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Dokumentenidentifikation DE60027600T2 10.05.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001250751
Titel ELEKTRONISCHE SCHALTUNG
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder DAWES, Alan, Swindon, Wiltshire SN5 5PF, GB
DE-Aktenzeichen 60027600
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 18.12.2000
EP-Aktenzeichen 009851890
WO-Anmeldetag 18.12.2000
PCT-Aktenzeichen PCT/EP00/12905
WO-Veröffentlichungsnummer 2001047103
WO-Veröffentlichungsdatum 28.06.2001
EP-Offenlegungsdatum 23.10.2002
EP date of grant 26.04.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 10.05.2007
IPC-Hauptklasse H03F 1/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]
TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung und insbesondere einen Niederspannungs-Differenzverstärker mit geschalteten Kapazitäten.

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

Ein vollständig differentieller Standard-Operationsverstärker hat spezifische Anforderungen an die Vorspannung, mit der er gespeist werden muss, damit er wirksam arbeiten kann. Im Speziellen weist der Verstärker in der Regel an seinem Eingang ein einzelnes Paar von Differenztransistoren auf. Falls PMOS-Eingangsbauelemente benutzt werden, muss, um an diese Transistoren bei niedrigen Speisespannungen geeignete Vorspannungen zu liefern, der Eingangsreferenzspannungspegel näher bei der negativen Speisespannung als bei der positiven Speisespannung liegen. Dies schränkt den Spannungshub ein, den die Eingangsstufe handhaben kann, und schränkt daher auch den maximal verfügbaren Aussteuerbereich am Ausgang des Operationsverstärkers ein. Desgleichen, falls NMOS-Eingangsbauelemente benutzt werden, muss der Eingangsreferenzspannungspegel näher bei der positiven Speisespannung als bei der negativen Speisespannung liegen.

Die US 5,565,813 offenbart einen Niederspannungs-Differenzverstärker, bei dem die Spannung an einer Kapazitätsschaltung, die der Schaltung zugeschaltet und von der Schaltung getrennt wird, benutzt wird, um eine Vorspannung zu liefern.

Darüber hinaus beschreibt Singor F. W. et al., „10.7 MHZ BANDPASS DELTA-SIGMA A/D MODULATORS", San Diego, 1.–4. Mai 1994, New York, IEEE, USA, Vol. Conf. 16, 1. Mai 1994 (1994-05-01), S. 163–166, XP000492876, einen Bandpass-Sigma-Delta-Wandler, der zwei kaskadierte, vollständig differentielle Verstärker umfasst. Die beiden Verstärker werden mittels zweier Widerstände und eines Schaltnetzes gekoppelt. Das Schaltnetz ist so geschaltet, dass es den ersten und den zweiten Kondensator abwechselnd zwischen Masse und dem Ausgang des ersten Verstärkers bzw. Masse und dem Eingang des zweiten Verstärkers umschaltet.

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Stand der Technik weist das oben behandelte Problem auf, dass bei niedrigen Versorgungsspannungen der maximal verfügbare Aussteuerbereich am Ausgang des Operationsverstärkers eingeschränkt ist.

Eine mögliche Lösung dieses Problems besteht darin, eine Spannungserhöhungsschaltung, wie etwa eine Ladungspumpe, zu benutzen, um eine Speisespannung an die Verstärkerspannung zu liefern, die höher als der tatsächliche Speisespannungspegel ist. Mit einer höheren Verstärkerspeisespannung kann der Eingangsreferenzspannungspegel nahe an der Mitte zwischen der negativen Speisespannung und der positiven Speisespannung eingestellt werden, wobei weiterhin geeignete Vorspannungen an die Eingangsstufentransistoren geliefert werden. Dies maximiert den Aussteuerbereich der Schaltung. Jedoch weist diese Lösung den Nachteil auf, dass sie Leistung verschwendet, um auf diese Weise die Speisespannung zu erhöhen.

Gemäß der Erfindung stellt eine Schaltung mit geschalteten Kapazitäten die Vorspannungen für eine Differenzverstärkerschaltung bereit, welche von zwei Referenzspannungen geliefert werden. Im Speziellen wird ein erster Referenzpegel benutzt, um die Eingangsstufe des Verstärkers vorzuspannen, und ein zweiter Referenzpegel wird benutzt, um die Mitte des Aussteuerbereichs der Ausgangsstufe des Verstärkers einzustellen. Somit kann der erste Referenzpegel auf einen Pegel eingestellt werden, der von der erforderlichen Vorspannung des Verstärkereingangs bestimmt wird. Der zweite Referenzpegel kann auf die halbe Speisespannung eingestellt werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 zeigt eine erfindungsgemäße Verstärkerschaltung mit geschalteten Kapazitäten bei einer ersten Betriebsphase.

