AT403229B

AT403229B - Schaltungsanordnung

Info

Publication number: AT403229B
Application number: AT0027194A
Authority: AT
Inventors: Wilfried Dipl Ing Kausel
Original assignee: Semcotec Handel
Priority date: 1994-02-10
Filing date: 1994-02-10
Publication date: 1997-12-29
Also published as: WO1995022207A1; ATA27194A; AU1527395A

Description

AT 403 229 B

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit Offset-Kompensation für ein an einem Eingang der Schaltungsanordnung anliegendes Wechselsignal mit einem zwischen dem offsetfreien Ausgang und dem Eingang der Schaltungsanordnung in einer Regelschleife angeordneten Integrationsschaltung, deren Ausgang über ein Bauteil mit Ohm'schem Verhalten, wie z.B. eine Schalter-Kondensator(SC)-Schaltung, ein Transkonduktanzverstärker, ein Ohm'scher Widerstand, ein geregelter Transistor o.dgl., mit dem Eingang der Schaltungsanordnung in Verbindung steht, wobei, gegebenenfalls über eine Schaltungsanordnung zur Signalverarbeitung, zwischem dem Eingang und dem offsetfreien Ausgang der Schaltungsanordnung eine direkte Verbindung besteht.

Die bekannteste Standard-Schaltung zur Beseitigung der Offsetspannung in einem Wechselsignal besteht in einem RC-Glied. Die Realisierung eines solchen RC-Gliedes in integrierter Technik ist prinzipiell möglich, jedoch zumeist deshalb unerwünscht, weil der Platzbedarf für die Realisierung des hochohmigen Widerstandes zu groß ist. Man ist daher übergegangen, diesen Ohm'schen Widerstand durch ein Bauelement mit Ohm'schem Verhalten zur realisieren, z.B. durch eine zeitdiskrete Abtastschaltung mit geschalteten Kondensatoren (Switched-Capacitor-Schaltung), im nachfolgenden als ”SC-Schaltung" bezeichnet, oder durch einen Transkonduktanzverstärker, einen geregelten Transistor, o.dgl., was aber den Nachteil mit sich bringt, daß diese Schaltungen selbst eine Offsetspannung generieren, sodaß das Ausgangssignal nicht völlig offsetfrei ist. Bei einer SC-Schaltung ist diese Offset-Spannung z.B. durch die nicht-idealen Schalter bedingt.

Aus der DE-28 11 668 A1 ist eine Anpassungsschaltung für hochohmige Spannungsquellen bekanntgeworden, wobei das Ausgangsignal dieser Anpassungsschaltung über einen Integrator auf das Bezugspotential der hochohmigen Spannungsquelle rückgeführt wird. Dabei wird nur der Teil der Ausgangssignale berücksichtigt, der etwa auf die Drift der Eingangsfehlspannung zurückzuführen ist, Es wird aber durch diese Schaltungsanordnung keine Hochpaßwirkung erzielt, wie sie für eine Offset-Kompensation erforderlich ist, um das Wechselspannungsnutzsignal möglichst unverändert durchzulassen, während eventuell vorhandene Gleichspannungsanteile möglichst auf Null reduziert werden sollen.

Ebenso geht aus der US-4 999 584 A ein Signalformungsnetzwerk hervor, bei dem zum Ausschalten von Störsignalen eine Integratorschaltung zwischen Ausgang und Eingang geschaltet ist, aber keine Hochpaßwirkung für die Offsetspannungen am Eingang anliegender Wechselsignale gegeben ist.

Die DE-36 05 561 A1 offenbart ein Verfahren zur Kompensation der Offset-Spannung eines Regelverstärkers, bei dem eine Speicherung der Offset-Kompensationsspannung und danach eine Rückkopplung auf den Eingang des Regelverstärkers erfolgt. Dabei erfolgt jedoch keine laufende Kompensation sondern nur zu bestimmten Zeiten, während denen der Ausgang des Regelverstärkers vom Stellglied des Regelkreises getrennt wird. Die Erfindung bezieht sich aber auf Lösungen, die einen ständigen Abgleich der Offsetspannung vornehmen.

