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Die Erfindung bezieht sich auf eine Verstärkerschaltung in MOS-
Technologie mit einer ersten Reihenschaltung aus den Hauptstromstrecken eines ersten
und eines zweiten MOS-Transistors, wobei der Eingang der Verstärkerschaltung mit
der Gate-Elektrode des ersten Transistors gekoppelt ist, wobei ein Ausgang der
Verstärkerschaltung mit der Drain-Elektrode des ersten Transistors gekoppelt ist und
wobei die Gate-Elektrode des zweiten Transistors mit der Drain-Elektrode gekoppelt ist.
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Eine derartige Schaltungsanordnung ist bekannt aus dem Buch:
"Analysis and design of analog integrated circuits", 2. Auflage, von Paul R Gray und
Robert G Meyer, herausgegeben von John Wiley & Sons, insbesondere Fig. 12.13(a).
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Die Spannungsverstärkung eines derartigen Verstärkers wird durch die
Verhältnisse der Kanalabmessungen der Transistoren bestimmt und ist annähernd gleich
der Quadratwurzel aus diesem Verhältnis, ausgedrückt als k'. Dadurch, daß das zur
Verstärkung genannte Verhältnis ungleich eins ist, ist die
Steuer-Source-Elektrodenspannung VGS des ersten Transistors ungleich der des zweiten Transistors.
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In der Sättigungszone ist der von der Drain-Elektrode eines in moderner
Technologie ausgebildeten MOS-Transistors abgegebene Strom in sehr guter
Annäherung gleich:
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wobei
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VT die Steuerquellenelektrodenschwellenspannung ist,
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β&sub0; = u&sub0;Cox . (W/L) ist, wobei u&sub0; die mittlere Mobilität des Ladungsträgers in der
Kanalzone eines MOSFET-Transistors ist bei einer niedrigen Kanalfeldstärke, Cox die
Gate-Elektrodenkapazität je Oberflächeneinheit ist, W die Breite und L die Länge der
Kanalzone ist und wobei θ eine Mobilitätsreduktionsfaktor ist, der bei höheren
Kanalfeldstärken auftritt.
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In dem Dokument EP 0.123.275 wird eine differentielle
MOS-Verstärkerschaltung mit einem differentiellen Eingangsteil mit zwei Hauptstromstrecken
zweier reihengeschalteter Transistoren beschrieben.
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Durch den Reduktionsfaktor θ und die ungleiche Steuer-
Sourcespannung VGS der beiden Transistoren ist die Verstärkung nicht linear, wodurch
Verzerrung auftritt.
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Es ist nun u.a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Verzerrung
wesentlich zu verringern. Die Erfindung wird definiert durch die beiliegenden
Ansprüche. Dazu weist die erfindungsgemäße Verstärkerschaltung eine der ersten
Reihenschaltung entsprechende zweite Reihenschaltung der Hauptstromstrecken eines dritten
und eiens vierten MOS-Transistors auf, wobei ein anderer Eingang der
Verstärkerschaltung mit der Gate-Elektrode des dritten MOS-Transistors gekoppelt ist, die Source
Elektrode des ersten und dritten MOS-Transistors miteinander und mit einer
Stromquelle gekoppelt sind, die Drain-Elektroden des zweiten und vierten MOS-
Transistors miteinander gekoppelt sind, die Drain-Elektroden des ersten und des dritten
Transistors einerseits mit dem Ausgang des Verstärkers gekoppelt ist und andererseits
über eine Reihenschaltung aus einem ersten und einem zweiten Widerstand mit den
Drain-Elektroden des zweiten und vierten MOS-Transistors gekoppelt ist, daß der
Verbindungspunkt des ersten mit dem zweiten Widerstand mit der Gate-Elektrode des
vierten Transistors gekoppelt ist und daß die MOS-Transistoren einander entsprechen.
