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Die
Erfindung betrifft eine SC-Verstärkeranordnung (SC: Abkürzung
für Switched-Capacitor).
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SC-Verstärkeranordnungen
(SC: Abkürzung für Switched-Capacitor) umfassen
einen SC-Verstärker mit einer Eingangskapazität
die mittels eines getaktet angesteuerten Schalters an einen Eingang
der SC-Verstärkeranordnung angeschlossen ist. Eine mittlere
Stromaufnahme, und damit ein Eingangswiderstand, einer solchen SC-Verstärkeranordnung
ist abhängig von einem Kapazitätswert der Eingangskapazität.
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SC-Verstärkeranordnungen
sind beispielsweise beschrieben in der
US 4,355,285 , der
US 4,543,534 , der
US 5,617,093 , der
US 5,796,300 , der
US 7,088,280 oder in
Lacerda
et al.: "A Differential Switched-Capacitor Amplifier with
Programmable Gain and Output Offset Voltage", SBCCI Proceedings
of the 19th annual symposium an integrated circuits and systems
design, August 28 – September 01, 2006.
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SC-Verstärkeranordnungen
können in Messschaltungen zum Messen elektrischer Spannungen
eingesetzt werden. Die zu messende Spannung wird hierbei an den
Eingang der SC-Verstärkeranordnung angelegt. Der Eingangsstrom
der SC-Verstärkeranordnung kann hierbei zu einer Änderung
bzw. Verfälschung der zu messenden Spannung, und damit
zu einem Messfehler führen. Dieser Effekt ist umso ausgeprägter,
je höher der Innenwiderstand einer Signalquelle ist, die
die zu messende Spannung bereitstellt und je höher der Eingangsstrom
der SC-Verstärkeranordnung ist.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine SC-Verstärkeranordnung
zur Verfügung zu stellen, die eine genaue Messung einer
Eingangsspannung ermöglicht, und ein Verfahren zur Messung
einer Eingangsspannung zur Verfügung zu stellen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine SC-Verstärkeranordnung nach Anspruch
1 und durch ein Messverfahren nach Anspruch 9 gelöst. Ausgestaltungen
und Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft gemäß einem ersten
Aspekt eine SC-Verstärkeranordnung, die aufweist: einen
Eingang zum Anlegen einer Eingangsspannung und einen Ausgang zum
Bereitstellen einer Ausgangsspannung; wenigstens eine SC-Verstärkerstufe
mit: einer ersten Eingangskapazität, wenigstens einem Schalter,
der dazu ausgebildet ist, die Eingangskapazität getaktet
an den Eingang anzuschließen, einem Verstärker,
der einen Verstärkereingang, an den die Eingangskapazität
gekoppelt ist, und einen Verstärkerausgang, der an den
Ausgang gekoppelt ist, aufweist, und eine Rückkopplungsschaltung,
die zwischen den Verstärkerausgang und den wenigstens einen
Verstärkereingang des Verstärkers geschaltet ist;
wenigstens eine Kompensationsschaltung die zwischen den Ausgang
und den Eingang geschaltet ist und die eine Kompensationskapazität
und eine Schaltanordnung aufweist, wobei die Schaltanordnung dazu
ausgebildet ist, die Kompensationskapazität getaktet zwischen
den Ausgang und den Eingang zu schalten.
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Ein
weiterer Aspekt betrifft ein Verfahren zum Messen einer an einem
Eingang anliegenden Eingangsspannung, das aufweist: getaktetes Laden
einer Eingangskapazität auf eine von der Eingangsspannung
abhängige Spannung während erster Taktphasen;
Verstärken der über der Eingangskapazität
anliegenden Spannung mittels eines Verstärkers zum Bereitstellen
einer Ausgangsspannung an einem Ausgang; Zurückspeisen von
elektri scher Ladung von dem Ausgang an den Eingang während
zweiter Taktphasen.
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Beispiele
werden nachfolgend unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert.
Diese Figuren dienen zur Erläuterung des Grundprinzips,
so dass lediglich die zum Verständnis dieses Grundprinzips
notwendigen Aspekte dargestellt sind. Die Figuren sind nicht notwendigerweise
maßstabsgerecht. In den Figuren bezeichnen, sofern nicht
anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale mit gleicher
Bedeutung.
