DE102009000126B4 - Drift compensation of charge amplifier circuits - Google Patents

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Abstract

Transmission-Gate (100) mit einem zwischen einen Signaleingang und einen Signalausgang geschalteten NMOS-Transistor (110) und einem dem NMOS-Transistor (110) parallel geschalteten PMOS-Transistor (120), wobei der NMOS-Transistor (110) und der PMOS-Transistor (120) jeweils einen Sourceanschluss, einen Drainanschluss, einen Gateanschluss und ein Bulk aufweisen, wobei das Bulk des NMOS-Transistors (110) an eine erste Versorgungsspannungsquelle (GND) für eine erste Versorgungsspannung und das Bulk des PMOS-Transistors (120) an eine zweite Versorgungsspannungsquelle (VDD) für eine zweite Versorgungsspannung, welche höher als die erste Versorgungsspannung ist, angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der NMOS-Transistor (110) eine erste Kanalweite (WN) und eine erste Kanallänge (LN) und der PMOS-Transistor (120) eine zweite Kanalweite (WP) und eine zweite Kanallänge (LP) aufweisen, wobei ein erstes Verhältnis (WN/LN) der ersten Kanalweite (WN) zur ersten Kanallänge (LN) und ein zweites Verhältnis (WP/LP) der zweiten Kanalweite (WP) zur zweiten Kanallänge (LP) so gewählt sind, dass ein erster Leckstrom (IleckN) vom Signaleingang zum Bulk des NMOS-Transistors (110) betragsmäßig gleich einem zweiten Leckstrom (IleckP) vom Bulk des PMOS-Transistors (120) zum Signaleingang ist.Transmission gate (100) with an NMOS transistor (110) connected between a signal input and a signal output and a PMOS transistor (120) connected in parallel with the NMOS transistor (110), the NMOS transistor (110) and the PMOS -Transistors (120) each have a source connection, a drain connection, a gate connection and a bulk, the bulk of the NMOS transistor (110) being connected to a first supply voltage source (GND) for a first supply voltage and the bulk of the PMOS transistor (120) are connected to a second supply voltage source (VDD) for a second supply voltage which is higher than the first supply voltage, characterized in that the NMOS transistor (110) has a first channel width (WN) and a first channel length (LN) and the PMOS -Transistor (120) have a second channel width (WP) and a second channel length (LP), a first ratio (WN / LN) of the first channel width (WN) to the first channel length (LN) and a second the ratio (WP / LP) of the second channel width (WP) to the second channel length (LP) are chosen so that a first leakage current (IleckN) from the signal input to the bulk of the NMOS transistor (110) is equal to a second leakage current (IleckP) from Bulk of PMOS transistor (120) to signal input is.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft ein Transmission-Gate mit Driftkompensation, einen Integrator mit einem solchen Transmission-Gate, einen Drucksensor mit einem solchen Integrator und einen Verbrennungsmotor mit einem solchen Drucksensor.The invention relates to a transmission gate with drift compensation, an integrator with such a transmission gate, a pressure sensor with such an integrator and an internal combustion engine with such a pressure sensor.

Sensoren können nach der Art des von ihnen zur Verfügung gestellten Messsignals kategorisiert werden. So gibt es beispielsweise resistive Sensoren, welche die Messgröße in einen variablen ohmschen Widerstand umsetzen, oder auch kapazitive Sensoren, welche eine Ladung als Messsignal erzeugen. Einen solchen kapazitiven Sensor stellen piezokeramische oder quarzkristalline Drucksensoren dar, die abhängig vom auf den Sensor einwirkenden Druck elektrische Ladungen aufbauen. Weil diese Ladungen nur sehr gering sind, müssen Ladungsverstärkerschaltungen eingesetzt werden, die das Messsignal verstärken. In der Praxis wird dabei gewöhnlich der Umweg über eine Wandlung in einen Ausgangsstrom genommen, wobei die vom Sensor erzeugten Ladungen als Strom in einer bestimmten Zeiteinheit nachgewiesen werden. Es gilt in einem linearisierten Ansatz mit dem Strom le, der vom Sensor erzeugten Ladung Qs und der Zeiteinheit Δt: l e =Q s / Δ t

Figure DE102009000126B4_0001
Sensors can be categorized according to the type of measurement signal they provide. There are, for example, resistive sensors that convert the measured variable into a variable ohmic resistance, or capacitive sensors that generate a charge as a measurement signal. Such a capacitive sensor is represented by piezoceramic or quartz-crystalline pressure sensors, which build up electrical charges depending on the pressure acting on the sensor. Because these charges are only very small, charge amplifier circuits must be used that amplify the measurement signal. In practice, the detour via conversion into an output current is usually taken, with the charges generated by the sensor being detected as current in a specific time unit. In a linearized approach with the current le, the charge Qs generated by the sensor and the time unit Δt: l e = Q s / Δ t
Figure DE102009000126B4_0001

Da die aufgebauten Ladungen nur einen sehr geringen Strom bewirken können, ist es unter praktischen Bedingungen notwendig, diesen Messstrom über einen gewissen Zeitraum zu integrieren und dadurch zu verstärken. Ein Ladungsverstärker entspricht daher der bekannten Integratorschaltung mit einem Kondensator in der Rückkopplung. Die durch Integration erzeugte Ausgangsspannung kann dann durch übliche Methoden wie beispielsweise A/D-Umsetzung einfach ausgewertet werden und folgt der folgenden Gesetzmäßigkeit (wiederum linearisiert): U a = l e * Δ t/C ,

Figure DE102009000126B4_0002
wobei Ua die Ausgangsspannung und C die Kapazität des Kondensators bedeuten.Since the built-up charges can only produce a very low current, it is necessary under practical conditions to integrate this measuring current over a certain period of time and thus to amplify it. A charge amplifier therefore corresponds to the known integrator circuit with a capacitor in the feedback. The output voltage generated by integration can then be easily evaluated using common methods such as A / D conversion and follows the following regularity (again linearized): U a = l e * Δ t / C ,
Figure DE102009000126B4_0002
where U a is the output voltage and C is the capacitance of the capacitor.

