsverstärkungstransistors (22) verbunden ist.

5. Verstärker für integrierte Schaltungen nach Anspruch 3 oder 4, wobei der durch den Spannungsverstärkungstransistor (22) fließende Strom das Eingangssignal des Stromspiegels (42) bildet; und

wobei das Ausgangssignal des Stromspiegels (42) den Gegentaktstrom für die Emitter des Transistorpaars (12, 14) liefert.

6. Verstärker für integrierte Schaltungen nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Last mit der Transistoreinrichtung (20, 22) verbunden ist, um den durch die Transistoreinrichtung fließenden Strom zu führen;

wobei eine Einrichtung zum Verbinden des Kollektors des Spannungsverstärkungstransistors (22) mit der Last (34) vorgesehen ist, so daß die Last den durch den Spannungsverstärkungstransistor fließenden Strom führt; und

wobei der Stromspiegel (42) eine gleiche Verteilung des Laststroms auf die Transistoreinrichtung und den Spannungsverstärkungstransistor erzwingt.