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1 veranschaulicht
ein erstes Beispiel einer SC-Verstärkeranordnung mit einem
Eingang, einem Ausgang, einer zwischen den Eingang und den Ausgang
geschalteten SC-Verstärkerstufe und einer zwischen den
Ausgang und den Eingang geschalteten Kompensationsschaltung.
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2 veranschaulicht
beispielhaft zeitliche Verläufe in der SC-Verstärkeranordnung
verwendeter Taktsignale.
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3 veranschaulicht
ein erstes Beispiel einer Rückkopplungsschaltung der SC-Verstärkerstufe.
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4 veranschaulicht
ein zweites Beispiel der Rückkopplungsschaltung der SC-Verstärkerstufe.
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5 veranschaulicht
ein weiteres Beispiel einer Rückkopplungsschaltung, die
eine zusätzliche Kapazität zur Unterdrückung
eines Ladungskompensationsfehlers aufweist.
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6 veranschaulicht
ein Beispiel einer SC-Verstärkeranordnung in Differenzpfadtechnik,
die zwei SC-Verstärkerstufen und zwei Kompensationsschaltungen
aufweist.
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7 veranschaulicht
eine weiteres Beispiel einer SC-Verstärkeranordnung in
Differenzpfadtechnik, die einen volldifferenziellen Operationsverstärker
aufweist.
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8 veranschaulicht
ein weiteres Beispiel einer SC-Verstärkerstufe.
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1 veranschaulicht
anhand eines elektrischen Ersatzschaltbilds ein erstes Beispiel
einer SC-Verstärkeranordnung. Die SC-Verstärkeranordnung
gemäß dem dargestellten Beispiel umfasst einen
Eingang zum Zuführen einer Eingangsspannung Vin und einen
Ausgang zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung Vout. Der Eingang
umfasst in dem dargestellten Beispiel zwei Eingangsklemmen 11, 12,
zwischen denen die Eingangsspannung Vin anliegt, und der Ausgang
umfasst zwei Ausgangsklemmen 13, 14, zwischen
denen die Ausgangsspannung Vout anliegt. Eine 12 der Eingangsklemmen
sowie eine 14 der Ausgangsklemmen liegen in dem dargestellten
Beispiel auf einem Bezugspotenzial, auf welches die in der SC-Verstärkeranordnung
vorkommenden Spannungen bezogen sind.
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Die
SC-Verstärkeranordnung weist eine SC-Verstärkerstufe 2 auf,
die zwischen den Eingang 11, 12 und den Ausgang 13, 14 geschaltet
ist. Diese SC-Verstärkerstufe 2 weist eine erste
Eingangskapazität 21, einen ersten Schalter 22,
einen Verstärker 24 und eine Rückkopplungsschaltung 4 auf.
Der Verstärker 24 ist beispielsweise ein Operationsverstärker
und umfasst zwei Eingänge: Einen ersten Verstärkereingang,
der in dem dargestellten Beispiel ein invertierender Eingang ist;
und einen zweiten Verstärkereingang, der in dem dargestellten
Beispiel ein nicht-invertierender Eingang ist. Der Verstärker 24 umfasst
außerdem einen Verstärkerausgang, der an eine
der Ausgangsklemmen 13, 14, in dem dargestellten
Beispiel eine erste Ausgangsklemme 13 angeschlossen ist.
Die Rückkopplungsschaltung 4 ist zwischen den
Verstärkerausgang einerseits und einen der Verstärkereingänge,
in dem dargestellten Beispiel den ersten Verstärkereingang,
und die Eingangskapazität 21 andererseits geschaltet.
Das Bezugszeichen 25 bezeichnet in 1 einen
der Rückkopplungsschaltung 4 und der Eingangskapazität
gemeinsamen Schaltungsknoten.
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Der
erste Schalter 22 ist dazu ausgebildet, die erste Eingangskapazität 21 getaktet
zwischen den Eingang der SC-Verstärkeranordnung und einen
der Verstärkereingänge zu schalten. Zu diesem
Zweck ist die erste Eingangskapazität 21 in dem
dargestellten Beispiel in Reihe zu dem ersten Schalter 22 zwischen
die erste Eingangsklemme 11 und den ersten Verstärkereingang 25 geschaltet.
