DE3034507C2 - CMOS-Verstärker - Google Patents
CMOS-VerstärkerInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen CMOS-Verstärker mit
zwei Eingangs-MOS Transistoren eines ersten Kanaltyps, deren Source-Elektroden zusammengeschaltet
sind, während ihre Gate-Elektroden zur Abnahme eines Differentialeingar.gssignals zwischen sich geschaltet
jind. mit wenigstens zwei Last-MOS-Transistoren eines zweiten Kanaltyps, deren Drain-Elektroden mit den
Drain-Elektroden der Eingangs-MOS-Transistoren verbunden
sind, wobei de Gate-Elektroden der Last-MOS-Transistoren mit der Drain-Elektrode des ersten
Eingangs-MOS-Transistors verbunden ist.
Es sind bereits verschiedene Lese- oder Meßverstärker unter Verwendung von MOS-Transistoren entwikkelt
worden, Derartige Verstärker lassen sich in zwei Arten einteilen, nämlich in einen dynamischen und einen
statischen Typ, Dynamische Meßverstärker können ein sehr kleines Differential-Eingangssignal von wenigen
Millivolt mit hoher Geschwindigkeit unter Verwendung Von Taktimpulsen verstärken. Dagegen können statische
Verstärker nicht mit Taktimpulsen arbeiten, so daß es mit ihnen schwierig ist, das sehr kleine Differential-Eingangssignal
mit hoher Geschwindigkeit zu verstärken. Von den statischen Meßverstärkern vermögen
jedoch sogenannte statische CMOS-Verstärker, die komplementäre MOS-Transistoren verwenden, eine
Signalverstärkung mit vergleichsweise hoher Geschwindigkeit durchzuführen.
Als Beispiel für einen bisherigen CMOS-Meßverstärker sei ein CMOS-Verstärker genannt, der üblicherweise
auch für die lineare Verstärkung oder AnMogsignalverstärkung eingesetzt wird. Wie von Osamu Minato
u. a. in »A High-Speed Low-Power Hi-CMOS 4K Static RAM«, IEEE Transactions on Electronic Devices,
ED-26, Nr. 6, Juni 1979, beschrieben oder wie aus der US-PS 40 48 575 bekannt, umfaßt dieser Verstärker
einen ersten und einen zweiten Source-gekoppelten n-Kanal-Eingangs-MOS-Transistor sowie einen ersttn
und einen zweiten n-Kanal-Last-MOS-Transistor, deren
Drain-Elektroden mit den Drain-Elektroden von erstem bzw. zweitem Eingangs-MOS-Transistor verbunden
sind. Die Gate-Elektroden von erstem und zweitem Last-MOS-Transistor sind gemeinsam an die Drain-Elektrode
des ersten Eingangstransistors angeschlossen, und ein Differential-Eingangssignal wird zwischen
den Gate-Elektroden der beiden Eingangstransistoren angelegt.
Bei einem solchen Meßverstärker variieren die Drain-Spannungeo der beiden Erngangstransistoren nicht symmetrisch in bezug auf einen bestimmten Spannungspegel, weil eine Last schaltung einen unsymmetrischen Aufbau besitzt. Die Drain-Spannung (eine Ausgangsspanrmng des Meßverstärkers) des zweiten
Bei einem solchen Meßverstärker variieren die Drain-Spannungeo der beiden Erngangstransistoren nicht symmetrisch in bezug auf einen bestimmten Spannungspegel, weil eine Last schaltung einen unsymmetrischen Aufbau besitzt. Die Drain-Spannung (eine Ausgangsspanrmng des Meßverstärkers) des zweiten
in Eingangstransistors kann abhängig von der Amplitude
des Eingangssignals zwischen einem Spannungspegei Vxs(Source-Spannungpege! der beiden Eingangstransistoren
— typischerweise Massepegel) und einem Spannungspegel VVwiSource-Spannungspegel der beiden
Lasttransistoren — tvpischerweise 5 V) variieren.
Demzufolge kann dieser Meßverstarker vorteilhaft dazu benutzt werden, ein klune*. Signal unmittelbar zu
einem großen Signal /υ versii.'ken. Diese große
Verstärkung bedingt jedoch eine betrachtliche Verstärkungsverzögerung.
w;il eine Sireukapa/ität an einen
Knotenpunkt zwisi hen dem /wen · lingdngstransisto'
und dem /weiten !..i1.'transistor »'!gekoppelt ist.