2 zeigt die Verstärkerschaltung mit geschalteten Kapazitäten aus 1 bei einer zweiten Betriebsphase.

3 zeigt einen Differenzverstärker, der einen Teil der erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung bildet.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

1 zeigt eine Verstärkerschaltung mit geschalteten Kapazitäten, die zwei miteinander kaskadierte Operationsverstärkerschaltungen 10, 12 aufweist. Das heißt, jede Verstärkerschaltung weist ein Differenzeingangskontaktpaar in+, in– und ein Differenzausgangskontaktpaar out+, out– auf, und die Ausgangskontakte out+, out– der ersten Verstärkerschaltung 10 sind an die entsprechenden Eingangskontakte der nachfolgenden Verstärkerschaltung 12 angeschlossen. Auf diese Weise lässt sich eine beliebige Anzahl von Verstärkerschaltungen kaskadieren. Jede Verstärkerschaltung weist außerdem einen Eingangspin CM auf, mittels dessen sich die Gleichtaktausgangsspannung einstellen lässt.

Zwischen jedem positiven Ausgangskontakt und dem nachfolgenden Eingangskontakt ist ein erster Kondensator 14 angeordnet, und zwischen jedem negativen Ausgangskontakt und dem nachfolgenden Eingangskontakt ist ein zweiter Kondensator 16 angeordnet. Wie bei Schaltungen mit geschalteten Kapazitäten üblich, können diese Kondensatoren mittels Schaltern entweder an den jeweiligen Ausgangskontakt oder an den jeweiligen Eingangskontakt angeschlossen werden. So gibt es ein erstes Schalterpaar 18a, 18b, das zwischen die Ausgangskontakte out+ bzw. out– des Operationsverstärkers 10 und die Kondensatoren 14 bzw. 16 geschaltet ist. Ferner gibt es ein zweites Schalterpaar 20a, 20b, das zwischen die Kondensatoren 14 bzw. 16 und die Eingangskontakte in+ bzw. in– des Operationsverstärkers 12 geschaltet ist.

Darüber hinaus gibt es ein drittes Schalterpaar 22a, 22b, das, ausgehend von Knoten jeweils zwischen dem Schalter 18a bzw. 18b des ersten Paars und dem Kondensator 14 bzw. 16, zwischen die positive und die negative Schiene geschaltet ist und einen Eingangskontakt 24 zwischen den Schaltern 22a und 22b aufweist. Ferner gibt es ein viertes Schalterpaar 26a, 26b, das, ausgehend von Knoten jeweils zwischen dem Kondensator 14 bzw. 16 und dem Schalter 20a bzw. 20b des zweiten Paars, zwischen die positive und die negative Schiene geschaltet ist und einen Eingangskontakt 28 zwischen den Schaltern 26a und 26b aufweist.

Bis hierhin ist die Schaltung aus 1 eine herkömmliche Schaltung. Jedoch besteht ein wichtiger Gesichtspunkt der Erfindung darin, dass, während eine erste Spannungsreferenz vref1 an den Eingangskontakt 24 angelegt wird, an den zweiten Eingangskontakt 28 eine zweite Spannungsreferenz vref2 angelegt wird. Die erste und die zweite Spannungsreferenz können also unterschiedlich sein. Dass dies wichtig ist, geht aus der nachfolgenden Beschreibung des Betriebs der Schaltung hervor.

Bei einer ersten Phase sind, wie in 1 gezeigt, die Schalter 18a, 18b, 26a, 26b geschlossen, und die Schalter 20a, 20b, 22a, 22b sind geöffnet. Folglich werden die Kondensatoren 14, 16 von der Ausgangsstufe des Verstärkers 10 auf den Pegel der zweiten Spannungsreferenz vref2 aufgeladen.

