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Dokumentenidentifikation DE102005062511A1 05.07.2007
Titel Ausgangsverstärker
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Ausserlechner, Udo, Dr., Villach, AT
DE-Anmeldedatum 27.12.2005
DE-Aktenzeichen 102005062511
Offenlegungstag 05.07.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 05.07.2007
IPC-Hauptklasse H03F 3/24(2006.01)A, F, I, 20051227, B, H, DE
Zusammenfassung Ein Verstärker mit einer Stromquellenanordnung und einem ersten und einem zweiten Transistor und einer Kapazität, dessen erster und dessen zweiter Anschluss mit einem ersten und einem zweiten Laststreckenanschluss des zweiten Transistors verbunden sind.
Der vorliegende Verstärker ist in der Lage, große kapazitive Lasten, von der oberen bis zur unteren Versorgungsspannung, stabil zu versorgen und weist einen geringen Flächenbedarf auf.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Verstärker.

Verstärker in integrierten Schaltungen können in zwei Kategorien unterteilt werden: Verstärker, die lediglich zum Treiben interner Lasten verwendet werden und Verstärker, die zum Treiben von Lasten außerhalb der integrierten Schaltung verwendet werden.

Verstärker weisen einen Eingang zur Zuführung eines zu verstärkenden Signals und einen Ausgang zur Bereitstellung des verstärkten Signals auf.

Ein Verstärker zum Treiben von Lasten außerhalb der integrierten Schaltung weist einen Ausgang auf, der über einen Kontaktfleck, beziehungsweise Pad, mittels eines Drahtes, üblicherweise einem Bondraht, mit dem Gehäuse verbunden ist.

Lasten innerhalb einer integrierten Schaltung sind üblicherweise Eingänge anderer Verstärker oder andere Signalauswerteschaltungen. Diese Lasten sind in ihrer Größe, dass heißt in ihrer Stromaufnahme, abhängig von der verwendeten Technologie. Ist eine Eingangsstufe eines Verstärkers die Last eines vorangehenden Verstärkers, so bildet die Eingangsstufe des Verstärkers die Last. Die Eingangskapazität und der Eingangswiderstand der Eingangsstufe sind die Last des vorangehenden Verstärkers.

Wird beispielsweise ein vorhandener Verstärker auf eine Technologie mit einer geringeren Strukturbreite umgesetzt, so verkleinern sich entsprechend auch die zu speisenden Lasten im Signalpfad. Die Anforderungen des Verstärkers bezüglich seiner kapazitiven und resistiven Last, reduzieren sich mit einer kleineren Technologie.

Anders ist die Situation für einen Verstärker, der eine Last zu treiben hat, die sich außerhalb der integrierten Schaltung befindet. Da hier Last und Verstärker nicht in der gleichen Technologie realisiert werden, reduzieren sich die Anforderungen an den Verstärker nicht.

Die Folge dieser Entwicklung ist, dass der Flächenbedarf solcher Verstärker, die externe Lasten treiben, relativ zum Rest der integrierten Schaltung immer bedeutender wird.

Ausgangsverstärker, die analoge Signale außerhalb eines integrierten Schaltkreises treiben sollen, unterscheiden sich von Verstärkern, die lediglich interne Signale treiben, durch ihren höheren Flächenbedarf. Dieser höhere Flächenbedarf resultiert aus den höchst unterschiedlichen Anforderungen. Während bei internen Verstärkern die Last genau bekannt ist, kann sie bei einem Ausgangsverstärker stark schwanken, da einem Anwender bei der Wahl der durch den Verstärker anzusteuernden Last die größtmögliche Freiheit gegeben werden soll.

Sollen große kapazitive Lasten getrieben werden, so muss besonders darauf geachtet werden, dass diese Verstärker immer stabil arbeiten. Kann diese Ausgangskapazität auf Grund der äußeren gegebenen Anforderung innerhalb eines vorgegebenen Bereichs variabel sein, so muss auch die treibende Ausgangsstufe dahingehend konstruiert werden, dass sie über ein breites Frequenzband stabil arbeitet und die Last bei stabilem Betrieb ausreichend versorgt.

Muss ein Verstärker auf außergewöhnliche Versorgungsspannungsänderungen reagieren, so sind besondere Maßnahmen erforderlich, die dafür sorgen, dass der Verstärker weder zerstört wird, noch Signale am Ausgang bereitstellt, die die externe Last zerstören kann.

Aufgrund der Störsicherheit und der vorhandenen elektronischen Bauelemente sind die Ströme außerhalb eines integrierten Schaltkreises um Größenordnungen größer als innerhalb einer integrierten Schaltung. Unter einer Größenordnung wird der Faktor 10 verstanden. Höhere Ströme erfordern zwangsläufig größere Bauelemente, die in der Lage sind diese Ströme zu treiben.

Eine Last, die in einem weiten Bereich schwanken kann, erfordert einen erhöhten Aufwand für die Kompensation zur Stabilisierung des Verstärkers. An Verstärker, die mit ihrem Ausgang äußere Lasten treiben, werden außerdem höhere Anforderungen hinsichtlicht der Spannungsfestigkeit gestellt.

Ein Standardverstärker zum Treiben von Lasten ist der „Miller"-Operationsverstärker, der beispielsweise in der WO02/15390 beschrieben ist und der in 11 dargestellt ist. In seiner einfachsten Ausführungsform besteht dieser aus einem p-leitenden Transistor, der mit einem konstanten Strom betrieben wird, und einem komplementären n-leitenden Transistor, der über einen Vorverstärker angesteuert wird. Damit der Verstärker nicht oszilliert, ist es notwendig, diesen zu kompensieren. Der „Miller"-Operationsverstärker wird kompensiert, indem ein Kompensationselement den Laststreckenausgang des n-leitenden Transistors mit seinem Steuereingang verbindet. Im einfachsten Fall besteht dieses Kompensationselement aus einem Kondensator. Aufwändigere Gestaltungen wie beispielsweise Reihenschaltungen aus Kondensatoren und Widerständen sind üblich.

Weiterführende Ausgestaltungen und detaillierte Erläuterungen sind in „Design of analog integrated circuits an systems; Kenneth Laker & Willy Sansen; 1994 Mcgraw-Hill, Singapore; S485ff" angegeben.

Ein solch einfacher Verstärker, wie in 11 dargestellt, hat folgende Nachteile:

Ein Querstrom, der von einer oberen Versorgungsspannung zu einer unteren Versorgungsspannung fließt, ohne dass er in einer Last genutzt werden kann, ist sehr groß.

Obwohl bei dieser Art der Kompensation die Verstärkung der letzen Stufe für die Kompensation ausgenutzt wird, ist die benötigte Kapazität groß, da in der letzten Stufe eines Verstärkers auch die größten Ströme eines Verstärkers fließen.

Zur Verringerung des Querstromes ist es bekannt, dass der p-leitende Transistor nicht mit einem konstanten, sondern mit einen variablem Strom betrieben wird. Dieser Strom verhält sich komplementär zum Strom des n-leitenden Transistors. Das heißt, dass der eine größer wird, wenn der andere kleiner wird. Da der p-leitende Transistor nun ebenfalls eine Kompensation benötigt, steigt der Flächenbedarf weiter an.

Ein Verstärker, dessen Ausgang die Last bis nahe an die obere und bis nahe an die untere Versorgungsspannung treiben kann, wird als Verstärker mit „rail to rail"-Ausgang bezeichnet.

Beispiele und Ausführungen von Verstärkern mit „rail to rail" Eingängen und „rail to rail" Ausgängen finden sich in „Design of low-power operational amplifier cells R. Hogervorst; J.H. Huijsing Kluwer 1996".

Bei der Gestaltung von Verstärkern werden oft Stromspiegel eingesetzt. Es sind Ausführungen mit bipolaren als auch mit MOS-Transistoren bekannt. Wird ein bipolarer Transitor als Ausgangstransitor verwendet, besteht die Möglichkeit, dass dieser Transitor in der Sättigung betrieben wird.

