Die Erfindung betrifft einen differentiellen, komplementären Verstärker nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Verstärker dienen der Verstärkung differentieller analoger oder digitaler Eingangssignale. Sie weisen einen breiten An- wendungsbereich auf und eignen sich insbesondere zur Verstärkung hochfrequenter Signale mit Datenraten bis in den Gbit/s-Bereich.

Aus der Druckschrift US-A-4937476 ist ein differentieller Verstärker mit zwei parallel angeordneten Verstärkerzweigen bekannt, die jeweils ein Paar CMOS Transistoren aufweisen.

Ein drittes Paar CMOS Transistoren steuert die Stromzufuhr für die beiden Verstärkerzweige und stellt deren Arbeitspunkt ein. Der Ausgang der miteinander verbundenen Drain-Anschlüsse des ersten Verstärkerzweigs liegt dazu an den Gate- Anschlüssen des dritten CMOS-Transistorpaars. Der bekannte Verstärker stellt zu einer an den Gate-Anschlüssen der beiden Verstärkerzweige anliegenden Differenzspannung am Ausgang des zweiten Verstärkerzweigs eine Ausgangsspannung zur Verfügung.

Die Druckschrift US-A-4958133 beschreibt einen differentiellen, komplementären Verstärker mit parallel angeordneten CMOS-Verstärkerzweigen. Es wird eine verbesserte Gegenkopplung beschrieben, die ein hohes Maß an Gleichtaktunterdrückung und eine hohe Spannungsverstärkung für differentielle Signale bereitstellt.

Bei den aus den beiden genannten Druckschriften bekannten differentiellen Verstärkern dient stets ein Zweig des Verstärkers allein der Arbeitspunktstabilisierung und der andere Zweig des Verstärkers als eigentlicher Verstärker.

Dadurch wird die Verstärkung bei relativ großer Stromaufnahme

begrenzt. Die obengenannten Verstärkerschaltungen weisen außerdem jeweils nur einen"single ended"-Ausgang auf. Dies verhindert eine einfache Serienschaltung mit einer zweiten Differenzverstärkerstufe.

Ein weiterer differentieller, komplementärer Verstärker mit zwei Verstärkerzweigen ist in der US-A-6028467 beschrieben.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen differentiellen, komplementären Verstärker zur Verfügung zu stellen, der bei hoher Bandbreite und geringer Stromaufnahme eine relativ hohe Verstärkung be- reitstellt und eine einfache Zusammenschaltung von mehreren Verstärkerstufen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen differentiellen Verstärker mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Danach ist vorgesehen, daß bei einem differentiellen Verstärker mit zwei Verstärkerzweigen der zweite Verstärker- zweig gegenüber dem ersten Verstärkerzweig gegensinnig be- trieben wird, die Ausgänge der beiden Verstärkerzweige einen differentiellen Ausgang bilden und jeweils über einen Lastwi- derstand in einem Knotenpunkt miteinander verbunden sind.

Über die an diesem Knotenpunkt anliegende Spannung wird der Arbeitspunkt der beiden Verstärkerzweige eingestellt. Erfin- dungsgemäß ist die differentielle Last dabei in zwei Einzel- widerstände aufgeteilt und dient die zwischen den Einzelwi- derständen anliegende Spannung zur Einstellung des Arbeits- punktes der Verstärkerzweige. Durch die Variation der Widerstandswerte der Lastwiderstände können die Bandbreite und die Verstärkung beeinflußt werden.

Aufgrund des Umstandes, daß die Verstärkerzweige gegeneinander arbeiten, werden an den jeweiligen

Verstärkerzweigen anliegende Spannungsdifferenzen mit doppelter Amplitude verstärkt. Dementsprechend liegt eine hohe Verstärkung vor. Die Einstellung des Arbeitspunktes der beiden Verstärkerzweige über die an dem Knotenpunkt zwischen den beiden Lastwiderständen der Verstärkerzweige anliegende Spannung ermöglicht eine genaue Einstellung des Arbeitspunk- tes, da die Spannung an dem Knotenpunkt fast keine Wechselan- teile aufweist. Aufgrund der symmetrischen Schaltungsdimensionierung stellt sich dabei eine Spannung in Höhe der halben Betriebsspannung (Vdd/2) ein. Des weiteren ist die Arbeitspunkteinstellung aufgrund der erfolgenden Rückkopplung self-biased".

