NL9000326A - Versterkerschakeling. - Google Patents

Description

De uitvinding heeft betrekking op een versterkerschakeling voor het versterken van een ingangssignaal omvattende een eerste transistor met een stuurelektrode, welke gekoppeld is aan een ingangsklem voor het toevoeren van het ingangssignaal, met een eerste hoofdelektrode, welke gekoppeld is aan een eerste voedingsspanningsklem, en met een tweede hoofdelektrode, en een tweede transistor met een stuurelektrode, met een eerste hoofdelektrode, welke gekoppeld is aan de tweede hoofdelektrode van de eerste transistor, en met een tweede hoofdelektrode, welke gekoppeld is aan enerzijds een tweede voedingsspanningsklem door middel van een eerste stroombron en anderzijds een uitgangsklem voor het afnemen van een uitgangssignaal.

Een dergelijke versterkerschakeling is algemeen toepasbaar voor het versterken van een signaal in geïntegreerde halfgeleiderschakelingen.

Een dergelijke, zogenaamd gecascodeerde, versterkerschakeling is onder meer bekend uit het in 1987 uitgegeven boek "CMOS analog circuit design", dat geschreven is door P.E. Allen en D.R. Holberg. Daarin wordt op pagina 288 in figuur 6.3-1 een gecascodeerde versterkerschakeling getoond, waarbij de stuurelektrode van de tweede transistor gekoppeld is met een referentiespanningsklem voor het toevoeren van een referentiespanning. Een via de ingangsklem aangeboden ingangsspanning wordt in de bekende cascodeversterkerschakeling door de eerste transistor geconverteerd in een met de ingangsspanning evenredige stroom, die op de eerste hoofdelektrode van de tweede transistor potentiaalvariaties veroorzaakt. Deze variaties verschijnen versterkt met de versterkingsfaktor van de tweede transistor op de uitgang van de schakeling. De totale versterking is derhalve gelijk aan het product van de versterkingsfaktors van de eerste en de tweede transistor. De tweede transistor verhoogt dus de versterking van de schakeling ten opzichte van een versterkerschakeling met één transistor. Daarmee wordt tevens de uitgangsimpedantie verhoogd. Om met de bekende cascodeversterkerschakeling een groot versterkings-bandbreedte-product te realiseren zijn grote instelstromen en transistors met een zeer korte kanaallengte nodig. Hierdoor wordt echter de uitgangsimpedantie en daarmee de versterking sterk verlaagd. Het is met de bekende schakeling derhalve niet mogelijk om zowel een groot versterkings-bandbreedte-product als een grote versterking te realiseren.

Het is dan ook een doel van de uitvinding om een versterkerschakeling voor het versterken van een ingangssignaal aan te geven, die zowel een hoge versterking als een hoog versterkings-bandbreedte-product heeft.

Een versterkerschakeling wordt volgens de uitvinding gekenmerkt, doordat dat de stuurelektrode van de tweede transistor gekoppeld is aan een uitgang van een versterker, dat de tweede hoofdelektrode van de eerste transistor gekoppeld is aan een inverterende ingang van de versterker en dat een eerste referentiespanningsklem voor het toevoeren van een eerste referentiespanning gekoppeld is aan een niet-inverterende ingang van de versterker.

De uitvinding is gebaseerd op het inzicht, dat de potentiaal van de eerste hoofdelektrode van de tweede transistor door de toepassing van de versterker nagenoeg constant gehouden wordt. Dit vindt plaats door de potentiaalvariaties op deze elektrode via de versterker naar de stuurelektrode van dê tweede transistor tegen te koppelen. De versterking van de versterkerschakeling neemt hierdoor toe met de versterking van de versterker zonder het versterkings-bandbreedte-product te beïnvloeden. Een bijkomend voordeel is, dat de versterker geen grote bandbreedte behoeft te hebben. Dit heeft tot gevolg, dat de versterker eenvoudig uitgevoerd kan worden en op een klein oppervlak geïntegreerd kan worden.

Een versterkerschakeling volgens de uitvinding, waarbij de eerste en de tweede transistor tesamen ingericht zijn voor het realiseren van een versterking met een frequentie-karakteristiek omvattende een eerste pool optredend bij een eerste frequentie en een tweede pool optredend bij een tweede frequentie, waarbij de eerste frequentie kleiner is dan de tweede frequentie, kan voorts worden gekenmerkt, doordat de versterker ingericht is voor het realiseren van een additionele versterking met een frequentie-karakteristiek bevattende een versterkings-bandbreedte-product met een frequentie kleiner dan de tweede frequentie.

Een dergelijke versterkerschakeling, waarbij de dimensionering van de in de versterker toegepaste componenten alsmede van de door deze componenten vloeiende instelstromen bepalend is voor de frequentie-karakteristiek en bijgevolg de versterkings-bandbreedte-product-frequentie van de versterker, heeft het voordeel minder gevoelig te zijn voor instabiliteit. Deze instabiliteit is een gevolg van de invloed van parasitaire capaciteiten bij relatief hoge frequenties. De capaciteiten veroorzaken bij deze frequenties een fase-draaiing, die de lus gevormd door de tweede transistor en de versterker bij een lusversterking groter dan één instabiel maken, met als gevolg een instabiel gedrag van de gehele versterkerschakeling.

Een eerste uitvoeringsvorm van een versterkerschakeling volgens de uitvinding kan worden gekenmerkt, doordat de versterker gevormd is door een derde transistor met een stuurelektrode, welke gekoppeld is aan de inverterende ingang van de versterker, met een eerste hoofdelektrode, welke gekoppeld is aan de niet-inverterende ingang van de versterker, en met een tweede hoofdelektrode, welke gekoppeld is aan enerzijds de uitgang van de versterker en anderzijds de tweede voedingsspanningsklem door middel van een tweede stroombron. In deze eenvoudigste uitvoeringsvorm van de versterker realiseert de derde transistor de tegenkoppeling van de eerste hoofdelektrode van de tweede transistor naar diens stuurelektrode. Hiermee wordt de potentiaal van de eerste hoofdelektrode van de tweede transistor nagenoeg gestabiliseerd en de totale versterking verhoogd met de versterkingsfaktor van de derde transistor.