Beispiele für bipolare Transistoren, die in einem Stromspiegel verwendet werden, dessen erster Laststreckenanschluss im Zustand der Sättigung betrieben wird, finden sich in den Schriften US 5373253 und US 5057792.

1 der ersten zitierten Schrift zeigt die einfachste Form eines Stromspiegels. Der Nachteil dieses Stromspiegels ist, dass die Kollektor-Emitter-Spannung des Ausgangstransistors 6 kleiner ist als seine Basis-Emitter-Spannung. Somit wird dieser Transistor 6 in Sättigung betrieben. Seine Stromverstärkung &bgr; wird dadurch drastisch reduziert. Bei gleich bleibendem Eingangsstrom wird dadurch der Ausgangsstrom drastisch reduziert, was verhindert werden muss. 2a und 2b zeigen bekannte unterstützte Stromspiegel, die den Vorteil bieten, dass sie auch dann noch konstante Ausgangsströme liefern, wenn die Ausgangsspannung beispielsweise die Kollektor-Emitter-Spannung kleiner ist als deren Basis-Emitter-Spannung. Beide haben sie den Nachteil, dass sie am Eingang ungefähr die doppelte Diodenspannung benötigen. Der Stromspiegel in US 5373253 in 1 vermeidet zwar diesen Nachteil, verwendet aber sehr viele unterschiedliche Komponenten, zum Beispiel Widerstände und PMOS Transistoren. Diese Schaltung kann zwar passend dimensioniert werden, hat jedoch den gravierenden Nachteil, dass die drei Komponenten PMOS Transistor, Widerstand und NPN Transistor technologisch nicht miteinander korrelieren. Eine sichere Dimensionierung dieser Schaltung hat zur Folge, dass die Spannung am Eingangsknoten drastisch erhöht werden muss, was für eine Anwendung im Bereich der Sensrik oft nicht zulässig ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Verstärker bereitzustellen, der in der Lage ist, große kapazitive Lasten, von der oberen bis zur unteren Versorgungsspannung, stabil zu versorgen, und der einen geringen Flächenbedarf besitzt.

Dieses Problem wird durch einen Verstärker mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Der erfindungsgemäße Verstärker umfasst:

Eine Stromquellenanordnung mit einem Ausgang, einem ersten Eingang zur Zuführung eines ersten Stromes und einem zweiten Eingang zur Zuführung eines zweiten Stromes, die dazu ausgebildet ist, einen Strom am Ausgang auszugeben, der abhängig ist von der Differenz zwischen dem ersten und zweitem Strom,

einen ersten Transistor mit zwei Laststreckenanschlüssen und einem Steueranschluss, dessen erster Laststreckenanschluss mit dem ersten Eingang der Stromquellenanordnung verbunden ist,

einen zweiten Transistor mit zwei Laststreckenanschlüssen und einem Steueranschluss, dessen erster Laststreckenanschluss mit dem zweiten Eingang der Stromquellenanordnung verbunden ist und dessen zweiter Laststreckenanschluss mit dem zweitem Laststreckenanschluss des ersten Transistors verbunden ist, eine Kapazität mit zwei Anschlüssen, dessen erster Anschluss mit dem ersten Laststreckenanschluss des zweiten Transistors verbunden ist und dessen zweiter Anschluss mit dem zweiten Laststreckenanschluss des zweiten Transistors verbunden ist. Der Steueranschluss des ersten Transistors bildet den Eingang des Verstärkers.

Der Knoten, der durch die Verbindung des zweiten Laststreckenanschlusses des ersten Transistors und dem zweiten Laststreckenanschluss des zweiten Transistors entsteht, dient dazu, einen Strom einzuspeisen.

Der Ausgang des erfindungsgemäßen Verstärkers wird durch den Ausgang der Stromquellenanordnung gebildet. Der Ausgangsstrom der Stromquellenanordnung ist abhängig von der Differenz der Eingangsströme der Stromquellenanordnung.

Der Ausgang der Stromquellenanordnung ist in der Lage Lasten von der unteren bis hin zur oberen Versorgungsspannung zu treiben. Dies ist möglich, wenn der Ausgang der Stromquellenanordnung durch den Kollektor oder dem Drain eines Transistors ausgebildet ist.

Der Eingang des Verstärkers wird durch den Steueranschluss des ersten Transistors gebildet. Da dieser erste Transistor einen Teil der Verstärkung verursacht, ist an dieser Stelle eine Kapazität zur Kompensation vorgesehen.

Diese Kompensation kann als Miller- oder als Parallelkompensation ausgestaltet werden. Bei der Millerkompensation verbindet ein Kompensationelement mit mindestens zwei Anschlüssen, den Steueranschluss des ersten Transistors mit dem Ausgang des Verstärkers. Bei der Parallelkompensation verbindet ein Kompensationelement mit mindestens zwei Anschlüssen, den Steueranschluss des ersten Transistors mit einem Versorgungsspannungsanschluss des Verstärkers.

Das Kompensationbauelement besteht im einfachsten Fall aus einer Kapazität. Es sind aber auch Kombinationen anderer Bauelemente möglich, beispielsweise Serien- oder Parallelschaltungen von Kapazitäten und Widerständen. Die Serienschaltung einer Kapazität und eines Widerstandes wird oft bei der Millerkompensation verwendet.

Ein erster Strom, der in den dafür vorgesehenen Knoten eingespeist wird, teilt sich über die Laststrecken des ersten und des zweiten Transistors auf und fließt durch diese Laststrecken in den ersten und zweiten Eingang der Stromquellenanordnung.

Wird der erste Transistor über seinen Steuereingang nur sehr schwach angesteuert, so dass dessen Laststrecke nur sehr wenig Strom leitet, wird der erste Strom hauptsächlich durch den zweiten Transistor in den zweiten Eingang der Stromquellenanordnung fließen. Aus dem Ausgang der Stromquellenanordnung wird nun ein Strom in eine an den Ausgang angeschlossene Last fließen und den Ausgang somit zur oberen Betriebsspannung treiben.

Wird der erste Transistor über seinen Steuereingang sehr stark angesteuert, so dass dessen Laststrecke sehr viel Strom leitet, wird der erste Strom hauptsächlich durch den ersten Transistor in den ersten Eingang der Stromquellenanordnung fließen. In dem Ausgang der Stromquellenanordnung wird nun ein Strom aus der angeschlossenen Last fließen und den Ausgang somit zur unteren Versorgungsspannung treiben.

Die Kapazität, die die Laststrecken des zweiten Transistors miteinander verbindet, verhindert eine Oszillation, die dann entstehen kann, wenn der zweite Transistor stromlos wird. In diesem Fall, ist der Knoten in dem der erste Strom eingeprägt wird, hochohmig, da lediglich hochohmige Stromquellen, die erste Stromquelle und die Laststrecke des ersten Transistors, angeschlossen sind. Die Kapazität verbindet nun diesen hochohmigen Knoten mit dem niederohmigen ersten Eingang der Stromquellenanordnung und verhindert damit bei höheren Frequenzen eine Oszillation.

Eine vorteilhafte Stromquellenanordnung umfasst:

drei Stromspiegelanordnungen mit je einen Eingang zur Zuführung eines Stromes und je einen Ausgang, der dazu ausgebildet ist einen Strom auszugeben, der abhängig ist von dem Strom in den Eingang, der Ausgang der ersten Stromspiegelanordnung und der Ausgang der zweiten Stromspiegelanordnung sind verbunden und bilden den Ausgang der Stromquellenanordnung, der Ausgang der dritten Stromspiegelanordnung ist mit dem Eingang der ersten Stromspiegelanordnung verbunden. Der Eingang der zweiten Stromspiegelanordnung bildet den ersten Eingang der Stromquellenanordnung. Der Eingang der dritten Stromspiegelanordnung bildet den zweiten Eingang der Stromquellenanordnung.