Der Verstärker verfügt erfindungsgemäß über einen differentiellen Ausgang, d. h. die Differenz der Spannungen an den Ausgangsknoten des Verstärkers kann weiteren Verstärkerstufen zur Verfügung gestellt werden. Dies ermöglicht eine einfache Zusammenschaltung von mehreren Verstärkerstufen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verstärker dienen beide Verstärker- zweige als Verstärker und wird aus beiden Zweigen ein Signal zur Arbeitspunktstabilisierung abgeleitet, so daß eine voll differentielle, hochsymmetrische Verstärkerschaltung vorliegt. Damit wird bei kleinerer Stromaufnahme eine wesentlich höhere Verstärkung als bei bekannten differentiellen Verstärkern erzielt. Zusätzlich kann eine sehr kleine Versorgungsspannung von kleiner als 2 Volt vorge- sehen werden, wie sie bei modernen CMOS Technologien mit Strukturbreiten kleiner als 0,2 Mikrometer erforderlich ist.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die Verstärkerzweige um die hälftige Betriebsspannung bzw. Ver- sorgungsspannung ausgesteuert, d. h. wird der Arbeitspunkt der Transistoren der Verstärkerzweige auf die halbe Betriebsspannung gelegt. In diesem Ansteuerungsbereich ist die Steilheit der Übertragungskennlinie eines komplementären

MOSFET maximal und wird eine dementsprechend hohe Verstärkung zur Verfügung gestellt. Als weiterer Vorteil ergibt sich, daß mehrere Differenzverstärker in einfacher Weise in Reihe geschaltet werden können.

Jedoch liegt auch ein asymmetrisches Design im Rahmen der Er- findung, bei dem die Aussteuerung um eine von der halben Be- triebsspannung verschobene Spannung erfolgt. Die Transistoren sind dann entsprechend zu dimensionieren.

Bevorzugt erfolgt die Einstellung des Arbeitspunkts der beiden Verstärkerzweige durch Einstellen der Gatespannung von mindestens zwei FET-Steuertransistoren, die die Stromzufuhr für die beiden Verstärkerzweige steuern, wobei der Gate-An- schluß der FET-Steuertransistoren jeweils mit dem Knotenpunkt zwischen den beiden Lastwiderständen gekoppelt ist.

Insbesondere handelt es sich bei den FET-Steuertransistoren um ein CMOS-Paar mit einem p-Kanal Steuertransistor und einem n-Kanal Steuertransistor.

Die Spannung am Knotenpunkt zwischen den Lastwiderständen steuert als Gatespannung die Stromzufuhr für die CMOS Steuer- transistoren. Über die Stromzufuhr wird der Arbeitspunkt für den ersten und zweiten Verstärkerzweig eingestellt. Dabei wirken die Steuertransistoren für die Verstärkerzweige als arbeitspunktstabilisierende Widerstände.

In einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung sind der Source-Anschluß des p-Kanal Steuertransistors mit der Be- triebsspannung und der Source-Anschluß des n-Kanal Steuertra- nsistors mit Masse verbunden und ist der erste und der zweite Verstärkerzweig zwischen den Drain-Anschlüssen der beiden Steuertransistoren angeordnet. Hierzu ist der Drain-Anschluß des p-Kanal Steuertransistors mit dem Source-Anschluß des p- Kanal Transistors des ersten Verstärkerzweigs und dem Source- Anschluß des p-Kanal Transistors des zweiten Verstärkerzweigs verbunden. Weiter ist der Drain-Anschluß des n-Kanal

Steuertransistors mit dem Source-Anschluß des n-Kanal Transi- stors des ersten Verstärkerzweigs und dem Source-Anschluß des n-Kanal Transistors des zweiten Verstärkerzweigs verbunden.

Die jeweiligen p-Kanal und n-Kanal Transistoren weisen über- einstimmende Betriebsdaten auf, so daß eine vollsymmetrische . Schaltung vorliegt.

Bevorzugt werden die FET-Steuertransistoren im Triodenbereich betrieben. Sie wirken dabei als Widerstände, die ein lineares Verhalten aufweisen. Damit kann die über die Betriebsspannung die Stromeinspeisung in die Verstärkerzweige eingestellt wer- den.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Knotenpunkt zwischen den beiden Lastwiderständen der gegen- einander arbeitenden Verstärkerzweige mit einem Kondensator gekoppelt. Dies weist den Vorteil auf, daß etwaige Unsymmetrien am Knotenpunkt, die Einfluß auf die Steuertransistoren haben könnten, herausgefiltert werden.