Een tweede uitvoeringsvorm van een versterkerschakeling volgens de uitvinding kan worden gekenmerkt, doordat de stuurelektrode van de derde transistor gekoppeld is met de inverterende ingang van de versterker door middel van een niveauverschuifschakeling, waarbij de niveauverschuifschakeling verder kan worden gekenmerkt, doordat de niveauverschuifschakeling gevormd is door een vierde transistor met een stuurelektrode, welke gekoppeld is aan de inverterende ingang van de versterker, met een eerste hoofdelektrode, welke gekoppeld is aan enerzijds de tweede voedingsspanningsklem door middel van een derde stroombron en anderzijds de stuurelektrode van de derde transistor, en met een tweede hoofdelektrode, welke gekoppeld is met de eerste voedingsspanningsklem. Ten opzichte van de eerste uitvoeringsvorm realiseert de niveauverschuifschakeling een lagere potentiaal van de eerste hoofdelektrode van de tweede transistor, waardoor de spanningszwaai aan de uitgang van de schakeling groter kan zijn. Dit is vooral van belang bij lage voedingsspanningen.

Een derde uitvoeringsvorm van een versterkerschakeling volgens de uitvinding kan worden gekenmerk, doordat de versterker ter vergroting van de versterkingsfaktor mede gevormd is door een laddernetwerk met een eerste, een tweede, een derde en een vierde aansluitklem, waarbij de eerste en de tweede aansluitklem gekoppeld zijn tussen respektievelijk de inverterende ingang van de versterker en de eerste hoofdelektrode van de tweede transistor en de derde en de vierde aansluitklem gekoppeld zijn tussen respektievelijk de tweede hoofdelektrode van de derde transistor en de uitgang van de versterker, waarbij het laddernetwerk nader kan worden gekenmerkt, doordat het laddernetwerk gevormd is door een aantal gecascodeerde ladderelementen met elk een eerste, een tweede, een derde en een vierde aansluitklem, waarbij'de eerste en de tweede aansluitklem van een ladderelement gekoppeld zijn met respektievelijk de derde en de vierde aansluitklem van een voorafgaand ladderelement, de eerste en de tweede aansluitklem van een eerste ladderelement gekoppeld zijn met respektievelijk de eerste en de derde aansluitklem van het laddernetwerk en de derde en de vierde aansluitklem van een laatste ladderelement gekoppeld zijn met respektievelijk de tweede en de vierde aansluitklem van het laddernetwerk, en waarbij elk ladderelement kan worden gevormd door een vierde en een vijfde transistor met elk een stuurelektrode, een eerste hoofdelektrode en een tweede hoofdelektrode, waarbij de vierde transistor gekoppeld is via de stuurelektrode met de tweede aansluitklem van het ladderelement, via de eerste hoofdelektrode met de eerste aansluitklem van het ladderelement en via de tweede hoofdelektrode met de derde aansluitklem van het ladderelement, en de vijfde transistor gekopppeld is via de stuurelektrode met de derde aansluitklem van het ladderelement, via de eerste hoofdelektrode met de tweede aansluitklem van het ladderelement en via de tweede hoofdelektrode met de vierde aansluitklem van het ladderelement. De toevoeging van elk ladderelement vergroot de versterking van de schakeling, zodat een zeer grote versterking bereikt kan worden. Iedere transistor in een ladderelement versterkt namelijk de spanning op zijn eerste hoofdelektrode naar de spanning op zijn tweede hoofdelektrode, waardoor de totale versterking met de versterkingsfaktor van de transistor toeneemt.

Een vierde uitvoeringsvorm van een versterkerschakeling volgens de uitvinding kan worden gekenmerkt, doordat de versterker ter vergroting van de versterkingsfaktor mede gevormd is door een laddernetwerk met een eerste, een tweede, een derde en een vierde aansluitklem, waarbij de eerste en de tweede aansluitklem gekoppeld zijn tussen respektievelijk de tweede hoofdelektrode van de derde transistor en de uitgang van de versterker en de derde en de vierde aansluitklem gekoppeld zijn tussen respektievelijk de eerste en de tweede voedingsspanningsklem, waarbij het laddernetwerk verder kan worden gekenmerkt, doordat het laddernetwerk gevormd is door een aantal gecascadeerde ladderelementen met een eerste, een tweede, een derde, een vierde, een vijfde en een zesde aansluitklem, waarbij de eerste en de tweede aansluitklem van een ladderelement gekoppeld zijn met respektievelijk de vijfde en de zesde aansluitklem van een voorafgaand ladderelement, de derde en de vierde aansluitklem van een ladderelement gekoppeld zijn met respektievelijk de derde en de vierde aansluitklem van het laddernetwerk, de eerste en de tweede aansluitklem van een eerste ladderelement gekoppeld zijn met respektievelijk de eerste en de tweede aansluitklem van het laddernetwerk en de vijfde en de zesde aansluitklem van het laatste ladderelement onderling gekoppeld zijn, en waarbij elk ladderelement kan worden gevormd door enerzijds een vierde en een vijfde transistor met elk een stuurelektrode, een eerste hoofdelektrode en een tweede hoofdelektrode en anderzijds een derde stroombron, waarbij de vierde transistor gekoppeld is via de stuurelektrode met de zesde aansluitklem van het ladderelement, welk door middel van de derde stroombron gekoppeld is met de vierde aansluitklem van het ladderelement, via de eerste hoofdelektrode met de eerste aansluitklem van het ladderelement en via de tweede hoofdelektrode met de tweede aansluitklem van het ladderelement, en de vijfde transistor gekoppeld is via de stuurelektrode met de eerste aansluitklem van het ladderelement, via de eerste hoofdelektrode met de derde aansluitklem van het ladderelement en via de tweede hoofdelektrode met de vijfde aansluitklem van het ladderelement. Ook hier vergroot de toevoeging van elk ladderelement de totale versterking, waardoor eveneens een grote versterking bereikt kan worden. Bovendien behoeft ter verkrijging van een gelijkblijvende spanningszwaai van het uitgangssignaal het voedingsspanningsverschil niet toe te nemen bij de toevoeging van een ladderelement. Het principe van dit laddernetwerk berust op het herhaald toepassen van de bekende gecascodeerde versterkerschakeling in combinatie met het tegenkoppelen van de spanningen op de eerste hoofdelektrode èn de stuurelektrode van de tweede transistor conform de uitvinding.

