NL8500708A

NL8500708A - Integrated operational amplifier with inverter stage - providing frequency compensation feedback using capacitor connected to collector of input transistor

Info

Publication number: NL8500708A
Application number: NL8500708A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1985-03-13
Filing date: 1985-03-13
Publication date: 1986-10-01

Abstract

The amplifier inputs (3,4) are fed to the bases of two input transistors (T1,T2). The latter have commoned emitters connected via a current source (2) to the positive d.c. supply rail (10). The collectors of the input transistors are connected to the emitters of two transistors (T3,T4), whose bases are commoned and connected via a voltage reference bias source (Vr) to the negative supply rail (20). The collectors of the second pair of transistors are connected to a current mirror (T5,T6). The difference output (5) is taken from the collector of one (T4) of the second pair and fed to the input (6) of a Darlington pair output circuit (T7,T8). The collector of the first transistor (T7) in the Darlington pair is fed from the positive supply, while that of the second transistor is fed via a current source (7). A capacitor (C1) between the output (8) and the collector of one of the input transistors provides frequency compensation feedback.

Description

» · JJ

ύ ΕΗΝ 11.306 1 N.V. PHILIPS' GDOEHAMPENFABRIEKEN TE EINDHOVEN..30 ΕΗΝ 11,306 1 N.V. PHILIPS 'GDOEHAMPEN FACTORIES IN EINDHOVEN.

Versterkerschakeling.Amplifier circuit.

De uitvinding heeft betrekking pp een versterkerschakeling bevattende tenminste een verschilversterker met twee ingangstransistoren, die elk in cascade zijn geschakeld met een transistor, die van een signaalmatig geaarde stuureléktrode is voorzien, welke verschilver-5 sterker voorts is voorzien van een met één van de in cascade geschakelde trans is tor en gekoppelde uitgang, welke is gekoppeld met de ingang van een inverterende versterker met een uitgang, die is gekoppeld met het ene uiteinde van een frequentie-canpensatie condensator.The invention relates to an amplifier circuit comprising at least one differential amplifier with two input transistors, each of which is cascaded with a transistor which is provided with a signal-grounded control electrode, which difference is moreover provided with one having one of the cascaded switched transistor and coupled output coupled to the input of an inverting amplifier with an output coupled to one end of a frequency-capacitor capacitor.

Een dergelijke versterkerschakeling kan een operationele 10 versterker vormen, waarbij de uitgang van de versterkerschakeling een op hetzelfde oppervlak geïntegreerde relatief kleine capacitieve of ohmse belasting aanstuurt, zoals het geval is in geschakelde condensator-schakelingen. Een dergelijke versterkerschakeling kan ook een operationele versterker vormen, waarbij de schakeling wordt gevolgd door een 15 op hetzelfde oppervlak geïntegreerde eindtrap, die gewoonlijk wordt gevormd door twee complementaire eindtransistors. De versterkerschakeling kan ook worden toegepast in vermogensversterkers, waarin de uitgang van de versterkerschakeling een tweetal op hetzelfde oppervlak geïntegreerde of discreet uitgevoerde vermogenstransistors aanstuurt.Such an amplifier circuit can form an operational amplifier, the output of the amplifier circuit driving a relatively small capacitive or ohmic load integrated on the same surface, as is the case in switched capacitor circuits. Such an amplifier circuit can also form an operational amplifier, the circuit being followed by an output stage integrated on the same surface, which is usually formed by two complementary output transistors. The amplifier circuit can also be used in power amplifiers, in which the output of the amplifier circuit drives two power transistors integrated or discrete on the same surface.

20 In het algemeen dient bij een dergelijke versterkerschakeling een frequentiecanpensatie te worden aangebracht cm bij tegenkoppeling te bewerkstelligen, dat in het frequentiegebied waarin de rondgaande versterker groter is dan één de fase-draaiing kleiner dan 180° is.Generally, in such an amplifier circuit, a frequency compensation should be applied to effect, in the case of negative feedback, that in the frequency range in which the circular amplifier is greater than one, the phase rotation is less than 180 °.

