DE19522954C2

DE19522954C2 - Transformation circuitry

Info

Publication number: DE19522954C2
Application number: DE1995122954
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl Ing Dr Draxelmayr
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1995-06-23
Filing date: 1995-06-23
Publication date: 1997-07-17
Anticipated expiration: 2015-06-24
Also published as: DE19522954A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Transformationsschaltungsan ordnung mit einem Operationsverstärker nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a transformation circuit order with an operational amplifier according to the generic term of claim 1.

Eine derartige Anordnung ist aus der DE 33 42 735 C2 bekannt, bei der die Arbeitspunkteinstellung und die Steilheit des Operationsverstärkers fest eingestellt sind.Such an arrangement is known from DE 33 42 735 C2, in which the operating point setting and the steepness of the Operational amplifier are fixed.

Weitere Transformationsschaltungen zur Transformation von Strömen, Spannungen oder Impedanzen sind aus der Schaltungstechnik bekannt. Beispielsweise beschreibt die Veröffentlichung U. Tietze, Ch. Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik, Springer-Verlag, 1985, Seite 365 bis 372 eine Transformationsschaltung für negative Widerstände und einen Gyrator zur Transformation von beliebigen Impedanzen in ihre dazu dualen Impedanzen. Allgemein bekannt sind Transformatoren.Further transformation circuits for the transformation of Currents, voltages or impedances are from the Circuit technology known. For example, the Publication by U. Tietze, Ch. Schenk: Semiconductor circuit technology, Springer-Verlag, 1985, pages 365 to 372 a transformer circuit for negative resistors and a gyrator to transform any impedance into their dual impedances. Are generally known Transformers.

In der integrierten Schaltungstechnik ist es oft erforder lich, Kondensatoren mit vergleichsweise hohen Kapazitäten im Nanofaradbereich zu erzeugen, obwohl aus Kostengründen kein ausreichender Platz zur Verfügung steht, so daß höchstens Kapazitäten im Bereich von 100 Picofarad erzeugt werden können.It is often required in integrated circuit technology Lich, capacitors with comparatively high capacities in the To produce nanofarads, although not for cost reasons sufficient space is available, so that at most Capacities in the range of 100 picofarads are generated can.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Trans formationsschaltungsanordnung mit einem Operationsverstärker anzugeben, dessen Steilheit einstellbar ist. The invention is therefore based on the object of a trans formation circuit arrangement with an operational amplifier specify the slope of which is adjustable.

Diese Aufgabe löst die Erfindung mit den Merkmalen des Pa tentanspruchs 1.The invention solves this problem with the features of Pa claim 1.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung hat den Vorteil, daß sie einen Zweipol mit vernachlässigbaren ohmschen Innenwider stand bildet, der eine Stromtransformation vornimmt. Damit kann die Schaltungsanordnung sowohl zur Übersetzung von Strömen als auch von Impedanzen eingesetzt werden. Das Über setzungsverhältnis der Schaltungsanordnung kann größer oder kleiner als 1 sein. The circuit arrangement according to the invention has the advantage that a two-pole with negligible ohmic internal resistance stands, which carries out a current transformation. In order to can the circuit arrangement both for the translation of Currents and impedances can be used. The About Setting ratio of the circuit arrangement can be larger or be less than 1.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in Unteransprüchen gekenn zeichnet.Embodiments of the invention are characterized in the subclaims draws.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigtThe invention is illustrated below in the figures of the Drawing illustrated embodiment explained in more detail. It shows

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild einer Transformations schaltungsanordnung und Fig. 1 is a schematic diagram of a transformation circuit arrangement and

Fig. 2 ein Ersatzschaltbild der Transformationsschaltungsan ordnung zur Erläuterung der Funktionsweise. Fig. 2 is an equivalent circuit diagram of the transformation circuit arrangement to explain the operation.