De uitvinding wordt nader toegelicht aan de hand van bijgaande tekening, waarin figuur 1 een versterkerschakeling volgens de stand der techniek weergeeft, figuur 2 een principe-schema van een versterkerschakeling volgens de uitvinding Weergeeft, figuur 3 is een Bode-diagram van de in figuur 1 en 2 getoonde versterkerschakelingen weergeeft, figuur 4 een eerste uitvoeringsvorm van een versterkerschakeling volgens de uitvinding weergeeft, figuur 5 een tweede uitvoeringsvorm van een versterkerschakeling volgens de uitvinding weergeeft, figuur 6 een derde uitvoeringsvorm van een versterkerschakeling volgens de uitvinding weergeeft, figuur 7 een vierde uitvoeringsvorm van een versterkerschakeling volgens de uitvinding weergeeft, figuur 8 een vijfde uitvoeringsvorm van een versterkerschakeling volgens de uitvinding weergeeft, figuur 9 een zesde uitvoeringsvorm van een versterkerschakeling volgens de uitvinding weergeeft, figuur 10 een zevende uitvoeringsvorm van een versterkerschakeling volgens de uitvinding weergeeft, en figuur 11 een operationele versterker voorzien van versterkerschakelingen volgens de uitvinding weergeeft.

In figuur 1 is een versterkerschakeling volgens de stand der techniek weergegeven. De schakeling bevat een eerste transistor N1, waarvan de stuurelektrode met een ingangsklem 1 en de eerste hoofdelektrode met een eerste voedingsspanningsklem Vss gekoppeld is, en een tweede transistor N2 waarvan de stuurelektrode met een eerste referentiespanningsklem 2, de eerste hoofdelektrode met de tweede hoofdelektrode van transistor N1 en de tweede hoofdelektrode met enerzijds de tweede voedingsspanningsklem Vdd door middel van een eerste stroombron J1 en anderzijds een uitgangsklem 3 gekoppeld is. Aan de ingangsklem 1 wordt de ingangsspanning Vin toegevoerd en aan de referentiespanningsklem 2 de referentiespanning Vrefl. Van de uitgangsklem 3 wordt de uitgangsspanning Vout afgenomen. De ingangsspanning Vin wordt door transistor N1 omgezet in een evenredige stroom, welke op de eerste hoofdelektrode van transistor N2 potentiaalvariaties veroorzaakt. Deze variaties verschijnen versterkt met de versterkingsfaktor van transistor N2 op de uitgang van de verstekerschakeling. Ter verkrijging van een schakeling met een groot versterkings-bandbreedte-product moeten de transistoren N1 en N2 beide een kort kanaal hebben en een grote stroom voeren. Dit beperkt echter de uitgangsimpedantie en dus de versterking van de schakeling. Bij een hoge versterking zal derhalve het versterkings-bandbreedte-product gering zijn.

In figuur 2 is een principe-schema van een versterkerschakeling volgens de uitvinding weergegeven, waarbij gelijke onderdelen met dezelfde verwijzingscijfers als in figuur 1 aangegeven zijn. De stuurelektrode van transistor N2 is bij deze uitvoeringsvorm gekoppeld met de uitgang vO van een versterker A, waarvan de niet-inverterende ingang v1 gekopppeld is met de referentiespanningsklem 2 en de inverterende ingang v2 met de eerste hoofdelektrode van transistor N2. De versterker A realiseert een tegenkoppeling van de potentiaal van de eerste hoofdelektrode van transistor N2 naar diens stuurelektrode. De versterking van de schakeling is dan ten opzichte van de bekende gecascodeerde versterkerschakeling toegenomen met de versterkingsfaktor van de versterker A zonder het versterkings-bandbreedte-product te verminderen. De versterking kan nu elke gewenste waarde aannemen, waarbij de toevoeging van de versterker A te allen tijde een verbetering van de versterkerschakeling oplevert.

In figuur 3 is een Bode-diagram van de in figuur 1 en 2 getoonde versterkerschakelingen weergegeven, waarbij de versterking G logaritmisch is uitgezet als functie van de eveneens logarithmisch uitgezette frequentie f. In dit figuur representeren de symbole Aorig,

Aadd en Atot de respektievelijke gelijkspanningsversterkingen van.de versterkerschakeling volgens de stand der techniek, de in figuur 2 getoonde versterker A en de versterkerschakeling volgens de uitvinding. De frequenties f3, f2 en fl representeren de respektievelijke 3-dB-frequenties en de frequenties f5, f4 en f5 representeren de respektievelijke versterkings-bandbreedte-produet-frequenties. Bovendien bevatten de frequentie-karakteristieken van de in figuur 1 en 2 getoonde versterkerschakelingen een pool gelegen bij een frequentie f6. De door het toevoegen van versterker A verkregen versterkingsverrijking (gain enhancement) ten opzichte van de gelijkspanningsversterking Aorig van de versterkerschakeling volgens de stand der techniek is aangegeven met een pijl, welke versterkingsverrijking gelijk is aan de gelijkspanningsversterking Add. Wanneer de versterking-bandbreedte-product-frequentie f4 van de versterker A kleiner is dan de poolfrequentie f6 van de versterkerschakeling volgens de stand der techniek, is de versterkerschakeling volgens de uitvinding minder gevoelig voor instabiliteit. Hierbij is de dimensionering van zowel de in de versterkertoegepaste componenten als de door deze componenten vloeiende stromen bepalend voor de frequentie-karakteristiek en bijgevolg de versterkings-bandbreedte-product-frequentie van de versterker. Voor verdere informatie over relaties tussen componenten en frequentiegedrag wordt verwezen naar de in 1384 uitgegeven, tweede editie van het boek "Analysis and design of analog integrated circuits", dat geschreven is door P.R. Gray and R. G. Meyer. Daarin wordt vanaf pagina 67 ingegaan op de relatie tussen transistor-afmetingen en frequentie-gedrag-bepalende parasitaire capaciteiten.