Nun ist es ein Problem bei der Integration des Messsignals, dass die Schaltungselemente der üblichen Integratorschaltungen selbst Leckströme erzeugen, welche das Messsignal verfälschen. Ist der vom Sensor erzeugte Strom sehr klein, wirken sich solche Verfälschungen umso stärker aus, was die Messgenauigkeit in unerwünschter Weise begrenzt. Zudem treiben die Leckströme den Integrator nach einer von der Größe der Leckströme und der Kapazität des Kondensators abhängigen Zeit in die Sättigung, so dass die auf dem Kondensator bereits gespeicherte Ladung in gewissen Zeitabständen durch Kurzschließen des Kondensators neutralisiert werden muss. Dies stellt z. B. für eine Druckmessung im Inneren einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors ein Problem dar, da hier die während eine Kurbelwellenumdrehung variierenden Druckbedingungen durch eine Messung über den vollen Zeitraum des Bewegungszyklus' ermittelt werden sollen, dieser Zeitraum aber länger als der hinsichtlich einer akzeptablen Fehlertoleranz maximal zur Verfügung stehende Zeitabstand bis zum erneuten Kurzschließen des Kondensators sein kann. Ein weiteres Problem ist, dass die Leckströme mit steigender Temperatur zunehmen, so dass sie für derartige Messungen, die naturgemäß bei hohen Temperaturen stattfinden, ein umso größeres Hindernis bedeuten. Es besteht folglich ein Bedarf an Schaltungselementen, die einen besonders geringen Leckstrom aufweisen, und es ist Aufgabe der Erfindung, solche Schaltungselemente für die aufgezeigten Zwecke einzuführen.A problem with the integration of the measurement signal is that the circuit elements of the customary integrator circuits themselves generate leakage currents which falsify the measurement signal. If the current generated by the sensor is very small, such falsifications have a greater effect, which undesirably limits the measurement accuracy. In addition, the leakage currents drive the integrator into saturation after a time dependent on the size of the leakage currents and the capacitance of the capacitor, so that the charge already stored on the capacitor has to be neutralized at certain time intervals by short-circuiting the capacitor. This represents e.g. B. for a pressure measurement inside a combustion chamber of an internal combustion engine is a problem, since here the pressure conditions varying during a crankshaft revolution are to be determined by a measurement over the entire period of the movement cycle, but this period is longer than the maximum available with regard to an acceptable error tolerance standing time interval until the capacitor is short-circuited again. Another problem is that the leakage currents increase with increasing temperature, so that they represent an even greater obstacle for measurements of this type, which naturally take place at high temperatures. There is consequently a need for circuit elements which have a particularly low leakage current, and it is the object of the invention to introduce such circuit elements for the purposes indicated.

In der US 2005/0219102 A1 und der US 6 348 831 B1 sind Transmissions-Gates eines Analogschalters mit NMOS und PNOS mit jeweils unterschiedlichen Versorgungspannungen an ihren Substrateingängen gezeigt. Die DE 39 05 824 A1 und die US 2005 / 0 103 977 A1 zeigen jeweils Integratoren des Standes der Technik.In the US 2005/0219102 A1 and the US 6,348,831 B1 Transmission gates of an analog switch with NMOS and PNOS are shown, each with different supply voltages at their substrate inputs. The DE 39 05 824 A1 and the US 2005/0 103 977 A1 each show integrators of the prior art.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Um die Aufgabe zu lösen, führt ein erster Aspekt der Erfindung ein Transmission-Gate gemäß Anspruch 1 ein.In order to achieve the object, a first aspect of the invention introduces a transmission gate according to claim 1.

Bei einer CMOS-Technologie liegt wenigstens einer der beiden grundlegenden Transistortypen (PMOS oder NMOS) in einer so genannten Wanne. Damit diese Wanne ein definiertes Potential besitzt, wird sie gewöhnlich mit der Source des Transistors kurzgeschlossen. Bei einem Transistor, der nicht in einer Wanne liegt, ist das Bulk des Transistors Teil des Substrats, welches üblicherweise in seiner Gänze mit einer der Versorgungsspannungen verbunden wird.In CMOS technology, at least one of the two basic transistor types (PMOS or NMOS) is located in a so-called tub. In order for this well to have a defined potential, it is usually short-circuited with the source of the transistor. In the case of a transistor that is not located in a well, the bulk of the transistor is part of the substrate which is usually connected in its entirety to one of the supply voltages.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass ein Ausgangsleckstrom eines Transmission-Gates wenigstens näherungsweise unterdrückt werden kann, wenn der Leckstrom des PMOS-Transistors möglichst gleich dem Leckstrom des NMOS-Transistors wird. In einem solchen Fall wird der vom Bulk des PMOS-Transistors zu Source oder Drain des PMOS-Transistors fließende Leckstrom durch den Leckstrom von Source oder Drain des NMOS-Transistors zum Bulk des NMOS-Transistors kompensiert. Aus dem 1. Kirchhoffschen Gesetz folgt für den Ausgangsknoten eines Transmission-Gates: | leckP - | leckN | leckges = 0

Figure DE102009000126B4_0003
The invention is based on the knowledge that an output leakage current of a transmission gate can be suppressed at least approximately if the leakage current of the PMOS transistor is as equal as possible to the leakage current of the NMOS transistor. In such a case, the leakage current flowing from the bulk of the PMOS transistor to the source or drain of the PMOS transistor is compensated for by the leakage current from the source or drain of the NMOS transistor to the bulk of the NMOS transistor. From Kirchhoff's first law it follows for the output node of a transmission gate: | leakP - | leakN - | leaky = 0
Figure DE102009000126B4_0003

