DE69421207T2 - Kombination Treiber-Summenschaltung für Differenzverstärker mit einem der Speisespannung entsprechenden Spannungsbereich - Google Patents

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet von Differenzverstärkern und Operationsverstärkern und insbesondere auf einen Verstärker dieser Art, der als integrierte Schaltung hergestellt ist und einen "rail-to-rail"-Gleichtaktbereich am Verstärkereingang und -ausgang hat.
• Es kommt vor, dass ein Operationsverstärker benötigt wird, der ein Eingangssignal über nahezu den gesamten Versorgungsspannungsbereich linear verstärken kann, insbesondere bei einer Versorgungsspannung von nur 1,5 Volt. Operationsverstärker, die mit niedrigen Versorgungsspannungen verwendet werden sollen, sollten möglichst viel des verfügbaren Versorgungsspannungsbereiches nutzen, um den besten Rauschabstand zu erhalten. Diese Anforderung ist besonders streng bei Niederleistungsanwendungen oder wenn die Versorgungsspannung niedrig ist, wie bei batteriebetriebenen Systemen.
• Das am 26. 11. 1985 auf den Namen von J. H. Huijsing et al. erteilte US- Patent 4.555.673 und ein Artikel von J. H. Huijsing et al. in den IEEE JSSC, Bd. SC-20, Nr. 6, 12/85, mit dem Titel "Low Voltage Operational Amplifier with Rail-to-Rail Input and Output Ranges", beschreiben Schaltungen, die im Allgemeinen ein Eingangssignal gut verstärken, wobei ein großer Teil des Versorgungsspannungsbereichs genutzt wird. Der Artikel von Huijsing et al. beschreibt einen Operationsverstärker mit einem "rail-to-rail" Eingang, einer sogenannten gefalteten Kaskodestufe und einer "rail-to-rail"-Klasse-A-B-Ausgangsstufe. Die Eingangsstufe mit einem "rail-to-rail"-Gleichtakteingangsspannungsbereich liefert eine konstante Transkonduktanz über den gesamten Gleichtaktbereich. Dieser Operationsverstärker erfordert jedoch auch eine Zwischenstufe, um die Verstärkung zu erhöhen sowie ein vollständig gesondertes Klasse-A-B-Ruhestromvorspannungsnetzwerk. Ein anderer Nachteil des Operationsverstärker von Huijsing et al. ist, dass er eine ziemlich große Zahl integrierter Schaltungskomponenten erfordert.
• In dem Patent von Huijsing et al. und ihrem Artikel wird der "rail-to-rail"- Gleichtaktspannungshub am Verstärkereingang durch Verwendung zweier parallel geschalteter, in gleicher Weise arbeitender Differenzverstärkereingangsstufen erhalten, so dass die Gleichtaktspannung einer einzigen Stufe die positive Versorgungsspannungsschiene erreichen kann und die der anderen die negative Versorgungsspannungsschiene. In diesen Schaltungen sind drei Gleichtakt-Eingangsspannungsbereiche vorhanden. In einem ersten Bereich, der von der negativen Versorgungsspannung bis zu einem Zwischenbereich verläuft, ist nur eine einzige Differenzverstärkereingangsstufe funktionsfähig. In einem zweiten Bereich, der von der positiven Versorgungsspannung zum Zwischenbereich verläuft, ist die andere Differenzverstärkereingangsstufe funktionsfähig. Im Zwischenbereich sind beide Differenzverstärkerstufen in Betrieb.
• Das Patent von Huijsing et al. beschreibt einen verbesserten Differenzverstärker mit einem "rail-to-rail"-Eingangsvermögen, der versucht, das Problem einer Veränderung der Verstärkertranskonduktanz zu lösen, wenn die Eingangsgleichtaktspannung sich über den Versorgungsspannungsbereich ändert. Das Patent beschreibt eine Stromlenkungssteuerungsschaltung, die die Betriebsströme für die beiden Differenzverstärker so regelt, dass die gesamte Verstärkertranskonduktanz so gesteuert wird, dass sie nahezu konstant ist, wenn die Gleichtaktspannung des Verstärkereingangssignals sich über den Versorgungsspannungsbereich ändert. Eine Summierschaltung kombiniert selektiv innere Ströme, die von den beiden Differenzverstärkern geliefert werden und leitet so zumindest ein Ausgangssignal ab, das für das Eingangssignal repräsentativ ist.