In figuur 4 is een eerste uitvoeringsvorm van een versterkerschakeling volgens de uitvinding weergegeven, waarbij gelijke onderdelen met dezelfde verwijzingscijfers als in figuur 2 aangegeven zijn. De versterker A wordt bij deze uitvoeringsvorm gevormd door een derde transistor N3, welke gekoppeld is met zijn stüurelektrode aan de inverterende v2 ingang van de versterker A, met zijn eerste hoofdelektrode aan zowel de niet-inverterende ingang v1 van de versterker A als de voèdingsspanningsklem Vss en met zijn tweede hoofdelektrode aan enerzijds de voèdingsspanningsklem Vdd door middel van een tweede stroombron J2 en anderzijds de uitgang vO van de versterker A. De transistor N3 realiseert de tegenkoppeling tussen de eerste hoofdelektrode van transistor N2 en diens stuurelektrode. Een toename van de spanning op de eerste hoofdelektrode van transistor N2 veroorzaakt namelijk door middel van transistor N3 een afname van de spanning op de stuurelektrode van transistor N2, waardoor de spanning op diens eerste hoofdelektrode zal dalen. Dit resulteert in de tegenkoppeling met als gevolg een stabilisatie van de spanning.

In figuur 5 is een tweede uitvoeringsvorm van een versterkerschakeling volgens de uitvinding weergegeven, waarbij gelijke onderdelen met dezelfde verwijzingscijfers als in figuur 4 aangegeven zijn. De stuurelektrode van transistor N3 is hierin gekoppeld met de inverterende ingang v2 van de versterker A door middel van een niveauverschuifschakeling, welke gevormd wordt door een vierde transistor P1 met een stuurelektrode, die gekoppeld is met de inverterende ingang v2 van de versterker A, met een eerste hoofdelektrode, die gekoppeld is met de voedingsspanningsklem Vss, en met een tweede hoofdelektrode, die gekoppeld is enerzijds met de voedingsspanningsklem Vdd door middel van een derde stroombron J3 en anderzijds met de stuurelektrode van transistor N3. Omdat transistor P1 van een tegengesteld geleidingstype is als de overige transistors, is de spanning aan de inverterende ingang v2 van de versterker A minimaal gelijk aan de thresholdspanning van transistor N3 minus de thresholdspanning van transistor P1. De uitgangsspanning Vuit zal derhalve een grotere maximale spanningszwaai hebben dan de uitgangsspanning Vuit in de schakeling van figuur 4, waar de spanning van de inverterende ingang v2 van de versterker A minimaal gelijk is aan de thresholdspanning van transistor N3.

In figuur 6 is een derde uitvoeringsvorm van een versterkerschakeling volgens de uitvinding weergegeven, waarbij gelijke onderdelen met dezelfde verwijzingscijfers als in figuur 4 aangegeven zijn. In deze figuur is een laddernetwerk toegevoegd tussen enerzijds de inverterende ingang v2 van de versterker A en de eerste hoofdelektrode van transistor N2 en anderzijds de tweede hoofdelektrode van transistor N3 en de uitgang vO van de versterker A. Het laddernetwerk bestaat uit n gecascodeerde ladderelementen Si, die alle opgebouwd zijn met twee transistors Nia en Nib, waarbij i het volgnummer is kleiner of gelijk aan n. Ieder ladderelement Si heeft vier aansluitklemmen, waarvan de eerste aansluitklem i1 gekoppeld is met de eerste hoofdelektrode van AM* Λ __ A Λ transistor Nia, de tweede aansluitklem i2 met zowel de stuurelektrode van transistor Nia als de eerste hoofdelektrode van transistor Nib, de derde aansluitklem i3 met zowel de tweede hoofdelektrode van tranistor Nia als de stuurelektrode van transistor Nib en de vierde aansluitklem i4 met de tweede hoofdelektrode van transistor Nib. Onderling is elk ladderelement Si gekoppeld met zijn eerste en tweede aansluitklem i1 en 12 aan respektievelijk de derde en de vierde aansluitklem i3 en i.4 van een voorafgaand ladderelement Si-1, waarbij de eerste en de tweede aansluitklem 11 en 12 van het eerste ladderelement S1 gekoppeld zijn met. respektievelijk de inverterende ingang v2 van de versterker A en de tweede hoofdelektrode van transistor N3 en de derde en de vierde aansluitklem n3 en n4 van het laatste ladderelement Sn gekoppeld zijn met respektievelijk de eerste hoofdelektrode van transistor N2 en de uitgang vO van de versterker A. De functie van elk ladderelement Si is de versterking van de totale schakeling te vergroten. Iedere transistor versterkt daartoe de spanning op zijn eerste hoofdelektrode naar de spanning op zijn tweede hoofdelektrode en vergroot derhalve de totale versterking met zijn versterkingsfaktor. Tevens wordt de potentiaal van de eerste hoofdelektrode van elke transistor tegengekoppeld naar diens stuurelektrode. Voor transistor N1a gebeurt dit door transistor N3, voor transistor N1b door transistor Ni 1 enzovoorts. Hét verschil tussen de beide .voedingsspanningen Vdd en Vss moet bij dit laddernetwerk toereikend zijn voor het aantal ladderelementen.