Daraus folgt, dass im Fall eines sperrenden Transmission-Gates Ileckges Null wird, wenn IleckP gleich IleckN ist. Da lleckges einen unerwünschten Beitrag zu dem auf dem Kondensator des Integrators integrierten Strom liefert, ist in diesem Fall eine optimale Driftkompensation gegeben. Die Erfindung ermöglicht dies, indem gegenüber dem Stand der Technik die Bulks sowohl des NMOS-Transistors als auch des PMOS-Transistors an die jeweiligen Versorgungsspannungen angeschlossen werden, so dass beide Transistortypen wenigstens näherungsweise gleiche Leckströme aufweisen.It follows from this that in the case of a blocking transmission gate, I leakage becomes zero when I leakP equals I leakN . Since I leakges makes an undesirable contribution to the current integrated on the capacitor of the integrator, an optimal drift compensation is given in this case. The invention makes this possible in that, compared to the prior art, the bulks of both the NMOS transistor and the PMOS transistor are connected to the respective supply voltages, so that both transistor types have at least approximately the same leakage currents.

In der Schaltungstechnik ist es üblich, Transistoren für einen gegebenen Fertigungsprozess über ihre Kanallänge und Kanalweite bzw. das Verhältnis dieser beiden Größen zu charakterisieren. Daserfindungsgemäße Transmission-Gate umfasst dabei, dass Kanalweite und Kanallänge von NMOS-Transistor und PMOS-Transistor so gewählt werden, dass ein Leckstrom vom Signaleingang des Transmission-Gates zum Bulk des NMOS-Transistors betragsmäßig gleich einem Leckstrom vom Bulk des PMOS-Transistors zum Signaleingang des Transmission-Gates ist. Vorzugsweise ist das Verhältnis der Kanalweite zur Kanallänge des PMOS-Transistors zwischen zwei- und viermal größer als das Verhältnis der Kanalweite zur Kanallänge des NMOS-Transistors.In circuit technology, it is customary to characterize transistors for a given manufacturing process by means of their channel length and channel width or the ratio of these two variables. The inventive transmission gate includes that the channel width and length of the NMOS transistor and PMOS transistor are selected so that a leakage current from the signal input of the transmission gate to the bulk of the NMOS transistor is equal to a leakage current from the bulk of the PMOS transistor to the signal input of the transmission gate is. The ratio of the channel width to the channel length of the PMOS transistor is preferably between two and four times greater than the ratio of the channel width to the channel length of the NMOS transistor.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung führt einen Integrator mit einem Integratoreingang und einem Integratorausgang ein, der über einen ersten Widerstand, einen ersten Kondensator und ein Transmission-Gate verfügt. Der erste Widerstand ist zwischen den Integratoreingang und einen invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers, der erste Kondensator zwischen den invertierenden Eingang des Differenzverstärkers und einen Ausgang des Differenzverstärkers, und das Transmission-Gate zwischen den invertierenden Eingang und den Ausgang des Differenzverstärkers geschaltet. Das Transmission-Gate ist ausgebildet, den ersten Kondensator in Abhängigkeit von einem Steuersignal zu entladen. Der Ausgang des Differenzverstärkers ist mit dem Integratorausgang verbunden. Das Transmission-Gate ist ein Transmission-Gate gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung.A second aspect of the invention introduces an integrator with an integrator input and an integrator output which has a first resistor, a first capacitor and a transmission gate. The first resistor is connected between the integrator input and an inverting input of a differential amplifier, the first capacitor is connected between the inverting input of the differential amplifier and an output of the differential amplifier, and the transmission gate is connected between the inverting input and the output of the differential amplifier. The transmission gate is designed to discharge the first capacitor as a function of a control signal. The output of the differential amplifier is connected to the integrator output. The transmission gate is a transmission gate according to the first aspect of the invention.

Der erfindungsgemäße Integrator kann vorteilhafterweise auf einen gesonderten ESD-Schutz (Electrostatic Discharge) verzichten, da der erste Widerstand zusammen mit den Bulk-Dioden des Transmission-Gates bereits einen ESD-Schutz darstellen. Hierzu ist es erforderlich, an den Versorgungsspannungen entsprechende Ableitzenerdioden vorzusehen. Dadurch kann auf einen im Stand der Technik bekannten ESD-Schutz am Eingang oder an den Eingängen des Integrators verzichtet werden, welcher wiederum störende Leckströme verursachen würde. Es hat sich gezeigt, dass auf diese Weise ein ESD-Schutz nach dem Human-Body-Modell von über 800 V erreicht werden kann.The integrator according to the invention can advantageously dispense with a separate ESD protection (electrostatic discharge), since the first resistor together with the bulk diodes of the transmission gate already represent an ESD protection. For this purpose, it is necessary to provide appropriate lead diodes on the supply voltages. As a result, ESD protection known in the prior art at the input or at the inputs of the integrator can be dispensed with, which in turn would cause disruptive leakage currents. It has been shown that ESD protection according to the human-body model of over 800 V can be achieved in this way.

Besonders bevorzugt wird eine differentielle Variante des Integrators, bei dem der Differenzverstärker ein double-ended Differenzverstärker ist und einen nichtinvertierenden Eingang und einen zweiten Ausgang aufweist. Der Integrator verfügt dabei über einen zweiten Widerstand, einen zweiten Kondensator und ein zweites Transmission-Gate. Der erste Widerstand ist zwischen einen zweiten Integratoreingang und den nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers, der zweite Kondensator zwischen den nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers und den mit einem zweiten Integratorausgang verbundenen zweiten Ausgang des Differenzverstärkers und das zweite Transmission-Gate zwischen den nichtinvertierenden Eingang und den zweiten Ausgang des Differenzverstärkers geschaltet. Das zweite Transmission-Gate ist ein Transmission-Gate gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und ausgebildet, den zweiten Kondensator in Abhängigkeit von dem Steuersignal zu entladen.A differential variant of the integrator in which the differential amplifier is a double-ended differential amplifier and has a non-inverting input and a second output is particularly preferred. The integrator has a second resistor, a second capacitor and a second transmission gate. The first resistor is between a second integrator input and the non-inverting input of the differential amplifier, the second capacitor between the non-inverting input of the differential amplifier and the second output of the differential amplifier connected to a second integrator output and the second transmission gate between the non-inverting input and the second output of the Differential amplifier switched. The second transmission gate is a transmission gate according to the first aspect of the invention and is designed to discharge the second capacitor as a function of the control signal.