Dieser erste Schalter 22 dient dazu, die erste Eingangskapazität 21 getaktet
jeweils während erster Taktphasen auf eine Spannung aufzuladen,
die von der Eingangsspannung Vin abhängig ist. Der zweite
Verstärkereingang liegt bei der dargestellten SC-Verstärkerstufe 2 auf
Bezugspotenzial. Im Idealfall ist die Eingangsspannung des Verstärkers 24,
also die Spannung zwischen den Verstärkereingängen,
Null. In diesem Fall entspricht das elektrische Potenzial an dem
ersten Verstärkereingang 25 bzw. einem der ersten
Eingangskapazität 21 und dem ersten Verstärkereingang
gemeinsamen Knoten ebenfalls Bezugspotenzial.
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Ist
der Verstärker 24 offsetbehaftet, so liegt eine
Offsetspannung Vos zwischen den Verstärkereingängen
an, die ungleich Null ist und die einige mV betragen kann. Für
die nachfolgende Erläuterung werden beide Fälle,
d. h. sowohl der Idealfall mit einer Eingangsspannung von Null als
auch der nicht ideale Fall mit einer Offsetspannung Vos zwischen
den Verstärkereingängen betrachtet.
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Die
SC-Verstärkerstufe 2 weist in dem dargestellten
Beispiel einen zweiten Schalter 23 auf, der zwischen einen
dem ersten Schalter 22 und der ersten Eingangskapazität 21 gemeinsamen
Knoten und Bezugspotential geschaltet ist. Dieser zweite Schalter 23 ist
dazu ausgebildet, den dem ersten Verstärker eingang abgewandten
Anschluss der Eingangskapazität 21 getaktet an
das Bezugspotenzial anzuschließen, und zwar zeitlich versetzt
zu solchen Taktphasen, zu denen der erste Schalter 22 geschlossen
ist und damit die Eingangskapazität 21 an den
Eingang 11, 12 der SC-Verstärkeranordnung
anschließt.
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Der
erste und zweite Schalter 22, 23 bilden zusammen
eine Schaltanordnung, die dazu ausgebildet ist, den dem ersten Verstärkereingang
abgewandten Anschluss der ersten Eingangskapazität 21 getaktet
abwechselnd an die erste Eingangsklemme 11 und Bezugspotenzial
anzuschließen. Eine Ansteuerung dieser beiden Schalter 22, 23 erfolgt
beispielsweise durch zwei sich nicht überlappende Taktsignale Φ1, Φ2.
Beispiele von zeitlichen Verläufen dieser Taktsignale Φ1, Φ2
sind in 2 dargestellt. Jedes dieser
Taktsignale Φ1, Φ2 nimmt abwechselnd einen Einschaltpegel
und einen Ausschaltpegel an, wobei ein durch eines der Taktsignale angesteuerter
Schalter eingeschaltet ist, wenn das Taktsignal einen Einschaltpegel
annimmt, und ausgeschaltet ist, wenn das Taktsignal einen Ausschaltpegel
annimmt.
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Die
beiden Taktsignale können die gleiche Taktfrequenz besitzen,
sind jedoch derart gegeneinander phasenverschoben, dass die beiden
Taktsignale Φ1, Φ2 nie gleichzeitig einen Einschaltpegel
besitzen, so dass die beiden Schalter 22, 23 niemals
gleichzeitig leitend angesteuert sind. Eine Ansteuerung der beiden Schalter 22, 23 erfolgt
mit einem nichtüberlappenden 2-Phasen-Takt, d. h. die beiden
Taktsignale sind so gewählt, dass sie nie gleichzeitig
einen Einschaltpegel aufweisen. Sie sind hierzu beispielsweise um
180° gegeneinander phasenverschoben und besitzen Ausschaltdauern,
die länger sind als deren Einschaltdauern. Unter einer
ersten Taktphase ist nachfolgend eine Zeitdauer zu verstehen, während
der das erste Taktsignal Φ1 einen Einschaltpegel annimmt,
und unter einer zweiten Taktphase ist nachfolgend eine Zeitdauer
zu verstehen, während der das zweite Taktsignal einen Einschaltpegel
annimmt. In 1 ist neben den einzelnen Schaltern das
Taktsignal angegeben, durch welches der jeweilige Schalter angesteuert
ist.
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Bei
der dargestellten SC-Verstärkerstufe 2 wird die
erste Eingangskapazität 21 während jeder
ersten Taktphase auf die Eingangsspannung Vin bzw. auf die Differenzspannung
zwischen der Eingangsspannung Vin und Offsetspannung Vos aufgeladen.
