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Die Erfindung bezieht sich auf einen integrierten Verstärker mit einem
Hilfsverstärker, der eine erste emittergekoppelte Schaltung aufweist, mit einem
Eingang zum Zuführen einer Hilfsspannung, mit einem Signalverstärker, der wenigstens
eine zweite emittergekoppelte Schaltung aufweist, mit einem Eingang zum Zuführen
einer zu verstärkenden Signalspannung, und mit Einstellmitteln zum in Abhängigkeit
von dem Wert eines Ausgangsstroms der ersten emittergekoppelten Schaltung mittels
eines Schwanzstromes wenigstens der zweiten emittergekoppelten Schaltung
Einstellen eines Verstärkungsfaktors des Signalverstärkers.
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Ein integrierter Verstärker dieser Art kann beispielsweise als
Mikrophonvorverstärker in einer Übertragungs-IC für drahtgebundene Telephonie
verwendet werden. Dabei ist eine wesentliche Anforderung, dass der Verstärkungsfaktor
genau definiert ist.
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Ein integrierter Verstärker der eingangs beschriebenen Art ist aus US
4.489.282 bekannt. In dem dort beschriebenen Verstärker wird der Ausgangsstrom der
ersten emittergekoppelten Schaltung mit einem externen Bezugsstrom verglichen. Auf
Basis der Differenz dieser Ströme wird der Schwanzstrom einer oder mehrerer
emittergekoppelter Schaltungen in dem Signalverstärker eingestellt. Der externe
Bezugsstrom ist abhängig von einem "off-chip"-Widerstand. Externe Widerstände können mit
jeder gewünschten Genauigkeit erhalten werden. Dadurch ist die Genauigkeit des
einzustellenden Verstärkungsfaktors groß. Ein Nachteil des hier beschriebenen
Verstärkers ist, dass dieser durch das Vorhandensein des "off-chip"-Widerstandes nicht völlig
integrierbar ausgebildet werden kann und daher relativ teuer ist. In der deutschen
Patentanmeldung DE 41 01 892 A1 ist eine OTA-Struktur beschrieben (OTA =
"operational transconductance amplifier"), die einen gesteuerten Hilfs- oder Haupt-OTA und
wenigstens einen Signal- oder Folge-OTA aufweist. Die Transkonduktanz des Haupt-
OTAs ist umgekehrt proportional zu einem mit einem Ausgang des Haupt-OTAs
gekoppelten Bezugswiderstandes. Eine Steuerschleife des Haupt-OTAs umfasst eine
Vergleichsschaltung, deren einem Eingang eine Spannung zugeführt wird, die zu dem
Bezugswiderstand und einem Ausgangsstrom des Haupt-OTAs proportional ist, und
deren anderem Eingang eine Bezugsspannung zugeführt wird. Wenigstens ein Teil des
Bezugswertes wird ebenfalls einem Eingang des Haupt-OTAs zugeführt. Ein Ausgang
der Vergleichsschaltung schafft eine Steuerspannung für den Haupt-OTA, wobei die
Steuerspannung weiterhin mit den Folge-OTAs gekoppelt wird, dessen
Transkonduktanz ebenfalls umgekehrt proportional zu dem Bezugswiderstand ist. Die
Transkonduktanzen der Folge-OTAs können durch Skalierungsfaktoren skaliert werden, die
durch Verhältnisse von Widerständen in den betreffenden Folge-OTAs zu einem
Widerstand in dem Haupt-OTA bestimmt werden. Nebst durch eine solche
Widerstandsskalierung wird der Verstärkungsfaktor des Transkonduktanzverstärkers durch einen
einzigen Widerstand bestimmt. Ein derartiger Widerstand soll folglich genau sein. In
dem Fall der Verwendung eines externen Widerstandes, soll ein solcher Widerstand
genau gemacht werden. Die Verwendung eines solchen externen Widerstandes hat
dieselben Nachteile wie diejenigen, die anhand des genannten US Patentes Nr.
4.489.282 beschrieben wurden. Andererseits können interne Widerstände an sich nicht
mit einer hohen Genauigkeit in IC-Technologie gemacht werden.