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Diese Verstärkerschaltung bietet den Vorteil, daß die Verzerrung durch
die Mobilitätsverringerung der Ladungsträger in der Kanalzone eliminiert worden ist
und daß dennoch ein Verstärkungsfaktor in der Größenordnung von 10 bis 100
verwirklicht werden kann.
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Weiterhin bietet diese Verstärkerschaltung den zusätzlichen Vorteil, daß
der Verstärkungsfaktor unabhängig von der Schwellenspannung VT der Transistoren
ist.
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Nach einer weiteren Ausffihrungsform der Erfindung enthält die
Differenzverstärkerschaltung eine dritte Reihenschaltung aus den Hauptstromstrecken eines
fünften und eines sechsten MOS-Transistors, eine der dritten Reihenschaltung
entsprechende vierte Reihenschaltung aus den Hauptstromstrecken eines siebenten und
eines achten MOS-Transistors, wobei die Source-Elektroden des fünften und siebenten
MOS-Transistors miteinander und über eine zweite Stromquelle mit den Drain-
Elektroden des zweiten und vierten MOS-Transistors gekoppelt sind, wobei die Gate-
Elektroden des ftinften und siebenten MOS-Transistors den Eingang des
Differenzverstärkers bilden, wobei die Gate-Elektroden des sechsten und achten MOS-Transistors
miteinander und mit der Drain-Elektrode des achten MOS-Transistors gekoppelt sind,
daß die Verstärkerschaltung einen neunten MOS-Transistor aufweist, dessen Source-
Elektrode mit der Source-Elektrode des sechsten und achten MOS-Transistors und mit
einer Speiseklemme gekoppelt ist, die Gate-Elektrode mit der Drain-Elektrode des
sechsten Transistors gekoppelt ist, daß die Drain-Elektrode des neunten
MOS-Transistors den Ausgang der Verstärkerschaltung bildet und daß die fünften und siebenten
MOS-Transistoren zu den übrigen MOS-Transistoren komplementär sind.
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Diese Ausführungsform hat den nachteil, daß der Operationsverstärker
eine minimale Anzahl Schaltungselemente braucht, gut aussteuerbar ist und für die
Verstärkerschaltung eine niedrige Speisespannung ausreicht.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1 eine erfindungsgemäße Verstärkerschaltung und
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Fig. 2 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Verstärkerschaltung nach Fig. 1.
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Der in Fig. 1 dargestellte Schaltplan einer erfindungsgemäßen
Verstärkerschaltung enthält eine erste Reihenschaltung aus zwei MOSFET-Transistoren,
bestehend aus einem ersten Transistor T&sub1; und einem zweiten Transistor T&sub2;, eine zweite
Reihenschaltung aus zwei weiteren MOSFET-Transistoren, bestehend aus einem dritten
Transistor T&sub3; und einem vierten Transistor T&sub4;. Die Source-Elektroden der Transistoren
T&sub1; und T&sub3; sind miteinander verbunden und an eine Stromquelle 1 angeschlossen und
bilden ein sog. "long tailed pair". Eine Eingangsspannung Vin angeschlossen an die
Eingangsklemmen 2 und 3 des Verstärkers wird den Gate-Elektroden der Transistoren T&sub1;
und T&sub3; zugeführt. Die Transistoren T&sub2; und T&sub4; bilden die Bleastung der TransistortT&sub1;und
T&sub3;. Dazu sind die Source-Elektroden der Transistoren T&sub1; und T&sub2; mit den Drain-
Elektroden der Transistoren T&sub1;und T&sub3; verbunden und die Drain-Elektroden der
Transistoren T&sub2;und T&sub4; sind ebenso wie die Gate-Elektrode des Transistors T&sub2; an einen Punkt
gemeinsamen Potentials 7 (Erde) angeschlossen.
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Die Ausgangsspannung Vu der bisher beschriebenen
Schaltungsanordnung wird zwischen den Drain-Elektroden der Transistoren T&sub1; und T&sub3; entnommen.