Die Verstärkung der Stromquellenanordnung ist durch die Verstärkung der einzelnen Stromspiegelanordnungen festgelegt. Die Verstärkung einer Stromspiegelanordnung ist durch das Geometrieverhältnis des Eingangstransistors und des Ausgangstransistors bestimmt. Durch diese Stromverstärkungen und durch den ersten Strom, der in den ersten Knoten eingeprägt wird, ist der Strom des Verstärkers eindeutig bestimmt. Der Strom, den der Ausgang höchstens aus der angeschlossenen Last entnehmen kann, ist das Produkt der Verstärkung der zweiten Stromspiegelanordnung und dem ersten Strom. Der Strom, den der Ausgang höchstens in die Last liefern kann, ist bestimmt durch das Produkt der Verstärkungen der ersten und der dritten Stromspiegelanordnung und des ersten Stromes.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Stromquellenanordnung umfasst:

Eine erste Vorrichtung, die dazu ausgebildet ist einen ersten Strom in den Eingang der zweiten Stromspiegelanordnung einzuspeisen.

Eine zweite Vorrichtung, die dazu ausgebildet ist einen zweiten Strom in den Eingang der dritten Stromspiegelanordnung einzuspeisen.

Eine dritten Vorrichtung, die dazu ausgebildet ist einen dritten Strom aus dem Ausgang der dritten Stromspiegelanordnung zu entnehmen.

Diese drei Vorrichtungen speisen Ströme derart in die Stromquellenanordnung ein, dass die Stromspiegelanordnungen jederzeit von einem minimalen Strom durchflossen werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verstärkers umfasst:

Einen dritten Transistor mit zwei Laststreckenanschlüssen und einem Steueranschluss, dessen erster Laststreckenanschluss mit dem ersten Eingang der Stromquellenanordnung verbunden ist und wobei der Steueranschluss mit dem Eingang des Verstärkers verbunden ist.

Dieser dritte Transistor speist einen zusätzlichen Strom in den Eingang der zweiten Stromspiegelanordnung ein. Da dieser Strom nicht durch eine Vorrichtung begrenzt wird, kann dieser Strom die zweite Stromspiegelanordnung derart ansteuern, dass der Ausgang des Verstärkers sehr große Ströme aus der angeschlossenen Last entnehmen kann.

Damit der Verstärker die vorteilhaften Eigenschaften erreicht, ist es sinnvoll die Stromspiegelanordnungen so zu gestalten, dass das Signal möglichst schnell vom Eingang zum Ausgang übertragen wird. Bipolare Transistoren haben gegenüber MOS-Transistoren den besonderen Vorteil, dass ihre Übertragungskennlinie, welche die Eigenschaften des Transistors von seinem Steueranschluss, der Basis, zum ersten Laststreckenanschluss, des Kollektors, charakterisiert, wesentlich steiler ist als die Übertragungskennlinie eines MOS-Transistor. Ein weiterer Vorteil bipolarer Transistoren ist die, im Vergleich zum MOS-Transistor, niedrigere Eingangsspannung.

Bipolare Transistoren haben gegenüber MOS-Transistoren den Nachteil, dass in den Steueranschluss ein Strom fließt, der proportional zum Strom des ersten Laststreckenanschluss des Transistors ist.

Ein weiterer Nachteil eines bipolaren Transistors gegenüber einem MOS-Transistor ist, dass der Strom in den Steuereingang, sehr stark ansteigt, wenn die Spannung zwischen den beiden Laststreckenanschlüssen des bipolaren Transistors wesentlich kleiner ist als die Spannung zwischen dem Steuereingang und dem zweitem Laststreckenanschluss, des Emitters. Dieses Verhalten eines bipolaren Transistors wird als Sättigung bezeichnet. Bei der Verwendung eines bipolaren Transistors als Ausgangstransistor eines Verstärkers, wird dessen erster Laststreckenanschluss in der Sättigung betrieben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert.

1 zeigt einen erfindungsgemäßen Verstärker mit einer Stromquellenanordnung.

2 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung der Stromquellenanordnung.

3 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Stromquellenanordnung.

4 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung der Stromquellenanordnung mit drei Vorrichtungen zum Einspeisen von Strömen.

5 zeigt eine Stromspiegelanordnung.

6 zeigt eine Stromspiegelanordnung.

7 zeigt eine Anordnung mit einem Verstärker.

8 zeigt eine Schutzanordnung für eine Verstärkeranordnung.

9 zeigt eine Anordnung mit einem Verstärker und einer Schutzanordnung.

10 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung eines Verstärkers.

11 zeigt einen Verstärker mit Millerkompensation.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verstärkers.

Der erfindungsgemäße Verstärker umfasst:

eine Stromquellenanordnung (100) mit einem Ausgang (140), einem ersten Eingang (150) zur Zuführung eines ersten Stromes und einem zweiten Eingang (160) zur Zuführung eines zweiten Stromes, die dazu ausgebildet ist, einen Strom am Ausgang auszugeben, der abhängig ist von der Differenz zwischen dem ersten und zweitem Strom, einen ersten Transistor (210) mit zwei Laststreckenanschlüssen und einem Steueranschluss (260), dessen erster Laststreckenanschluss mit dem ersten Eingang (150) der Stromquellenanordnung verbunden ist, einen zweiten Transistor (230) mit zwei Laststreckenanschlüssen und einem Steueranschluss, dessen erster Laststreckenanschluss mit dem zweiten Eingang (160) der Stromquellenanordnung verbunden ist und dessen zweiter Laststreckenanschluss mit dem zweitem Laststreckenanschluss des ersten Transistors verbunden ist, eine Kapazität (240) mit zwei Anschlüssen, dessen erster Anschluss mit dem ersten Laststreckenanschluss des zweiten Transistors (230) verbunden ist und dessen zweiter Anschluss mit dem zweiten Laststreckenanschluss des zweiten Transistors (230) verbunden ist.

Der Steueranschluss (260) des ersten Transistors bildet den Eingang des Verstärkers.

Der Knoten (250), der durch die Verbindung des zweiten Laststreckenanschlusses des ersten Transistors (210) und dem zweiten Laststreckenanschluss des zweiten Transistors (230) entsteht, dient dazu einen Strom einzuspeisen.

Je nach Zustand des Steueranschlusses (260) speist der Transistor (210) einen Strom in den ersten Eingang (150) der Stromquellenanordnung (100) ein. Der eingespeiste Strom durch den ersten Transistor (210) kann aber nicht größer sein als der Strom, der in den Knoten (250) eingespeist wird.

Der zweite Transistor (230) speist nun den restlichen Strom, der in den Knoten (250) eingespeist wird, in den zweiten Eingang (160) der Stromquellenanordnung (100) ein. Der Strom des Ausganges (140) ist proportional zur Differenz der Ströme des ersten und des zweiten Transistors. Wird der Steueranschluss des ersten Transistors (210) derart angesteuert, dass der erste Transistor den gesamten Strom übernimmt, der in den Knoten (250) eingespeist wird, so wird der zweite Transistor stromlos. Das Element (240) unterdrückt die Oszillation, die entsteht, weil der Knoten 250 seine niederohmige Anbindung an die dritte Stromspiegelanordnung durch den zweiten Transistor verliert. Das Element (240) ist im einfachsten Fall, wie in 1, eine Kapazität. Die Kapazität in 1 verbindet den Knoten mit dem niederohmigen zweiten Eingang der Stromquellenanordnung (100).

2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Stromquellenanordnung (100).

Eine vorteilhafte Stromquellenanordnung (100) umfasst:

Drei Stromspiegelanordnungen (110, 120, 130) mit je einen Eingang zur Zuführung eines Stromes und je einen Ausgang, der dazu ausgebildet ist einen Strom auszugeben, der abhängig ist von dem Strom in den Eingang.

Der Ausgang der ersten Stromspiegelanordnung (110) und der Ausgang der zweiten Stromspiegelanordnung (120) sind verbunden und bilden den Ausgang (140) der Stromquellenanordnung.

Der Ausgang der dritten Stromspiegelanordnung (130) ist mit dem Eingang der ersten Stromspiegelanordnung (110) verbunden.