Deze frequentiecanpensatie wordt veelal gerealiseerd door het aanbrengen 25 van een condensator tussen de in- en uigang van de inverterende versterker. De impedantie van de condensator neemt bij toenamende frequenties af, waardoor bij toenemende frequenties een toenemende tegenkoppeling tussen de uitgang en de ingang van de inverterende versterker optreedt. Een bezwaar van deze methode is, dat er daarnaast voor hoge 30 frequenties ook een signaalpad tussen de in- en uitgang van de inverterende versterker optreedt, waarin geen inversie plaatsvindt. Hierdoor kunnen stoorsignalen op de voedingslijn die met een ingangsklon van de inverterende versterker is gekoppeld, naar de uitgang van de versterker- 8500708 PHN 11.306 2 schakeling worden gevoerd. Dit heeft een slechte voedingsspannings-onderdrukkingsverhouding, d.w.z. de verhouding van de spanningsver-sterking tussen de in- en de uitgang van de schakeling en tussen de voeding en de uitgang van de schakeling, tot gevolg.This frequency compensation is often realized by arranging a capacitor between the input and output of the inverting amplifier. The impedance of the capacitor decreases with increasing frequencies, so that with increasing frequencies an increasing negative feedback occurs between the output and the input of the inverting amplifier. A drawback of this method is that, in addition, for high frequencies there also occurs a signal path between the input and output of the inverting amplifier, in which no inversion takes place. This allows interference signals on the supply line coupled to an input clone of the inverting amplifier to be fed to the output of the amplifier 8500708 PHN 11.306 2 circuit. This results in a poor supply voltage suppression ratio, i.e., the ratio of the voltage gain between the input and output of the circuit and between the power supply and the output of the circuit.

5 Een versterkerschakeling waarmee een betere onderdrukking van de voedingsspanning wordt verkregen is bekend uit het artikel "An Improved Frequency Compensation Technique for CMOS Operational Amplifiers" in IEEE. Journal of Solid State Circuits, Vol. SC-18 No. 6, Dec. 1983, pp. 629-633. Daarbij is de frequentiecampensatiecondensator 10 niet rechtstreeks maar door middel van een als strocmvolger geschakelde transistor met de Ingang van de inverterende versterker verbonden.An amplifier circuit with which a better suppression of the supply voltage is obtained is known from the article "An Improved Frequency Compensation Technique for CMOS Operational Amplifiers" in IEEE. Journal of Solid State Circuits, Vol. SC-18 No. 6, Dec. 1983, pp. 629-633. The frequency camping capacitor 10 is not directly connected to the input of the inverting amplifier by means of a transistor connected as a current follower.

De overdracht van stoorsignalen tussen de in- en uitgang van de inverterende versterker wordt hierdoor geblokkeerd, terwijl de normale signaaltegenkoppeling van de uitgang naar de ingang van de inverterende 15 versterker wel mogelijk blijft.The transmission of interference signals between the input and output of the inverting amplifier is thereby blocked, while normal signal feedback from the output to the input of the inverting amplifier remains possible.

Een bezwaar van deze bekende schakeling is dat voor de gelijk-stroominstelling van de stroomvolger-transistor twee stroombronnen nodig zijn, die zeer nauwkeurig aan elkaar gelijk dienen te zijn. Dergelijke identieke stroombronnen zijn echter nauwelijks te realiseren. Het stroom-20 verschil tussen beide stroombronnen wordt dan geleverd door de verschil-versterken, hetgeen een grotere of fsetspanning van deze versterker tot gevolg heeft.A drawback of this known circuit is that the DC current setting of the current follower transistor requires two current sources, which must be exactly the same. However, such identical power sources can hardly be realized. The current difference between the two current sources is then supplied by the difference amplifiers, which results in a larger or fetset voltage of this amplifier.