Ein Problem der Kompensation der Leckströme besteht darin, dass die Leckströme von PMOS- und NMOS-Transistoren nicht über den gesamten Temperatur- und Parameterbereich angeglichen werden können. So ist es z. B. vorstellbar, dass bei einer Temperatur von 130 Grad Celsius sich beide Leckströme komplett gegeneinander aufheben, der Leckstrom des einen Transistortyps aber mit weiter steigenden Temperaturen schneller steigt als der des anderen Transistortyps. Die differentielle Ausführungsform des erfindungsgemäßen Integrators überwindet dieses Problem weitestgehend, weil durch den symmetrischen Aufbau jeder Eingang des Differenzverstärkers gleichen verbleibenden Leckströmen ausgesetzt wird. Steigt beispielsweise der Leckstrom des PMOS-Transistors des Transmission-Gates schneller, kann der Leckstrom des NMOS-Transistors des Transmission-Gates diesen nicht mehr kompensieren. Das Transmission-Gate gibt dann einen Leckstrom lleckges1 mit den obengenannten Folgen aus. Das zweite Transmission-Gate wird sich aber genauso verhalten und einen bis auf durch Produktionstoleranzen bedingte Abweichungen gleichen Leckstrom Ileckges2 erzeugen. Die Abweichungen aufgrund von Produktionstoleranzen liegen jedoch bei einem monolithischen Aufbau in einem Integrierten Chip aufgrund der anzunehmenden geringen Distanz der Komponenten zueinander nur in einem Bereich bis etwa zehn Prozent der Absolutwerte. Dieser Sachverhalt ist allgemein als „Matching“ bekannt. Da der Differenzverstärker nur die Differenz seiner Eingangssignale verstärkt, wirken sich allein die Abweichungen der Leckströme aufgrund des nicht vollständigen Matchings aus. Es ist daher möglich, die Auswirkung der Temperaturdrift aufgrund der Leckströme der Transistoren noch einmal um eine Größenordnung zu reduzieren, so dass der Common-Mode-Bereich des Differenzladungsverstärkers nicht über- bzw. unterschritten wird.One problem with compensating for leakage currents is that the leakage currents of PMOS and NMOS transistors cannot be matched over the entire temperature and parameter range. So it is e.g. For example, it is conceivable that at a temperature of 130 degrees Celsius both leakage currents cancel each other out completely, but the leakage current of one type of transistor increases faster than that of the other type of transistor as the temperature continues to rise. The differential embodiment of the integrator according to the invention largely overcomes this problem, because the symmetrical structure of each input of the differential amplifier is subjected to the same residual leakage currents. For example, if the leakage current of the PMOS transistor of the transmission gate increases faster, the leakage current of the NMOS transistor of the transmission gate can no longer compensate for it. The transmission gate then outputs a leakage current I leak1 with the consequences mentioned above. The second transmission gate will, however, behave in the same way and generate a leakage current I leak2 that is the same apart from deviations caused by production tolerances . However, in the case of a monolithic structure in an integrated chip, the deviations due to production tolerances are only in a range of up to about ten percent of the absolute values due to the assumed small distance between the components. This fact is commonly known as “matching”. Since the differential amplifier only amplifies the difference between its input signals, only the Deviations in leakage currents due to incomplete matching. It is therefore possible to reduce the effect of the temperature drift due to the leakage currents of the transistors by an order of magnitude, so that the common mode range of the differential charge amplifier is not exceeded or undershot.

Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft einen Drucksensor mit einem piezoelektrischen Sensor und einem mit dem piezoelektrischen Sensor verbundenen Integrator gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung.A third aspect of the invention relates to a pressure sensor with a piezoelectric sensor and an integrator connected to the piezoelectric sensor according to the second aspect of the invention.

Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit einem für das Messen des Drucks in einer Brennkammer des Verbrennungsmotors ausgebildeten Drucksensor gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung.A fourth aspect of the invention relates to an internal combustion engine with a pressure sensor designed to measure the pressure in a combustion chamber of the internal combustion engine according to the third aspect of the invention.

FigurenlisteFigure list

Die Erfindung wird im Folgenden anhand einiger Abbildungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 ein Transmission-Gate gemäß der Erfindung;
  • 2 einen Integrator mit einem als Transmission-Gate ausgeführten Schalter; und
  • 3 einen differentiellen Integrator.
The invention is explained in more detail below with reference to a few illustrations of exemplary embodiments. Show it:
  • 1 a transmission gate according to the invention;
  • 2 an integrator with a switch designed as a transmission gate; and
  • 3 a differential integrator.

