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Dokumentenidentifikation DE69326771T2 02.03.2000
EP-Veröffentlichungsnummer 0657995
Titel Ausgangstufe mit Transistoren von unterschiedlichem Typ
Anmelder STMicroelectronics S.r.l., Agrate Brianza, Mailand/Milano, IT
Erfinder Cini, Carlo, I-20010 Cornaredo, IT;
Stefani, Fabrizio, I-21010 Cardano al Campo, IT
Vertreter Kador und Kollegen, 80469 München
DE-Aktenzeichen 69326771
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 07.12.1993
EP-Aktenzeichen 938304920
EP-Offenlegungsdatum 14.06.1995
EP date of grant 13.10.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.03.2000
IPC-Hauptklasse H03F 3/30

Beschreibung[de]
GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Ausgangsstufe für einen integrierten Leistungsverstärker, der insbesondere für Audioverstärker geeignet ist.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Das Dokument US-A-4.588.960 offenbart eine Klasse-B-Ausgangsstufe speziell für einen Verstärker mit geringer Leistung und geringer Spannung mit besonders geringem Ruheleistungsverbrauch und geringer Übernahmerverzerrung, der versehen ist mit einem Bipolartransistor und einem Feldeffekttransistor, die zwischen den Stromversorgungsschienen in Serie geschaltet sind, so daß das Eingangsspannungs-Totband vorteilhaft reduziert wird. Vorzugsweise wird der obere oder hohe Seitenbereich der Ausgangsstufe mit einem Bipolar- Junction-NPN-Transistor verwirklicht, während der untere oder niedrige Seitenbereich der Stufe mit einem P-Kanal-Feldeffekttransistor verwirklicht wird.

Das Dokument EP-A-0 349 954 offenbart eine Klemmspannung-Differential- zu-Einzelanschluß-Umsetzerschaltung, deren Ausgangsstufe von einem MOS- Transistor gebildet wird, der zwischen einem Ausgangsknoten und Masse angeschlossen ist, und einer Stromquelle, die zwischen der positiven Versorgungsspannungsschiene und dem Ausgangsknoten angeschlossen ist.

Das Dokument US-A-5.028.881 offenbart einen Operationstranskontuktanzverstärker mit Differentialausgang, der einen gesättigten MOS-Transistor in den unteren Zweigen der zwei Ausgangsstufen verwendet, um die Linearität und den Dynamikbereich zu verbessern.

Die Ausgangsstufen der Leistungsverstärker sind normalerweise auf die Maximierung des dynamischen Ausschlags der Ausgangsspannung ausgelegt (Ausgangsspannungsausschlag), indem die Spannungsabfälle aufgrund der Serienwiderstände der aktiven Komponenten (Transistoren), die die Ausgangsstufe bilden, so weit wie möglich reduziert werden. Es gibt eine spezielle Literatur, aus der der Band "Power Integrated Circiut", veröffentlicht von Mc. Graw Hill, 1986, S. 9.28-9.35, zitiert werden kann.

Eine weit verbreitete Technik in Leistungsausgangsstufen ist diejenige der Realisierung einer "Bootstrap"-Leitung, die für diesen Zweck eine relativ große Kapazität verwendet, die extern mit den IC-Anschlußstiften verbunden sein kann, um die maximale Spitze-zu-Spitze-Änderung der Ausgangsspannung zu erreichen. Ungünstigerweise steht diese Technik im Gegensatz zu einem allgemeinen IC-Entwicklungstrend der Beseitigung oder Reduzierung der Notwendigkeit passiver externer Komponenten auf ein Minimum.

Die bekannten Konfigurationen einer Leistungsausgangsstufe sind alle in der Literatur beschrieben und sind im wesentlichen diejenigen, die zwei Transistoren verwenden, die gegenphasig arbeiten, nämlich ein NPN/NPN-Paar, ein PNP/NPN-Paar, ein pMOS/nMOS-Paar und ein nMOS/pMOS-Paar. Selbstverständlich hängt die Auswahl einer der obenerwähnten Konfigurationen von der verwendeten Herstellungstechnologie ab, die auch die maximale Umkehrspannung bestimmt, denen die Vorrichtungen widerstehen können (z. B. die maximale Spannung VCE eines Bipolar-Junction-Transistors oder die maximale Spannung VDS der MOS-Transistoren).

Bipolare NPN-Transistoren leiden deutlich an dem Problem, das mit der sogenannten "Zweitdurchbruch"-Erscheinung verbunden ist. Auch bipolare PNP-Transistoren werden durch diese Erscheinung beeinträchtigt, jedoch in einem geringeren Maß als NPN-Transistoren.

Im Gegensatz hierzu werden DMOS-Transistoren von diesem Problem nicht wesentlich beeinträchtigt.