Het is dan ook het doel van de uitvinding een versterkerschakeling met een voedingsspanningsonderdrukking aan te geven, die de 25 offset-spanning van de verschilversterker niet nadelig beïnvloedt. Een versterkerschakeling van een in de aanhef genoemde soort wordt volgens de uitvinding gekenmerkt, doordat het andere uiteinde van de condensator is gekoppeld met het verbindingspunt van de ingangstransistor en de daarmee in cascade geschakelde transistor die met de uitgang van de ver-30 schilversterker is gekoppeld. Door de frequentieccmpensatie op deze wijze aan te brengen worden stoorsignalen op een voeldingslijn op dezelfde wijze als bij de bekende schakeling naar de uitgang van de schakeling toe onderdrukt, echter zonder dat daarvoor twee identieke stroombronnen nodig zijn. De offset-spanning van de verschilversterker wordt daardoor 35 niet beïnvloed.It is therefore the object of the invention to indicate an amplifier circuit with a supply voltage suppression which does not adversely affect the offset voltage of the differential amplifier. An amplifier circuit of the type mentioned in the preamble is characterized according to the invention in that the other end of the capacitor is coupled to the junction of the input transistor and the transistor cascaded therewith which is coupled to the output of the differential amplifier. By applying the frequency compensation in this manner, interference signals on a sense line are suppressed in the same manner as in the known circuit towards the output of the circuit, but without the use of two identical current sources. The offset voltage of the differential amplifier is not affected thereby.

De uitvinding wordt nader toegelicht aan de hand van bijgaande tekening waarin:The invention is further elucidated with reference to the annexed drawing, in which:

Fig.. 1 een eerste uitvoeringsvorm van een versterkerschakeling 8500708 EHN 11.306 3 *ι volgens de uitvinding toont.Fig. 1 shows a first embodiment of an amplifier circuit 8500708 EHN 11.306 3 * according to the invention.

figuur 2 een tweede uitvoeringsvorm van een versterkerscha-keling volgens de uitvinding toont, figuur 3 een derde uitvoeringsvorm van een versterkerschakeling 5 volgens de uitvinding toont, en figuur 4 een vierde uitvoeringsvorm van een versterkerschakeling volgens de uitvinding toont.Figure 2 shows a second embodiment of an amplifier circuit according to the invention, Figure 3 shows a third embodiment of an amplifier circuit 5 according to the invention, and Figure 4 shows a fourth embodiment of an amplifier circuit according to the invention.