Gemäß Fig. 1 sieht die Transformationsschaltungsanordnung einen Transkonduktanzverstärker (OTA) vor. Dieser erfindungs gemäß geschaltete Operationsverstärker OP hat vier Zweige, nämlich zwei Eingangs- und zwei Ausgangskreise. Der erste Eingangskreis wird durch den ersten Eingangstransistor T1 und den ersten Eingangslastkreis mit dem Transistor T6 gebildet, der zweite Eingangskreis durch den zweiten Eingangstransistor T2 und den zweiten Eingangslastkreis mit dem Transistor T7. Der erste Ausgangskreis wird durch den ersten Ausgangs transistor T4 und den zugeordneten ersten Ausgangslastkreis mit dem Transistor T9 gebildet, während der zweite Ausgangs kreis durch den zweiten Ausgangstransistor T3 und den zweiten Ausgangslastkreis mit dem Transistor T8 gebildet wird. Der jeweilige Eingangs- bzw. Ausgangstransistor ist in Serie mit seinem zugeordneten Eingangs- bzw. Ausgangslastkreis geschaltet.Referring to FIG. 1, the transformation circuit arrangement provides a transconductance amplifier (OTA). This operational amplifier OP according to the invention has four branches, namely two input and two output circuits. The first input circuit is formed by the first input transistor T1 and the first input load circuit with transistor T6, the second input circuit by the second input transistor T2 and the second input load circuit with transistor T7. The first output circuit is formed by the first output transistor T4 and the associated first output load circuit with the transistor T9, while the second output circuit is formed by the second output transistor T3 and the second output load circuit with the transistor T8. The respective input or output transistor is connected in series with its assigned input or output load circuit.

Der gemeinsame Verbindungspunkt der Transistoren T6 bis T9 liegt an einer Klemme VP mit Versorgungspotential. Der gemeinsame Verbindungspunkt der Transistoren T1 bis T4 wird von einer Stromquelle gespeist, die im Ausführungsbeispiel durch den Transistor T5 gebildet wird, der von einer vorgege benen Spannung gesteuert wird. An diesen gemeinsamen Verbin dungspunkt der Transistoren T1 bis T4 sind die jeweiligen Ladungsquellenanschlüsse der Transistoren angeschlossen. Im Ausführungsbeispiel einer Bipolarschaltung bedeutet das, daß die jeweiligen Emitter der Transistoren T1 bis T4 zusammenge schaltet sind. Bei einer ebenfalls möglichen Realisierung des Operationsverstärkers als MOS-Schaltung werden die Source-Anschlüsse der jeweiligen Eingangs- bzw. Ausgangstransistoren zusammengeschaltet. Die vorgegebene Steuerspannung des Strom quellentransistors T5 liegt an der Klemme VB.The common connection point of transistors T6 to T9 is on a terminal VP with supply potential. Of the common connection point of the transistors T1 to T4 powered by a power source, which in the embodiment is formed by the transistor T5, the vorege voltage is controlled. At this common connection The point of transistors T1 to T4 are the respective ones Charge source connections of the transistors connected. in the Embodiment of a bipolar circuit means that the respective emitters of the transistors T1 to T4 together are switched. With a likewise possible realization of the Operational amplifiers as a MOS circuit Source connections of the respective input or output transistors interconnected. The specified control voltage of the current Source transistor T5 is at terminal VB.

Die Steueranschlüsse der Eingangstransistoren T1 und T2 sind gemeinsam mit einer Klemme K1 verbunden. Der Transistor T1 ist mit seinem Kollektor ebenfalls mit der Klemme K1 verbun den bzw. ist von seinem Kollektorausgang auf den Basiseingang rückgekoppelt. In entsprechender Weise sind die Steueran schlüsse der Transistoren T3 und T4 mit einer Klemme K2 verbunden. Der Ausgangsanschluß des ersten Ausgangstransi stors T4, d. h. der Kollektor von T4, ist mit der Klemme K2 und dem Steueranschluß bzw. der Basis von T4 verbunden.The control terminals of the input transistors are T1 and T2 connected together with a terminal K1. The transistor T1 is also connected to the K1 terminal with its collector or is from its collector output to the base input fed back. The tax is in a corresponding manner the transistors T3 and T4 are connected to a terminal K2 connected. The output port of the first output transistor stors T4, d. H. the collector of T4, is with the terminal K2 and the control terminal or base of T4.

In der gezeigten Schaltungsanordnung sind der erste Eingangs lastkreis und der zweite Ausgangslastkreis steuerseitig miteinander verbunden. Das bedeutet, daß der Basisanschluß von T6 mit dem Basisanschluß von T8 verbunden ist. Weiterhin ist der Kollektor von T8 mit dem Steueranschluß, d. h. der Basis von T8 verbunden. T6 und T8 bilden einen Stromspiegel.In the circuit arrangement shown are the first input load circuit and the second output load circuit on the control side connected with each other. That means the base connection of T6 is connected to the base terminal of T8. Farther is the collector of T8 with the control connection, i. H. of the Base connected by T8. T6 and T8 form a current mirror.