• Ein anderer Operationsverstärker nach dem Stand der Technik wird in einem Artikel von D. M. Monticelli beschrieben, mit dem Titel "A Quad CMOS Single-Supply Op Amp with Rail-to-Rail Output Swing", in IEEE JSSC, Bd. SC-21, Nr. 6, Dezember 1986. Dieser Artikel beschreibt einen Quad-CMOS-Verstärker, der eine Klasse-A-B-Ausgangsstufe mit Ruhestromvorspannung enthält. Diese Operationsverstärkerschaltung hat keinen "rail-to-rail"-Eingang und verwendet eine gefaltete Kaskodenanordnung. Sie erfordert auch zwei unabhängig angepasste innere Stromquellen für Klass-AB-Ruhestromvorspannung, so dass jede Fehlanpassung dazwischen zu einem Beitrag zur Eingangsoffsetspannung führt. Weiterhin wird von der Monticelli-Schaltung die Abhängigkeit des Eingangsruhestroms in den Ausgangstransistoren der Klasse-A-B-Ausgangsstufe von der Spannungsversorgung nicht beseitigt.
• Weitere Hintergrundinformationen können bei einem Überblick über die US-Patente 4.893.091 (1/9/90); 4.958.933 (9/18/90) und 4.797.631 (1/10/89) erhalten werden. Das US-Patent 4.797.631 beschreibt eine "rail-to-rail" Eingangsstufe und eine gefaltete Kaskodenstufe. Die Schaltung enthält keine Klasse-A-B-Ausgangsstufe oder schwebende Stromquelle. Obwohl dieses Patent eine Eingangsstufe und eine gefaltete Kaskodenstufe zeigt, enthält es in der differentiellen Eingangsstufe nicht den Stromlenkungstransistor des Patents von Huijsing et al., der Strom aus dem einen Stromquellentransistor zum anderen überträgt, wenn das Eingangssignal den Eingangsgleichtaktbereich durchquert. Somit erhält es keine konstante Stromverstärkung in der Eingangsstufe aufrecht, wie es in dem in dem oben besprochenen Patent von Huijsing et al. beschriebenen Operationsverstärker erreicht wird.
• Das US-Patent 4.958.133 beschreibt auch eine "rail-to-rail"-Eingangsstufe und eine gefaltete Kaskodenstufe, aber enthält wiederum keine Klasse-A-B-Ausgangsstufe, schwebende Stromquelle oder Stromlenkungstransistoren in der Eingangsstufe. Ein Nachteil dieser Schaltung ist, das sie die Eingangsruheströme nicht konstant hält.
• Das US-Patent 4.893.091 beschreibt einen Verstärker mit einer Klasse-A-B- Ausgangsstufe. Dieses Patent verwendet jedoch eine Zwischenverstärkungsstufe zwischen dem Eingang und dem Ausgang, wobei der Ausgang ein gemeinsamer Kollektortreiber ist. Die Forderung nach einer Zwischenverstärkerstufe ist ein großer Nachteil dieses Patents.
• In dem Artikel "A digital process compatible with high-drive CMOS op-amp with rail-torail input and output ranges" von Wen-Chung S. Wu et al., S. 692 bis 695 der Tagungsberichte des 33. Midwest Symposium on Circuits and Systems in Calgary, Alberta, Canada vom 12-15. August 1990, wird ein Differenzverstärker gezeigt, der eine schwebende Stromquelle verwendet, die von zwei Stromspiegeln gebildet wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Daher liegt der Erfindung als Aufgabe zugrunde, eine kombinierte Treiber- und Summierschaltung für einen "rail-to-rail"-Operationsverstärker zu verschaffen, bei dem die oben aufgeführten Nachteile der Operationsverstärker nach dem Stand der Technik vermieden werden.
• Eine andere Aufgabe der Erfindung ist, einen verbesserten Operationsverstärker zu verschaffen, der einfach und preiswert ist und ohne Verwendung einer Zwischenverstärkungsstufe eine hohe Verstärkung liefert.
• Weiterhin liegt der Erfindung als Aufgabe zugrunde, einen Operationsverstärker zu verschaffen, bei dem der Eingangsoffset und die Rauschspannung auf dem gleichen Niveau liegen wie in dem Fall, bei dem eine Zwischenverstärkungsstufe verwendet wurde.
• Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, eine Operationsverstärkerschaltung zu verschaffen, bei der der Ruhestrom in den Ausgangstransistoren relativ unabhängig von der Versorgungsspannung und der Eingangsgleichtaktspannung ist.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die obige Aufgabe durch Vorsehen einer Kombination aus Treiber- und Summierschaltung für einen "rail-to-rail"-Operationsverstärker gelöst, die eine "rail-to-rail" Eingangsstufe enthält, die aus einem Paar Eingangsdifferenzverstärkern besteht, die aus komplementären Feldeffekttransistoren aufgebaut sind. Die Eingangsstufe kann auch ein Stromlenkungsnetzwerk enthalten. Eine Summierschaltung ist vorgesehen, die die von den Eingangsdifferenzverstärkern gelieferten inneren Ströme kombiniert. Eine Klasse-A-B-Treiberausgangsstufe wird von der Summierschaltung mit Signalströmen versorgt und erzeugt ihrerseits einen oder mehr Ausgangssignalströme als Funktion eines von dem Paar Eingangsdifferenzverstärkern erhaltenen Eingangssignals. Die Klasse-A-B-Treiberausgangsstufe enthält ein Paar komplementäre Steuertransistoren, die parallel zu Steuerelektroden der Ausgangstransistoren geschaltet sind. Die Summierschaltung umfasst eine gefaltete Kaskodenstufe, die eine schwebende Stromquelle enthält, die einen konstanten Eingangsruhestrom für die Ausgangstransistoren der Klasse-A-B- Ausgangsstufe liefert, der unabhängig von der Versorgungsspannung ist und der selbst dann konstant ist, wenn die Gleichtakteingangsspannung von Schiene zu Schiene schwingt, was bewirkt, dass die komplementäre Eingangsstufe abwechselnd positiven und negativen Vorstrom in die Summierschaltung schickt.
• Die vorliegende Erfindung hält den Eingangsruhestrom in der Klasse-A-B- Ausgangsstufe konstant, indem die schwebende Stromquelle verwendet wird, um die endliche Ausgangsimpedanz der Klasse-A-B-Vorspannungsteuertransistoren zu kompensieren. Eine Zwischenverstärkerstufe wird durch Verwendung der gefalteten Kaskodensummierschaltungsstufe mit Klasse-A-B-Vorspannungssteuertransistoren beseitigt, die hohe Impedanz/Signalströme anbieten. Ein weiteres Merkmal ist das Vorsehen einer konstanten Stromverstärkung in der Eingangsstufe. Die Erfindung verschafft Betriebseigenschaften, die gleich oder besser im Vergleich zu Schaltungen nach dem Stand der Technik sind, und erreicht dies auf einem integrierten Schaltungschip, der qua Größe wesentlich kleiner ist, als sie bekannten Schaltungen benötigen. Durch das Vorsehen der gefalteten Kaskodenstufe mit einer einzelnen schwebenden Stromquelle wird das Problem der Stromfehlanpassung im Monticelli-Quad-CMOS-Operationsverstärker beseitigt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
• Zum näheren Verständnis der vorliegende Erfindung und deren Vorteile ist eine Kombination aus Treiber- und Summierschaltung für einen "rail-to-rail"-Operationsverstärker in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
• Fig. 1 ein schematisches Schaltbild eines erfindungsgemäßen Differenzverstärkers,
• Fig. 2 ein Schaltbild, das eine bevorzugte Ausführungsform der schwebenden Stromquelle, Klasse-A-B-Vorspannungssteuerung und die Ausgangsstufe in dem Verstärker von Fig. 1 zeigt und
• Fig. 3 ein Schaltbild, in dem die schwebende Stromquelle unabhängig von der Vorspannungssteuerungsschaltung vorgespannt wird.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
• Unter Bezug auf die Zeichnung zeigt Fig. 1 eine kombinierte Klasse-A-B- Treiber- und Summierschaltung für einen "rail-to-rail"-Operationsverstärker. Eine Differenzverstärkereingangsstufe umfasst einen ersten Differenzverstärker, der aus einem ersten Paar P-Kanal-Feldeffekttransistoren QI1 und QI2 besteht, deren Source-Elektroden über eine Stromquelle 10, die einen konstanten Strom IB liefert, gemeinsam mit der positiven Schiene VSP der Versorgungsspannung verbunden sind. Ein zweiter Eingangsdifferenzverstärker besteht aus einem zweiten Paar N-Kanal-Feldeffekttransistoren QI3 und QI4, deren Source- Elektroden zusammen mit der Drain-Elektrode eines Feldeffekttransistors QI7 verbunden sind. Die Source-Elektrode of QI7 ist mit der negativen Versorgungsspannungsschiene VSN verbunden. Die Gate-Elektroden der Transistoren QI1 und QI3 sind gemeinsam mit einer ersten Signaleingangsklemme 11 verbunden und die Gate-Elektroden der Transistoren QI2 und QI4 sind gemeinsam mit einer zweiten Signaleingangsklemme 12 verbunden. Die Eingangsklemmen 11 und 12 empfangen ein Differenzeingangssignal, das in der Zeichnung von den Spannungen VI1 und VI2 repräsentiert wird.