In figuur 1 is een eerste uitvoeringsvorm van een versterker-1Q schakeling volgens de uitvinding weergegeven. De schakeling bevat een verschilversterker met twee PNP-trans istors T1 en T^, waarvan het gemeenschappelijke emitteraansluitpunt met behulp van een stroombron 2 met de positieve voedingsspanningslijn 10 verbanden. Tussen de bases 3 en 4 van transistors en T2 wordt het te versterken ingangssignaal 15 aangelegd. De transistors en T2 zijn in cascade geschakeld met respectievelijk een transistor Tg en een transistor T^. De bases van transistors Tg en voeren een referentiespanning V^, zodat deze transistors in geaarde basisschakeling bedreven vrorden. De kollektor van transistor T^ is rechtstreeks met de uitgang 5 van de verschilver-20 sterker verbonden. De kollektor van transistor Tg is door middel van een strocmspiegel met een als diode geschakelde transistor Tg en een hieraan met zijn basis-emitterovergang parallel geschakelde transistor Tg met de uitgang 5 verbonden. De uitgang 5 is verbonden met de ingang 6 van een inverterende versterker, die gevormd wordt door twee in Dar-25 lington-configuratie geschakelde transistors T^ en Tg, waarbij de kollektor van transistor T-, met de positieve voedingsspanningslijn 10 en de emitter van transistor Tg met de negatieve voedingsspanningslijn 20 is verbonden. De kollektor van transistor Tg is door middel van een stroombron 7 met de positieve voedingsspanningslijn 10 verbanden en is 30 verder verbonden met de uitgang 8, waaraan de uitgangssspanning Vq kan worden af genomen. De versterkerschakeling kan bijvoorbeeld belast worden door een geïntegreerde condensator, zoals het geval is bij schakelingen met geschakelde condensatoren. Tussen de uitgang 8 en het verbindingspunt 9 van de kollektor van transistor Tg en de emitter van 35 transistor T^ is een condensator aangebracht. Deze condensator dient ter frequentiekcmpensatie van de versterkerschakeling. Via de condensator en de emitter-kollektorweg van transistor T4 wordt het signaal op de uitgang 8 naar de ingang 6 van de inverterende versterker 85 0 0 7 0 8 PHN 11.306 4 teruggekoppeld. Daar het signaal op de uitgang 8 in tegenfase is met het signaal op de ingang 6, treedt een tegenkoppeling op. Doordat de impedantie van de condensator met toenemende frequentie af neemt, neemt de tegenkoppeling bij toenemende frequentie toe. Op deze wijze wordt 5 gewaarborgd, dat de stabiliteit van de versterkerschakeling bij tegenkoppeling gehandhaafd blijft.Figure 1 shows a first embodiment of an amplifier-1Q circuit according to the invention. The circuit contains a differential amplifier with two PNP transistors T1 and T1, the common emitter terminal of which connects to the positive supply voltage line 10 by means of a current source 2. The input signal 15 to be amplified is applied between the bases 3 and 4 of transistors and T2. The transistors and T2 are cascaded with a transistor Tg and a transistor Tg, respectively. The bases of transistors Tg and carry a reference voltage V ^, so that these transistors operate in grounded basic circuit. The collector of transistor T1 is more directly connected to the output 5 of the difference 20. The collector of transistor Tg is connected to output 5 by means of a current mirror with a transistor Tg connected as a diode and a transistor Tg connected in parallel thereto with its base-emitter junction. The output 5 is connected to the input 6 of an inverting amplifier, which is formed by two Dar-25 lington configuration switched transistors T 1 and T g, the collector of transistor T 1, with the positive supply voltage line 10 and the emitter of transistor Tg is connected to the negative supply voltage line 20. The collector of transistor Tg is connected to the positive supply voltage line 10 by means of a current source 7 and is further connected to the output 8, from which the output voltage Vq can be taken. For example, the amplifier circuit can be loaded by an integrated capacitor, as is the case with circuits with switched capacitors. A capacitor is arranged between the output 8 and the junction 9 of the collector of transistor Tg and the emitter of transistor Tg. This capacitor serves for frequency compensation of the amplifier circuit. The signal on the output 8 is fed back to the input 6 of the inverting amplifier 85 0 0 7 0 8 PHN 11.306 4 via the capacitor and the emitter-collector path of transistor T4. Since the signal on output 8 is in phase opposition to the signal on input 6, negative feedback occurs. As the impedance of the capacitor decreases with increasing frequency, the negative feedback increases with increasing frequency. In this way it is ensured that the stability of the amplifier circuit is maintained in the case of negative feedback.

Door de condensator met het verbindingspunt 9 van de transistors T2 en te verbinden wordt tevens een goede voedingsspannings-onderdrukking verkregen. Stoor signalen op de negatieve voedingsspannings-10 lijn 20 komen via de bas isemitterover gangen van transistors en Tg qp de ingang 6 van inverterende schakeling. Door de hoogobmige kollektor van transistor T4 wordt voorkanen, dat deze stoor signalen via de condensator naar de uitgang 8 van de versterkerschakeling worden doorgegeven. Het op deze wijze via de cascade-transistor T4 blokkeren van de signaal-15 weg tussen de ingang 6 en de uitgang 8 van de inverterende versterker heeft t.o.v. de bekende oplossing het voordeel, dat geen twee identieke stroombronnen meer nodig zijn, die in praktijk offset van de ver-schilversterker'veroorzaken. Bovendien zijn op deze wijze geen extra componenten benodigd, zodat de schakeling op een kleiner oppervlak kan 20 worden geïntegreerd.By connecting the capacitor to the junction point 9 of the transistors T2 and, a good supply voltage suppression is also obtained. Interference signals on the negative supply voltage-10 line 20 come through the bass isemitter transitions of transistors and Tg qp the input 6 of inverting circuit. The high-impedance collector of transistor T4 makes it possible to transmit these interfering signals via the capacitor to the output 8 of the amplifier circuit. Blocking the signal-15 path between the input 6 and the output 8 of the inverting amplifier via the cascade transistor T4 in this way has the advantage over the known solution that no two identical current sources are required, which in practice are offset. of the differential amplifier. Moreover, no additional components are required in this way, so that the circuit can be integrated on a smaller surface.