In figuur 7 is een vierde uitvoeringsvorm van een versterkerschakeling volgens de uitvinding weergegeven, waarbij gelijke onderdelen met dezelfde verwijzingscijfers als in figuur 4 aangegeven zijn. De schakeling bevat eveneens een laddernetwerk ter vergroting van de versterking. Het laddernetwerk is gekoppeld tussen enerzijds de tweede hoofdelektrode van transistor N3 en de uitgang vO van de versterker A en anderzijds de beide voedingsspanningsklemmen Vss en Vdd. Het laddernetwerk bestaat uit m gecascodeerde ladderelementen Pj, die alle opgebouwd zijn met zowel twee transistoren Njc en Njd als een stroombron jj+5, waarbij j het volgnummer is groter dan n en kleiner of gelijk aan n+m. Ieder ladderelement Pj heeft zes aansluitklemmen, waarvan de eerste aansluitklem j1 gekoppeld is met zowel de eerste hoofdelektrode van transistor Njc als de stuurelektrode van transistor Njd, de tweede aansluitklem j2 met de tweede hoofdelektrode van transistor Njc, de derde aansluitklem j3 met de eerste hoofdelektrode van transistor Njd, de vierde aansluitklem j4 met de stroombron Jj+5, de vijfde aansluitklem j5 met de tweede hoofdelektrode van transistor Njc en de zesde aansluitklem j6 met zowel de stuurelektrode van transistor Njc als de stroombron Jj+5. Onderling is elk ladderelement Pj gekoppeld met zijn eerste en tweede aansluitklem j1 en j2 aan respektievelijk de vijfde en de zesde aansluitklem j5 en j6 van een voorafgaand ladderelement Pj-1, waarbij de derde en de vierde aansluitklem j3 en j4 van een ladderelement Pj gekoppeld zijn met respektievelijk de voedingsspanningsklemmen Vss en Vdd, de eerste en de tweede aansluitklem j1 en j2 van het eerste ladderelement Pn+1 gekoppeld zijn met respektievelijk de tweede hoofdelektrode van transistor N3 en de uitgang vO van de versterker A en de vijfde en de zesde aansluitklem j5 en j6 van het laatste ladderelement Sm onderling gekoppeld zijn. Een voordeel van deze opbouw van het laddernetwerk is, dat het voedingsspanningsverschil niet toe behoeft te nemen naarmate meer netwerkelementen Sj toegepast worden. Elk toegevoegd ladderelement Sj realiseert zowel een cascodering van een transistor in de cascadeschakeling als een tegenkoppeling van de potentiaal van de eerste hoofdelektrode van een transistor Njc door middel van een transistor Njd. Hierdoor wordt de versterking van de schakeling vergroot en kan elke gewenste waarde verwezenlijkt worden door verandering van het aantal ladderelementen.

In figuur 8 is een vijfde uitvoeringsvorm van een versterkerschakeling volgens de uitvinding weergegeven, waarbij gelijke onderdelen met dezelfde verwijzingscijfers als in figuur 2 aangegeven zijn. De versterker A wordt in deze schakeling gevormd door middel van een gevouwen cascodeschakeling, waarbij gebruikt gemaakt is van een derde, een vierde, een vijfde en een zesde transistor P2, P3, N4 en N5, een tweede en een derde stroombron J4 en J5, en een tweede en een derde referentiespanningsklem 4 en 5 voor het toevoeren van respektievelijk de referentiespanningen Vref2 en Vref3. De transistor P2 is gekoppeld via zijn stuurelektrode met de inverterende ingang v2 van de versterker A en via zijn eerste hoofdelektrode met de tweede voedingsspanningsklem Vdd door middel van de stroombron J4. De transistor P3 is gekoppeld via zijn stuurelektrode met zowel de niet-inverterende ingang v1 van de versterker A als de referentiespanningsklem 2 voor het toevoeren van referentiespanning Vrefl, via zijn eerste hoofdelektrode met de eerste hoofdelektrode van de derde transistor P2 en via zijn tweede hoofdelektrode toet de eerste voedingsspanningsklem Vss. De transistor N4 is gekoppeld via zijn stuurelektrode met de referentiespanningsklem 4 voor het toevoeren van de referentiespanning Vref2 en via zijn eerste hoofdelektrode met de eerste voedingsspanningsklem Vss. De transistor N5 is gekoppeld via zijn stuurelektrode met de referentiespanningsklem 5 voor het toevoeren van de referentiespanning Vref3, via zijn eerste hoofdelektrode met de tweede hoofdelektrode van zowel transistor P2 als transistor N4, en via zijn tweede hoofdelektrode met enerzijds de tweede voedingsspanningsklem Vdd door middel van de stroombron J5 en anderzijds de uitgang VO van de versterker A. De transistoren P2 en P3 zijn beide van een tegengesteld geleidingstype als de overige transistors en vormen tesamen een verschilpaar. Het signaal op de inverterende ingang V2 van de versterker A wordt derhalve versterkt naar de tweede hoofdelektrode van transistor N4f waarna de transistor N5 het nogmaals versterkt naar de uitgang vO van de versterker A. Deze schakeling heeft eveneens het voordeel, dat de spanningszwaai aan de uitgang realtief groot kan zijn, omdat de spanning van de inverterende ingang V2 van de versterker A in evenwicht bepaald wordt door de referentiespanning Vrefl.

In figuur 9 is een zesde uitvoeringsvorm van een versterkerschakeling volgens de uitvinding weergegeven, waarbij gelijke onderdelen met dezelfde verwijzingscijfers als in figuur 8 aangegeven zijn. Transistor P3 en stroombron J4 zijn in deze uitvoeringsvorm evenwel vervangen door een transistor N6, welke via zijn stuurelektrode gekoppeld is met zowel de niet-inverterende ingang vl van de versterker A als de referentiespanningsklem 2 voor het toevoeren van referentiespanning Vrefl, via zijn eerste hoofdelektrode met de eerste hoofdelektrode van transistor P2 en via zijn tweede hoofdelektrode met de tweede voedingsspanningsklem Vdd. Deze wijziging van de schakeling als weergegeven in figuur 8 heeft het voordeel, dat de stroom, die wegvloeide via transistor P3, bespaard wordt. De spanning van de inverterende ingang v2 van de versterker A is in evenwicht gelijk aan de referentiespanning Vrefl minus minimaal de thresholdspanning van zowel, transistor N6 als transistor P2, waardoor wederom een maximale spanningszwaai aan de uitgang 3 mogelijk is.