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Es ist nun u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen
integrierten Verstärker der eingangs beschrieben Art zu schaffen, wobei der genannte
Nachteil vermieden wird und der auf eine einfache und preisgünstige Art und Weise
verwirklicht werden kann, während ein genau definierter Verstärkungsfaktor erhalten
wird. Ein Verstärker mit einem genauen Verstärkungsfaktor kann zwar dadurch
verwirklicht werden, dass der Verstärkungsfaktor auf bekannte Weise mit zwei oder vier
Widerständen eingestellt wird. Ein Nachteil dabei ist, dass wenn eine hohe
Eingangsimpedanz erwünscht ist, was der Fall ist bei einem Mikrophonvorverstärker, die
Störung der Widerstände eine Rolle spielt, die nicht unberücksichtigt gelassen werden
kann.
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Ein integrierter Verstärker nach der Erfindung weist dazu das
Kennzeichen auf, dass die Einstellmittel einen ersten Strom-Spannungswandler aufweisen, der
mit der ersten emittergekoppelten Schaltung gekoppelt ist zum, mit Hilfe eines ersten
"on-chip"-Widerstandes, Umwandeln des Ausgangsstroms der ersten
emittergekop
pelten Schaltung in eine Ausgangsspannung des Hilfsverstärkers, und dass sie ein
Vergleichselement aufweisen zum Vergleichen einer Spannung, die zu der
Hilfsverstärkerausgangsspannung proportional ist, mit einer Spannung, die zu der
Hilfsspannung proportional ist, wobei das Ausgangssignal des Vergleichselementes mit
Steuerelektroden der Schwanzstromtransistoren der emittergekoppelten Schaltung in dem
Hilfsverstärker und dem Signalverstärker gekoppelt sind, und dass die wenigstens
zweite emittergekoppelte Schaltung mit einem zweiten Strom-Spannungswandler
gekoppelt ist zum Umwandeln eines Ausgangsstroms der wenigstens zweiten
emittergekoppelten Schaltung in eine Ausgangsspannung des Signalverstärkers mittels eines
zweiten "on-chip"-Widerstandes, wobei der Verstärkungsfaktor abhängig ist von
einem Verhältnis des Widerstandes des zweiten "on-chip"-Widerstandes zu dem
Widerstand des ersten "on-chip"-Widerstandes und von einem Verhältnis der Größe der
Transistoren in der wenigstens zweiten emittergekoppelten Schaltung zu der Größe der
ersten emittergekoppelten Schaltung.
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Die Genauigkeit des Verstärkungsfaktors des Verstärkers wird durch
das Verhältnis zwischen dem zweiten und dem ersten Widerstandswert und durch das
Verhältnis der Größe der Transistoren in den emittergekoppelten Schaltungen in dem
Signalverstärker zu denjenigen der Transistoren in der emittergekoppelten Schaltung
in dem Hilfsverstärker. Dieser Verstärkungsfaktor ist genau definiert, weil die
Widerstandsverhältnisse oder die Verhältnisse der vollständigen "on-chip"-Schaltungen mit
einer großen Genauigkeit verwirklicht werden können. Da alle Elemente des
Verstärkers völlig integriert hergestellt werden, ist der Verstärker relativ preisgünstig.
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Eine Ausführungsform des integrierten Verstärkers weist dazu das
Kennzeichen auf, dass der Signalverstärker eine Anzahl parallelgeschalteter
emittergekoppelter Schaltungen aufweist, deren Transistoren dieselbe Größe haben wie die
Transistoren in der emittergekoppelten Schaltung in dem Hilfsverstärker und deren
Ausgänge mit dem zweiten Strom-Spannungswandler gekoppelt sind.
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Dieser integrierte Verstärker kann auf einfache Art und Weise
hergestellt werden, weil alle emittergekoppelten Schaltungen einander gleich sind. Da
entsprechende Transistoren in dem Hilfsverstärker und in dem Signalverstärker dieselbe
Größe, dieselbe Einstellspannung und denselben Einstellstrom haben, wird der
Verstärkungsfaktor über einen großen Bereich unabhängig von der Speisespannung sein.