Zur Vermeid iry dieser \ -si !rk.,ngsver/ogerung
empfiehlt es sur· iiie /w.'iMi ; e· Verstärkung vorzunehmen,
bei weiche ein k!ci. ·"· vjrnj! (o:wa 0.5 V
zunächst zu emeri rnittierrr Si(T .ι1 (etwa : V ι verstärkt
wird, das dann :h einem groLVi Signal (3-5 V)
verstärkt wird Kin Verstärker mit einem Lastkreis mit
unsymmetrischer Konfiguration wird vorzugsweise al*
5n Vorstufenverstärker eingesetzt, um einen Differential-Verstärker
als /weistufen-Verstärker /u benutzen und
eine ausgeglichene b/w. symmetrische Kopplung zwischen diesen beiden Verslärkern n\ erreichen.
Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die
Schaffung eines CMOS-Verstärkers, der symmetrisch mit einem üifferentialverstärker koppelbar ist und bei
dem eine kleinere Verstärkungsverzögerung auftritt.
Ausgehend von dem CMOS-Verstärker der eingangs definierten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß zu jedem Last-MOS-Transistor ein Weiterer Last-MÖS-Transistor des zweiten Kanaltyps
mit seiner Source-Drain-Strecke parallel geschaltet ist, und daß die Gate-Elektroden der weiteren Last-MOS-Transistoren
mit der Drain-Elektrode des zweiten Eingangs-MOS-Transislofs verbunden sind.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2
bis 5.
Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert Es
zeigt
Fig. 1 einen CMOS-Meßverstärker mit Merkmalen nach der Erfindung und
F i g. 2 ein Schaltbild eines statischen Randomspeichers unter Verwendung des CMOS-Meßverstärkers
gemäß der Erfindung.
Gemäß Fig. 1 weist ein CMOS-Lese oder -Meßverstärker
gemäß der Erfindung zwei Eingangs-MOS-Transistoren Tl und T2 eines ersten Kanaltyps (als
ri-Kanaltyp dargestellt) und vier Last-MOS-Transistoren
TL I-TL 4 eines zweiten Kanaltyps (als p-Kanaltyp
dargestellt) auf. Die Eingangstransistoren Ti und 72 sind mit ihren Source-Eiektroden gemeinsam an
eine Bezugspotentialquelle Vss (z. B. Masse) und mit ihren Gate-Elektroden an zwei Eingangssignal- oder
Ziffernleitungen 11 bzw. 12 angeschlossen, die mit den jeweiligen komplementären Ausgengen von Speicherzelten
verbunden sind. Das eine Paar von Lasttransistoren TL 1 und TL 2 ist mit den Source-Elektroden
gemeinsam an eine Potentialquelle Vdd (typischerweise
+ 5V) angeschlossen, während ihre Drain-Elektroden gemeinsam mit der Drain-Elektrode des Eingangstransistors
TX verbunden sind. Die beiden anderen Lasttransistoren TL 3 und TL 4 sind mit ihren
Source-Elektroden gemeinsam an die PotentialqueHe Vdd angeschlossen und an ihren Drain Elektroden
gemeinsam mit der Drain-Elektrode des Eingangstran sistors T2 verbunden. Ein Knotenpunkt bzw. eine
Verzweigung 21 zwischen Eingangstransistor Ti und Lasttransistoren TL i und TL2 sowie ein Knotenpunkt
bzw. eine Verzweigung 22 zwischen dem Eingangstransistor T2 und den Lasttransistoren TL 3 und TL 4 sind
an Ausgangsleitungen 31 bzw. 32 angeschlossen. Die Gate-Elektroden der Lasttransistoren TL 1 und TL 3
sind mit der Ausgangsleitung 31 und die Gate-Elektroden der Lasttransistoren TL2. TL4 sind mit der
Ausgangsieitung 32 verbunden. Alle verwendeten Transistoren sind vom Anreicherungstyp.
Im folgenden ist die Arbeitsweise des CMOS-Meßverstärkers
gemäß F ι g 1 erläutert. Dabei sei angenommen. drfLS jeder n-Kanal-Transistor eine Schwellenwertspannung
von etwa +0.6 V und 'eder p-Kanal-Transistor eine solche von etwa -0,6 V besitzt. Weiterbin
bcs.ven die Lasttransistoren TL1-TL4 jeweils ein
gleii-hes Verhältnis von Kanalbreite zu Kanallänge.