In figuur 10 is een zevende uitvoeringsvorm van een versterkerschakeling volgens de uitvinding weergegeven, waarbij gelijke onderdelen met dezelfde verwijzingscijfers als in figuur 5 aangegeven zijn. Zowel transistor P1 als transistor N3 zijn in deze schakeling gecascodeerd door middel van respektievelijk transistor P4 en transistor N6. Zo is tussen de eerste hoofdelektrode van transistor P1 en de stroombron J3 de transistor P4 opgenomen, welke gekoppeld is via zijn stuurelektrode met de inverterende ingang v2 van de versterker A, via zijn eerste hoofdelektrode met stroombron J3 en via zijn tweede hoofdelektrode met transistor P1. Anderzijds is tussen de tweede hoofdelektrode van transistor N3 en de uitgang vO van de versterker A de transistor N7 opgenomen, welke gekoppeld is via zijn stuurelektrode met de eerste hoofdelektrode van transistor P4, via zijn eerste hoofdelektrode met de tweede hoofdelektrode met transistor N3 en via zijn tweede hoofdelektrode met stroombron J2. Ook bij deze schakeling is een relatief grote spanningszwaai aan de uitgang mogelijk. De cascodering, op deze wijze gerealiseerd, resulteert in de verhoging van de totale versterking ten opzichte van de schakeling in figuur 5 met de versterkingsfaktor van transistor N7. De transistors P1 en P4 zijn beide van een tegengesteld geleidingstype als de overige transistors en werken als sourcevolgers.

In figuur 11 is een operationele versterker voorzien van versterkerschakelingen volgens de uitvinding weergegeven. De operationele versterker bevat een symmetrisch uitgevoerde ingangstrap I alsmede twee onderling soortgelijke uitgangstrappen EF en GH. De ingangstrap I omvat twee als verschilpaar gekoppelde transistors N8 en N9, waarvan de onderling gekoppelde eerste hoofdelektrodes gekoppeld zijn met zowel de voedingsspanningsklem Vss door middel van een stroombron J6 als de voedingsspanningsklem Vdd door middel van twee volledig parallel geschakelde transistors N10 en N11. Hierbij zijn de eerste hoofdelektrodes van de transistors N10 en N11 verbonden met de overeenkomstige electrodes van de transistors N8 en N9, terwijl aan de stuurelektrodes van de transistors N10 en N11 een referentiespanning Vref4 wordt toegevoerd. De stuurelektrodes van de transistors N8 en N9 zijn gekoppeld met respektievelijk een klem 1EF voor het toevoeren van een ingangssignaal VinEF en een klem 1GH voor het toevoeren van een ingangssignaal VinGH. Via de tweede hoofdelektrodes van de transistors N8 en N9 stuurt de ingangstrap I de uitgangstrappen EF en GH aan, wen·· uitgangstrappen elk opgebouwd zijn uit een versterkerdeel, respektievelijk EE en GG, en een stroombrondeel, respektievelijk FF en HH. Het versterkerdeel EE omvat een transistor P1E, waarvan de stuurelektrode gekoppeld is met een klem 1E voor het toevoeren van een referentiespanning VrefE, de eerste hoofdelektrode gekoppeld is met de voedingsspanningsklem Vdd en de tweede hoofdelektrode gekoppeld is met een inverterende ingang van een versterker E, een eerste hoofdelektrode van de transistor P2E en de tweede hoofdelektrode van de transistor N8. De tweede hoofdelektrode van de transistor P2E is gekoppeld met een uitgangsklem 3EF voor het afnemen van een uitgangssignaal VoutEF en de stuurelektrode van de transistor P2E is gekoppeld met een uitgang van de versterker E, waarvan de niet-inverterende ingang gekoppeld is met een klem 2E voor het toevoeren van een referentiespanning VreflE, Het stroombrondeel FF omvat een transistor N1F, waarvan de stuurelektrode gekoppeld is met een klem 1F voor het toevoeren van een referentiespanning VrefF, de eerste hoofdelektrode gekoppeld is met de voedingsspanningsklem Vss en de tweede hoofdelektrode gekoppeld is met een inverterende ingang van een versterker F en een eerste hoofdelektrode van een transistor N2F. De tweede hoofdelektrode van de transistor N2F is gekoppeld met de uitgangsklem 3EF en de stuurelektrode van de transistor N2F met een uitgang van de versterker F, waarvan de niet-inverterende ingang gekoppeld is met een klem 2F voor het toevoeren van een referentiespannng VreflF. Het versterkerdeel GG omvat een transistor P1G, waarvan de stuurelektrode gekoppeld is met een klem 1G voor het toevoeren van een referentiespanning VrefG, de eerste hoofdelektrode gekoppeld is met de voedingsspanningsklem Vdd en de tweede hoofdelektrode gekoppeld is met een inverterende ingang van een versterker G, een eerste hoofdelektrode van een transistor P2G en de tweede hoofdelektrode van de transistor N9. De tweede hoofdelektrode van de transistor P2G is gekoppeld met een uitgangsklem 3GH voor het afnemen van een Uitgangssignaal VoutGH en de stuurelektrode van de transistor P2G is gekoppeld met een uitgang van de versterker G, waarvan de niet-inverterende ingang gekoppeld is met een klem 2G voor het toevoeren van een referentiespanning Vref1G. Het stroombrondeel HH omvat een transistor N1H, waarvan de stuurelektrode gekoppeld is met een klem 1H voor het toevoeren van een referentiespanning VrefH, de eerste hoofdelektrode gekoppeld is met de voedingsspanningsklem Vss en de tweede hoofdelektrode gekoppeld is met een inverterende ingang van een versterker H en een eerste hoofdelektrode van een transistor N2H. De tweede hoofdelektrode van de transistor N2H is gekoppeld met de uitgangsnklem 3GH en de stuurelektrode van de transistor N2H met een uitgang van de versterker H, waarvan de niet-inverterende ingang gekoppeld is met een klem 2H voor het toevoeren van een referentiespanning VreflH.