Während jeder zweiten Taktphase wird die erste Eingangskapazität 21 in
die Rückkopplungsschaltung 4 entladen, die eine
geschaltete Kapazität 41 aufweist. Diese geschaltete Kapazität 41 wird
während der ersten Taktphase entladen und nimmt während
der zweiten Taktphase die zuvor in der ersten Eingangskapazität 21 gespeicherte
elektrische Ladung auf.
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Ein
Verstärkungsfaktor G der SC-Verstärkerstufe entspricht
dem Verhältnis einer Änderung der Ausgangsspannung ΔVout
und einer korrespondierenden Änderung der Eingangsspannung ΔVin,
es gilt also:
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Der
Verstärkungsfaktor G ist in grundsätzlich bekannter
Weise über die Eigenschaften der Rückkopplungsschaltung 4 einstellbar,
was nachfolgend noch erläutert werden wird. Während
jeder ersten Taktphase nimmt die SC-Verstärkerstufe 2 elektrische
Ladung über die Eingangsklemmen 11, 12 auf,
die in der ersten Eingangskapazität 21 gespeichert
wird. Für die während dieser ersten Taktphase
in der ersten Eingangskapazität 21 gespeicherte
elektrische Ladung QC21-1 gilt: QC21-1 = Vin·C21 (2).
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C21
bezeichnet dabei den Kapazitätswert der ersten Eingangskapazität 21.
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Die
Eingangsspannung Vin liegt beispielsweise über einer zweiten
Eingangskapazität 15 an, die zwischen die Eingangs klemmen 11, 12 geschaltet
ist. Die während der ersten Taktphase durch die SC-Verstärkerstufe 2 aufgenommene
elektrische Ladung führt zu einer teilweisen Entladung
dieser zweiten Eingangskapazität 15 und kann insbesondere
dann zu einer Verfälschung des Messergebnisses führen,
wenn eine Signalquelle (nicht dargestellt), die die Eingangsspannung
Vin bereitstellt, einen so hohen Innenwiderstand besitzt, dass elektrische
Ladung aus der zweiten Eingangskapazität 15 schneller
entnommen würde als durch die Signalquelle nachgeliefert
werden kann, sofern keine zusätzlichen Maßnahmen
getroffen werden.
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Um
eine Beeinflussung der Eingangsspannung Vin durch die Messung zumindest
zu reduzieren, ist bei der dargestellten SC-Verstärkeranordnung
eine Kompensationsschaltung 3 vorgesehen, die zwischen
den Ausgang, in dem dargestellten Beispiel die erste Ausgangsklemme 13,
und den Eingang, in dem dargestellten Beispiel die erste Eingangsklemme 11 geschaltet
ist. Diese Kompensationsschaltung 3 umfasst eine Kompensationskapazität 31 sowie
eine Schaltanordnung 32, 33, die dazu ausgebildet
ist, die Kompensationskapazität 31 getaktet während
der ersten Taktphasen zu entladen und während der zweiten
Taktphasen zwischen die erste Ausgangsklemme 13 und die
erste Eingangsklemme 11 zu schalten. Während der
zweiten Taktphase fließt ein Ladestrom zwischen der ersten
Ausgangsklemme 13 und der ersten Eingangsklemme 11,
der die Kompensationskapazität 31 lädt
und der in entsprechender Weise auch die zweite Eingangskapazität 15 lädt. Für
diese während der zweiten Taktphase in der zweiten Eingangskapazität 15 gespeicherte
elektrische Ladung gilt: QC13-2 = QC31-2 =
(Vout – Vin)·C31 (3).
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Q
C13-2 bezeichnet dabei die während
der zweiten Taktphase in der zweiten Eingangskapazität
15 gespeicherte
elektrische Ladung, Q
C31-2 bezeichnet die
in der Kompensationskapazität
31 während
der zweiten Taktphase gespeicherte elektrische Ladung und C31 bezeichnet
den Kapazitätswert der Kompensationskapazität
31.