Der Eingang der zweiten Stromspiegelanordnung (120) bildet den ersten Eingang der Stromquellenanordnung (100).

Der Eingang der dritten Stromspiegelanordnung (130) bildet den zweiten Eingang der Stromquellenanordnung (100).

Die verbundenen Ausgänge des ersten Stromspiegels (110) und des zweiten Stromspiegels (120) bilden den Ausgang (140) der Stromquellenanordnung und damit auch den Ausgang des Verstärkers.

3 zeigt als ein weiteres Ausführungsbeispiel die Stromquellenanordnung (100), bei der der Ausgang des dritten Stromspiegels über einen Transistor (170) mit dem Eingang des ersten Stromspiegels verbunden ist. Wird dieser Transistor als ein Transistor ausgeführt, dessen Laststrecke dazu ausgelegt ist, hohe Spannungen zu ertragen, so schützt dieser Transistor den dritten Stromspiegel vor hohen Spannungen. Es somit möglich den dritten Stromspiegel mit Elementen zu realisieren, die nicht notwendigerweise dazu ausgelegt sind, hohe Spannungen zu ertragen. Dieser Transistor (170) kann als NPN, NMOS oder DMOS realisiert werden.

4 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung einer Stromquellenanordnung, die umfasst: eine erste Vorrichtung (174), die dazu ausgebildet ist einen ersten Strom in den Eingang der zweiten Stromspiegelanordnung (120) einzuspeisen, eine zweite Vorrichtung (175), die dazu ausgebildet ist einen zweiten Strom in den Eingang der dritten Stromspiegelanordnung (130) einzuspeisen, eine dritten Vorrichtung (176), die dazu ausgebildet ist einen dritten Strom aus dem Ausgang der dritten Stromspiegelanordnung (130) zu entnehmen.

Diese drei Vorrichtungen speisen Ströme derart in die Stromquellenanordnung ein, dass die Stromspiegelanordnungen (110, 120, 130) jederzeit von einem minimalen Strom durchflossen werden.

Die Vorrichtungen (174, 175,176) sind in 4 als Stromquellen dargestellt. Da sich die Spannung am Eingang eines Stromspiegels, insbesondere wenn dieser mit einem bipolaren Transistor als Eingangsstruktur ausgebildet ist, sich nur sehr wenig ändert, wenn sich der eingeprägte Strom ändert, ist es auch möglich den Strom auf eine andere Art und Weise, beispielsweise mit einem widerstand, oder mit einem Transistor zur Verfügung zu stellen.

Die erste Stromquelle (174), verhindert mit diesem Strom, dass der zweite Stromspiegel in einen Zustand gelangen kann, in dem dieser mit sehr wenig oder ohne Strom betrieben wird. Dieser Zustand ist bei vielen Stromspiegeln kritisch. Bei einem Stromspiegel wie in 6 besteht die Gefahr, dass dieser oszilliert, oder nicht mehr als Stromspiegel funktioniert.

Auch die zweite Stromquelle (175), verhindert mit diesem Strom, dass der dritte Stromspiegel in diesen kritischen Zustand gelangen kann.

Die Stromspiegelanordnungen (110, 120, 130) sind so ausgebildet, dass sie den Strom, der in ihren Eingang eingeprägt wird, an ihrem Ausgang mit einer Verstärkung, die über die Geometrie der Stromspiegelanordnung bestimmt ist, ausgeben. Das hat zur Folge, dass der Strom der zweiten Stromquelle (175), am Ausgang der dritten Stromspiegelanordnung (130) mit einer Verstärkung wieder erscheint. Zwar ist es auch für die erste Stromspiegelanordnung sinnvoll einen Strom einzuspeisen, der den für Stromspiegel kritischen Zustand verhindert, der verstärkte Strom der zweiten Stromquelle (175) ist aber größer als zur Erreichung des Effektes notwendig. Dieser Strom wird ebenfalls durch den ersten Stromspiegel (110) verstärkt und erscheint so am Ausgang des ersten Stromspiegel (110).

Dieser, durch die dritte Stromspiegelanordnung (130) und durch die erste Stromspiegelanordnung (110) verstärkte Strom, ist ein Strom der durch die erste Stromspiegelanordnung mindestens bereit gestellt wird, so dass auch der Ausgang der zweiten Stromspiegelanordnung (120) dazu ausgebildet sein muss, diesen aufzunehmen. Ein Strom, der in einem Pfad von der oberen Versorgungsspannung (900) zur unteren Versorgunkspannung (930) fließt, ohne einen offensichtlichen Nutzen zu haben, wird als Querstrom bezeichnet. Es liegt im erfinderischen Interesse diesen Querstrom nur so groß wie unbedingt nötig werden zu lassen.

Die dritte Stromquelle (176) vermindert einen Querstrom der von dem Ausgang der ersten Stromspiegelanordnung (110) in den Ausgang der zweiten Stromspiegelanordnung fließt, indem sie den Strom der durch die zweite Stromquelle (175) erzeugt wird, geeignet reduziert.

5 zeigt ein Realisierungsbeispiel einer Stromspiegelanordnung wie sie vorteilhaft in einem erfindungsgemäßen Verstärker eingesetzt werden kann. Der Ausgang der Stromspiegelanordnung wird durch einen Kollektor eines Ausgangstransistors (360) gebildet. Dieser Ausgangstransistor stellt am Ausgang (320) einen Strom bereit, der bestimmt ist durch den Strom, der durch eine Eingangsklemme (310) in einen Kollektor eines Eingangstransistors (350) fließt. Da der Eingangstransistor (350) und der Ausgangstransistor (360) einen gemeinsamen Basis- und einen gemeinsamen Emitteranschluss haben, ist der Strom, der durch die ihre Laststrecken fließt, proportional zu den Geometrieverhältnissen dieser beiden Transistoren. Um den Einfluss der Basisströme von bipolaren Transistoren zu reduzieren, ist es bekannt einen weiteren Transistor zwischen den Basisanschluss und dem Kollektoranschluss des Eingangstransistors (350) zu schalten. Die in 5 beschriebene Anordnung, mit einem ersten Impedanzwandler (370), dessen Arbeitspunkt durch eine erste Stromquelle (375) eingestellt wird und einem zweiten Impedanzwandler (380), dessen Arbeitspunkt durch eine zweite Stromquelle (385) eingestellt wird, hat den Vorteil, dass die Spannung an der Eingangsklemme (310) geringer sein kann als bei bisher bekannten Anordnungen. Der Eingang des ersten Impedanzwandlers (370) ist mit dem Kollektor des Eingangstransistors (350) verbunden. Der Eingang des zweiten Impedanzwandlers ist mit dem Ausgang des ersten Impedanzwandlers verbunden. Somit wird die gemeinsame Basis des Eingangstransistors und des Ausgangstransistors derart geregelt, dass die Laststrecken beider Transistoren Ströme führen, die sich nur durch die Geometrieverhältnisse der Transistoren unterscheiden. Durch die diese vorteilhafte Ausgestaltung ist es möglich, das der Eingang dieses Stromspiegels bis auf die gemeinsame Basisspannung absinken kann. Die Kombination der beiden Impedanzwandler, sorgt außerdem dafür, der Ausgangstransistor bis tief in die Sättigung betrieben werden kann, da die Impedanzwandler immer ausreichend Strom zum Betrieb der Basis bereitstellen.

6 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Stromspiegelanordnung wie sie vorteilhaft in einem Verstärker eingesetzt werden kann. Der Ausgang der Stromspiegelanordnung wird durch den Ausgangstransistor (460) gebildet. Dieser Ausgangstransistor stellt am Ausgang 320 einen Strom bereit, der bestimmt ist durch den Strom, der durch die Eingangsklemme 310 in den Eingangstransistor 450 fließt. Da die Transistoren 350 und 360 einen gemeinsamen Basis- und einen gemeinsamen Emitteranschluss haben, ist der Strom der durch die Laststrecken fließt proportional zu den Geometrieverhältnissen dieser beiden Transistoren. Um den Einfluss der Basisströme von bipolaren Transistoren zu reduzieren, ist es bekannt, einen weiteren Transistor zwischen den Basisanschluss und dem Kollektoranschluss des Eingangstransistors 350 zu schalten. Die in 6 beschriebene Anordnung, mit einem ersten Impedanzwandler (410) und einem zweiten Impedanzwandler (420), sowie einer ersten Stromquelle (470) und einer zweiten Stromquelle (480), hat den Vorteil, dass die Spannung an der Eingangsklemme (310) geringer sein kann als bei bisher bekannten Anordnungen.