In einer weiteren Weiterbildung der Erfindung ist der Knoten- punkt zwischen den beiden Lastwiderständen jeweils über einen Tiefpassfilter mit den Gate-Anschlüssen der Steuertransistoren verbunden. Dadurch werden ebenfalls etwaige Unsymmetrien am Knotenpunkt herausgefiltert, so daß an den Steuertransistoren keine Wechselsignale anliegen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verstärkers ist den Steuertransistoren jeweils eine Stromspiegelschaltung mit einem MOSFET-Transistor zugeordnet, dessen Eingang ebenfalls mit dem Knotenpunkt zwischen den beiden Lastwiderständen verbunden ist. Dadurch können die Steuertransistoren in der Sättigung betrieben werden. Als Folge werden die Verstärkerzweige hochohmiger und die Verstärkung nimmt zu.

Mit Vorteil weisen der erste und der zweiten Verstärkerzweig zusätzliche Gegenkopplungsmittel auf, die die Schaltung sta-

bilisieren. Diese weisen bevorzugt Widerstände auf, die je- weils an die Source-Anschlüsse des ersten und zweiten Ver- stärkerzweigs angeschlossen sind. Ober die Widerstände kann die Bandbreite des Verstärkers (auf Kosten der Verstärkung) verbreitert werden, d. h. ein Verstärkungsabfall setzt erst bei höheren Frequenzen ein.

Mit Vorteil erfolgt eine Anordnung der Widerstände derart, daß die Steuertransistoren jeweils in zwei Transistoren gleicher Größe geteilt sind, deren Gate-Anschlüsse mit dem Knotenpunkt zwischen den Lastwiderständen, deren Source-An- schlüsse mit der Betriebsspannung bzw. mit Masse und deren Drain-Anschlüsse mit einem der beiden Verstärkerzweige ver- bunden sind, wobei zwei parallele Zweige von Verstärkerzweigen und Steuertransistoren entstehen, und wobei die beiden Zweige zwischen Verstärkerzweig und Steuertransi- stor jeweils durch mindestens einen Widerstand miteinander verbunden sind.

Dabei wird mit Vorteil parallel zu den Widerständen jeweils ein Kondensator geschaltet. Die dabei entstehenden RC-Glieder beschleunigen durch zusätzliche Anhebung der hochfrequenten Signalanteile die Anstiegsflanken eines zu verstärkenden Digitalsignals (sogenanntes"Peaking").

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen : Fig. 1 die Schaltungsanordnung eines erfindungsgemäßen differentiellen Verstärkers, Fig. 2 eine erste Weiterbildung des Verstärkers der Fig.

1, Fig. 3 eine zweite Weiterbildung des Verstärkers der Fig.

1, und

Fig. 4 eine dritte Weiterbildung des Verstärkers der Fig.

1.

Figur 1 zeigt die Grundschaltung eines erfindungsgemäßen dif- ferentiellen Verstärkers. Sie weist drei CMOS p-Kanal Transistoren T1, T2, T3, drei CMOS n-Kanal Transistoren T4, T5, T6 und zwei Lastwiderstände R1, R2 auf. Die Transistoren T2 und T3 sowie T4 und T5 sind jeweils von der gleichen Größe und bilden zwei CMOS-Inverter 1, 2 mit komplementären, in Reihe geschalteten Transistoren T2, T4 und T3, T5 aus.

Die beiden CMOS-Inverter 1, 2 stellen zwei gegeneinander ar- beitetende, differentielle Verstärkerzweige dar, die zwischen zwei Drainknoten B, C der CMOS Transistoren T1, T6 angeordnet sind. Die CMOS Transistoren T1, T6 stellen Steuertransistoren zur Steuerung des Stromflusses durch die Verstärkerstufen 1, 2 und zur Einstellung des Arbeitspunktes der Transistoren T2, T4, T3, T5 dar. Dabei sind die Source-Anschlüsse der p-Kanal Transistoren T2, T3 mit dem Drain-Anschluß des p-Kanal Transistors T1 sowie die Source-Anschlüsse der n-Kanal Transistoren mit dem Drain-Anschluß des n-Kanal Transistors T6 verbunden. Der Source-Anschluß der Transistors T1 ist mit der Betriebsspannung Vdd und der Source-Anschluß des Transistors T6 mit Masse verbunden.