Ausführliche Beschreibung der AbbildungenDetailed description of the images

1 zeigt ein Transmission-Gate 100 gemäß der Erfindung. Das Transmission-Gate 100 weist zwei parallel geschaltete Transistoren 110, 120 auf, von denen einer ein NMOS-Transistor 110 und einer ein PMOS-Transistor 120 ist. Die Transistoren 110, 120 werden durch ein Steuersignal ST gesteuert, wobei am Gate des PMOS-Transistors 120 die logische Inverse IST des Steuersignals ST angelegt wird. Der NMOS-Transistor 110 besitzt Source und Drain, welche - wie bei einem n-Kanal-Transistor üblich - als n-dotierte Gebiete aufgebaut sind. Da der n-Kanal bei durchgeschaltetem NMOS-Transistor 110 sich in einem p-dotierten Bulk ausbildet, kann die unter dem Gateoxid liegende Halbleiterstruktur als zwei in Gegenrichtung geschaltete Dioden 111, 112 aufgefasst werden. Das Bulk des NMOS-Transistors 110 wird auf die niedrige Versorgungsspannung geschaltet, im abgebildeten Beispiel auf die Erdspannung GND. Die Dioden 111, 112 sind dadurch unter normalen Betriebsbedingungen immer in Sperrrichtung geschaltet. Dennoch kann auch in diesem Fall ein Strom durch die Dioden 111, 112 fließen, der durch spontane Generierung und Rekombination von Ladungsträgerpaaren im p-n-Übergang der Dioden 111, 112 aufgrund von Wärmeeinwirkung entsteht. Dieser Leckstrom IleckN ist in der Abbildung für die Diode 111 durch eine Stromquelle dargestellt. Der Betrag des Leckstroms ist im abgebildeten Beispiel negativ. Entsprechende Verhältnisse gelten aufgrund der Symmetrie der Anordnung auch für die Diode 112. 1 shows a transmission gate 100 according to the invention. The transmission gate 100 has two transistors connected in parallel 110 , 120 on, one of which is an NMOS transistor 110 and one a PMOS transistor 120 is. The transistors 110 , 120 are controlled by a control signal ST, being at the gate of the PMOS transistor 120 the logical inverse IST of the control signal ST is applied. The NMOS transistor 110 has source and drain, which - as is usual with an n-channel transistor - are constructed as n-doped regions. Since the n-channel when the NMOS transistor is switched on 110 is formed in a p-doped bulk, the semiconductor structure below the gate oxide can be configured as two diodes connected in the opposite direction 111 , 112 be understood. The bulk of the NMOS transistor 110 is switched to the low supply voltage, in the example shown to the ground voltage GND. The diodes 111 , 112 are therefore always switched in the reverse direction under normal operating conditions. In this case, however, a current can flow through the diodes 111 , 112 flow caused by the spontaneous generation and recombination of charge carrier pairs in the pn junction of the diodes 111 , 112 due to the effects of heat. This leakage current I leakN is for the diode in the figure 111 represented by a power source. The amount of leakage current is negative in the example shown. Corresponding relationships also apply to the diode due to the symmetry of the arrangement 112 .

Der PMOS-Transistor 120 besitzt einen gegenüber dem NMOS-Transistor 110 invertierten Aufbau, das heißt, Source und Drain werden hier von p-dotierten Gebieten gebildet, während das Bulk n-dotiert ist. Aus diesem Grund sind die die p-n-Übergänge zwischen Source und Drain einerseits und dem Bulk andererseits als gegenüber den Dioden 111, 112 jeweils in Gegenrichtung geschaltete Dioden 121, 122 dargestellt. Das Bulk des PMOS-Transistors 120 wird an die höchste Versorgungsspannung VDD angeschlossen, um sicherzustellen, dass die p-n-Übergänge des PMOS-Transistors 120 nicht durchgeschaltet werden. Wiederum kommt es jedoch aufgrund der Temperaturwirkung zu einem Leckstrom in Sperrichtung der Dioden 121, 122, welcher für die Diode 121 als Stromquelle eines Leckstroms IleckP dargestellt ist. Da die Transistoren 110, 120 parallel geschaltet sind, summieren sich die Leckströme IleckN und IleckP am Eingang des Transmission-Gates 100 zu einem Gesamtstrom Ileckges, wobei bei Beachtung der Vorzeichen gilt: l leckges = l leckP l leckN

Figure DE102009000126B4_0004
The PMOS transistor 120 has one opposite the NMOS transistor 110 inverted structure, that is, source and drain are formed here by p-doped regions, while the bulk is n-doped. For this reason, the pn junctions between the source and drain on the one hand and the bulk on the other hand are compared to the diodes 111 , 112 Diodes switched in the opposite direction 121 , 122 shown. The bulk of the PMOS transistor 120 is connected to the highest supply voltage VDD to ensure that the pn junctions of the PMOS transistor 120 cannot be switched through. Again, however, there is a leakage current in the reverse direction of the diodes due to the effect of temperature 121 , 122 which one for the diode 121 is shown as a current source of a leakage current I leakP . As the transistors 110 , 120 are connected in parallel, the leakage currents I leakN and I leakP add up at the input of the transmission gate 100 to a total current I leakage , where the following applies if the signs are observed : l leaky = l leakP - l leakN
Figure DE102009000126B4_0004