7, 8 und 9 beschreiben einen Verstärker (650) und die Art und Weise diese sinnvoll vor hohen Spannungen zu schützen und diese bei hohen Spannungen in einem sinnvollen Betriebszustand zu halten. Der Stand der Technik ist es, einen Verstärker in der Art und Weise zu schützen, dass man drei Betriebszustände unterscheiden kann. Im ersten Betriebszustand befinden sich sämtliche Betriebsspannungen im spezifizierten Bereich. Sämtliche Parameter, wie Eingangsspannung, Eingangs-Offset, Ausgangsspannung, Ausgangstreiberfähigkeit usw. befinden sich im optimalen Bereich.

Der zweite Betriebszustand zeichnet sich dadurch aus, dass sich die Betriebsspannungen leicht außerhalb des erlaubten Bereichs befinden. In diesem Bereich sollte der Verstärker zwar noch funktionieren, sämtliche Betriebsparameter dürfen aber außerhalb des erlaubten Bereichs liegen.

Des Weiteren kann der Verstärker einen dritten Betriebszustand annehmen, einen Betriebszustand in dem die Versorgungsspannung weit außerhalb des erlaubten Bereichs liegt. In diesem Bereich ist es oft nur noch möglich den Verstärker lediglich vor seiner Zerstörung zu schützen. Außerdem kann es erforderlich sein, dass bestimmte nach außen hin sichtbare Potentiale in einer bestimmten Art und Weise geklemmt werden. Der Übergang zwischen einzelnen Betriebszuständen dieser Art ist problematisch, da es sich um Betriebszustände von völlig unterschiedlicher Natur handelt. Als besonders problematisch ist der Übergang vom Hochspannungsschutz zum Normalbetrieb herauszustellen. Im geschützten Zustand werden in der Regel sämtliche Knoten der Schaltung an ein technologisch vertretbares Potential geklemmt, so dass die Schaltung nicht zerstört wird. Bei einem Übergang in den Normalbetrieb müssen nun sämtliche geklemmten Knoten so geladen werden, dass sie den Betriebszustand oder den Normalzustand der Schaltung entsprechen. Je nach Größe der treibenden Ströme hat dies eine gewisse Latenzzeit zur Folge. Ist diese Latenzzeit größer als die Übergangszeit vom Hochspannungsfall in den Normalfall, so befindet sich die Schaltung in einem unerlaubten bzw. undefinierten Zustand. Dieser undefinierte Zustand ist natürlich unerwünscht, da er unangenehme Folgen für sämtliche Peripherieschaltungen haben kann.

Ein undefinierter Verstärker kann beispielsweise am Ausgang oszillieren, hohe Spannung zeigen, niedrige Spannung zeigen oder sonstige Effekte zeigen. Dieses undefinierte Verhalten oder dieses Oszillieren etc. kann im schlimmsten Falle auch die Zerstörung peripherer Komponenten zur Folge haben. Aus diesem Grunde muss dieser Zustand weitestgehend vermieden werden.

7 zeigt einen Verstärker, der dazu ausgebildet ist, einen Teil der Spannung, die an der Klemme (651) bereitgestellt wird und durch die Widerstände (661) und (662) geteilt wird, mit einem Faktor, der durch die Widerstände (663) und (664 = bestimmt ist, an der Klemme (652) bereit zu stellen. (671) und (672) sind Strukturen, die dazu ausgebildet, sind die Eingänge des Verstärkers (660) zu schützen. Die Schutzstrukturen (671) und (672) sind derart ausgebildet, dass die Schutzstruktur (672) bei einer etwas höheren Spannung als die Schutzstruktur (671) den Schutz der Eingänge des Verstärkers (660) übernimmt. So ist gewährleistet, dass dem positiven Eingang des Verstärkers (660) immer eine höhere Spannung bereitgestellt wird, als dem negativen Eingang des Verstärkers.

Steigt an der Klemme (651) der Verstärkeranordnung (650) die Spannung über die Spannung an, die für den normalen Betrieb der Verstärkeranordnung vorgesehen ist, so sorgt die Anordnung der Schutzstrukturen (671) und (672) dafür, das der Ausgang (652) der Verstärkeranordnung (650) maximal möglichen Wert annimmt.

Zweckmäßigerweise ist diese Staffelung so gewählt, dass sie sich nahtlos an den normalen Betriebsspannungsbereich des Inverters anschließt, so dass beim Übergang vom normalen Betriebsmodus in den Überspannungsmodus ein kontinuierliches Verhalten frei von Schaltspitzen oder Schwingungen möglich ist. Ebenso ist es dadurch möglich einen kontinuierlichen Übergang vom Überspannungsmodus in den normalen Betriebsmodus frei von Schaltspitzen und Schwingungen zu erhalten. Um das oben beschriebene Verhalten zu erreichen, dass heißt Überspannung am Ausgangspin, wird durch eine Begrenzungsschaltung das Potential am invertierenden Eingang des Verstärkers daran gehindert, über einen gewissen Wert anzusteigen, während das Potential am nichtinvertierenden Eingang noch weiter ansteigen kann. Dadurch entsteht zwischen dem positiven und dem negativen Eingang des Verstärkers eine positive Differenzspannung, die den Ausgang 652 des Verstärkers in die positive Sättigung treibt und somit das gewünschte Überspannungsverhalten zeigt. Um auch den positiven Eingang des Verstärkers vor Überspannung schützen zu können, wird auch an diesem Eingang eine eigene Begrenzungsschaltung benötigt, die allerdings erst bei etwas höheren Spannungen als die erste Begrenzungsschaltung beim negativen Eingang einsetzt. Dadurch entsteht bei sehr hohen Spannungen am Eingang immer eine definierte Differenzspannung zwischen dem positiven und dem negativen Eingang des Verstärkers. Diese Differenzspannung zwischen den beiden Eingängen des Verstärkers sollte klein genug sein, so dass die Eingangsstufen nicht beschädigt werden, aber groß genug seien, um den Verstärker in den definierten Arbeitspunkt zu treiben. Da der Verstärker beim Einsetzen der Begrenzungsschaltungen noch voll funktionsfähig ist, kommt es zu keinerlei Spannungsspitzen oder Stabilitätsproblemen am Ausgangspin.

8 zeigt eine Ausbildung der Schutzstruktur aus 7. (621) ist ein einfacher Verstärker, der über die Klemmen (611) und (612) mit einer Spannung versorgt wird. Übersteigt die Spannung an Klemme (611) einen Wert, der durch die Widerstände (623) und (624) sowie der Spannungsquelle (622) festgelegt wird, so steuert der Verstärker (621) den Transistor (625) derart an, das die Klemmen (613) und (614) der Verstärkeranordnung (610) niederohmig miteinander verbunden sind.

9 zeigt eine Anordnung (600) eines Verstärkers (650) und einer Schutzstruktur (610).

10 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführung eines Verstärkers.