• Eine Stromsteuerungschaltung, die Strom durch die Eingangstransistoren QI1- QI4 lenkt, enthält einen Steuertransistor QI5, dessen Source-Elektrode mit einem Verbindungspunkt zwischen der Stromquelle 10 und der gemeinsamen Verbindung der Source- Elektroden der Feldeffekttransistoren QI1 und QI2 verbunden ist. Die Drain-Elektrode des Feldeffekttransistors QI5 ist mit der Drain-Elektrode eines als Diode geschalteten Feldef fekttransistors QI6 verbunden, dessen Source-Elektrode mit der negativen Versorgungsspannungsschiene VSN verbunden ist. Die Gate-Elektroden der Transistoren QI6 und QI7 sind zusammen so verbunden, dass die Transistoren QI6 und QI7 zusammen als Stromspiegelschaltung 13 funktionieren. Die Gate-Elektrode des Stromsteuertransistors QI5 ist mit einer eine Vorspannung VB liefernde Klemme verbunden.
• Wenn die Gleichtakteingangsspannung (VI1 + VI2)/2 unterhalb der Spannung VB am Gate des Stromlenkungssteuertransistors QI5 liegt, ist das P-Kanal-Eingangsdifferenzverstärkerpaar QI1 und QI2 aktiv, wodurch der Gleichtaktbereich die negative Versorgungsspannung VSN enthalten kann. Wenn umgekehrt die Gleichtakteingangsspannung höher ist als die Gatevorspannung VB, lenkt der Steuertransistor QI5 den Schwanzstrom IB vom Transistorpaar QI1, QI2 weg und richtet ihn stattdessen durch den als Diode geschalteten Transistor QI6 der Stromspiegelschaltung 13. Aufgrund der Stromspiegelwirkung fließt jetzt vom Eingangstransistorpaar QI3, QI4 aus ein Schwanzstrom durch den Transistor QI7. Dies ermöglicht, dass der Gleichtaktbereich die positive Versorgungsspannung VSP enthält.
• Die Transistoren QI1-QI4 werden alle in in Leitung gebracht, wenn die Gleichtaktspannung (VCM) in einem mittleren Bereich liegt, während die Transistoren QI1 und QI2 leitend sind, wenn VCM in einem niedrigen Bereich liegt, der vom Boden des mittleren Bereichs zur negativen Versorgungsspannung VSN reicht. Das entgegengesetzte Paar Eingangstransistoren QI3 und QI4 leitet, wenn VCM im hohen Bereich liegt, der sich zwischen dem obersten Teil des mittleren Bereichs und der positiven Versorgungsspannungsschiene VSP erstreckt.
• Die Ausgangsströme der vier Eingangstransistoren QI1-QI4 werden in der Summierschaltung 14 addiert, die die Feldeffekttransistoren QS1-QS8 und eine gemeinsame schwebende Stromquelle 15 enthält, die einen Strom IS erzeugt. Die Summierschaltung besteht aus zwei Abschnitten. Die obere Hälfte der Summierschaltung umfasst zwei in Reihe geschaltete Feldeffekttransistoren QS1 und QS5, die zwischen die positive Versorgungsspannungsschiene VSP und eine Klemme 16 der einzelnen schwebenden Stromquelle 15 geschaltet sind. Ein zweites Paar Feldeffekttransistoren QS2 und QS6 ist zwischen die positive Schiene VSP und die Klemme 17 in Reihe geschaltet. Die Gate-Elektroden der Transistoren QS1 und QS2 sind zusammengeschaltet, ebenso wie die Gate-Elektroden der Transistoren QS5 und QS6. Die Gate-Elektroden der Transistoren QS1 und QS2 sind auch direkt mit der Klemme 16 verbunden und die Gate-Elektroden der Transistoren QS5 und QS6 sind mit einer Klemme verbunden, die eine Vorspannung VS1 liefert.
• Der mit A bezeichnete gemeinsame Knoten zwischen den Transistoren QS1 und QS5 ist über eine Verbindung (nicht abgebildet) mit der Drain-Elektrode des Eingangstransistors QI3 verbunden. Diese Verbindung wird angedeutet, indem die Drain des Transistors QI3 mit einem ebenfalls mit A bezeichneten Knoten verbunden dargestellt wird. In ähnlicher Weise ist der gemeinsame Knoten B zwischen den Transistoren QS2 und QS6 mit der Drain-Elektrode des Eingangstransistors QI4 verbunden, was durch Bezeichnen der letztgenannten Elektrode mit B angedeutet wird. Der obere halbe Abschnitt der Summierschaltung bildet eine Stromspiegelschaltung.