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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 einen integrierten Verstärker nach der Erfindung,
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Fig. 2 eine detaillierte Darstellung eines allgemeinen Schaltbildes einer
emittergekoppelten Schaltung, und
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Fig. 3 eine Darstellung der Art und Weise, wie die Eingangs- und
Ausgangsveränderlichen einer emittergekoppelten Schaltung sich zueinander verhalten.
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Fig. 1 zeigt einen integrierten Verstärker nach der Erfindung, der einen
Hilfsverstärker 2 und einen Signalverstärker 3 aufweist. Der Hilfsverstärker 2 umfasst
eine erste emittergekoppelte Schaltung 6-1 mit einem Eingang 4-1 zum Empfangen
einer Hilfsspannung Uih und mit einem Ausgang 8-1, an dem es einen Ausgangsstrom
IO1 gibt. Fig. 2 zeigt ein allgemeines detailliertes Schaltbild einer emittergekoppelten
Schaltung 6. Es sei bemerkt, dass dies nur eine der Möglichkeiten ist, eine derartige
Schaltung auszubilden. Die Transistoren T1 und T2 haben gleiche Abmessungen,
ebenso wie die Transistoren T3 und T4. Sie sind derart geschaltet, dass der Strom I1
ebenso groß ist wie der Strom I2. Dadurch, dass zwischen die Steuerelektroden E4 und
Es der Transistoren T4 und T5 eine Eingangsspannung Ui angelegt wird, wird durch
den Transistor T4 ein Strom I3 fließen, der größer ist als der Strom I1 durch den
Transistor T3. Die Differenz zwischen den zwei Strömen I3 und I2 ist der Ausgangsstrom
IO. Die Transkonduktanz gm der emittergekoppelten Schaltung 6 ist per Definition
gleich dIo/dUi. Die Größe des Schwanzstromes It bestimmt wie groß die Ströme sind,
die in der emittergekoppelten Schaltung 6 fließen. Die Größe dieses Schwanzstromes
It lässt sich durch Einstellung eines Schwanzstromtransistors Tt mittels einer
Steuerelektrode Ec beeinflussen. Dadurch wird die Größe der Transkonduktanz gm
beeinflusst. Fig. 3 zeigt, wie die Eingangs- und Ausgangsgrößen der emittergekoppelten
Schaltung 6 sich zueinander verhalten. Bei einer Einstellung der Schaltung zwischen
den Eingangsspannungen Ui1 und Ui2 ist der Ausgangsstrom IO von der
Eingangsspannung Ui linear abhängig. In diesem Gebiet, das als lineares Gebiet bezeichnet
wird, ist die Transkonduktanz gm also gleich IO/Ui. Weil die Graphik durch den
Ursprung geht ist die Transkonduktanz gm in dem linearen Gebiet konstant. Die Größe
dieser Transkonduktanz gm ist abhängig von der Größe des Schwanzstromes It und,
falls MOS-Transistoren verwendet werden, von dem Breite/Länge-Verhältnis der
Transistoren in der emittergekoppelten Schaltung 6.
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Wie Fig. 1 zeigt, ist der Ausgang 8-1 der ersten emittergekoppelten
Schaltung 6-1 (wobei die zweite Ziffer in dem Bezugszeichen angibt, von welcher in
Fig. 1 dargestellten emittergekoppelten Schaltung die Rede ist) mit einem ersten
Strom-Spannungswandler 7-1 gekoppelt zum, mittels eines ersten Widerstandes R1,
Umwandeln eines Ausgangsstromes IO1 der ersten emittergekoppelten Schaltung 6-1
in eine Ausgangsspannung Uoh des Hilfsverstärkers 2. Diese Ausgangsspannung Uoh
oder beispielsweise eine mittels eines Spannungsteilers erhaltene, darauf bezogene
Spannung wird durch ein Vergleichselement 5 mit der der emittergekoppelten
Schaltung 6-1 zugeführten Hilfsspannung Uih oder einer beispielsweise ebenfalls mit einem
nicht dargestellten Spannungsteiler erhaltenen, darauf bezogenen Spannung
verglichen. Auf Basis einer Ausgangsspannung Uc des Vergleichselementes 5 wird ein
Schwanzstrom It1 der ersten emittergekoppelten Schaltung 6-1 gesteuert, wodurch die
Transkonduktanz gm1 der ersten emittergekoppelten Schaltung 6-1 beeinflusst wird.