Een tweede uitvoeringsvorm van een versterkerschakeling volgens de uitvinding wordt nader toegelicht aan de hand van figuur 2, waarin gelijke onderdelen met dezelfde verwijzingscijfers als in fig. 1 zijn aangegeven.·. De referentiespanning op de bases van de cascodetransistors 25 en wordt hierbij opgewekt met behulp van twee diodes D^ en en een stroombron 11. De diodes D^ en D2 zijn in serie tussen het gemeenschappelijke eitteraansluitpunt van de transistors en T2 en de bases van de transistors en geschakeld. De referentiespanning ligt daardoor twee diode-spanningen beneden de zgn. conmon-mode-spanning.A second embodiment of an amplifier circuit according to the invention is further elucidated with reference to figure 2, in which like parts are indicated with the same reference numerals as in fig. The reference voltage on the bases of the cascode transistors 25 and is thereby generated by means of two diodes D1 and a current source 11. The diodes D1 and D2 are in series between the common terminal of the transistors and T2 and the bases of the transistors and switched. The reference voltage is therefore two diode voltages below the so-called conmon mode voltage.

30 Bij deze uitvoeringsvorm wordt de inverterende versterker gevolgd door een eindtrap.Deze bevat twee complementaire eindtransistors en T^, die met hun kollektor-emitter-wegen in serie tussen het positieve en negatieve voedingsaansluitpunt 10 en 20 zijn geschakeld. De emitters van de transistors en zijn met de uitgang 12 van de versterker-‘ 35 schakeling verbonden. De eindtrap is in klasse AB-bedrijf ingesteld met behulp van twee diodes D^ en D^, die in serie tussen de bases van transistors TQ en T,n zijn geschakeld. De frequentie-compensatiecondensa- y lu tor C.j is weer op dezelfde wijze als bij fig. 1 tussen de uitgang 8 van 8500703 PHN 11.306 5 de Inverterende versterker en het verbindingspunt 9 van transistors en ïj aangebracht. De getoonde versterkerschakeling kan een operationele versterker vormen, waarbij de transistors Tg en op hetzelfde oppervlak zijn geïntegreerd als de rest van de schakeling.In this embodiment, the inverting amplifier is followed by an output stage. It contains two complementary output transistors and T 1, which are connected in series with their collector-emitter paths between the positive and negative power terminals 10 and 20. The emitters of the transistors and are connected to the output 12 of the amplifier circuit. The output stage is set in class AB operation using two diodes D ^ and D ^ connected in series between the bases of transistors TQ and T, n. The frequency compensation capacitor C.j is again arranged in the same manner as in Fig. 1 between the output 8 of the Inverter 8500703 PHN 11.306 and the junction 9 of transistors and j. The amplifier circuit shown can form an operational amplifier, with the transistors Tg and integrated on the same surface as the rest of the circuit.

5 De schakeling kan echter ook een vermogensversterker vormen waarbij de transistors Tg en discreet zijn uitgevoerd.However, the circuit can also form a power amplifier in which the transistors Tg and are discrete.

In figuur 3 wordt een uitvoeringsvorm van een versterkerschakeling volgens de uitvinding getoond,die in plaats van met bipolaire transistors met MDS-transistors is uitgevoerd. Gelijke onderdelen zijn 10 met dezelfde verwijzingscijfers als in fig. 1 aangegeven. De re- ferentiespanning qp de bases van de casccde-trans istors en T4 wordt hierbij opgewekt met behulp van een transistor ^, die tussen het ccmmon-mode punt van de verschilversterker , T2 en de bases van transistors en T4 is aangebracht en waarvan de afvoerelektrode 15 met de stuurelektrode en verder met een stroombron 15 is verbonden.Fig. 3 shows an embodiment of an amplifier circuit according to the invention, which is equipped with MDS transistors instead of bipolar transistors. Like parts are indicated with the same reference numerals as in Fig. 1. The reference voltage qp the bases of the cascde transistors and T4 is hereby generated by means of a transistor 1, which is arranged between the ccmmon mode point of the differential amplifier, T2 and the bases of transistors and T4, and of which the drain electrode 15 is connected to the control electrode and further to a power source 15.