Wenn sich an die Eingangssignalleitungen 11 und 12 angeschlossenen Speicherzellen nicht in der Lese-Betriebsart
befinden, werden die Gate-Elektroden der Eingangstransistoren 7*1 und 7*2 jeweils auf einem
vorgegebenen Potential von z. B. +3 V gehalten. Dies bedeutet, daß das Differentialeingangssignal Null Volt
beträgt. Dabei sind die Potentiale der Ausgangsleitungen 31 und 32 gleich groß. z. B. etwa 2,5 V. so daß die
Differenz- bzw Differentialausgangsspannung Null Volt beträgt.
Wenn aus einer der an die Eingangssignalleitungen 11
und 12 angeschlossenen Speicherzellen Daten ausgelesen werden sollen, wird das Potential der einen eo
Eingangssignalleitung 11 bzw. 12 von 3 V auf 2,5 V reduziert, und zwar abhängig davon, ob die betreffende
Dateneinheit eine »1« oder eine »0« ist. Beispielsweise wird das Potential auf der Signalleitung 12 verringert,
wenn die Däteneinheit eine »1« ist Zum besseren Verständnis der Arbeitsweise sei zunächst angenommen,
daß die Lasttransistoren TLi und TL 4 nicht vorhanden sind. Bei einer Herabsetzung des Gate-Potentials
des Eingangstransistors T2 steigt die Drain-Spannung des Transistors T2 an. Infolgedessen wird die
Gate-Source-Spannung des Lasttransistors TL 2 verringert, wodurch die Drain-Spannung des Eingangstransistors
Tl herabgesetzt wird. Die Verringerung der Drain-Spannung des Eingangstransistors Ti führt zu
einem Anstieg der Drain-Source-Spannung des Lasttransistors TL 3. Infolgedessen steigt die Drain-Spannung
des Eingangstransistors T2 weiter an, während die Drain-Spannung des Eingangstransistors Ti weiter
abnimmt Durch die Kreuz- bzw. Querverbindung der Gate-Elektroden der Lasttransistoren TL 2 und TL 3
mit den Drain-Elektroden der Eingangstransistoren T2 und 7Ί wird nämlich eine positive Rückkopplung
(Mitkopplung) bewirkt, durch welche die Verstärkung des Meßverstärkers erheblich erhöht wird. Mit anderen
Worten: der aus den Eingangstransistoren 7*1 und 7*2 sowie den Lasttransistoren TL 2 und TL 3 bestehende
Meßverstärker führt eine Arbeit .-eise durch, die einer
Flip-Flop-Operation ähnelt und mi; e!ner beträchtlichen
Verstärkungsverzögerung behaftet ist
Die Lasttransistoren TL 1 und TL 4 gewährleisten eine negative Rückkopplung bzw. GegenKopplung.
Insbesondere wird durch den Lasttransistor TL 1 die erhebliche Verringerung der Drain-Spannung des
Eingangstransistors Tl verhindert weil die Abnahme der Drain-Spannung des Eingangstransistors Tl zu
einem Anstieg der Source-Gate-Spannung des Lasttransistors TL 1 führt, wodurch die Drain-Spannung des
Eingangstransistors T 1 erhöht wird. Die Erhöhung der Drain-Spannung des Eingangstransistors Tl bewirkt
einen Abfall der Source-Gate-Spannung des Lasttransistors TL 1, wodurch die Drain-Spannung des Eingangstransistors Tl verringert wird. Dasselbe gilt für den
Eingangstransistor Γ2 und den Lasttransistor TL 4.
Da die durch die Lasttransistoren TL 2 und TL 3 gewährleistete positive Rückkopplung und du durch die
Lasttransistoreri TL 1 und TL 4 bewirkte Gegenkopplung,
wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, einander aufheben, kann der erfindungsgemäße
Meßverstärker so ausgelegt sein, daß er eine Verstärkung besitzt, die nahezu mit keiner Verstärkungsverzögerung
behaftet ist. Wenn beispielsweise ein Differentialeingangssignal von 0.5 V zwischen die bingangssignalleitungen
11 und 12 angelegt wird, erscheint zwischen den Ausgangsleitungen 31 und 32 eine
Differentialausgangsspannung von etwa I V. Auch wenn die Schwellenwertspannung und die effektive
Kanallänge der verwendeten Transistoren aufgrund der Fertigung von einem Sollwert abweichen, kann der
erfindungsgemäße Meßverstärker aufgrund der Gegenkrpplungswirkung
stabil arbeiten. Darüber hinaus kann mit dem erfindungsgemäßen Meßverstärker eine
Ausgangsspannung bis hinauf zur Speisespannung \'ηυ
an der Ausgangsleitung 31 oder 32 erhalten werden, wenn das Eingangssignal groß ist.