Eine vollständige Kompensation der während der
ersten Taktphase aus der zweiten Eingangskapazität
15 entnommenen
elektrischen Ladung durch die während der zweiten Taktphase über
die Kompensationskapazität
31 zurückgespeiste
elektrische Ladung ist dann vollständig erreicht, wenn
Q
C21-1 = Q
C31-2 gilt,
wenn also die während der ersten Taktphase entnommene Ladung
während der zweiten Taktphase wieder zurückgespeist
wird. Unter Berücksichtigung der Gleichungen (2) und (3)
ist dies dann der Fall, wenn für den Kapazitätswert
C31 der Kompensationskapazität
31 gilt:
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Sowohl
die Verstärkung G als auch der Kapazitätswert
der ersten Eingangskapazität 21 sind vorgegeben.
Der für eine vollständige Kompensation notwendige
Kapazitätswert der Kompensationskapazität 31 kann somit
in einfacher Weise unter Berücksichtigung der Gleichung
(4) ermittelt werden. Es sei darauf hingewiesen, dass den zuvor
hinsichtlich der Kompensation gemachten Ausführungen die
idealisierende Annahme zugrunde liegt, dass eine Frequenz, mit der
sich die Eingangsspannung Vin ändert, wesentlich kleiner
ist als die Taktfrequenz der beiden Taktsignale Φ1, Φ2,
und dass die erste und zweite Eingangskapazität 21, 15 so
aufeinander abgestimmt sind, dass die Aufladung der ersten Eingangskapazität 21 während
einer einzelnen ersten Taktphase nicht zu einer wesentlichen Änderung
der Eingangsspannung Vin führt.
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Für
die weitere Erläuterung sei zunächst ein idealer
Operationsverstärker angenommen, d. h. Auswirkungen einer
Offset-Spannung und anderer Nichtidealitäten, wie z. B.
eine endliche Leerlaufverstärkung des Operationsverstärkers,
werden zunächst vernachlässigt. Die im Zusammenhang
mit Gleichung (3) gemachten Ausführungen hinsichtlich der
während der zweiten Taktphase in die Eingangskapazität 15 zurückgespeisten elektrischen
Ladung gelten für einen solchen idealen Operations verstärker.
Selbst wenn diese idealen Voraussetzungen nicht vorliegen sollten,
bewirkt die Kompensationsschaltung 3 dennoch eine wesentliche
Reduktion eines Messfehlers, der durch das getaktete Entladen der
zweiten Eingangskapazität 15 verursacht wird.
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3 veranschaulicht
ein erstes Beispiel einer Rückkopplungsschaltung 4.
Zum besseren Verständnis sind aus dieser Rückkopplungsschaltung 4 in 3 auch
die weiteren zuvor bereits anhand von 1 erläuterten
Schaltungskomponenten dargestellt. Die dargestellte Rückkopplungsschaltung 4 umfasst
die geschaltete Rückkopplungskapazität 41,
die in dem dargestellten Beispiel zwischen den Verstärkerausgang
und den ersten Verstärkereingang geschaltet ist, sowie
einen dritten Schalter 42, der dazu ausgebildet ist, die Rückkopplungskapazität 41 getaktet
während der ersten Taktphasen zu entladen. Dieser Schalter 42 ist
in dem dargestellten Beispiel zwischen Anschlussklemmen der Rückkopplungskapazität 41 geschaltet.
Ein Kapazitätsverhältnis zwischen dem Kapazitätswert
C21 der ersten Eingangskapazität 21 und einem
Kapazitätswert C41 der Rückkopplungskapazität 41 bestimmt
bei dieser SC-Verstärkerstufe 2 den Verstärkungsfaktor
G, wie nachfolgend erläutert wird. Während der
zweiten Taktphase wird bei dieser SC-Verstärkerstufe elektrische
Ladung, die während der vorangegangenen ersten Taktphase
in der ersten Eingangskapazität 21 gespeichert wurde,
in der Rückkopplungskapazität 41 gespeichert.
Es gilt also: QC21-1 =
QC41-2 (5).
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QC41-2 entspricht dabei der während
der zweiten Taktphase in der Rückkopplungskapazität 41 gespeicherten
elektrischen Ladung.
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Unter
Berücksichtigung der Offset-Spannung gilt für
die Rückkopplungsschaltung in
3:
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Der
Verstärkungsfaktor G entspricht dem Quotienten aus Eingangskapazität
und Rückkopplungskapazität:
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4 veranschaulicht
ein zweites Beispiel einer Rückkopplungsschaltung 4,
die eine automatische Korrektur einer Ausgangsoffsetspannung bewirkt.