In einer gewöhnlichen CMOS-Technologie liegen die Transistoren eines der beiden Transistortypen, n-Kanal-Transistor oder p-Kanal-Transistor, in einer so genannten Wanne, während der andere Transistortyp frei im Substrat angeordnet ist. Alternativ ist es auch möglich, dass die Transistoren beider Transistortypen in Wannen aufgebaut sind. Wannen wie Substrat werden zur Vermeidung von unkontrolliertem Kollektieren und Injizieren von Ladungsträgern auf ein definiertes Potential gelegt. Dies erfolgt im Fall des Substrats gewöhnlich, indem das Substrat rückseitig metallisiert und über diese Metallisierung die entsprechende Versorgungsspannung angelegt wird (im Fall des n-Kanal-Transistors GND, im Fall des p-Kanal-Transistors VDD). Bei einem in einer Wanne liegenden Transistor hingegen wird üblicherweise die Wanne mit dem Source-Gebiet kurzgeschlossen, so dass die Wanne niemals ein Potential aufweisen kann, das den p-n Übergang zwischen Wanne und Source durchschalten könnte. Die Erfindung weicht jedoch von dieser Regel ab und legt auch die Wanne an die entsprechende Versorgungsspannung an, also wiederum im Fall eines p-Kanal-Transistors an die positive Versorgungsspannung VDD bzw. im Fall eines n-Kanal-Transistors an die negative Versorgungsspannung GND. Diese ungewöhnliche Schaltungsmaßnahme stellt sicher, dass die Leckströme IleckP und IleckN unter möglichst identischen Bedingungen generiert werden und sich dadurch weitgehend betragsmäßig gleichen. Die erfindungsgemäße Beschaltung der Wanne mit einer Versorgungsspannung ist u. a. deshalb unüblich, weil es dazu einer zusätzlichen Leitung von der Versorgungsspannung zum Transistor bedarf, während ein Kurzschließen von Source und Bulk direkt am Transistor vorgenommen werden kann. Wie bereits beschrieben, können die Leckströme beider Transistoren 110, 120 einander durch entsprechende Dimensionierung der jeweiligen Transistorlängen und - weiten zusätzlich angeglichen werden. Erfahrungsgemäß ist dies möglich, wenn das Verhältnis von Transistorweite zu Transistorlänge des PMOS-Transistors 120 zwischen zwei- und viermal so groß wie das Verhältnis von Transistorweite zu Transistorlänge des NMOS-Transistors 110 ist.In conventional CMOS technology, the transistors of one of the two transistor types, n-channel transistor or p-channel transistor, are located in a so-called tub, while the other transistor type is arranged freely in the substrate. Alternatively, it is also possible for the transistors of both transistor types to be built in wells. Wells and substrates are placed at a defined potential to avoid uncontrolled collection and injection of charge carriers. In the case of the substrate, this is usually done by metallizing the back of the substrate and applying the corresponding supply voltage via this metallization (in the case of the n-channel transistor GND, in the case of the p-channel transistor VDD). In the case of a transistor located in a well, however, the well is usually short-circuited with the source region, so that the well can never have a potential that could switch through the pn junction between well and source. However, the invention deviates from this rule and also applies the trough to the corresponding supply voltage, again in the case of a p-channel transistor to the positive supply voltage VDD or in the case of an n-channel transistor to the negative supply voltage GND. This unusual circuit measure ensures that the leakage currents I leakP and I leakN are generated under conditions that are as identical as possible and are therefore largely the same in terms of amount. The connection of the tub according to the invention with a supply voltage is unusual, among other things, because it requires an additional line from the supply voltage to the transistor, while the source and bulk can be short-circuited directly on the transistor. As already described, the leakage currents of both transistors 110 , 120 be adjusted to each other by appropriate dimensioning of the respective transistor lengths and widths. Experience has shown that this is possible if the ratio of transistor width to transistor length of the PMOS transistor 120 between two and four times as large as the ratio of transistor width to transistor length of the NMOS transistor 110 is.

2 zeigt einen Integrator 200 mit einem als erfindungsgemäßem Transmission-Gate ausgeführten Schalter 210. Der Schalter 210 ist dem Kondensator 220 des Integrators 200 parallel geschaltet und dient dazu, den Kondensator 220 an durch das Steuersignal bestimmten Zeitpunkten kurzzuschließen und dadurch zu entladen. Dies hat den Zweck, den Integrator 200 für einen neuen Messzyklus zu initialisieren und die durch Temperaturdrift verursachte und auf dem Kondensator 220 als Ladung gespeicherten Leckströme zu egalisieren. Der Integrator 200 weist einen Differenzverstärker 230 auf, zwischen dessen invertierenden Eingang und dessen Ausgang der Kondensator 220 geschaltet ist. Der nichtinvertierende Eingang des Differenzverstärkers 230 ist auf Masse geschaltet. Zwischen den als Piezokristall 250 ausgeführten Sensor und den invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 230 ist ein Widerstand 240 geschaltet. 2 shows an integrator 200 with a switch designed as a transmission gate according to the invention 210 . The desk 210 is the capacitor 220 of the integrator 200 connected in parallel and serves to power the capacitor 220 short-circuit at times determined by the control signal and thereby discharge. This is done for the integrator 200 to initialize for a new measurement cycle and the temperature drift caused and on the capacitor 220 equalize leakage currents stored as charge. The integrator 200 has a differential amplifier 230 on, between its inverting input and its output the capacitor 220 is switched. The non-inverting input of the differential amplifier 230 is connected to ground. Between them as a piezo crystal 250 executed sensor and the inverting input of the differential amplifier 230 is a resistance 240 switched.

Die gegenseitige Kompensation der Leckströme im als Transmission-Gate ausgeführten Schalter 210 ist unter Berücksichtigung der Fertigungstoleranzen nicht für alle Temperaturen vollständig möglich. Die in 2 gezeigte Ausführungsform des Integrators 200 besitzt deshalb den Nachteil, dass wenigstens bei bestimmten Betriebsbedingungen ein Leckstrom Ileckges verbleibt, der vom Schalter 210 auf den invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 230 gelangt und die Messung verfälscht. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Integrator daher differentiell ausgelegt. 3 zeigt einen solchen als Drucksensor verschalteten differentiellen Integrator 300, welcher um einen double-ended Differenzverstärker 330 herum aufgebaut ist, also einem Differenzverstärker mit differentiellem Ausgang. Der differentielle Integrator 300 ist symmetrisch aufgebaut. Zwischen jeweils einem der beiden Ausgänge des differentiellen Ausgangs und dem zugehörigen Eingang ist jeweils ein Kondensator 320, 321 geschaltet, welche bevorzugt identische Kapazitäten aufweisen. Jedem der Kondensatoren 320, 321 ist ein als erfindungsgemäßes Transmission-Gate ausgeführter Schalter 310, 311 parallel geschaltet, welche wiederum dazu dienen, die Kondensatoren 320, 321 in regelmäßigen Abständen für die Messung zu initialisieren. Ein als Piezokristall ausgeführter Sensor 350 ist über jeweils einen Widerstand 340, 341 zwischen den invertierenden und den nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers 330 geschaltet.The mutual compensation of the leakage currents in the switch designed as a transmission gate 210 is not completely possible for all temperatures, taking into account the manufacturing tolerances. In the 2 Shown embodiment of the integrator 200 therefore has the disadvantage that, at least under certain operating conditions, a leakage current I leak remains from the switch 210 to the inverting input of the differential amplifier 230 reaches and falsifies the measurement. In a particularly preferred embodiment, the integrator is therefore designed differentially. 3 shows such a differential integrator connected as a pressure sensor 300 , which is a double-ended differential amplifier 330 is built around, so a differential amplifier with differential output. The differential integrator 300 is constructed symmetrically. There is a capacitor between each of the two outputs of the differential output and the associated input 320 , 321 switched, which preferably have identical capacities. Each of the capacitors 320 , 321 is a switch designed as a transmission gate according to the invention 310 , 311 connected in parallel, which in turn serve the capacitors 320 , 321 initialize at regular intervals for the measurement. A sensor designed as a piezo crystal 350 is about one resistor each 340 , 341 between the inverting and non-inverting inputs of the differential amplifier 330 switched.