F i g. 2 ist ein Schaltbild eines MOS-Randomspeichers
unter Verwendung eines CMOS-Meßverstärkers 200 gemäß der Erfindung= Gemäß F i g. 2 sind Speicherzellen
100 in einer Matrixanordnung aus m Zeilen und η
Spalten angeordnet, jede Speicherzelle besteht aus "ier
n-Kanal-Transistoren Qi,Q2,Q5 und Q6 sowie zwei
p-KanaKTransistoren Q 3 und Q 4, die in herkömmlicher
Weise geschaltet sind. Bei der dargestellten Schaltung sind die Speicherzellen an Wortleitungen Wi
(7=1, 2 m) angeschlossen. Weiterhin sind die_
Speicherzellen mit Ziffernleitungspaaren Dj und Dj (7=1, 2 n) verbunden. Die Wortleitungen VW
werden durch einen Zeilendekodierer 300 selektiv angesteuert. Die Ziffernleilungspaafe DJ und Dj sind
über Lastvorrichtungen LjX bzw. Lj2 mit einer
StromquellcnklcmiTie (+ 5 V) verbunden. Die Ziffernleitungen
Dj und D/sind über MOS-Transistoren TWj X
bzw. TWjI für Einschreibwahl an Eingangsdatenleitungen
DIN bzw. DIN angeschlossen, die ihrerseits mit einer Einschreibschaltung 500 verbunden sind. Die
Gate-Elektroden der Einschreibwahl-Transistoren TWj 1 und TWj2 werden selektiv und gemeinsam durch
ein Ausgangssignal Yj eines Spallendekodierers angesteuert.
Der Meßverstärker 200 umfaßt zwei n-Kanal-Eingangstransistoren
TjX und Tj2, deren Gate-Elektroden
mit den beiden Ziffernleitungen Dj bzw. Dj verbunden sind, während ihre Source-Elektroden gemeinsam an
Masse liegen und ihre Drain-Elektroden über n-Kanal-Scha!'.transis'.or?n
-Sj i »nrf -S/2 nn eine erste bzw. eine
zweite Ausgangsklemme 21 bzw. 22 angeschlossen sind. Die erste Ausgangsklemme 21 ist mit den Drain-Elektroden
eines ersten und eines zweiten p-Kanal-Transistors TLi bzw. TL 2 verbunden, während die zweite
Ausgangsklemme 22 an die Drain-Elektroden eines dritten und eines vierten p-Kanal-Lasttransistors TL 3
bzw. TL 4 angeschlossen sind. Die Source-Elektroden der Lasttransistoren TLl bis TL 4 sind mit einer
Stromquelle von z. B. 5 V verbunden. Die Gate-Elektroden von erstem und drittem Lasttransistor TL 1 bzw.
TL 3 sind mit der ersten Ausgangsklemme 21 verbunden, während die Gate-Elektroden des zweiten und des
vierten Lasttransistors TL 2 bzw. TL 4 an die zweite Ausgangsklemme 22 angeschlossen sind. Die Gate-Elektroden
der Schalttransistoren Sj 1 und Sj 2 werden gemeinsam durch das Ausgangssignal Vydes Spaltendekodierers
400 angesteuert. Die Ausgangsklemmen 21 und 22 des CMOS-Meßverstärkers 200 sind an die
Eingangsklemmen eines nachgeschalteten Differentialverstärkers 600 angeschlossen.
Bei der vorstehend beschriebenen Randomspeicherschaltung befinden sich in der Lesebetriebsart beide
Eingangsdatenleitungen DIN und DlN auf dem hohen Pegel (5 V). Wenn die Spalte j selektiv angewählt wird,
besitzt das Ausgangssignal Yj des Spaltendekodierers
400 den hohen Pegel (5 V). Infolgedessen ist einer der Einschreibwähltransistoren TWjX bzw. TWj2 gesperrt,
während der andere als Last mit niedriger Konduktanz wirkt. Die Schalltransisloren SjX und Sj2 sind
durchgeschaltet. Die Eingangstraiisistoren TjX und T/2
sowie die Lasttransisloren TLX bis TL 4 bilden den Meßverstärker gemäß F i g. I.