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Zur Erläuterung der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen
Verstärkerrschaltung wird zunächst vorausgesetzt, daß auch die Gate-Elektrode des vierten
Transistors T&sub4; nach Erde verbunden ist, daß die Transistoren T&sub1; und T&sub3;, ebenso wie die
Transistoren T&sub2;und T&sub4; einander entsprechen und daß das geometrische Verhältnis W/L
der Transistoren T&sub1;und T&sub3; sich verhält zu dem geometrischen Verhältnis der
Transistoren T&sub2; und T&sub4; wie K:1, wobei W die Breite und L die Länge der kanalzone der MOS-
FET-Transistoren darstellen, so daß:
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Für den Strom ID durch die MOSFET-Transistoren gilt in dem
Sättigungsgebiet in erster Annäherung, daß:
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dabei ist VT eine durch den Integrationsprozeß gegebene Schwellenspannung und
VGS ist die Spannung zwischen der Steuer- und Source-Elektrode und dabei ist:
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wobei un die mittlere Trägermobilltät (Löchermobilität, in diesem Fall) in dem
Kanalgebiet des MOSFET-Transistors ist und C&sub0; die Gate-Elektrodenkapazität je
Oberflächeneinheit ist.
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Aus 2 folgt, daß
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weiterhin ist Vin = VGS1 - VGS3, Substitution von (4) ergibt, daß
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wobei β&sub1; des Transistors T&sub3; dem Wert von β&sub1; des Transistors T&sub1; entspricht, und zwar
wegen der Tatsache, daß die Transistoren identisch sind und folglich auch gleiche W/L-
Verhältnisse aufweisen.
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Unter der Voraussetzung, daß die Gate-Elektrode von VGS4 ebenfalls
geerdet ist, gilt für Vu, daß
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Vu = VGS2 - VGS4 (6)
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Substitution von (4) und (6) ergibt, daß
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wobei β&sub2; den Faktor W&sub2;/L&sub2; enthält, der von den beiden Transistoren T&sub3; und T&sub4;
identisch ist.
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Der Verstärkungsfaktor entspricht dem Wert:
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A=VT/Vin (8)
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Substitution von (1), (3), (5) und (7) ergibt, daß
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A=VT/Vin=1/ k (9)
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Bei Verwirklichung von MOS-Transistoren in moderner Technologie
sind die Kanalabmessungen so klein und die Feldstärkern in dem Kanal dadurch so
groß, daß die mittlere Elektronenmobilität un in der Formel (2) keine Konstante mehr
ist, sondern abhängig wird von dem Spannungsunterschied (VGS - VT). Für un gilt dann,
daß:
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un=u&sub0;/1+Θ(VGS-VT) (10)
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wobei θ ein Mobilitätsreduktionsfaktor ist und annähernd gleich 0,2 V&supmin;¹. Dieser
Mobilitätsreduktionsfaktor θ ist an sich wieder von dem Kanaldimensionsfaktor W/L
abhängig. Dies bedeutet, daß die Formel 9 im allgemeinen nicht mehr gilt. Der
Verstärkungsfaktor A entspricht in erster Ordnung dem Wert
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, jedoch infolge der ungleichen Mobilitätsreduktionsfaktoren θ&sub1; und θ&sub2; in (10)
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zeigt, daß β&sub1; und β&sub2; einen von der Quellensteuerspannung VGS abhängigen Wert hat,
was Verzerrung verursacht. Die Erfindung löst dieses Problem dadurch, daß die
Transistoren T&sub1; bis T&sub4; alle einander entsprechend gewählt werden, wodurch
β&sub2; entspricht dann dem Wert β&sub1;. Dadurch wird Verzerrung
vermieden, es bringt aber den Nachteil mit sich, daß die Verstärkung A gleich eins ist,
weil K = 1 ist.