An dem gemeinsamen, fest verkoppeleten Drain-Anschluß Q der Transistoren T2, T4 ist der Lastwiderstand R1 und an dem ge- meinsamen, fest verkoppeleten Drain-Anschluß Qn der Transistoren T3, T5 der Lastwiderstand R2 angeordnet. Die Lastwiderstände R1, R2 bilden die differentielle Last und können entsprechend der benötigten Bandbreite dimensioniert werden.

Die Ausgänge Q, Qn der beiden Verstärkerzweige 1, 2 sind über die Lastwiderstände R1, R2 in einem Knotenpunkt A fest miteinander verbunden. Der Knotenpunkt A ist wiederum mit den

Gate-Anschlüssen der beiden CMOS Transistoren T1, T6 verbunden und steuert damit die Stromzufuhr für die Transistoren T1, T6. Dadurch wird eine Arbeitspunktstabilisierung für die Transistoren T2, T4, T3, T5 erzielt (self-biasing).

Eine differentielle Eingangsspannung Uin wird über die Ein- gangsknoten I, In an die Gate-Anschlüsse der Transistoren T2, T4 und T3, T5 der beiden Verstärkerzweige 1, 2 angelegt. Eine Ausgangsspannung Uout wird an den Knotenpunkten Q, Qn der Drain-Anschlüsse der beiden Verstärkerzweige abgenommen.

Dabei steht der Index"nn" (n=negiert) für die jeweils invertierten Knoten bzw. Signale.

Beide Verstärkerzweige 1, 2 arbeiten dabei gegeneinander, so daß eine Änderung der Eingangsspannung beispielsweise sowohl zu einer Spannungserhöhung am Bezugspunkt Q als auch zu einer Spannungserniederigung am Bezugspunkt Qn führt. Es findet somit eine hohe Verstärkung mit"doppelter Amplitude"statt.

Der Arbeitspunkt der Transistoren T2, T4 und T3, T5 wird mittels der am Mittelabgriff A zwischen den Lastwiderständen anliegenden Spannung über das CMOS Transistorpaar T1, T6 eingestellt, das den Drain-Strom durch die Transistoren T2, T4 sowie T3, T5 steuert. In dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 werden die CMOS Transistoren T1, T6 dabei im Triodenbereich betrieben, so daß sie einen Widerstand in der Source-Leitung der Transistoren T2, T4 sowie T3, T5 darstellen.

Am Verbindungsknoten A zwischen den beiden Lastwiderständen R1, R2 liegt eine Spannung an, die fast keinen Wechselanteil aufweist. Dies ergibt sich aus der Symmetrie der Schaltung.

Dabei wird aus beiden Verstärkerzweigen 1, 2 ein Signal zur Arbeitspunktstablisierung abgeleitet.

Die Verstärkerschaltung wird um die Mittenspannung Vdd/2 aus- gesteuert, so daß die Inverter 1, 2 im optimalen Arbeitspunkt

angesteuert werden und eine hohe, lineare Verstärkung aufweisen. So liegt die maximale Verstärkung eines CMOS Inverters gerade bei einer Ansteuerung mit der halben Betriebsspannung vor. Die Widerstände RI und R2 werden bevorzugt identisch gewählt, so daß eine vollständig symme- trische Schaltung vorliegt.

Die Ansteuerung um die Mittenspannung Vdd/2 weist auch den Vorteil auf, daß mehrere Verstärkerstufen in einfacher Weise in Reihe geschaltet werden können.

In Figur 2 ist eine erste Weiterbildung der Schaltung gemäß Figur 1 dargestellt, die zusätzlich eine Gegenkopplung in Form von Widerständen R3, R4 aufweist, denen jeweils ein Kondensator C11, C12 parallel geschaltet ist. Die Transistoren T1 und T2 der Fig. 1 sind dabei jeweils in Transistoren T1', Tl''und T6', T6"der halben Größe geteilt, deren Gate-Anschlüsse mit dem Knotenpunkt A, deren Source-Anschlüsse mit der Betriebsspannung Vdd bzw. mit Masse und deren Drain-Anschlüsse jeweils mit einem Verstärkerzweig 1, 2 verbunden sind. Dabei bilden sich parallele Zweige des Verstärkers aus, zwischen die die Widerstände R3, R4 und die Kondensatoren C11, C12 geschaltet sind. So ist beispielsweise der Widerstand R3 mit den beiden Source-Anschlüssen der Transistoren T2, T3 verbunden.