Diese Rückkopplungsschaltung 4 unterscheidet sich
von der anhand von 3 erläuterten Rückkopplungsschaltung 4 dadurch,
dass außer der Rückkopplungskapazität 41 und
dem dritten Schalter 42 zwei weitere Schalter vorhanden
sind: Ein vierter Schalter 43, der zwischen die Rückkopplungskapazität 41 und
den ersten Ausgangsanschluss 13 geschaltet ist; und ein
fünfter Schalter 44, der zwischen einen der Rückkopplungskapazität 41 und
dem vierten Schalter 43 gemeinsamen Knoten und Bezugspotenzial
geschaltet ist. Der dritte Schalter 43 ist durch das zweite
Taktsignal Φ2, und der vierte Schalter 44 ist
durch das erste Taktsignal Φ1 angesteuert. Diese Rückkopplungsschaltung 4 ist
so realisiert, dass sich zwischen den Eingängen des Verstärkers 24 vorhandene
Offsetspannung des Verstärkers 24 nicht auf die Ausgangsspannung
Vout bzw. den Verstärkungsfaktor G auswirkt. Bei der Rückkopplungsschaltung 4 gemäß 4 wird
die Rückkopplungskapazität 41 während
der ersten Taktphase auf die Offsetspannung Vos (ausgangsseitig
negativ) aufgeladen. Während der zweiten Taktphase ist
die Rückkopplungskapazität 41 über
den dritten Schalter 43 zwischen den ersten Ausgangsanschluss 13 und
den ersten Verstärkereingang 25 geschaltet. Durch
die auf der Rückkopplungskapazität gespeicherte
Offsetspannung wird die Offset-Spannung am Ausgang der Schaltung
eliminiert bzw. kompensiert.
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Ist
der Verstärker 24 offsetbehaftet, so wird die
gespeicherte Ladung der ersten Eingangskapazität 21 während
der zweiten Taktphase nicht vollständig auf die Rückkopplungskapazität übertragen,
sondern es bleibt am Ende der Taktphase 2 eine Ladung auf
der ersten Eingangskapazität 21 erhalten, für
die gilt: QC21-2 =
C21·Vos, (7)wobei
Vos die Offsetspannung bezeichnet. In der ersten Taktphase wird
eine Ladung auf die Eingangskapazität 21 übertragen,
die von der Differenz zwischen der Eingangs- und der Offsetspannung
abhängig ist. Es gilt: QC21-1 = C21·(Vin – Vos). (7a)
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Der
von der Offsetspannung Vos abhängige Anteil der Ladung
wird in den Anordnungen gemäß der 3 und 4 durch
die Kompensationsschaltung 3 nicht ausgeglichen. Dadurch
entsteht ein von der Offsetspannung abhängiger Kompensationsfehler,
der in einigen Anwendungen toleriert werden kann.
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5 veranschaulicht
ein Beispiel einer Rückkopplungsschaltung, die in der Lage
ist, auch den erläuterten Kompensationsfehler zu unterdrücken.
Diese Rückkopplungsschaltung weist eine zusätzliche
Kapazität 51 auf, die zwischen den invertierenden
Eingang des Verstärkers 24 einerseits und die
Eingangskapazität 21 und die Rückkopplungskapazität 41 andererseits
geschaltet ist. Zwischen den Knoten 25, der der Eingangskapazität 21 und
der Rückkopplungsschaltung 4 gemeinsam ist, und
die Klemme für Bezugspotential ist ein weiterer Schalter 52 geschaltet,
der durch das erste Taktsignal Φ1 angesteuert ist.
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Während
der ersten Taktphase wird der nicht-invertierende Eingang des Operationsverstärkers 24 über
den Schalter 42 der Rückkopplungsschaltung 4 mit
dem Ausgang verbunden und die Offset-Spannung Vos wird auf der zusätzlichen
Kapazität 51 gespeichert, in deren dem invertierenden
Eingang des Operati onsverstärkers 24 abgewandter
Anschluss über den weiteren Schalter 52 während
der ersten Taktphase auf Bezugspotenzial liegt. Die auf die Eingangskapazität 21 übertragene
Ladung ist – im Unterschied zu den zuvor beschriebenen
Anordnungen – nicht von der Offsetspannung Vos abhängig;
es gilt: QC21-1 =
C21·Vin (7b)
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Während
der zweiten Taktphase wird die gesamte in der Eingangskapazität 21 gespeicherte
Ladung auf die Rückkopplungskapazität 41 übertragen.