ίο Bei der Randomspeicherschaltung gemäß F i g. 2 wird
ein sehr kleines Differentialeingangssignal (etwa 0,5 V), das aus einer der Speicherzellen ausgelesen wird, durch
den erfindungsgemäßen Meßverstärker 200 schnell zu einem Differentialausgangssignal mittlerer Amplitude
(etwa 1 V) verstärkt, worauf dieses Differentialausgangssignal mittlerer Amplitude durch den nachgcschalteten
Differentialverstärker 600 zu einem Ausgangssignal großer Amplitude (3 bis 5 V) verstärkt wird.
Für die Realisierung eines Hochgeschwindigkeitsbetriebes des CMOS-Meßverstärkers 200 ist es wünschenswert,
daß das Verhältnis (ßi) von Kanalbreite zu kanallänge der p-Kanal-Lasttransistoren TL X bis TL 4
größer ist als das Verhältnis (ßo) von Kanalbreite zu Kanallänge der n-Kanal-Eingangstransistoren. Je größer
das Verhältnis ßdßo ist. um so kleiner ist die
Amplitude des an den Ausgangsklemmen erscheinenden .Oifferentialausgangssignals. Im Gegensatz dazu
erhöht sich die Verstärkungsgeschwindigkeit des Meßverstärkers mit zunehmendem Verhältnis von
/J/Z/JobeigleichblfiibenderGroBe/Ja
Weiterhin kann die Verstärkung, d. h. der Vcrslärkungsgrad,
des Meßverstärkers wie folgt erhöht werden: Das Verhältnis ßi u von Kanalbreite zu
Kanallänge jpdes p-Kanal-Lastlransistors TLX und
TL4 wird gegenüber dem Verhältnis ßLn von Kanalbreite
zu Kanallänge jedes p-Kanal-Lasttransistors TL 2 und TL 3 unterschiedlich gewählt, und zwar so. daß
das erstere Verhältnis kleiner ist als letzteres. Auf diese Weise kann die Verstärkung im Sinne einer Erhöhung
4t> so eingestellt werden, daß die Verstärkungsgeschwindigkeit
nicht entsprechend abnimmt.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. CMOS-Verstärker mit zwei Eingangs-MOS-Transistoren
eines ersten Kanaltyps, deren Source-Elektroden zusammengeschaltet sind, während ihre
Gate-Elektroden zur Abnahme eines Differentialeingangssignals zwischen sich geschaltet sind, mit
wenigstens zwei Last-MOS-Transistoren eines zweiten Kanaltyps, deren Drain-Elektroden mit den
Drain-Elektroden der Eingangs-MOS-Transistoren verbunden sind, wobei die Gate-Elektroden der
Last-MOS-Transistoren mit der Drain-Elektrode des ersten Eingangs-MOS-Transistors verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, daß zu jedem Last-MOS-Transistor (TLl, 7X3) ein weiterer
Last-MOS-Transistor (TL 2, TLA) des zweiten Kanaltyps· mit seiner Source-Drain-Strecke parallel
geschalte·, ist, und daß die Gate-Elektroden der weiteren Last-MOS-Transistoren (TL 2, TL A) mit
der Drain-Elektrode des zweiten Eingangs-MOS-Transistors (T2) verbunden sind.
2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß erster und zweiter Kanaltyp der n-Kanaltyp bzw. der p-Kana,typ sind.
3. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Kanalbreite zu
Kanallange von erstem bis viertem Last-MOS-Transistor (TL 1 - TL 4) größer ist als dasjenige der
beiden Eirigangs-MOS-Transistorenf7"l, 7"2).
4. Verstärker nac'. Ansp jch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Verhältnisse von Kanalbreite zu Kanallänge von erstem ois vi<
tem Last-MOS-Transistor (TLl-TLA) jeweils praktisch gleich groß
sind.
5. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Verhältnis von Kanalbreite zu Kanallänge von erstem und viertem Last-MOS-Transistor
(TL 1, TL A) kleiner ist als dasjenige von zweitem und drittem Last MOS-Transistor (TL2.
TL 3).
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