Der symmetrische Schaltungsaufbau bietet den Vorteil, dass eventuell verbleibende Leckströme Ileckgesl und Ileckges2 der Schalter 310, 311 auf die jeweiligen Eingänge des Differenzverstärkers 330 gelangen. Da ein Differenzverstärker naturgemäß nur die Differenz der beiden an seinen Eingängen anliegenden Spannungen verstärkt, wirken sich am nichtinvertierenden wie am invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 330 anliegende gleichartige Störsignale nicht auf die Spannung zwischen den beiden Ausgängen des differentiellen Ausgangs des Differenzverstärkers 330 aus. Sind die jeweiligen Leckströme lleckges1 und Ileckges2 gleich - wovon aufgrund des identischen Aufbaus der Schalter 310, 311 weitestgehend auszugehen ist - kompensieren sie sich gegenseitig. Der differentielle Integrator 300 kann unter realistischen Betriebsbedingungen den effektiven Fehlerstrom, der sich bei dieser Ausführungsform als Differenz der Leckströme Ileckges1 und Ileckges2 berechnet, noch einmal um etwa eine Größenordnung reduzieren.The symmetrical circuit structure offers the advantage that any remaining leakage currents I leakage1 and I leakage2 of the switch 310 , 311 to the respective inputs of the differential amplifier 330 reach. Since a differential amplifier naturally only amplifies the difference between the two voltages applied to its inputs, both the non-inverting and the inverting input of the differential amplifier have an effect 330 Similar interference signals that are present do not affect the voltage between the two outputs of the differential output of the differential amplifier 330 out. Are the respective leakage currents I leak1 and I leak2 the same - due to the identical structure of the switches 310 , 311 is largely assumed - they compensate each other. The differential integrator 300 can, under realistic operating conditions, reduce the effective fault current, which in this embodiment is calculated as the difference between the leakage currents I leak1 and I leak2 , by another order of magnitude.

Es folgt mit einer tolerierbaren Driftspannung ΔUout von 1 mV nach 240 ms bei einer Integrationskapazität von 750 pF für die tolerierbare Leckstromanforderung: l leckges1 l leckges2 750  pF*1 mV/ 240 ms Δ lleck 3,125  pA

Figure DE102009000126B4_0005
It follows with a tolerable drift voltage ΔU out of 1 mV after 240 ms with an integration capacity of 750 pF for the tolerable leakage current requirement: l leaks1 - l leaks2 750 pF * 1 mV / 240 ms Δ llick 3.125 pA
Figure DE102009000126B4_0005

Die angesetzten 240 ms entsprechen zwei Kurbelwellenumdrehungen bei einer Motordrehzahl von ca. 500 Umdrehungen pro Minute.The applied 240 ms correspond to two crankshaft revolutions at an engine speed of approx. 500 revolutions per minute.

Ein so geringer Leckstrom kann in einem integrierten Schaltkreis aufgrund der doppelten Kompensation der auftretenden Leckströme auch für Messungen bei hohen Temperaturen durchaus erreicht werden. Die Erfindung erlaubt daher beispielsweise die Messung des Innendrucks einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors über eine volle Kurbelwellenumdrehung.Such a low leakage current can definitely be achieved in an integrated circuit due to the double compensation of the leakage currents that occur, even for measurements at high temperatures. The invention therefore allows, for example, the measurement of the internal pressure of a combustion chamber of an internal combustion engine over a full crankshaft revolution.

Claims (7)