In einem Mischtechnologie-Herstellungsprozeß (BJT, CMOS und DMOS) oder einem BCD-Prozeß können die Leistungs-MOS-Transistoren, die in einer zu den anderen Typen der integrierten Strukturen kompatiblen Weise verwirk licht werden können, interne Widerstandskennlinien aufweisen, die typischerweise die folgenden Werte zeigen:

(n-Kanal) DMOS: Ron = 0,5 Ω·mm²

(p-Kanal) DMOS: Ron = 2,2 Ω·mm²

Insbesondere die Lösung der Verwendung eines komplementären Paares von DMOS-Ausgangstransistoren erscheint als ideale Wahl, indem auch der Vorteil betrachtet wird, der durch die Tatsache dargestellt wird, daß die zwei Ausgangstransistoren keinen Ansteuerungsstrom benötigen, da sie im wesentlichen spannungsgesteuerte Vorrichtungen sind. Ein P-Kanal-DMOS-Transistor erfordert jedoch eine Integrationsfläche, die das Vierfache der Integrationsfläche eines komplementären n-Kanal-DMOS-Transistors für denselben Ron umfassen kann. Die Lösung, die ein komplementäres Paar von DMOS- Transistoren verwendet, wird daher nur in einer beschränkten Anzahl von Anwendungen genutzt, in denen die relativ große Silikonflächenanforderung kein Problem darstellt.

Andererseits erfordert die Verwendung eines (kompakteren) Transistorpaares der gleichen Polarität (d. h. nicht komplementär), z. B. eines Paares von N- Kanal-DMOS-Transistoren, neben dem Verlust eines Teils äquivalent zu einer VGS-Spannung des maximalen Spannungsausschlags des Ausgangssignals oder andernfalls der Notwendigkeit einer Bootstrap-Leitung, ferner eine etwas komplexere Ansteuerungsschaltung als die Schaltung, die zum Ansteuern eines komplementären Ausgangstransistorpaares in Gegenphase erforderlich wäre.

Es besteht seit langem Bedarf an einer komplementären Ausgangsstufe mit guten Durchbrucheigenschaften, die keine extern angeschlossenen Bootstrap- Komponenten erfordert und keine relativ große Integrationsfläche erfordert.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es wurde festgestellt, daß es in einem normalen BCD-Herstellungsprozeß möglich ist, einen bipolaren PNP-Leistungstransistor mit einem internen Widerstand Ron von ungefähr 0,3 Ω·mm² zu verwirklichen, der in zufriedenstellenderweise als der Hochseitenabschnitt einer komplementären Ausgangsleistungsstufe verwendet werden kann, die als ihren unteren Seitenabschnitt einen N-Kanal-Feldeffekttransistor verwendet.

Eine so konfigurierte Ausgangsstufe ist perfekt komplementär und reduziert daher nicht die Ausgangsdynamik mittels einer VGS (oder mittels einer VBE) und kann mit einer relativ einfachen Stufe angesteuert werden.

Die Augangsspannung besitzt eine inhärent hohe Spannungsausschlag-Eigenschaft und erfordert keine extern angeschlossenen Bootstrap-Komponenten. Die Verwendung von Leistungstransistoren unterschiedlicher Technologie (ein Bipolartransistor für die hohe Seite oder den Pull-up-Abschnitt und einen Feldeffekttransistor für die untere Seite oder den Push-down-Abschnitt) ermöglicht, einen hervorragenden Kompromiß zwischen dem Ausmaß der Silikonfläche, die für die Integration der zwei Leistungstransistoren erforderlich ist, indem die relativ kleine N-Kanal-DMOS-Struktur und eine vertikale PNP-Struktur mit isoliertem Kollektor verwendet wird, und der Ansteuerungsleistungsanforderung zu erreichen, die nur vom aktiven Pull-up-Element benötigt wird, die vom bipolaren PNP-Transistor gebildet wird.

Das Pull-up-Leistungselement, das vom bipolaren PNP-Transistor gebildet wird, wird mittels einer Stufe angesteuert, die einen Feldeffekttransistor, z. B. einen P-Kanal-MOS-Transistor, mit ausreichender Größe umfaßt, um die vom Bipolarausgangstransistor benötigte Ansteuerungsleistung zu liefern.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann der PNP-Transistor von einer komplexen Struktur gebildet werden, die PNP- und NPN-Transistoren umfaßt, deren elektrisches Verhalten an dasjenige eines äquivalenten PNP- Transistors angepaßt werden kann. Diese Lösung erlaubt, die Integrationsfläche weiter zu reduzieren, so daß die Leistungs-NPN-Struktur der PNP-Äquivalenz-Komplexstruktur mit einer höheren Stromdichte arbeiten kann als eine PNP-Struktur und somit eine reduzierte Integrationsfläche benötigt. In diesem letzteren Fall wird selbstverständlich der Ausgangsspannungsausschlag um eine VBE reduziert, jedoch kann dies vorteilhaft durch eine maximierte Einsparung an Silikonfläche aufgewogen werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die unterschiedlichen Aspekte und Vorteile der Ausgangsstufe der Erfindung werden deutlich beim Lesen der folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in welchen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer Ausgangsstufe der Erfindung gemäß einer alternativen Ausführungsform derselben ist;