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Nach der Erfindung ist in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ein
Operationsverstärker 4 vorgesehen, dessen Eingänge an die Drain-Elektroden der
Transistoren T&sub1; und T&sub3; angeschlossen sind und dessen Ausgang einerseits den Ausgang 5 mit
der Ausgangsspannung Vout, des Verstärkers bildet und andererseits über eine
Reihenschaltung aus einem ersten Widerstand R&sub1; und einem zweiten Widerstand R&sub2; nach Erde
verbunden ist. Der Verbindungspunkt der Widerstände R&sub1; und R&sub2; ist an die Gate-
Elektrode des vierten MOSFET-Transistors T&sub4; angeschlossen.
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Da der Operationsverstärker 4 die Spannungen der Squrce-Elektroden
der Transistoren T&sub2; und T&sub4; einander entsprechend hält und alle Transistoren identisch
sind, gilt, daß
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Die Verstärkung der Verstärkungsschaltung entspricht daher dem
folgenden Wert:
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Der Faktor θ ist eliminiert, deswegen ist die Verzerrung sehr niedrig. Außerdem wird
der Rauschanteil dieses Verstärkers durch das Widerstandsverhältnis R&sub1;/R&sub2; bestimmt
und ist daher sehr niedrig. Außerdem wird der gesamte Eingangsstrom dieses
Verstärkers völlig benutzt, wodurch der Verstärker wenig Leistung braucht. Weiterhin ist der
Verstärkungsfaktor unabhängig von der Schwellenspannung VT, obschon die
Verstärkungsschaltung einen Eintaktausgang hat.
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Die in Fig. 2 dargestellte Verstärkerschaltung enthält einen an sich
bekannten Differenzverstärker 4. Dieser Verstärker enthält eine sog. "long tailed pair"-
Schaltung, die durch die einander entsprechenden MOSFET-Transistoren T&sub5; und T&sub7;
gebildet wird, deren Source-Elektroden miteinander und über eine Stromquelle 8 nach
Erde 7 verbunden sind. Diese Transistoren sind zu den übrigen Transistoren des
Verstärkers komplementär. Die Belastung dieser Schaltungsanordnung wird durch eine
Stromquellenschaltung gebildet, die einen in einer dritten Reihenscahltung zusammen
mit dem Transistor T&sub5; vorgesehenen Transistor T&sub6; und einen in einer vierten
Reihenscahltung zusammen mit dem Transistor T&sub7; vorgesehenen und als Diode
geschalteten Transistor T&sub8; enthält, wobei von den Transistoren T&sub6; und T&sub3; einerseits die Gate-
Elektroden miteinander verbunden sind und andererseits die Source-Elektroden
miteinander und mit der positiven Klemme 9 einer Speisequelle verbunden sind. Weiterhin
enthält der Operationsverstärker 4 einen Ausgangstransistor T&sub9;, dessen
Source-Elektrode mit der positiven Spannungsklemme 9 verbunden ist und dessen Drain-Elektrode
den Ausgang 5 der Verstärkerschaltung bildet.
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Ein durch die Eingangsspannung V&sub1; verursachter Differenzstrom wird
von dem Transistor T&sub5; als Steuerspannung dem Transistor T&sub9; zugeführt und an der
Ausgangsklemme 5 verstärkt abgegeben.
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Die Verwendung dieses Differenzverstärkers 4 in der
erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung ergibt, daß zum Verwirklichen der Verstärkerschaltung
keine Spannungsverschiebungen erforderlich sind. Die Verstärkerschaltung eignet sich
daher durchaus dazu, mit einer sehr niedrigen Speisespannung zu arbeiten. Zur
Verwirklichung einer optimalen Ansteuerung der Verstärkerschaltung ist es möglich, durch
Zuführung einer von einer Gleichspannungsquelle 10 herrührenden Bezugsspannung zu
der Gate-Elektrode des zweiten Transistors T&sub2; den Spannungsabfall an der Stromquelle
7 zu kompensieren.