Dies hat den Vorteil, dass kein von der Offsetspannung Vos abhängiger
Kompensationsfehler entsteht. Die in der zusätzlichen Kapazität 51 gespeicherte
Ladung, die unmittelbar von der Offsetspannung abhängt,
bewirkt eine Offset-Korrektur des Ausgangssignals Vout.
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6 veranschaulicht
ein weiteres Beispiel einer SC-Verstärkeranordnung anhand
eines elektrischen Ersatzschaltbildes. Diese Verstärkeranordnung
ist in Differenzpfadtechnik realisiert und umfasst zwei SC-Verstärkerstufen 21 , 22 ,
von denen eine erste 21 zwischen
den ersten Eingangsanschluss 11 und den ersten Ausgangsanschluss 13 geschaltet
ist, und von denen eine zweite 22 zwischen
den zweiten Eingangsanschluss 12 und den zweiten Ausgangsanschluss 14 geschaltet
ist. In den SC-Verstärkerstufen 21 , 22 gemäß 6 sind gleiche
Schaltungskomponenten wie in der SC-Verstärkerstufe 2 gemäß den 1 und 2 mit
gleichem Bezugszeichen bezeichnet, wobei der Index ”1” die
Schaltungskomponenten der ersten SC-Verstärkerstufe 21 und der Index ”2” die
Schaltungskomponenten der zweiten SC-Verstärkerstufe 22 bezeichnet. Die zweiten Verstärkereingänge
der Verstärker 241 , 242 der SC-Verstärkerstufen 21 , 22 und
die zweiten Schalter 231 , 232 sind jeweils an Bezugspotenzial angeschlossen.
Die Ausgangsspannung Vout entspricht bei dieser SC-Verstärkeranordnung
der Differenz der beiden Spannungen, die jeweils zwischen den Verstärkerausgängen
der Verstärker 241 , 242 und Bezugspotenzial vorhanden sind.
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Die
Rückkopplungsschaltungen 41 , 42 der SC-Verstärkerstufen 21 , 22 ,
die in 5 lediglich als Schaltungsblöcke dargestellt
sind, können beliebige für SC-Verstärkerstufen
geeignete Rückkopplungsschaltungen sein, insbesondere solche
Rückkopplungsschaltungen wie sie zuvor anhand der 3 und 4 erläutert wurden.
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Die
SC-Verstärkeranordnung gemäß 6 umfasst
außerdem zwei Kompensationsschaltungen: Eine erste Kompensationsschaltung 31, die zwischen den ersten Ausgangsanschluss 13 und
den ersten Eingangsanschluss 11 geschaltet ist; und eine
zweite Kompensationsschaltung 32 ,
die zwischen den zweiten Ausgangsanschluss 14 und den zweiten
Eingangsanschluss 12 geschaltet ist. Diese beiden Kompensationsschaltungen 31 , 32 sind
entsprechend der zuvor anhand von 1 erläuterten
Kompensationsschaltung 3 realisiert. In 6 sind
gleiche Schaltungskomponenten dieser Kompensationsschaltungen 31 , 32 wie
bei der Kompensationsschaltung 3 gemäß 1 mit
gleichem Bezugszeichen bezeichnet, wobei der Index ”1” die
Schaltungskomponenten der ersten Kompensationsschaltung 31 und der Index ”2” die
Schaltungskomponenten der zweiten Kompensationsschaltung 32 bezeichnet.
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7 veranschaulicht
ein weiteres Beispiel einer SC-Verstärkeranordnung mit
zwei Verstärkerstufen 21 , 22 . Diese Verstärkeranordnung
weist anstelle von zwei separaten Operationsverstärkern
einen volldifferenziellen Operationsverstärker auf, der
zwei Signaleingänge, zwei Signalausgänge und einen
Referenzspannungseingang aufweist. Je einer der Signalausgänge
dieses Operationsverstärkers, zwischen denen die Ausgangsspannung
anliegt, ist an eine der Ausgangsklemmen 13, 14 angeschlossen.