Fig. 2 ein genaueres Schaltbild der Ausgangsstufe der Fig. 1 ist.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die Ausgangsstufe der Erfindung wird im wesentlichen von einem Pull-up- Leistungselement PWH gebildet, das einen bipolaren PNP-Transistor umfaßt, und von einem Push-down-Leistungselement PWL, das einen DMOS-Transistor umfaßt. Der Kollektor des PWH und die Drain des PWL sind gemeinsam mit einem Ausgangsknoten OUT des Verstärkers verbunden. Das komplementäre Transistorpaar der Ausgangsstufe wird auf herkömmliche Weise mittels einer geeigneten Ansteuerungsstufe angesteuert.

Während die Ansteuerung des MOS-Transistors PWL selbstverständlich im wesentlichen in einem Spannungsmodus stattfindet, praktisch ohne Ansteuerungsleistung, erfordert die Ansteuerung des Hochseitenelements der Pushpull-Ausgangsstufe, das der bipolare PNP-Transistor PWH ist, einen gewissen Ansteuerungsstrom (Basisstrom).

Zu diesem Zweck wird ein MOS-Transistor M1 verwendet, um den bipolaren PNP-Transistor PWH anzusteuern, um zu verhindern, daß der relative Ausgangsknoten der Ansteuerungsstufe belastet wird.

Ein Schaltbild der Ansteuerungsstufe ist in Fig. 2 gezeigt. Wie gezeigt, kann die Ansteuerungsstufe mit Feldeffekttransistoren in einer im wesentlichen symmetrischen Form verwirklicht werden. Der Hochseitenabschnitt der Push pull-Ausgangsstufe, die vom Leistungstransistor PWH (angesteuert durch den MOS M1) gebildet wird, wird von dem Verstärker angesteuert, der von R3, M2, M3 und dem Stromgenerator I1 gebildet wird. Der Unterseitenabschnitt der Pushpull-Ausgangsstufe, der vom N-Kanal-DMOS-Transistor PW&sub1; gebildet wird, wird angesteuert mit dem Verstärker, der von R4, M4, M5 und dem Stromgenerator I2 gebildet wird. Um eine Kompatibilität mit dem Massepotential sicherzustellen, bestimmen zwei Widerstände R1 und R2, die zwischen dem IN-Knoten und Masse sowie zwischen dem IN-Knoten und der Last angeschlossen sind, die Spannungsverstärkung.


Anspruch[de]

1. Gegentakt-Leistungsausgangsstufe für einen integrierten Leistungsverstärker, der insbesondere als Audioverstärker geeignet ist, gebildet durch einen ersten Transistor eines ersten Leitfähigkeitstyps und einen zweiten Transistor eines zweiten Leitfähigkeitstyps in einer Gegentaktkonfiguration, die zwischen eine positive (+VCC) und eine negative (-VCC) Versorgungsschiene geschaltet sind, wobei der mit der negativen Versorgungsschiene (-VCC) verbundene Transistor (PWL) ein n-Kanal-DMOS-Leistungstransistor mit einem Gate, einem mit einem Ausgangsknoten (OUT) des Verstärkers funktional verbundenen Drain und einer mit der negativen Versorgungsschiene funktional verbundenen Source ist und der mit der positiven Versorgungsschiene (+VCC) verbundene Transistor (PWH) ein bipolarer Sperrschicht- PNP-Leistungstransistor mit einer Basis, einem mit dem Ausgangsknoten (OUT) funktional verbundenen Kollektor und einem mit der positiven Versorgungsschiene funktional verbundenen Emitter ist, sowie durch eine Treiberschaltung (DRIVER STAGE), die so angeschlossen ist, daß sie die Basis bzw. das Gate der Transistoren (PWL, PWH) ansteuert, dadurch gekennzeichnet, daß

der PNP-Leistungstransistor (PWH) ein Transistor mit vertikalem, isolierten Kollektor ist, der durch die Schaltung (DRIVER STAUE) über einen zusätzlichen Feldeffekttransistor (M1) angesteuert wird, der seinerseits funktional so angeschlossen ist, daß er die Basis des PNP-Leistungstransistors (PWH) ansteuert.







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