Durch die Gegenkopplung über die Widerstände R3, R4 wird die Bandbreite des Verstärkers erhöht, allerdings auf Kosten der Verstärkung. Die Kondensatoren C11, C12 bilden zusammen mit den Widerständen R3, R4 RC-Glieder und beschleunigen über zu- sätzliche Anhebung der hochfrequenten Signalanteile die Flanken zu verstärkender Digitalsignale (sogenanntes "Peaking"). Dies führt dazu, daß ein sinusförmiges Eingangs- signal tendenziell eine Rechteckform erhält. Dieser Effekt zeigt sich insbesondere bei mehreren in Reihe geschalteten Verstärkerstufen.

Zusätzlich ist in Figur 2 ein Kondensator 2 vorgesehen, der mit dem Bezugspunkt A und Masse verbunden ist und etwaige Un- symmetrien im Differenzverstärker herausfiltert, so daß am den Steuertransistoren T1', Tl'', T6', T6"keine Wechselsignale anliegen.

In dem Ausführungsbeispiel der Figur 3 ist zwischen dem Kno- tenpunkt A und den Gate-Anschlüssen der Steuertransistoren T1, T6 jeweils ein Tiefpass bestehend aus Widerständen R5, R6 und Kondensatoren C21, C22 angeordnet. Die Lastwiderstände R1, R2 und die dazu in Reihe geschalteten Widerstände R5, R6 können dabei unabhängig dimensioniert werden. Bevorzugt sind R1 gleich R2 und R5 gleich R6, um die Symmetrie der Schaltung aufrecht zu halten. Ebenso weisen die Kondensatoren C21, C22 die gleiche Kapazität auf.

Die Tiefpässe dienen ebenfalls einer Filterung etwaiger Un- symmetrien am Differenzverstärker bzw. am Knotenpunkt A um sicherzustellen, daß an den Gate-Anschlüssen der Steuertran- sistoren Tl, T6 keine AC-Anteile anliegen.

In Figur 4 ist die Schaltung der Fig. 1 dahingehend weiterge- bildet, daß die Rückkopplung über den Knotenpunkt A über Stromspiegel erfolgt. Dazu ist den Steuertransistoren Tl, T6 jeweils eine Stromspiegelschaltung mit einem MOSFET-Transi- stor T7, T8 zugeordnet ist. Der eine Transistor T7 ist dabei ein p-Kanal MOSFET, dessen Eingang mit dem Knotenpunkt A und dessen Ausgang mit dem Source-Anschluß des Steuertransistors T1 bzw. mit der Bezugsspannung verbunden ist. Entsprechend ist der andere Transistor T8 ein n-Kanal MOSFET, dessen Eingang mit dem Knotenpunkt A und dessen Ausgang mit dem Source-Anschluß des Steuertransistors T6 bzw. mit Masse ver- bunden ist.

Die Transistoren T7, T8 werden in Sättigung betrieben, wobei durch den Knotenpunkt A der Strom durch die Transistoren T7, T8 eingestellt wird. Dieser wird an die Steuertransistoren

T1, T6 gespiegelt, was dazu führt, daß auch die Steuertransistoren T1, T6 in Sättigung, d. h. im Abschnürbereich betrieben werden.

Bei der Schaltung der Fig. 4 wird der Drainknoten B, C durch Betreiben der Steuertransistoren T1, T6 in der Sättigung hochohmiger, so daß die Verstärkung steigt.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele. Wesentlich für die Erfindung ist allein, daß zwei Verstärkerzweige gegensinnig betrieben werden und die Ausgänge der beiden Verstärkerzweige einen differentiellen Ausgang bilden und je- weils über einen Lastwiderstand in einem Knotenpunkt mitein- ander verbunden sind, wobei über die an diesem Knotenpunkt anliegende Spannung der Arbeitspunkt der beiden Verstärker- zweige eingestellt wird. Der volldifferentielle Ausgang ermöglicht eine Kettenschaltung von mehreren solchen Verstärkerstufen.