Damit das Laden der Kondensatoren 14, 16 balanciert und symmetrisch verlaufen kann, wird die zweite Spannungsreferenz vref2 gleich der Gleichtaktausgangsspannung des Verstärkers gemacht, die selbst von der Spannung am Eingangspin CM des Verstärkers definiert wird. Die zweite Spannungsreferenz vref2 kann auf VDD/2 eingestellt werden, wobei VDD die Speisespannung ist, um den Aussteuerbereich des Ausgangs des Verstärkers zu maximieren.

Bei einer zweiten Phase sind, wie in 2 gezeigt, die Schalter 18a, 18b, 26a, 26b geöffnet, und die Schalter 20a, 20b, 22a, 22b sind geschlossen. Die Spannungen an den Kondensatoren 14, 16 spannen dann die Eingangskontakte in+ bzw. in– des nachfolgenden Verstärkers 12 vor. Da die erste Spannungsreferenz vref1 so eingestellt ist, dass sie nicht gleich der zweiten Spannungsreferenz vref2 ist, kann der Aussteuerbereich des Eingangs des Verstärkers 12 maximiert werden; die Gründe hierfür werden nachstehend beschrieben.

Ebenfalls bei der zweiten Phase können sich die Kondensatoren 14, 16 über Integratorausgangskondensatoren 30, 32 entladen, und daher können sich die Spannungspegel an den Kondensatoren verschieben. Im Speziellen wird die Referenz der Kondensatoren 14, 16 auf den Pegel der ersten Spannungsreferenz vref1 geändert.

Somit kann die erste Spannungsreferenz auf einen Pegel eingestellt werden, der eine für den Verstärker geeignete Vorspannung bereitstellt. Zum Beispiel zeigt 3 schematisch einen Verstärker mit einer p-Eingangsstufe, die einen ersten und einen zweiten p-Transistor 50, 52 aufweist, welche an die Differenzeingangskontakte in+ bzw. in– angeschlossen sind. Für einen Verstärker dieses Typs kann die erste Spannungsreferenz vref1 wie folgt eingestellt werden: vref1 = [VDD – (Vgs1 + Vdsat2)], wobei gilt: Vgs1 = Vth + Vdsat1, wobei Vth die Schwellenspannung eines Eingangsbauelements, Vdsat1 die Sättigungsspannung eines Eingangsbauelements und Vdsat2 die Sättigungsspannung einer an das Eingangspaar angeschlossenen Stromquelle 54 ist.

Es versteht sich, dass jeder gewünschte Vorspannungspegel angelegt werden kann. Durch Bereitstellen unterschiedlicher Spannungspegel für die beiden Spannungsreferenzen kann die Eingangsstufe des Verstärkers geeignet vorgespannt und gleichzeitig der maximal verfügbare Aussteuerbereich für Ausgangssignale beibehalten werden.


Anspruch[de]
Verstärkerschaltung mit geschalteten Kapazitäten, welche Folgendes umfasst:

mehrere kaskadierte Differenzverstärker (10, 12), von denen jeder jeweilige Differenzeingangskontakte und jeweilige Differenzausgangskontakte aufweist,

einen ersten Kondensator (14), der zwischen den positiven Ausgangskontakt jedes Verstärkers und den positiven Eingangskontakt eines nachfolgenden Verstärkers geschaltet ist,

einen zweiten Kondensator (16), der zwischen den negativen Ausgangskontakt jedes Verstärkers und den negativen Eingangskontakt eines nachfolgenden Verstärkers geschaltet ist und

ein Schaltnetz (20a, 20b, 18a, 18b, 22a, 22b, 26a, 26b), das so geschaltet ist, dass es den ersten und den zweiten Kondensator abwechselnd zwischen einer ersten Spannungsreferenz (vref1) und den Eingangskontakten eines nachfolgenden Verstärkers und zwischen den Ausgangskontakten eines vorhergehenden Verstärkers und einer zweiten Spannungsreferenz (vref2) umschaltet,

wobei die zweite Spannungsreferenz unabhängig von der ersten Spannungsreferenz ist.
Verstärkerschaltung mit geschalteten Kapazitäten nach Anspruch 1, wobei die erste Spannungsreferenz auf einen Pegel eingestellt wird, der von der für die Verstärkerschaltung erforderlichen Vorspannung bestimmt wird. Verstärkerschaltung mit geschalteten Kapazitäten nach Anspruch 1, wobei die zweite Spannungsreferenz so eingestellt wird, dass der Aussteuerbereich des Verstärkers maximiert wird.






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