Die Laststrecke des ersten Transistors (210) ist mit dem Eingang des zweiten Stromspiegels (120) verbunden. Die erste Stromquelle (190), die den Gesamtstrom der Ausgangsstufe bestimmt, ist über den zweiten Transistor (230) mit dem Eingang des dritten Stromspiegels (130) verbunden, dessen Ausgang mit dem Eingang des ersten Stromspiegels (110) verbunden ist. Diese Stromquelle (190) ist ebenso mit einem Teil der Laststrecke des ersten Transistors (210) verbunden. Über diese Stromquelle (190) lässt sich der gesamte Strom dieses Verstärkers einstellen. Der zweite Transistor (230) dient dazu, mit seiner Laststrecke den hochohmigen Punkt der ersten Stromquelle (190) von dem niederohmigen Punkt (172) des dritten Stromspiegels (130) zu trennen. Die erste Kapazität (191), die den Ausgang des Verstärkers (140) mit dem Steuereingang (260) des ersten Transistors (210) verbindet, ist als Kompensationkapazität oder als Millerkapazität bekannt. Die Wirkungsweise der Millerkapazität wird in der Grundlagenliteratur der Elektrotechnik [3] erläutert und bedarf keiner weiteren Erklärung. Der Ausgang (140), der gebildet wird durch den ersten Stromspiegel (110) und den zweiten Stromspiegel (120), ist ein so genannter "Rail-to-Rail" Ausgang, dass heißt, dass dieser Ausgang in der Lage ist, Lasten sowohl von der unteren 930 Versorgungsspannung bis hoch zu der oberen (900) Versorgungsspannung zu treiben.

Ausführungsformen solcher besonderer Spiegel sind in den 5 und 6 beschrieben. Diese Spiegel zeichnen sich dadurch aus, dass der Ausgangstransistor (360), (460) bis tief in seine Sättigung betrieben werden kann, da die Regelung dafür sorgt, dass immer ausreichend Strom für die gesättigte Basis zur Verfügung steht. Die niederohmige Anbindung der Basis des Ausgangstransistors sorgt dafür, dass auch bei niedrigen Eingangsströmen der Spiegel schnell ist. Der Spiegel im 5 besteht aus folgenden Komponenten: einem Ausgangstransistor (360), einem geregelten Eingangstransistor (350), einem Impedanzwandler (370), einem weiterem Impedanzwandler (380), einer Stromquelle (375) die den Arbeitsstrom des Impedanzwandlers (370) einstellt und einer Stromquelle (385), die den Arbeitsstrom des Impedanzwandlers (380) einstellt. Der Kondensator 390, 490 zwischen der Basis des Impedanzwandlers (370), (410) und der Basis des Eingangstransistors (350), (450) ist ein Bauelement zur Kompensation und dient zur Stabilisierung der Schaltung. Das Bauelement (390), (490) kann auch aus einer Kombination anderer Bauelemente, beispielsweise Widerstände und Kondensatoren, bestehen.

Der Eingangsstrom wird in den Knoten (310) eingeprägt, der durch den Kollektor des Eingangstransistors (350), der Basis des Impedanzwandlers (370) und einem Anschluss des Elementes (390), (490) gebildet wird.

Der Impedanzwandler (370) stellt nun das Regelpotential, welches am Eingangsknoten (310) hochohmig zur Verfügung gestellt wird, niederohmig an den Knoten dar, welcher durch den Emitter des ersten Impedanzwandlers (370) und der Basis des (380) zweiten Impedanzwandlers (380) gebildet wird, zur Verfügung. Die besondere Konstruktion des Impedanzwandlers ermöglicht es, dass das Potential auch unter die untere Versorgungsspannung (330) gehen kann. Diese Konstruktion ermöglicht es, dass der zweite Impedanzwandler (380) die Basis der Stromspiegelkonstruktion im vollen Arbeitsbereich als Emitterfolger ansteuern kann. Selbstverständlich ist es auch möglich, die in diesem Beispiel bipolaren Transistoren durch gleichwertige äquivalente alternative Bauelemente, beispielsweise MOS-Transistoren zu ersetzen. Ebenso ist es möglich, diesen Spiegel komplementär an einer positiven Versorgungsspannung zu betreiben, indem man sämtliche Transistoren durch ihr Komplement ersetzt. In dem Stromspiegel nach 6 sind die Impedanzwandler (370), (380) durch ihr Komplement (410), (420) ersetzt worden.

Im Beispiel der 5 können (370) und (380) so gewählt werden, dass beide Basis-Emitter-Spannungen gleich groß sind. Damit ist die Basis von (350) auf dem gleichen Potential wie sein Kollektor. Am Beispiel von 6 können (370) und (380) so gewählt werden, dass beide Basis-Emitter-Spannungen gleich groß sind. Damit ist die Basis von (350) auf dem gleichen Potential wie sein Kollektor, was zugleich der Spannung am Eingang (310) dieses Stromspiegels (300) entspricht. Durch diese Dimensionierung können Widerstände in der Schaltung entfallen. Das hat den Vorteil, dass (370) als Spannungsquelle bzw. Impedanzwandler sehr viel niederohmiger wird als in den zitierten Schriften [4], [5]. Durch die steile Ausgangskennlinie eines Bipolartransistors streut zudem dieser Innenwiderstand nur sehr wenig und korreliert außerdem mit den Parametern des Eingangstransistors (350) und des Ausgangstransistors (360), sowohl in der Temperatur als auch bei den Prozessstreuungen. Da bei dem Impedanzwandler (370) der Kollektor des PNP's nicht benutzt wird, kann statt eines lateralen PNP's auch ein vertikaler PNP verwendet werden. Die Verwendung des vertikalen PNP's hat den Vorteil, dass die sehr schlechten Eigenschaften eines lateralen PNP's, wie seine starke Anbindung an das Substrat, sowie seine schlechten Eigenschaften bezüglich der Geschwindigkeit entfallen.

Durch die doppelte Impedanzwandlung der Transistoren (380) und (370) kann der Eingangsstrom des ersten Impedanzwandlers, gebildet durch (370), sehr klein gemacht werden, ohne den Basisstrom von (380) des zweiten Impedanzwandlers unnötig klein dimensionieren zu müssen. Das hat den Vorteil, dass der zweite Impedanzwandler (380) so dimensioniert werden kann, dass sie auch bei extremer Sättigung des Ausgangstransistors (360), diesen treiben kann. Die Schaltung ist somit in der Lage, sowohl bei sehr niedriger Eingangsspannung zu operieren, als auch sehr große Ströme bei niedrigen Ausgangsspannungen treiben zu können. Bei dem Stromspiegel, abgebildet in der 6, sind die Impedanzwandlers durch ihr Komplement vertauscht worden. Auch hier gilt, dass der zweite Transistor (420), in diesem Falle gebildet durch einen PNP-Transistor, mit einem vertikalen PNP realisiert werden kann. Die Stromspiegel zeigen bei einer Ausgangsspannung, bei der sich der Ausgangstransistor nicht in Sättigung befindet, eine Grenzfrequenz die weit oberhalb von 300 MHz liegt. Befindet sich der Ausgangstransistor (460) in sehr tiefer Sättigung, so ist die Grenzfrequenz noch immer weit überhalb 10 MHz.

Das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel hat den besonderen Vorteil, dass die Millerkapazität erheblich kleiner ist als aus bekannten Schaltungen die dem Stand der Technik entsprechen. Die geringe Größe dieser Millerkapazität ist ein herausragendes Merkmal, welches sich aus der erfindungsgemäßen Anwendung ergibt. Bei integrierten Sensoranwendungen, wie Druckaufnehmer, Hallsensoren, GMR-Sensoren und TMR-Sensoren ist die verfügbare Fläche, welche der integrierten Schaltung zur Verfügung steht, im Gegensatz zu herkömmlichen integrierten Schaltungen, durch das vorhandene Gehäuse festgelegt.