• Der untere halbe Abschnitt der Summierschaltung enthält Feldeffekttransistoren QS7 und QS3, die zwischen der Klemme 18 der Stromquelle und der negativen Versorgungsspannungsschiene VSN in Reihe geschaltet sind. Zudem sind Feldeffekttransistoren QS8 und QS4 zwischen einer Klemme 19 der Summierschaltung und der negativen Spannungsschiene in Reihe geschaltet. Die Gate-Elektroden der Transistoren von QS3 und QS4 sind gemeinsam mit der Klemme 18 verbunden und die Gate-Elektroden der Transistoren QS7 und QS8 sind gemeinsam mit einer Klemme verbunden, die eine Vorspannung VS2 liefert.
• Die gemeinsamen Verbindungspunkte C und D zwischen den Transistoren QS7 und QS3 bzw. zwischen den Transistoren QS8 und QS4 sind mit den Drain-Elektroden der Eingangstransistoren QI1 bzw. QI2 verbunden, wie durch die mit C und D bezeichneten Schaltungspunkte der Eingangstransistoren angedeutet wird. Die untere Hälfte der Summierschaltung bildet auch eine Stromspiegelschaltung.
• Eine Klasse-A-B-Vorspannungssteuerungs- und "rail-to-rail"-Ausgangsstufe 20 ist mit den Klemmen 17 und 19 verbunden und enthält Feldeffekttransistoren QD1-QD8 Ausgangsfeldeffekttransistoren QO1 und QO2 und eine Stromquelle 21, die einen Strom IDB liefert. Ein Ausgangsstrom wird an der Ausgangsklemme 22 abgenommen. Ein komplementäres Paar Klasse-A-B-Vorspannungssteuertransistoren QD1 und QD2 ist parallel, d. h. "head-to-tail", mit den Klemmen 17 und 19 verbunden und liefert Ansteuerungsströme ID1 und ID2 parallel zu den Ausgangsfeldeffekttransistoren QO1 bzw. QO2.
• Die Ausgangstransistoren Q&sub0;&sub1; und Q&sub0;&sub2; sind zwischen die Versorgungsspannungsschienen VSP und VSN in Reihe geschaltet und ihre Drain-Elektroden sind gemeinsam mit der Ausgangsklemme 22 verbunden. Das Gate von Transistor Q&sub0;&sub1; ist mit der Klemme 17 verbunden und das Gate von Transistor Q&sub0;&sub2; mit der Klemme 19. Als Diode geschaltete Feldeffekttransistoren QD3 und QD4 sind mit der Stromquelle 21 zwischen die Versorgungsspannungsschienen VSP und VSN in Reihe geschaltet. Die Feldeffekttransistoren QD5 und QD6 sind mit als Diode geschalteten Feldeffekttransistoren QD7 und QD8 in Reihe zwischen die positive und die negative Versorgungsspannungsschiene geschaltet. Die Gate-Elektroden der Transistoren QD3 und QD5 sind miteinander verbunden, ebenso wie die Gate- Elektroden der Transistoren QD4 und QD6. Die obere Hälfte dieser Schaltung bildet auch ein Stromspiegelnetzwerk.
• Die Gate-Elektrode des Transistors QD1 ist mit einem Verbindungspunkt zwischen der Diode QD4 und der Stromquelle 21 verbunden und die Gate-Elektrode des Transistors QD2 ist mit einem Verbindungspunkt zwischen dem Transistor QD6 und der Diode QD7 verbunden.
• Wie im US-Patent 4.555.673, das durch Nennung hierin aufgenommen ist, beschrieben ist, arbeitet die Stromlenkungssteuerungschaltung, die aus der Stromquelle 10, dem Steuertransistor QI5 und der Stromspiegelschaltung 13 besteht, in dem Signaleingangsbereich und steuert so die Stromverteilung in den Eingangstransistoren QI1-QI4 und damit die Ströme in den Zweigen der Summierschaltung 14. Wenn die Gleichtakteingangsspannung unterhalb der Bezugsspannung VB am Gate des Steuertransistors QI5 liegt, ist das Differenzverstärkereingangspaar QI1 und QI2 über den von der negativen Versorgungsspannung VSN bis zum Boden des mittleren Bereichs reichenden niedrigen Bereich leitend. Die Eingangstransistoren QI3 und QI4 sind im niedrigen Bereich gesperrt. Umgekehrt, wenn die Gleichtakteingangsspannung höher ist als die Vorspannung VB, richtet der Steuertransistor QI5 den Strom IB weg von den Eingangstransistoren QI1 und QI2, die nichtleitend sind, und richtet ihn stattdessen über die Stromspiegelschaltung 13 zu den Eingangstransistoren QI3 und QI4. Der Gleichtaktbereich, d. h. der hohe Bereich, enthält jetzt die positive Versorgungsspannung VSP. Zwischen dem hohen und dem niedrigen Bereich liegt ein mittlerer Bereich, in dem alle vier Eingangstransistoren leiten dürfen. Der vorhergehende Vorgang wird im US-Patent 4.555.673 näher beschrieben.