De werking van de schakeling is verder gelijk aan die van figuur 1.The operation of the circuit is otherwise the same as that of figure 1.

Ook bij deze uitvoeringsvorm kan de versterkerschakeling weer gevolgd worden door een al of niet mae-geïntegreerde eindtrap, die bijvoorbeeld kan zijn opgebouwd zoals in figuur 2 is getoond.In this embodiment, too, the amplifier circuit can again be followed by an output stage, which may or may not be integrated, which may, for example, be constructed as shown in Figure 2.

20 Figuur 4 toont tenslotte een uitvoeringsvorm, waarin de transistors uit de schakeling van figuur 1 door transistors van het tegengestelde geleidingstype zijn vervangen. Het enige verschil met de schaekling van figuur 1 is, dat de negatieve voedingsspanningslijn 20 nu ook geaard kan zijn. De werking van de schakeling is hetzelfde 25 als die van figuur 1 alleen met dit verschil, dat nu de op de positieve voedingsspanningslijn 10 aanwezige stoorsignalen worden onderdrukt door het verbinden van condensator met het verbindingspunt 9 van transistors T2 en T4<Finally, Figure 4 shows an embodiment in which the transistors from the circuit of Figure 1 have been replaced by transistors of the opposite conductivity type. The only difference from the schematic of Figure 1 is that the negative supply voltage line 20 may now also be grounded. The operation of the circuit is the same as that of Fig. 1 only with the difference that now the interference signals present on the positive supply voltage line 10 are suppressed by connecting capacitor to the junction 9 of transistors T2 and T4 <

De uitvinding is niet beperkt tot bovenbeschreven uitvoerings-30 vormen. Zo kunnen de ingangstransistors en T2 van de verschilversterker ook samengestelde transistors zijn. Verder kan de referentie-spanning op de bases van de cascodetransistors en T4 op elke willekeurige wijze worden opgewekt. De stroanspiegel kan naast de getoonde uitvoering ook elke andere bekende uitvoering bezitten. In de getoonde 35 uitvoeringsvormen is de inverterende versterker als twee in Darlington-configuratie geschakelde transistors uitgevoerd. De inverterende versterker kan echter ook als een enkelvoudige transistor of als een uit meer dan twee transistors opgebouwde versterker worden uitgevoerd. In- 8500708 5 PHN 11.306 6 dien de versterkerschakeling is voorzien van een eindtrap, dan kan deze elke bekende ophouw bezitten.The invention is not limited to the above-described embodiments. For example, the input transistors and T2 of the differential amplifier may also be composite transistors. Furthermore, the reference voltage on the bases of the cascode transistors and T4 can be generated in any way. In addition to the shown embodiment, the straw mirror can also have any other known embodiment. In the embodiments shown, the inverting amplifier is designed as two transistors switched in Darlington configuration. However, the inverting amplifier can also be designed as a single transistor or as an amplifier composed of more than two transistors. If the amplifier circuit is provided with an output stage, it can have any known trim.

10 15 20 25 30 35 850070810 15 20 25 30 35 8500708

Claims

Amplifier circuit comprising at least one different amplifier with two input transistors, each cascaded together with a transistor, which is provided with a signal-grounded control electrode / which differential amplifier is furthermore provided with one of the cascaded transistors coupled output coupled to the input of an inverting amplifier with an output coupled to one end of a frequency-capacitor capacitor, characterized in that the other end of the capacitor is coupled to the junction of the input transistor and the cascade-connected transistor coupled to the output of the differential amplifier.

Amplifier circuit according to claim 1, characterized in that the output of the inverting amplifier is coupled to the at least one input of an output amplifier. 15

Amplifier circuit according to claim 2, characterized in that the output amplifier contains two complementary output transistors. 20 25 30 35 8500708