Kondensatoren sind in analogen integrierten Schaltungen Bauelemente die in der Regel einen großen Flächenbedarf haben. Kann man die Größe dieser Bauelemente reduzieren, reduziert sich damit auch signifikant die Chipfläche. Bei einer Schaltung die in der Fläche begrenzt ist, stellt somit eine Reduzierung der Kompensationskapazität ein herausragendes Merkmal dieser Schaltung dar. Zur Erläuterung der Funktionsweise dieses Verstärkers, ist es sinnvoll, sich zuerst den Zustand zu betrachten, in dem beide Ausgangsstufen, dass heißt, der Ausgangstransistor des ersten Stromspiegels (110) und der Ausgangstransistor des zweiten Stromspiegels (120) den gleichen Strom tragen. In diesem Zustand ist der Ausgang des Verstärkers quasi neutral, er wird lediglich durch die Ausgangswiderstände des ersten (110) und des zweiten Stromspiegels 120 bestimmt und befindet sich von daher bei einer kapazitiven Last ungefähr in der Mitte des oberen (900) und des unteren (930) Versorgungspotentials. Der nun fließende Strom zwischen dem ersten Stromspiegels und dem zweiten Stromspiegel wird als Querstrom bezeichnet. Da er direkt ohne jeglichen Nutzen von der oberen Versorgungsspannung (900) zur unteren Versorgungsspannung (930) fließt, sollte dieser so klein wie möglich gehalten werden. Dieser Strom wird nun bestimmt durch die erste Stromquelle (190). Nach Maßgabe der Übersetzungsverhältnisse der drei Stromspiegel (110, 120, 130) fliest ein Teil der ersten Stromquelle direkt in den Eingang des dritten Stromspiegels (130). In diesem Stromspiegel wird der Teil des Stromes der ersten Stromquelle mit einem Übersetzungsverhältnis 1:N verstärkt, dieser Strom fließt nun über die Laststrecke in den Eingang des ersten Stromspiegels (110). Der Strom der in den Eingang des ersten Stromspiegels fließt wird ebenfalls von einem Übersetzungsverhältnis 1:M in den Ausgang hineingespeist. Der andere Teil des Stromes aus der ersten Stromquelle fließt über die Laststrecke des ersten Transistors. Die Größe dieses Stromes ist bestimmt durch den Zustand des Steuereinganges dieses ersten Transistors (210). Dieser Teil des Stromes wird im zweiten Stromspiegel (120) mit einem Verstärkungsverhältnis 1:K verstärkt und erscheint am Ausgang (140). Die Größe es Querstromes in den beiden Ausgangstransistoren des ersten (110) und des zweiten Stromspiegels (120) ist somit bestimmt aus der Größe des Stromes aus der ersten Stromquelle (170) und den Übersetzungsverhältnissen 1:N, 1:M und 1:K. Der Strom in den Ausgangstransistoren ist somit nur bestimmt durch einen Referenzstrom und durch die Geometrieverhältnisse der drei Stromspiegel. Die Aufteilung des ersten Transistors (210), der das Steuerelement für die gesamte Stufe darstellt, sollte ein ähnliches Verhältnis aufweisen wie der erste Stromspiegel (110), also ungefähr 1:N. Wird, wie in diesem Ausführungsbeispiel ein NMOS-Transistor verwendet, so bedeutet dies, dass ein Teil des Drain Anschlusses mit der Stromquelle verbunden ist, und N-Teile (220) des Drain Anschlusses an ein frei verfügbares Potential angeschlossen werden können. Ein frei verfügbares Potential könnte in diesem Falle die Versorgungsspannung der integrierten Schaltung sein. Da dieser Strom keinen weiteren Nutzen hat kommt jede Spannung in Betracht die die Funktionsweise der Schaltung nicht einschränkt. Der gesamte Strom des Transistors, also der erste Anteil des Drain-Stromes (210) und N-Anteil (220) des anderen Anschlusses wird über die Source in den Eingang des zweiten Stromspiegels (120) gespeist, und erscheint damit am Ausgang des Verstärkers (140). Wird anstelle des NMOS-Transistors ein NPN-Transistor benutzt, so fließt der gesamte Emitterstrom in den Eingang des ersten Stromspiegels, und die Kollektoren des NPN-Transistors werden nach Maßgabe des Teilungsverhältnisses aufgeteilt. Wird die Steuerspannung am Steuereingang des ersten Transistors erhöht, so fließt durch diesen Steuertransistor mehr Strom.

Dieser erhöhte Strom wird nun durch den zweiten Stromspiegel (120) an den Ausgangstransistor gespiegelt. Da nun der Strom durch den unteren Stromspiegel (120) größer ist als der Strom durch den oberen Stromspiegel (110) wird der Ausgang des Verstärkers nach unten gezogen. Die Erhöhung des Stromes durch den Steuertransistor (210) bewirkt aber auch, dass von dem Strom der ersten Stromquelle (190) weniger Strom für den Betrieb des dritten Stromspiegels (130) zur Verfügung steht. Diese Reduzierung bewirkt, dass weniger Strom in den dritten Stromspiegel (130) eingespeist wird. Somit fließt auch im ersten Stromspiegel (110), d.h. im oberen Stromspiegel, weniger Strom. Eine Erhöhung des Steuerpotentials am Eingangstransistor bewirkt somit eine Erhöhung des Stromes im unteren Stromspiegel (120) und eine Verringerung des Stromes im oberen Stromspiegel (110). Die Reduzierung der Steuerspannung des Steuertransistors bewirkt ähnliches. Der Strom im unteren Stromspiegel (120) sinkt, der Strom im oberen Stromspiegel (110) steigt, so dass der Ausgang 140 nach oben gezogen wird.

Für das Verständnis der Erfindung ist es allerdings notwendig noch einige weitere Grenzfälle zu betrachten. In diesen Grenzfällen spielt die Ausgestaltung der drei Stromspiegel (110, 120, 130) eine besondere Rolle. Wird die Steuerspannung, am Eingangstransistor so weit reduziert, dass dieser Eingangstransistor keinen Strom mehr leitet, so bedeutet dies, dass auch der zweite Stromspiegel keinen Strom mehr leitet. Wie später noch erläutert wird, ist ein stromloser Spiegel ein besonders kritischer Zustand, den es zu vermeiden gilt. Zur Vermeidung dessen ist an dieser Stelle eine weitere Stromquelle (174) eingefügt, die einen minimalen Strom in den Eingang (171) des zweiten Stromspiegels einspeist. Dadurch wird der stromlose Zustand des Spiegels vermieden. Das bedeutet, dass sich dieser Spiegel, immer im aktiven Zustand befindet. Wird der Steuereingang des Eingangstransistors soweit erhöht, dass die Laststrecke des Eingangtransistors (210) den gesamten Strom der Stromquelle trägt, wird der dritte Stromspiegel (130) stromlos und in Folge dessen wird ebenso der erste Stromspiegel (110) stromlos. Der Ausgang wird somit nach unten gezogen. Zur Vermeidung der stromlosen Zustände des dritten Stromspiegels 130 und des ersten Stromspiegels (110) wird am Eingang des dritten Stromspiegels (130) ebenso wie bei dem Eingang des zweiten Stromspiegels (120) ein minimaler Strom eingespeist. Auch dieser minimale Strom (175) verhindert dass der erste Stromspiegel und der dritte Stromspiegel stromlos werden. Da dieser Strom allerdings über zwei Stromspiegel läuft und somit mit dem Verhältnis 1:N vom dritten Stromspiegel verstärkt wird, ist dieser größer als es notwendig wäre um den ersten Stromspiegel im Arbeitspunkt zu halten. Aus diesem Grunde wird an dem Ausgang (173) des dritten Stromspiegels eine weitere Stromquelle (176) eingefügt, die einen weiteren Strom vom Ausgang des dritten Stromspiegels abzieht, so dass der Strom durch den ersten Stromspiegel gerade ausreichend ist um diesen im strombehafteten Zustand zu halten. Fließt der gesamte Strom der ersten Stromquelle durch die Laststrecke des Eingangstransistors, so ergibt sich die besondere Situation, dass der zweite Transistor stromlos wird. Der Wechsel des zweiten Transistors (230) vom Stromdurchflossenen Zustand in den stromlosen Zustand, bedeutet dass der Eingangstransistor (210) nun nicht mehr die niedrige Impedanz des Eingangs (172) des dritten Stromspiegels sieht, sondern die hohe Impedanz der ersten Stromquelle (190). Ein solch schlagartiger Wechsel der Impedanz des Eingangstransistors hat zur Folge, dass die Schaltung zwischen diesen beiden Betriebszuständen hin und her wechselt. Es ist an dieser Stelle eine Schwingung zu beobachten, die sich durch die gesamte Schaltung bis zum Ausgang fortpflanzt. Zur Vermeidung dessen, wird die Stromquelle (190) mit einer Kapazität (240) mit dem Eingang (172) des dritten Stromspiegels verbunden. Das hat zu Folge, dass zumindest für hohe Frequenzen, die Laststrecke des Steuertransistors (120) wieder die niedrige Eingangsimpedanz des dritten Stromspiegels (130) sieht. Schwingungen die damit auftreten können werden somit unterdrückt. Eine ähnliche Situation liegt bei einem Stromspiegel vor, der stromlos wird.