Solange die Hilfsspannung Uih oder die darauf bezogene Spannung größer ist als die
Ausgangsspannung Uoh des Hilfsverstärkers 2 oder der darauf bezogenen Spannung,
nimmt der Schwanzstrom It1 und folglich auch die Transkonduktanz gm1 und der
Ausgangsstrom Io1 der ersten emittergekoppelten Schaltung 6-1 zu. Dadurch nimmt auch
die Ausgangsspannung Uoh des Hilfsverstärkers 2 oder der darauf bezogenen
Spannung zu. Dieser Prozess wird fortgesetzt, bis die Spannungen an den Eingängen 5-1
und 5-2 des Vergleichselementes 5 gleiche Werte haben. Wenn die
Ausgangsspannung Uoh des Hilfsverstärkers 2 oder die darauf bezogene Spannung größer ist als die
Hilfsspannung Uih oder der darauf bezogenen Spannung, wird der Schwanzstrom It1
verringert, wodurch die Transkonduktanz gm1 und der Ausgangsstrom Io1 der ersten
emittergekoppelten Schaltung 6-1 und dadurch auch die Ausgangsspannung Uoh des
Hilfsverstärkers 2 abnimmt. Auch dieser Prozess wird fortgesetzt, bis die Spannungen
an den Eingängen 5-1 und 5-2 des Vergleichselementes 5 einander entsprechen. In
diesem Gleichgewichtszustand nimmt der Verstärkungsfaktor Ah des Hilfsverstärkers
2 einen bestimmten Wert an. Wenn die Ausgangsspannung Uoh und die
Hilfsspannung Uih, wie diese in der Figur dargestellt sind, unmittelbar dem Vergleichselement
5 zugeführt werden, ist dieser Verstärkungsfaktor Ah = 1. Dies bedeutet, dass in
diesem Fall für die Transkonduktanz gm1 der ersten emittergekoppelten Schaltung 6-1, die
in dem linearen Bereich dem Wert IO1/Uih entspricht, gilt: gm1 = 1/R1. Mittels der
Fig. 2 ist Ersichtlich, dass die Hilfsspannung Uih nicht genau zu sein braucht. Die
zuzuführende Hilfsspannung Uih soll nicht zu groß gewählt werden, weil sonst die
Transkonduktanz gm1 außerhalb des linearen Gebietes liegt. Ein zu kleiner Wert der
Hilfsspannung Uih ist auch nicht gut, weil dann unerwünschte Effekte, wie die
Eingangsoffsetspannung, eine zu große Rolle spielen können. Dieser Effekt kann dadurch
ausgeschaltet werden, dass die Polarität der Eingangsspannung Ui und die Schaltart
der Transistoren T1 und T2 mit einer bestimmten Frequenz mit einer bestimmten
Frequenz umgeschaltet werden, wie beschrieben in der Veröffentlichung "Dual Tone and
Modem Frequency Generator with On-Chip Filters and Voltage Reference" von
Walter Oswald und Jaap Mulder in "IEEE Journal of Solid State Circuits" Heft SC-19, Nr.
3, Juni 1984.
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Die Wirkungsweise des Signalverstärkers 3 entspricht der des
Hilfsverstärkers 2. Die zu verstärkende Signalspannung Uis wird den Eingängen 4-2 ... 4-N
der emittergekoppelten Schaltungen 6-2 ... 6-N in derm Signalverstärker 3 zugeführt.
Die Ausgänge dieser emittergekoppelten Schaltungen 6-2 ... 6-N sind mit einem
zweiten Strom-Spannungswandler 7-2 gekoppelt um mittels eines zweiten
Widerstandes R2 Ausgangsströme IO2 ... ION der emittergekoppelten Schaltungen 6-2 ... 6-N in
eine Ausgangsspannung UOS des Signalverstärkers 3 umzuwandeln.