• Die Ausgangsströme der vier Eingangstransistoren werden in der Summierschaltung 14, die aus den Transistoren QS1-QS5 besteht, miteinander addiert. Die Stromspiegelschaltungen QS1, QS2 und QS3, QS4 spiegeln die Ströme an den Schaltungspunkten A und C und addieren diese Ströme zu den Strömen an den Schaltungspunkten B und D, um Ansteuerungsströme für die Treiberausgangsstufe 20 zu verschaffen.
• Die Ausgangstransistoren Q&sub0;&sub1; und Q&sub0;&sub2; werden parallel durch Treiberströme ID1 und ID2 angesteuert. Die Klasse-AB-Treibersteuertransistoren QD1 und QD2 werden so verbunden, dass die Gleichtaktkomponente der Treiberströme ungedämpft ist. Der Gleichtaktstrom steuert den Ausgangstransistor Q&sub0;&sub1; oder Q&sub0;&sub2; oder beide Transistoren an. Die Vorspannungssteuertransistoren steuern jedoch die Differenzbetriebskomponente der Treiberströme, so dass Klasse-AB-Betrieb der Ausgangstransistoren erhalten wird, und mit einem kleinen Ruhestrom durch diese Transistoren, wenn in dem Treiberstrom keine Differenzbetriebskomponente vorhanden ist.
• Im Ruhezustand wird der Ausgangstransistor Q&sub0;&sub1; durch die Summe aus den Gate-Source Spannungen der Transistoren QD3 und QD4 minus der Gate-Source Spannung des Transistors QD1 vorgespannt, d. h. VGS01 = VGSD3 + VGSD4 - VGSD1. Ebenso für den Ausgangstransistor Q&sub0;&sub2;, VGS02 = VGSD7 + VGSD8 - VGSD2.
• Wenn ein positiver Ausgangsstrom fließt, erhöht sich der Strom im Ausgangstransistor Q&sub0;&sub1;, während der im Ausgangstransistor Q&sub0;&sub2; abnimmt. Die Abnahme der Gate-Source-Spannung des Transistors Q&sub0;&sub2; wird durch die Zunahme der Gate-Source- Spannung des Transistors QD2 gesteuert. Die Source des Transistors QD2 zieht den Ansteuerungsstrom vom Gate des Transistors Q&sub0;&sub2; ab, während dieser Ansteuerungsstrom zu dem des Gate von Transistor Q&sub0;&sub1; addiert wird.
• Um in der Summier- und Vorspannungssteuerungsschaltung einen konstanten Ruhestrom zu verschaffen, der unabhängig davon ist, welches Paar Eingangstransistoren im Betrieb ist, ist es möglich, eine erste Stromquelle (z. B. IS1) mit der Klemme 16 und eine zweite Stromquelle (z. B. IS2) mit der Klemme 18 zu verbinden. So würde die obere bzw. die untere Stromspiegelschaltung in der Summierschaltung einzeln von der ersten bzw. zweiten Stromquelle angesteuert. Ein Nachteil dieser Lösung ist, dass jede Ungleichheit der Ströme IS1 und IS2 zu Eingangsoffset und Rauschspannung beitragen würde.
• Das Vorsehen einer einzigen gemeinsamen schwebenden Stromquelle 15, wie abgebildet, ergibt eine bessere Leistungsfähigkeit, indem ein konstanter Ruhestrom beibehalten wird, während die mit der Verwendung zweier gesonderter Stromquellen für den oberen und den unteren Abschnitt der Summierschaltung verbundenen Nachteile vermieden werden.
• Die vorliegende Erfindung verschafft somit einen besseren Operationsverstärker einschließlich einer Klasse-A-B-Vorspannungssteuerausgangsstufe und einer schwebenden Stromquelle zum Vorspannen der Kaskodensummierschaltungsstufe, um da durch einen konstanten Eingangsruhestrom für die Ausgangstransistoren der Klasse-A-B- Stufe zu erhalten. Der Verstärker enthält ein Stromlenkungstransistornetzwerk in der Differenzverstärkereingangsstufe, das dazwischen Strom überträgt, wenn das Eingangssignal den Eingangsgleichtaktbereich durchläuft, wobei eine konstante Stromverstärkung in der Eingangsstufe aufrechterhalten wird, ein anderes wichtiges Merkmal für einen Operationsverstärker.
• Die schwebende Stromquelle erhält konstante Vorströme aufrecht, um die Ausgangsimpedanz der Klasse-A-B-Vorspannungssteuertransistoren zu kompensieren. Die nach dem Stand der Technik erforderliche Zwischenverstärkerstufe wird mit Hilfe der Erfindung beseitigt. "Rail-to-rail"-Betrieb ist vorgesehen und der Operationsverstärker kann auf einem integrierten Schaltungschip untergebracht werden, der kleiner als die im Handel erhältlichen Anordnungen ist. Dies wird durch die schwebende Stromquelle und die Klasse- A-B-Vorspannungssteuertransistoren innerhalb der Kaskodenstufe ermöglicht, wodurch die Zwischenverstärkungsstufe und die komplizierte Klasse-A-B-Steuerung der Schaltungen nach dem Stand der Technik beseitigt werden.