100
Stromquellenanordnung
105
Transistor
110
erste Stromspiegelanordnung
120
zweite Stromspiegelanordnung
130
dritte Stromspiegelanordnung
140
Ausgang der Stromquellenanordnung 100
150
erster Eingang der Stromquellenanordnung 100
160
zweiter Eingang der Stromquellenanordnung 100
170
Transistor
171
erste Anschlussklemme zur Einspeisung eines Stromes
172
zweite Anschlussklemme zur Einspeisung eines Stromes
173
dritte Anschlussklemme zur Einspeisung eines Stromes
174
erste Vorrichtung zur Einspeisung eines Stromes
175
zweite Vorrichtung zur Einspeisung eines Stromes
176
dritte Vorrichtung zur Entnahme eines Stromes
181
Transistor
182
Transistor
183
Transistor
184
Transistor
185
Transistor
186
Transistor
190
Transistor
191
Kondensator
210
erster Transistor
220
Transistor
230
zweiter Transistor
240
Kompensationselement, Kapazität
250
erste Anschlussklemme zur Bereitstellung eines Stromes
260
Anschlussklemme
300
Stromspiegelschaltung
310
Anschlussklemme zur Einspeisung eines Stromes
320
Anschlussklemme zur Entnahme eines Stromes
330
Anschlussklemme zur Bereitstellung einer Versorgungs
spannung
350
Eingangstransistor
360
Ausgangstransistor
370
erster Impedanzwandler
375
erste Stromquelle
380
zweiter Impedanzwandler
385
zweite Stromquelle
390
Kompensationelement
410
erster Impedanzwandler
420
zweiter Impedanzwandler
450
Eingangstransistor
460
Ausgangstransistor
470
erste Stromquelle
480
zweite Stromquelle
490
Kompensationselement
600
Verstärker mit Schutzanordnung
610
Schutzanordnung
611
Anschlussklemme zur Bereitstellung einer Versorgungsspannung
612
Anschlussklemme zur Bereitstellung einer Versorgungsspannung
613
erste Anschlussklemme
614
zweite Anschlussklemme
621
Verstärker mit Stromausgang (Operational Transconductance Amplifier) OTA
622
Referenzspannungsquelle
623
erster Widerstand
624
zweiter Widerstand
625
Transistor
650
Verstärker mit Aussenbeschaltung
651
Anschlussklemme zur Bereitstellung einer Versorgungsspannung
652
Anschlussklemme; Ausgang des Verstärkers
653
Anschlussklemme zur Bereitstellung einer Versorgungsspannung
660
Verstärker
661
erster Widerstand
662
zweiter Widerstand
663
dritter Widerstand
664
vierter Widerstand
671
erste Schutzstruktur
672
zweite Schutzstruktur
900
Anschlussklemme zur Bereitstellung einer Versorgungsspannung
910
Anschlussklemme zur Bereitstellung einer Spannung
920
Anschlussklemme zur Bereitstellung einer Spannung
930
Anschlussklemme zur Bereitstellung einer Versorgungsspannung
1010
p-leitender Transistor
1020
n-leitender Transistor
1030
n-leitender Transistor in Emitter, bzw. Source Anordnung
1040
p-leitender Transistor in Emitter, bzw. Source Anordnung
1050
Stromquelle
1060
Spannungsquelle
1090
Kompensationselement
1040
Verstärker mit Stromausgang (Operational Transconductance Amplifier) OTA
1100
Anschlussklemme zur Bereitstellung einer oberen Versorgungsspannung
1200
Anschlussklemme zur Bereitstellung einer unteren Versorgungsspannung
1300
Anschlussklemme zur Bereitstellung einer Eingangsspannung
1400
Anschlussklemme zur Bereitstellung einer Eingangsspannung
1600
Anschlussklemme zur Bereitstellung einer Spannung


Anspruch[de]
Verstärker mit folgenden Merkmalen:

– einer Stromquellenanordnung (100) mit einem Ausgang (140), einem ersten Eingang (150) zur Zuführung eines ersten Stromes und einem zweiten Eingang (160) zur Zuführung eines zweiten Stromes, die dazu ausgebildet ist, einen Strom am Ausgang (140) auszugeben, der abhängig ist von der Differenz zwischen dem ersten und zweitem Strom,

– einem ersten Transistor (210) mit zwei Laststreckenanschlüssen und einem Steueranschluss (260), dessen erster Laststreckenanschluss mit dem ersten Eingang (150) der Stromquellenanordnung (100) verbunden ist,

– einem zweiten Transistor (230) mit zwei Laststreckenanschlüssen und einem Steueranschluss, dessen erster Laststreckenanschluss mit dem zweiten Eingang (160) der Stromquellenanordnung (100) verbunden ist und dessen zweiter Laststreckenanschluss mit dem zweitem Laststreckenanschluss des ersten Transistors (210) verbunden ist,

– einer Kapazität (240) mit zwei Anschlüssen, dessen erster Anschluss mit dem ersten Laststreckenanschluss des zweiten Transistors (230) verbunden ist und dessen zweiter Anschluss mit dem zweiten Laststreckenanschluss des zweiten Transistors (230) verbunden ist.

– wobei der Steueranschluss (260) des ersten Transistors (210) den Eingang der Verstärkerschaltung bildet,

– wobei der Knoten (250), der durch die Verbindung des zweiten Laststreckenanschlusses des ersten Transistors (210) und dem zweiten Laststreckenanschluss des zweiten Transistors (230) entsteht, dazu dient einen Strom einzuspeisen.
Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, bei der die Stromquellenanordnung (100) aus drei Stromspiegelanordnungen mit je einem Eingang zur Zuführung eines Stromes und je einem Ausgang besteht, der dazu ausgebildet ist, einen Strom auszugeben, der abhängig ist von dem Strom in den Eingang, wobei

– der Ausgang der ersten Stromspiegelanordnung (110) und der Ausgang der zweiten Stromspiegelanordnung (120) verbunden sind und damit den Ausgang der Stromquellenanordnung bilden,

– der Ausgang der dritten Stromspiegelanordnung (130) mit dem Eingang der ersten Stromspiegelanordnung (110) verbunden ist,

– der Eingang der zweiten Stromspiegelanordnung (120) den ersten Eingang (150) der Stromquellenanordnung (100) bildet, und

– der Eingang der dritten Stromspiegelanordnung (130) den zweiten Eingang (160) der Stromquellenanordnung bildet.
Verstärker nach Anspruch 2, mit einer ersten Vorrichtung (174), die dazu ausgebildet ist, einen ersten Strom in den Eingang (171) der zweiten Stromspiegelanordnung (120) einzuspeisen, mit einer zweiten Vorrichtung (175), die dazu ausgebildet ist, einen zweiten Strom in den Eingang (172) der dritten Stromspiegelanordnung (130) einzuspeisen und mit einer dritten Vorrichtung (176), die dazu ausgebildet ist, einen dritten Strom aus dem Ausgang (173) der dritten Stromspiegelanordnung (130) zu entnehmen. Verstärkerschaltung nach Anspruch 3, mit einem dritten Transistor (220) mit zwei Laststreckenanschlüssen und einem Steueranschluss, dessen erster Laststreckenanschluss mit dem ersten Eingang der Stromquellenanordnung (150) verbunden ist, und wobei der Steueranschluss mit dem Eingang (260) des Verstärkers verbunden ist.






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