In de aldus uitgevoerde operationele versterker vormen zowel de transistors N8 en P2E als de transistors N9 en P2G een gevouwen cascodepaar, waarbij de transistors N10 en N11 afhankelijk van de referentiespanning Vref4 en de door stroombron J6 gevoerde stroom de spanningen op de ingangsklemmen 1EF en 1GH instellen. De betreffende spanningen zijn bijgevolg van de toepassing van genoemde gevouwen cascodeparen zodanig instelbaar, dat de ingangssignalen VinEF en vinGH elk een door de voedingsspanningen bepaalde maximale amplitude kunnen aannnemen. Een alternatief voor het op getoonde wijze aansturen van de beide uitgangstrappen EF en GH is, met weglating van de ingangstrap I, het aanbieden van de respektievelijke ingangssignalen VinEF en VinGH op hetzij de klemmen 1E en 1G, hetzij de klemmen 1F en 1H. Laatstgenoemde wijze van aanbieden includeert echter een verwisseling van de functies van enerzijds de uitgangstrap delen EE en FF en anderzijds de uitgangstrapdelen GG en HH.

De getoonde operationele versterker omvat derhalve twee uitgangstrappen, die overeenkomstig de in figuur 2 weergegeven versterkerschakeling werken, met dien verstande, dat de ingangssignalen VinEF en VinGH elk via een gevouwen cascodepaar worden aangeboden, waarbij de transistors P1E en P1G slechts mede bepalend zijn voor de instelstromen in de onderhavige versterker. De versterkers E, F, G en H zijn elk op velerlei manieren te implementeren, bijvoorbeeld overeenkomstig één der versterkerschakelingen in de voorgaande figuren. Ten behoeve van een optimale werking van de in alle figuren getoonde versterkerschakelingen moeten de met de betreffende uitgangsklemmen gekoppelde stroombronnen een hoge impedantie hebben ter verkrijging van een hoge uitgangsimpedantie alsmede een grote versterking. De in figuur 11 getoonde stroombrondelen FF en HH geven een mogelijke realisatie van dergelijke stroombronnen weer.

De uitvinding is niet beperkt tot de getoonde uitvoeringsvoorbeelden. Binnen het kader van de uitvinding zijn voor de vakman een aantal variaties te bedenken. Zo zijn verdere combinaties van cascodering en cascadering mogelijk alsmede de toepassing van andersoortige versterkers.

Claims (18)

1. Versterkerschakeling voor het versterken van een ingangssignaal omvattende een eerste transistor met een stuurelektrode, welke gekoppeld is aan een ingangsklem voor het toevoeren van het ingangssignaal, met een eerste hoofdelektrode, welke gekoppeld is aan een eerste voedingsspanningsklem, en met een tweede hoofdelektrode, en een tweede transistor met een stuurelektrode, met een eerste hoofdelektrode, welke gekoppeld is aan de tweede hoofdelektrode van de eerste transistor, en met een tweede hoofdelektrode, welke gekoppeld is aan enerzijds een tweede voedingsspanningsklem door middel van een eerste stroombron en anderzijds een uitgangsklem voor het afnemen van een uitgangssignaal, met het kenmerk, dat de stuurelektrode van de tweede transistor gekoppeld is aan een uitgang van een versterker, dat de tweede hoofdelektrode van de eerste transistor gekoppeld is aan een inverterende ingang van de versterker en dat een eerste referentiespanningsklem voor het toevoeren van een eerste referentiespanning gekoppeld is aan een niet-inverterende ingang van de versterker.

2. Versterkerschakeling volgens conclusie 1, waarbij de eerste en de tweede transistor tesamen ingericht zijn voor het realiseren van een versterking met een frequentie-karakteristiek omvattende een eerste pool optredend bij een eerste frequentie en een tweede pool optredend bij een tweede frequentie, waarbij de eerste frequentie kleiner is dan de tweede frequentie, met het kenmerk, dat de versterker ingericht is v©or het realiseren van een additionele versterking met een frequentie-karakteristiek bevattende een versterkings-bandbreedte-product met een frequentie kleiner dan de tweede frequentie.

3. Versterkerschakeling volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de versterker gevormd is door een derde transistor met een stuurelektrode, welke gekoppeld is aan de inverterende ingang van de versterker, met een eerste hoofdelektrode, welke gekoppeld is aan de niet-inverterende ingang van de versterker, en met een tweede hoofdelektrode, welke gekoppeld is aan enerzijds de uitgang van de versterker en anderzijds de tweede voedingsspanningsklem door middel van een tweede stroombron.

4. Versterkerschakeling volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de eerste referentiespanningsklem gekoppeld is aan de eerste voedingsspanningsklem.

5. Versterkerschakeling volgens conclusie 3 of 4, met het kenmerk, dat de stuurelektrode van de derde transistor gekoppeld is met de inverterende ingang van de versterker door middel van een niveauverschuifschakeling.

6. Versterkerschakeling volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de niveauverschuifschakeling gevormd is door een vierde transistor met een stuurelektrode, welke gekoppeld is aan de inverterende ingang van de versterker, met een eerste hoofdelektrode, welke gekoppeld is aan enerzijds de tweede voedingsspanningsklem door middel van een derde stroombron en anderzijds de stuurelektrode van de derde transistor, en met een tweede hoofdelektrode, welke gekoppeld is met de eerste voedingsspanningsklem.

7. Versterkerschakeling volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de versterker ter vergroting van de versterkingsfaktor mede· gevormd is door een laddernetwerk met een eerste, een tweede, een derde en een vierde aansluitklem, waarbij de eerste en de tweede aansluitklem gekoppeld zijn tussen respektievelijk de inverterende ingang van de versterker en de eerste hoofdelektrode van de tweede transistor en de derde en de vierde aansluitklem gekoppeld zijn tussen respektievelijk de tweede hoofdelektrode van de derde transistor en de uitgang van de versterker.