• Fig. 2 zeigt eine Verbesserung der Schaltung von Fig. 1, in der die schwebende Stromquelle aus komplementären Feldeffekttransistoren QS9 und QS10 aufgebaut ist, die parallel zwischen Klemmen 16 und 18 der Summierschaltung geschaltet sind. Die Gate- Elektrode des Transistors QS9 ist mit der Gate-Elektrode des Treibersteuertransistors QD1 verbunden und das Gate des Transistors QS10 ist mit dem Gate des Treibersteuertransistors QD2 verbunden. Der Rest der Schaltung ist ähnlich wie die Schaltung von Fig. 1 und entsprechende Elemente werden mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet wie in Fig. 1. Die Eingangsstufe und die Stromlenkungsschaltung werden der Kürze halber weggelassen. In dieser Ausführungsform hängt der Strom aus der schwebenden Stromquelle geringfügig von der Spannungsversorgung durch die Ausgangsimpedanz von QS9 und QS10 ab. Bei einer Änderung der Spannungsversorgung kompensiert die Stromänderung die Ausgangsimpedanz von QD1 und QD2, um so die Gate-Source-Spannung VGS (QD1 und QD2) konstant zu halten, was seinerseits die Abhängigkeit des Eingangsruhestroms in der Ausgangsstufe von der Spannungsversorgung verringert. Dieses letztere Merkmal ist äußerst wichtig, wenn eine Batterie als Versorgungsspannungsquelle verwendet wird.
• Fig. 3 zeigt eine weitere Abwandlung der Operationsverstärkerschaltung von Fig. 1, in der die schwebende Stromquelle unabhängig von der Treiberschaltung vorgespannt ist. Ein Paar komplementäre Feldeffekttransistoren QS9 und QS10 ist parallel zwi schen die Klemmen 16 und 18 geschaltet, mit gleichen Verbindungen wie die der Treibersteuertransistoren QD1 und QD2. Ein N-Kanal-Feldeffekttransistor QS11 ist in Reihe mit einer Quelle eines Bezugsstroms 23 mit der positiven Versorgungsspannungsschiene VSP an der Drain des Transistors QS11 verbunden. Die Gate-Elektrode von Transistor QS9 ist mit der Source-Elektrode von Transistor QS11 verbunden und das Gate von Transistor QS11 ist mit der Source-Elektrode von Transistor QS9 verbunden.
• In gleicher Weise ist ein P-Kanal-Feldeffekttransistor QS12 in Reihe mit einer Quelle eines Bezugsstroms 24 mit der negativen Versorgungsspannungsschiene mit der Drain-Elektrode des Transistors QS12 gekoppelt. Das Gate des Transistors QS10 ist mit der Source-Elektrode des Transistors QS12 verbunden und das Gate des Transistors QS12 ist mit der Source-Elektrode des Transistors QS10 verbunden.
• Die unmittelbar oben beschriebene schwebende Stromquelle wird unabhängig von der Treiberschaltung vorgespannt. Wie in Fig. 2 sind die Differenzverstärkereingangsschaltung und das Stromlenkungsnetzwerk in Fig. 3 der Kürze halber weggelassen worden. Gleiche Elemente wie die in Fig. 1 und 2 haben die gleichen Bezugszeichen. Abgesehen von den Unterschieden bei der schwebenden Stromquelle arbeiten die Schaltungen von Fig. 2 und 3 im Übrigen in gleichartiger Weise wie die Schaltung von Fig. 1.
• Wenngleich die Erfindung anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben worden ist, dient diese Beschreibung ausschließlich der Veranschaulichung und ist nicht so zu verstehen, dass sie den Rahmen der weiter unten beanspruchten Erfindung einschränkt. Beispielsweise können Halbleiterelemente entgegengesetzter Polarität als oben beschrieben verwendet werden, um die gleichen Ergebnisse zu erzielen. Auch könnten Bipolartransistoren anstelle der hier beschriebenen Feldeffekttransistoren verwendet werden. So können vom Fachkundigen verschiedene Abwandlungen und Änderungen angebracht werden, ohne den wirklichen Rahmen der Erfindung zu verlassen, wie er in den angefügten Ansprüchen definiert wird.