Transmission-Gate (100) mit einem zwischen einen Signaleingang und einen Signalausgang geschalteten NMOS-Transistor (110) und einem dem NMOS-Transistor (110) parallel geschalteten PMOS-Transistor (120), wobei der NMOS-Transistor (110) und der PMOS-Transistor (120) jeweils einen Sourceanschluss, einen Drainanschluss, einen Gateanschluss und ein Bulk aufweisen, wobei das Bulk des NMOS-Transistors (110) an eine erste Versorgungsspannungsquelle (GND) für eine erste Versorgungsspannung und das Bulk des PMOS-Transistors (120) an eine zweite Versorgungsspannungsquelle (VDD) für eine zweite Versorgungsspannung, welche höher als die erste Versorgungsspannung ist, angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der NMOS-Transistor (110) eine erste Kanalweite (WN) und eine erste Kanallänge (LN) und der PMOS-Transistor (120) eine zweite Kanalweite (WP) und eine zweite Kanallänge (LP) aufweisen, wobei ein erstes Verhältnis (WN/LN) der ersten Kanalweite (WN) zur ersten Kanallänge (LN) und ein zweites Verhältnis (WP/LP) der zweiten Kanalweite (WP) zur zweiten Kanallänge (LP) so gewählt sind, dass ein erster Leckstrom (IleckN) vom Signaleingang zum Bulk des NMOS-Transistors (110) betragsmäßig gleich einem zweiten Leckstrom (IleckP) vom Bulk des PMOS-Transistors (120) zum Signaleingang ist.Transmission gate (100) with an NMOS transistor (110) connected between a signal input and a signal output and a PMOS transistor (120) connected in parallel with the NMOS transistor (110), the NMOS transistor (110) and the PMOS -Transistor (120) each one Have a source connection, a drain connection, a gate connection and a bulk, the bulk of the NMOS transistor (110) being connected to a first supply voltage source (GND) for a first supply voltage and the bulk of the PMOS transistor (120) being connected to a second supply voltage source (VDD) for a second supply voltage which is higher than the first supply voltage, characterized in that the NMOS transistor (110) has a first channel width (W N ) and a first channel length (L N ) and the PMOS transistor (120) a second channel width (W P ) and a second channel length (L P ), a first ratio (W N / L N ) of the first channel width (W N ) to the first channel length (L N ) and a second ratio (W P / L P ) of the second channel width (W P ) to the second channel length (L P ) are chosen so that a first leakage current (I leakN ) from the signal input to the bulk of the NMOS transistor (110) is equal to a second leakage current (I leakP ) from Bulk des PMOS transistor (120) for signal input. Transmission-Gate (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Verhältnis (WP/LP) zwischen zwei- und viermal größer als das erste Verhältnis (WN/LN) ist.Transmission gate (100) Claim 1 , characterized in that the second ratio (W P / L P ) is between two and four times greater than the first ratio (W N / L N ). Integrator (200, 300) mit einem Integratoreingang und einem Integratorausgang, mit einem ersten Widerstand (240, 341), der zwischen den Integratoreingang und einen invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers (230, 330) geschaltet ist, einem ersten Kondensator (220, 321), der zwischen den invertierenden Eingang des Differenzverstärkers (230, 330) und einen Ausgang des Differenzverstärkers (230, 330) geschaltet ist, und einem Transmission-Gate (100, 210, 311), das zwischen den invertierenden Eingang und den Ausgang des Differenzverstärkers (230, 330) geschaltet und ausgebildet ist, den ersten Kondensator (220, 321) in Abhängigkeit von einem Steuersignal zu entladen, wobei der Ausgang des Differenzverstärkers (230, 330) mit dem Integratorausgang verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Transmission-Gate (100, 210, 311) ein Transmission-Gate (100, 210, 311) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ist.Integrator (200, 300) with an integrator input and an integrator output, with a first resistor (240, 341) connected between the integrator input and an inverting input of a differential amplifier (230, 330), a first capacitor (220, 321), which is connected between the inverting input of the differential amplifier (230, 330) and an output of the differential amplifier (230, 330), and a transmission gate (100, 210, 311) which is connected between the inverting input and the output of the differential amplifier (230 , 330) is connected and designed to discharge the first capacitor (220, 321) as a function of a control signal, the output of the differential amplifier (230, 330) being connected to the integrator output, characterized in that the transmission gate (100 , 210, 311) is a transmission gate (100, 210, 311) according to one of the preceding claims. Integrator (200, 300) nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Zenerdiode, deren Anode mit der ersten Versorgungsspannungsquelle (GND) und deren Kathode mit der zweiten Versorgungsspannungsquelle (VDD) verbunden sind.Integrator (200, 300) Claim 3 , characterized by a Zener diode whose anode is connected to the first supply voltage source (GND) and whose cathode is connected to the second supply voltage source (VDD). Integrator (300) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzverstärker (330) ein double-ended Differenzverstärker (330) ist und zusätzlich einen nichtinvertierenden Eingang und einen zweiten Ausgang aufweist, wobei der Integrator (300) über einen zweiten Widerstand (340), der zwischen einen zweiten Integratoreingang und den nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers (330) geschaltet ist, einen zweiten Kondensator (320), der zwischen den nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers (330) und den mit einem zweiten Integratorausgang verbundenen zweiten Ausgang des Differenzverstärkers (330) geschaltet ist, und ein zweites Transmission-Gate (310) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das zwischen den nichtinvertierenden Eingang und den zweiten Ausgang des Differenzverstärkers (330) geschaltet und ausgebildet ist, den zweiten Kondensator (320) in Abhängigkeit von dem Steuersignal zu entladen, verfügt.Integrator (300) according to one of the Claims 3 or 4th , characterized in that the differential amplifier (330) is a double-ended differential amplifier (330) and additionally has a non-inverting input and a second output, the integrator (300) having a second resistor (340) connected between a second integrator input and the non-inverting input of the differential amplifier (330) is connected, a second capacitor (320) which is connected between the non-inverting input of the differential amplifier (330) and the second output of the differential amplifier (330) connected to a second integrator output, and a second transmission Gate (310) after one of the Claims 1 to 3 that is connected between the non-inverting input and the second output of the differential amplifier (330) and is designed to discharge the second capacitor (320) as a function of the control signal. Drucksensor mit einem piezoelektrischen, piezokeramischen oder quarzkristallinen Sensor (250, 350) und einem mit dem piezoelektrischen, piezokeramischen oder quarzkristallinen Sensor (250, 350) verbundenen Integrator (200, 300) nach einem der Ansprüche 3 bis 5.Pressure sensor with a piezoelectric, piezoceramic or quartz crystalline sensor (250, 350) and an integrator (200, 300) connected to the piezoelectric, piezoceramic or quartz crystalline sensor (250, 350) according to one of the Claims 3 to 5 . Verbrennungsmotor mit einem für das Messen des Drucks in einer Brennkammer des Verbrennungsmotors ausgebildeten Drucksensor nach Anspruch 6.Internal combustion engine with a pressure sensor designed for measuring the pressure in a combustion chamber of the internal combustion engine Claim 6 .
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