In entsprechender Weise sind die Transistoren T7 und T9 als Stromspiegel ausgebildet. Dazu sind die Steueranschlüsse des zweiten Eingangslastkreises und des ersten Ausgangslastkrei ses miteinander verbunden, nämlich die Steueranschlüsse der Transistoren T7 und T9. Der Kollektor bzw. Ausgangsanschluß von T7 ist mit dem Steueranschluß bzw. der Basis T7 verbun den. Die Elemente T7 und T9 bilden ebenfalls einen Stromspie gel. In a corresponding manner, the transistors T7 and T9 are as Current mirror trained. The control connections of the second input load circuit and the first output load circuit ses connected to each other, namely the control connections of the Transistors T7 and T9. The collector or output connection of T7 is connected to the control connection or the base T7 the. The elements T7 and T9 also form a current mirror gel.

Ebenso wie die Transistoren T1 bis T4 durch MOS-Transistoren ausgebildet sein können, können die Lastkreise durch MOS-Transistoren realisiert sein. Anstelle einer Stromspiegelan ordnung ist selbstverständlich eine andere Ausführung mög lich, beispielsweise mit Hilfe eines weiteren Transkonduk tanzverstärkers.Just like the transistors T1 to T4 through MOS transistors can be formed, the load circuits through MOS transistors can be realized. Instead of a current mirror a different order is of course possible Lich, for example with the help of another transconduc dance amplifier.

Zur Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 bildet einen rückgekop pelten unsymmetrischen differentiellen Operations-Transkon duktanzverstärker (OTA).Forms for the circuit of FIG. 1 is a rückgekop-coupled unbalanced differential operation Transkon duktanzverstärker (OTA).

Zur Einstellung des Übersetzungsverhältnisses werden die Emitterflächen F1 der Transistoren T1 und T3 gleich groß und normiert zu 1 gewählt. Die Emitterflächen Fn der Transistoren T2 und T4 werden ebenfalls jeweils gleich groß gewählt. Aus dem Unterschied der Flächenverhältnisse beispielsweise von T1 und T2 ergibt sich das Übersetzungsverhältnis der Transforma tionsschaltungsanordnung. Ist beispielsweise die Emitterflä che von T2 n-mal so groß wie die Fläche F1 von T1 (und ent sprechend die Emitterfläche von T4 bezogen auf T3) und ist weiterhin die Klemme K1 der Eingangsanschluß und die Klemme K2 der Ausgangsanschluß, dann wird die an der Klemme K1 anschließbare Kapazität C1 vergrößert. Ist umgekehrt die Klemme K2 Eingangsklemme und K1 Ausgangsklemme, dann wird die Klemme K2 anschließbare Kapazität C2 um den Faktor n verklei nert.To set the gear ratio, the Emitter areas F1 of transistors T1 and T3 are the same size and normalized to 1 selected. The emitter areas Fn of the transistors T2 and T4 are also chosen to be the same size. Out the difference in the area ratios, for example of T1 and T2 results in the transformation ratio of the transform tion circuit arrangement. For example, is the emitter area area of T2 n times the area F1 of T1 (and ent speaking the emitter area of T4 in relation to T3) and is furthermore the terminal K1 the input connection and the terminal K2 the output connection, then that at the terminal K1 connectable capacity C1 increased. Conversely, that is Terminal K2 input terminal and K1 output terminal, then the Terminal K2 connectable capacitance C2 reduced by the factor n nert.

Diese Funktion der Schaltungsanordnung wird anhand des sche matischen Ersatzschaltbildes der Fig. 2 näher erläutert. Dazu liege an der Klemme K1 die Spannung u1 und der Strom i1 fließe von der Klemme K1 in den Operationsverstärker OP hinein. An der Klemme K2 liege die Spannung u2 und in diese Klemme fließe der Strom i2. An der Klemme K2 sei die Impedanz Z2 anschließbar. Die Systemgleichungen ergeben sich dann zu:This function of the circuit arrangement is explained in more detail using the cal matic equivalent circuit diagram of FIG. 2. For this purpose, the voltage u1 is at the terminal K1 and the current i1 flows from the terminal K1 into the operational amplifier OP. The voltage u2 is at the terminal K2 and the current i2 flows into this terminal. Impedance Z2 can be connected to terminal K2. The system equations then result in:

i1 = n · i2 und
i1 = g (u1 - u2)i1 = n * i2 and
i1 = g (u1 - u2)

Mit g ist dabei die Steilheit des Operationsverstärkers OP bezeichnet. Die Steilheit g wird in Fig. 1 mit Hilfe der vorgegebenen Spannung einer Klemme VB und des Transistors T5 über den Strom der Speisestromquelle vorgegeben.The slope of the operational amplifier OP is designated by g. The slope g is predetermined in FIG. 1 with the aid of the predetermined voltage of a terminal VB and the transistor T5 via the current of the supply current source.