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Die Ausgangsspannung UC des Vergleichselementes 5 wird auch dazu
benutzt, einen oder mehrere Schwanzströme It2 ... ItN der emittergekoppelten
Schaltungen 6-2 ... 6-N in dem Signalverstärker 3 zu steuern. Dies geschieht um die
Transkonduktanzen gm1 ... gmN der emittergekoppelten Schaltungen 6-2 ... 6-N und
dadurch den Verstärkungsfaktor As des Signalverstärkers 3 einzustellen. Die
emittergekoppelten Schaltungen 6-5 ... 6-N in dem Signalverstärker 3 entsprechen strukturmäßig
der emittergekoppelten Schaltung 6-1 in dem Hilfsverstärker 2. Nur die Abmessungen
der Transistoren in den emittergekoppelten Schaltungen 6-2 ... 6-N können anders sein
als die Abmessungen der Transistoren in der ersten emittergekoppelten Schaltung 6-1.
Das Verhältnis zwischen den Eingangs- und Ausgangsgrößen jeder
emittergekoppelten Schaltung 6-2 ... 6-N in dem Signalverstärker 3 hat denselben Verlauf wie das
Verhältnis zwischen den Eingangs- und Ausgangsgrößen der ersten emittergekoppelten
Schaltung 6-1, wie in Fig. 2 dargestellt, weil diese Schaltungen alle eine identische
Struktur haben. Durch die verschiedenen Abmessungen der Transistoren in den
jeweiligen Schaltungen kann nur die Steilheit der Graphik abweichen.
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Weil die emittergekoppelten Schaltungen 6-1 ... 6-N sich alle auf
demselben Chip befinden, sind ihre Eigenschaften innerhalb enger Grenzen einander
gleich. Weil die Struktur aller emittergekoppelten Schaltungen 6-1 ... 6-N dieselbe ist,
führt eine Einstellung der Transkonduktanz gm1 der ersten emittergekoppelten
Schaltung 6-1 aus dem Hilfsverstärker 2 dazu, dass die Transkonduktanzen gm2 ... gmN der
emittergekoppelten Schaltungen 6-2 ... 6-N aus dem Signalverstärker 3 in demselben
Gebiet eingestellt sind. An sich lassen sich die Transkonduktanzen gm2 ... gmN nicht
genau machen, weil sie von dem On-Chip-Widerstand R1 abhängig sind, aber
dadurch, dass die Ausgangsströme IO2 ... ION der emittergekoppelten Schaltungen 6-
2 ... 6-N aus dem Signalverstärker einem zweiten Strom-Spannungswandler 7-2
zugeführt werden um mittels eines zweiten On-Chip-Widerstandes R2 die Ausgangsströme
in eine Ausgangsspannung UOS des Signalverstärkers 3 umzuwandeln, wird der
Verstärkungsfaktor As ausschließlich von dem Widerstandsverhältnis R2/R1 und von dem
Verhältnis der Dimensionen der Transistoren in den emittergekoppelten Schaltungen
6-2 ... 6-N in dem Signalverstärker 3 und der Transistoren in der emittergekoppelten
Schaltung 6-1 in dem Hilfsverstärker 2 abhängig gemacht. Da die Widerstände R1 und
R2 in ein und demselben Prozeß gemacht werden, ist das Verhältnis derselben genau
reproduzierbar. Verhältnisse kompletter Schaltungen sind on-chip ebenfalls genau
reproduzierbar, so dass die Erfindung einen integrierten Verstärker schafft, dessen
Verstärkungsfaktor As genau definiert ist. Das ggf. in dem Hilfsverstärker 2 erzeugte
Rauschen wird common mode einem Signalverstärker 3 zugeführt und folglich stark
unterdrückt.
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Besonders günstig ist die Ausführungsform, in der alle
emittergekoppelten Schaltungen 6-2 ... 6-N in dem Signalverstärker 3 der ersten emittergekoppelten
Schaltung 6-1 in dem Hilfsverstärker 2 entsprechen. Es gibt dann keine Unterschiede
in den Abmessungen der Transistoren in den emittergekoppelten Schaltungen 6-1 .... 6-
N, was dafür sorgt, dass der integrierte Verstärker auf einfache Weise genau
reproduzierbar ist. In dieser Ausführungsform ist der Verstärkungsfaktor As des
Signalverstärkers 3 über einen großen Bereich unabhängig von der Speisespannung und der
Temperatur.