8. Versterkerschakeling volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat het laddernetwerk gevormd is door een aantal gecascodeerde ladderelementen met elk een eerste, een tweede, een derde en een vierde aansluitklem, waarbij de eerste en de tweede aansluitklem van een ladderelement gekoppeld zijn met respektievelijk de derde en de vierde aansluitklem van een voorafgaand ladderelement, de eerste en de tweede aansluitklem van een eerste ladderelement gekoppeld zijn met respektievelijk de eerste en de derde aansluitklem van het laddernetwerk en de derde en de vierde aansluitklem van een laatste ladderelement gekoppeld zijn met respektievelijk de tweede en de vierde aansluitklem van het laddernetwerk.

9. Versterkerschakeling volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat elk ladderelement gevormd is door een vierde en een vijfde transistor met elk een stuurelektrode, een eerste hoofdelektrode en een tweede hoofdelektrode, waarbij de vierde transistor gekoppeld is via de stuurelektrode met de tweede aansluitklem van het ladderelement, via de eerste hoofdelektrode met de eerste aansluitklem van het ladderelement en via de tweede hoofdelektrode met de derde aansluitklem van het ladderelement, en de vijfde transistor gekopppeld is via de stuurelektrode met de derde aansluitklem van het ladderelement, via de eerste hoofdelektrode met de tweede aansluitklem van het ladderelement en via de tweede hoofdelektrode met de vierde aansluitklem van het ladderelement.

10. Versterkerschakeling volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de versterker ter vergroting van de versterkingsfaktor mede gevormd is door een laddernetwerk met een eerste, een tweede, een derde en een vierde aansluitklem, waarbij de eerste en de tweede aansluitklem gekoppeld zijn tussen respektievelijk de tweede hoofdelektrode van de derde transistor en de uitgang van de versterker en de derde en de vierde aansluitklem gekoppeld zijn tussen respektievelijk de eerste en de tweede voedingsspanningsklem.

11. Versterkerschakeling volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat het laddernetwerk gevormd is door een aantal gecascadeerde ladderelementen met een eerste, een tweede, een derde, een vierde, een vijfde en een zesde aansluitklem, waarbij de eerste en de tweede aansluitklem van een ladderelement gekoppeld zijn met respektievelijk de vijfde en de zesde aansluitklem van een voorafgaand ladderelement, de derde en de vierde aansluitklem van een ladderelement gekoppeld zijn met respektievelijk de derde en de vierde aansluitklem van het laddernetwerk, de eerste en de tweede aansluitklem van een eerste ladderelement gekoppeld zijn met respektievelijk de eerste en de tweede aansluitklem van het laddernetwerk en de vijfde en de zesde aansluitklem van het laatste ladderelement onderling gekoppeld zijn.

12. Versterkerschakeling volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat elk ladderelement gevormd is door enerzijds een vierde en een vijfde transistor met elk een stuurelektrode, een eerste hoofdelektrode en een tweede hoofdelektrode en anderzijds een derde stroombron, waarbij de vierde transistor gekoppeld is via de stuurelektrode met de zesde aansluitklem van het ladderelement, welk door middel van de derde stroombron gekoppeld is met de vierde aansluitklem van het ladderelement, via de eerste hoofdelektrode met de eerste aansluitklem van het ladderelement en via de tweede hoofdelektrode met de tweede aansluitklem van het ladderelement, en de vijfde transistor gekoppeld is via de stuurelektrode met de eerste aansluitklem van het ladderelement, via de eerste hoofdelektrode met de derde aansluitklem van het ladderelement en via de tweede hoofdelektrode met de vijfde aansluitklem van het ladderelement.

13. Versterkerschakeling volgens conclusie 7, 8, 9, 10, 11 of 12, met het kenmerk, dat het laddernetwerk bestaat uit ten minste één ladderelement.

14. Versterkerschakeling volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat de gecascadeerde ladderelementen gekoppeld zijn door middel van niveauverschuifschakelingen.

15. Versterkerschakeling volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de versterker mede gevormd is door een derde transistor met een stuurelektrode, welke gekoppeld is aan de inverterende ingang van de versterker, een eerste hoofdelektrode en een tweede hoofdelektrode, een vierde transistor met een stuurelektrode, welke gekoppeld is de niet-inverterende ingang van de verterker, een eerste hoofdelektrode, welke gekoppeld is met de eerste hoofdelektrode van de derde transistor, en een tweede hoofdelektrode, een vijfde transistor met een stuurelektrode, welke gekoppeld is aan een tweede referentiespanningsklem voor het toevoeren van een tweede referentiespanning, een eerste hoofdelektrode, welke gekoppeld is aan de eerste voedingsspanningsklem, en een tweede hoofdelektrode, en een zesde transistor met een stuurelektrode, welke gekoppeld is aan een derde referentiespanningsklem voor het toevoeren van een derde referentiespanning, een eerste hoofdelektrode, welke gekoppeld is met de tweede hoofdelektrode van zowel de derde als de vijfde transistor, en een tweede hoofdelektrode, welke gekoppeld is met enerzijds de tweede voedingsspanningsklem door middel van een tweede stroombron en anderzijds de uitgang van de versterker.

16. Versterkerschakeling volgens conclusie 15, met het kenmerk, dat de eerste hoofdelektrode van de vierde transistor gekoppeld is door middel van een derde stroombron met de tweede voedingsspanningsklem en de tweede hoofdelektrode van de vierde transistor gekoppeld is met de eerste voedingsspanningsklem.

17. Versterkerschakeling volgens conclusie 15, met het kenmerk, dat de tweede hoofdelektrode van de vierde transistor gekoppeld is met de tweede voedingsspanningsklem.

18. Versterkerschakeling volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de eerste en de tweede transistor zijn gekoppeld overeenkomstig een gevouwen cascodepaar, waarbij de eerste hoofdelektrode van de eerste transistor is gekoppeld met de eerste voedingsspanningsklem door middel van een referentiespannings-circuit en de tweede hoofdelektrode van de eerste transistor is gekoppeld met de eerste voedingsspanningsklem door middel van een verdere transistor.