Durch Auflösen der vorgenannten Systemgleichungen und Einset zen in die weiteren GleichungenBy solving the above system equations and insert zen in the other equations

Z1 = u1/i1
Z2 = u2/i2Z1 = u1 / i1
Z2 = u2 / i2

ergibt sich für Z1 die Gleichungthe equation results for Z1

Z1 = Z2/n + 1/g.Z1 = Z2 / n + 1 / g.

Durch die vorgenannten Gleichungen ist der als Zweipol darge stellte Operationsverstärker OP charakterisiert, wenn dieser durch eine Impedanz Z2 abgeschlossen ist. Die Impedanz Z1 des Zweipols entspricht gemäß der vorstehenden Gleichung der Summe aus der um den Faktor n transformierten Impedanz Z2 und eines durch die Steilheit g gegebenen Widerstandes. Wenn in dieser Serienschaltung die Steilheit g ausreichend hoch gewählt wird, dann ist unter realen Aspekten der Ausdruck 1/g vernachlässigbar und man erhält näherungsweise eine reine Impedanztransformation, nämlichDue to the above equations, the is shown as a bipolar posed operational amplifier OP characterized if this is completed by an impedance Z2. The impedance Z1 of the Zweipols corresponds to the according to the above equation Sum of the impedance Z2 and. Transformed by the factor n a resistance given by the steepness g. If in this series connection the slope g is sufficiently high is selected, then in real terms the expression is 1 / g negligible and you get approximately a pure one Impedance transformation, namely

Z1 ≈ Z2/n.Z1 ≈ Z2 / n.

Andererseits kann man die Steilheit des Operationsverstärkers aber auch bewußt heranziehen, um bei einem Abschluß des Operationsverstärkers OP mit einem Kondensator, beispielswei se mit C2 gemäß Fig. 1, ein RC-Glied herstellen. Dazu wird die Steilheit abhängig vom gewünschten Wert von RC und von dem Kondensator entsprechend niedrig eingestellt. On the other hand, the steepness of the operational amplifier can also be used deliberately to produce an RC element when the operational amplifier OP is terminated with a capacitor, for example with C2 according to FIG. 1. For this purpose, the slope is set correspondingly low depending on the desired value of RC and on the capacitor.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind dem Fach mann weitere Ausgestaltungen geläufig, die parasitäre Eigen schaften der Schaltungsanordnung kompensieren. Beispielsweise kann man den Eingangswiderstand der Schaltung mit einer Kaskodeschaltung erhöhen. Weiterhin ist es möglich, eine Basisstromkompensation vorzusehen, die die Basisströme für die Transistoren T1 bis T4 kompensiert. Das Vorsehen von Emitterwiderständen für die Transistoren T1 bis T4 ermöglicht eine Erhöhung des Aussteuerbereichs des Operationsver stärkers. Weitere derartige Möglichkeiten zur Kompensation parasitärer Eigenschaften sind dem Fachmann geläufig.In the circuit arrangement according to the invention are the subject Further configurations are familiar, the parasitic inherent compensate for the circuitry. For example you can change the input resistance of the circuit with a Increase cascode circuit. It is also possible to use a To provide base current compensation that the base currents for the transistors T1 to T4 compensated. The provision of Emitter resistors for the transistors T1 to T4 allows an increase in the operating range of the op stronger. Other such compensation options The person skilled in the art is familiar with parasitic properties.

Claims

1. transformation circuit arrangement with an operational amplifier (OP), the first and a second input circuit with a respectively assigned first and second input transistor (T1, T2) and a first and second input load circuit (T6, T7) and a first and second From output circuit with respectively assigned first and second output transistor (T4, T3) and a first and second output load circuit (T9, T8), in which the control circuits of the first input load circuit (T6) and the second output load circuit (T8) on the one hand and the second input load circuit (T7) and the first output load circuit (T9) are connected to one another and in which the first input transistor (T1) and the first output transistor (T4) are each fed back from their output connection to their control connection, characterized in that the operational amplifier (OP) is fed by a current source (VB, T5) whose current is controllable.

2. Arrangement according to claim 1, characterized, that the charge source connections of the input and the off gang transistors (T1 to T4) a common connection point and that the surfaces of the charge source connections of the first input transistor (T1) and the second output transistor (T3) on the one hand and the second input transistor stors (T2) and the first output transistor (T4) others are different but are the same in pairs.

3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized, that the first input load circuit and the second output load circuit as well as the second input load circuit and the first off gear load circuit each contain a current mirror.

4. Arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized, that the operational amplifier (OP) as a bipolar circuit is built.

5. Arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized, that the operational amplifier (OP) is constructed as a MOS circuit is.

6. Arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized, that the operational amplifier (OP) devices to compensate tion contains parasitic properties.