An dem Referenzspannungseingang liegt eine Referenzspannung bzw.
ein Referenzpotential Vcm an. Dieses Referenzpotential entspricht
dem Referenzpotential an den übrigen Referenzpotenzialklemmen
der Schaltung, d. h. beispielsweise dem Potenzial an den Klemmen,
an welche die Kompensati onskapazitäten 311 , 312 und die Rückkopplungskapazitäten 411 , 412 während
der ersten Taktphase angeschlossen sind. Dieses Referenzpotential
entspricht beispielsweise der Hälfte einer Versorgungsspannung
(nicht dargestellt) die dem Operationsverstärker 24 zugeführt
ist. Der Operationsverstärker ist dazu ausgebildet, einen
Gleichtaktanteil der Ausgangsspannung auf dieses Referenzpotenzial
zu regeln.
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Die
Rückkopplungsschaltungen 41 , 42 der SC-Verstärkeranordnung
gemäß 7 sind entsprechend der Rückkopplungsschaltung
gemäß 5 realisiert, könnten
jedoch auch auf beliebige andere Weise realisiert sein. Je eine
dieser Rückkopplungsschaltungen 41 , 42 ist dabei zwischen einen der Eingänge
und einen der Ausgänge des Operationsverstärkers 24 geschaltet.
Die Eingangskapazitäten 211 , 212 sind entsprechend der Verstärkeranordnung
gemäß 6 verschaltet und entsprechend
an die Rückkopplungsschaltungen 41 , 42 angeschlossen.
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Eine
solche Verstärkerschaltung mit einem volldifferenziellen
Operationsverstärker 24 ist in der Lage einen
differenziellen Eingangsstrom zu kompensieren, so dass lediglich
ein Gleichtakt-Eingangsstrom fließt, der proportional ist
zu einer Potentialdifferenz zwischen der Eingangsspannung Vin und
der Gleichtaktspannung Vcm. Darüber entsteht bei einer
vollständigen Symmetrie der Gesamtschaltung kein Verstärkungsfehler bzw.
Messfehler, der durch den Eingangsstrom bedingt ist. Es sei darauf
hingewiesen, dass die zuvor erläuterten SC-Verstärkerstufen
lediglich als Beispiel zu verstehen sind. Das Grundkonzept, nämlich
das Vorsehen einer Kompensationsschaltung, die zwischen den Ausgang
und den Eingang der SC-Verstärkeranordnung geschaltet ist
und die dazu dient, während jeder zweiten Taktphase wenigstens
annähernd so viel Ladung vom Ausgang an den Eingang zurückzuspeisen,
wie während der unmittelbar vorangehenden Taktphase über
den Eingang aufgenommen wurde, ist unabhängig von der konkreten
Realisierung der SC-Verstärkerstufe 2 bzw. 21 , 22 anwendbar.
In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass die erste Eingangska pazität 21 nicht
notwendigerweise zwischen den Eingang und den Verstärker
geschaltet sein muss. Bezugnehmend auf 8 besteht
auch die Möglichkeit, einen Anschluss der Eingangskapazität 21 an
Bezugspotenzial anzuschließen und den anderen Anschluss
der Eingangskapazität mittels des ersten und zweiten Schalters 22, 23 getaktet
zwischen den Eingang der SC-Verstärkeranordnung und einen
der Verstärkereingänge umzuschalten. Der erste
Schalter 22 ist hierbei zwischen den Eingang der SC-Verstärkeranordnung
und die Eingangskapazität 21 geschaltet, und der
zweite Schalter 23 ist zwischen die erste Eingangskapazität 21 und
einen der Verstärkereingänge geschaltet.
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Abschließend
sei darauf hingewiesen, dass Merkmale die zuvor im Zusammenhang
mit nur einem Beispiel erläutert wurden, auch dann mit
Merkmalen anderer Beispiele kombiniert werden können, wenn
dies nicht explizit erwähnt wurde. So können insbesondere
Merkmale der nachfolgend angegebenen Ansprüche beliebig miteinander
kombiniert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - US 4355285 [0003]
- - US 4543534 [0003]
- - US 5617093 [0003]
- - US 5796300 [0003]
- - US 7088280 [0003]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Lacerda et
al.: ”A Differential Switched-Capacitor Amplifier with
Programmable Gain and Output Offset Voltage”, SBCCI Proceedings
of the 19th annual symposium an integrated circuits and systems
design, August 28 – September 01, 2006 [0003]