Claims (5)

1. Differenzverstärker mit "rail-to-rail"-Gleichtaktbereich, der umfasst:

eine positive Versorgungsspannungsschiene (VSP),

eine negative Versorgungsspannungsschiene (VSN),

erste und zweite Verstärkereingangsklemmen (11, 12) zum Empfangen eines zu verstärkenden Signals,

eine Differenzverstärkereingangsstufe (QI1-QI4) mit: Eingangsmitteln, die mit den genannten ersten und zweiten Verstärkereingangsklemmen (11, 12) gekoppelt sind, Ausgangsmitteln (A, B, C, D), einem ersten Paar Transistoren (QI1, QI2), das als erster Differenzverstärker über eine erste Stromquelle (10) mit der genannten positiven Versorgungsspannungsschiene (VSP) verbunden ist, und einem zweiten Paar Transistoren (QI3, QI4), das als zweiter Differenzverstärker über eine zweite Stromquelle (QI7) mit der genannten negativen Versorgungsspannungsschiene (VSN) verbunden ist,

einer mit den Ausgangsmitteln (A, B, C, D) der Differenzverstärkermittel gekoppelten Stromsummierschaltung (14),

einer Ausgangsstufe (20), die mit zumindest einer Signalausgangsklemme (22) gekoppelte erste und zweite Ausgangstransistoren (Q&sub0;&sub1;, Q&sub0;&sub2;) enthält und mit der Stromsummierschaltung (14) gekoppelte Eingangsmittel hat,

wobei die genannte Stromsummierschaltung (14) eine zwischen die positive Versorgungsspannungsschiene (VSP) und eine erste Klemme (16) einer schwebenden Stromquelle (15) geschaltete erste Stromspiegelschaltung (QS5, QS1, QS2, QS6) und eine zwischen die negative Versorgungsspannungsschiene (VSN) und eine zweite Klemme (18) der schwebenden Stromquelle (15) geschaltete zweite Stromspiegelschaltung (QS7, QS3, QS4, QS8) umfasst,

wobei die Ausgangsstufe (20) erste und zweite komplementäre Vorspannungssteuertransistoren (QD1, QD2) umfasst, die parallel zwischen eine Ausgangsklemme (17) der ersten Stromspiegelschaltung (QS5, QS1, QS2, QS6) und eine Ausgangsklemme (19) der zweiten Stromspiegelschaltung (QS7, QS3, QS4, QS5) geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte schwebende Stromquelle (15) parallel zwischen die genannten ersten und zweiten Klemmen (16, 18) der schwebenden Stromquelle (15) geschaltete dritte und vierte komplementäre Transistoren (QS9, QS10) umfasst.

2. Differenzverstärker nach Anspruch 1, wobei die schwebende Stromquelle (15) weiterhin umfasst;

einen mit einer dritten Stromquelle (24) zu der positiven Versorgungsspannungsschiene (VSP) in Reihe geschalteten fünften Transistor (QS12),

einen mit einer vierten Stromquelle zur negativen Versorgungsspannungsschiene (VSN) in Reihe geschalteten sechsten Transistor (QS11) und

Mittel, die eine Steuerelektrode des vierten Transistors (QS10) und eine Steuerelektrode des dritten Transistors (QS9) mit ersten und zweiten Verbindungspunkten zwischen dem fünften Transistor (QS12) und der dritten Stromquelle (24) bzw. zwischen dem sechsten Transistor (QS11) und der vierten Stromquelle (23) koppeln.

3. Differenzverstärker nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ausgangsstufe (20) die zwischen die positive und die negative Versorgungsspannungsschiene (VSP, VSN) in Reihe geschalteten genannten ersten und zweiten Ausgangstransistoren (Q&sub0;&sub1;, Q&sub0;&sub2;) umfasst und

Mittel, die eine Steuerelektrode des ersten Ausgangstransistors (Q&sub0;&sub1;) mit der genannten Ausgangsklemme (17) der ersten Stromspiegelschaltung (QS5, QS1, QS2, QS6) und eine Steuerelektrode des zweiten Ausgangstransistors mit der Ausgangsklemme (19) der zweiten Stromspiegelschaltung (QS7, QS3, QS4, QS8) koppeln.

4. Differenzverstärker nach Anspruch 1, der weiterhin umfasst:

einen Steuertransistor (QI5), der mit der genannten ersten und zweiten Stromquelle (10, QI7) zwischen die positive und die negative Versorgungsspannungsschiene (VSP, VSN) in Reihe geschaltet ist und wobei eine Steuerelektrode des Steuertransistors (QI5) mit einer Bezugsgleichspannung (VB) verbunden ist.

5. Differenzverstärker nach Anspruch 4, wobei die zweite Stromquelle umfasst;

eine Stromspiegelschaltung (13) mit einem ersten Schaltungszweig (QI7), der das genannte zweite Paar Transistoren (QI3, QI4) mit der negativen Versorgungsspannungsschiene (VSN) koppelt, und einem zweiten Schaltungszweig (QI6), der mit dem Steuertransistor (QI5) und der ersten Stromquelle (10) zwischen die genannte positive und negative Versorgungsspannungsschiene (VSP, VSN) in Reihe geschaltet ist.