In der Zeitschrift Elektronik, Heft 17, S.95, 1985 ist eine Schaltungsanordnung mit Offsetspannungskompensation eines an einem Eingang der Schaltungsanordnung anliegenden Wechselsignals geoffenbart, bei der eine Integratorschaltung in einer Regelschleife zwischen offsetfreiem Ausgang und Eingang geschaltet ist und der Ausgang des Integrators über einen Widerstand mit dem Eingang eines eine Schaltungsanordnung zur Signalverarbeitung darstellenden Operationsverstärkers verbunden ist, der über einen weiteren Widerstand mit dem Eingang der Gesamt-Schaltungsanordnung verbunden ist. Aus dieser Schaltungsanordnung kann jedoch keine Anregung für die Erfindung entnommen werden, da für den im Eingangskreis vorhandenen Widerstand keine Hochpaßwirkung für Eingangswechselsignale entstehen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Schaltungsanordnung der oben genannten Art derart weiterzubilden, daß sie einerseits mit geringem Platzbedarf integrierbar ist, und andererseits die systeminhärenten sowie die eingangsseitig überlagerten Offsetspannungen im Ausgangssignal im wesentlichen vermieden sind.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß zwischen dem Eingang und dem offsetfreien Ausgang, gegebenenfalls über die Schaltungsanordnung zur Signalverarbeitung, einerseits sowie dem Bauteil mit Ohm'schem Verhalten andererseits ein Kondensator geschaltet ist, wobei das aus dem Kondensator und dem Bauteil mit Ohm'schem Verhalten gebildete RC-Glied für das Ausgangssignal der Integratorschaltung einen Tiefpaß und für das am Eingang der Schaltungsanordnung anliegende Wechselsignal einen Hochpaß darstellt.

Durch die solcherart gebildete Regelschleife wird die am Ausgang insbesondere durch den Bauteil mit Ohm'schem Verhalten verursachte parasitäre Offset-Spannung von der Integratorschaltung ausgeregelt, und zwar bis auf Offset-Anteile, die durch die Integratorschaltung selbst bedingt sind. Diese können jedoch wesentlich geringer gehalten werden als jene des Bauteils mit Ohm'schem Verhalten, etwa im Verhältnis 1:10, sodaß sie im Ausgangssignal praktisch vernachlässigbar sind. 2

AT 403 229 B

Um den Einfluß des Schwingverhaltens der Regelschleife auf das Ausgangssignal vernachlässigbar klein zu halten, besteht eine bevorzugte Ausführungform darin, daß die Eigenfrequenz der Schaltungsanordnung wesentlich größer, z.B. um das zehn- bis zwanzigfache, ist als 1 2 st wobei r der durch den Kondensator und den Bauteil mit Ohm'schem Verhalten gegebenen Zeitkonstante entspricht.

Dieser Einfluß des Schwingverhaltens der Regelschleife auf das Ausgangssignal kann noch weiter dadurch herabgesetzt werden, wenn in Weiterbildung der Erfindung zwischen dem Bauteil mit Ohm'schem Verhalten und der Integratorschaltung ein Abschwächer, z.B. ein SC-Spannungsteiler, angeordnet ist. Auch allfällige Offset-Einflüsse dieses zusätzlichen Abschwächers werden durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung automatisch ausgeregelt.

Die Empfindlichkeit der Ausregelung des Offsetanteils kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung dadurch verbessert werden, daß der Integratorschaltung eine Schaltung zur Signalverstärkung, z.B. ein Komparator, Verstärker, o.dgl., vorgeschaltet ist. Hiedurch werden aber nicht nur sehr kleine Offsetkomponenten ausgeregelt, die Ausregelung wird auch schneller erfolgen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß die Schaltungsanordnung zur Signalverarbeitung durch einen Encoder gebildet wird, wobei das Eingangssignal des Integrators dem Vorzeichenbit des Encoders entspricht.

Hiebei handelt es sich um die Realisierung der Erfindung in PCM-CODEC-Systemen, bei welchen die Offset-Freiheit des Encoder-Ausganges deshalb besonders wichtig ist, weil aufgrund der nichtlineraren Encoder-Charakteristik sich Offsetanteile unproportional stark hinsichtlich Verzerrungen des Encoderaus-gangssignales auswirken.

Wieder eine andere Ausführungsform der Erfindung kann darin bestehen, daß die Integratorschaltung durch eine Zählerschaitung und einem dem Zähler nachgeschalteten D/A-Wandler gebildet ist. Ist bei dieser Schaltungskonfiguration die Eigenfrequenz der Schaltunganordnung wesentlich größer als 1 2 π τ so ergibt sich der Vorteil, daß mit relativ wenigen Zählerstellen das Auslangen gefunden werden kann.

Nachstehend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielsweise naher beschrieben. In diesen zeigt

Fig. 1 das prinzipielle Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung nach Fig. 1 in einer möglichen Weiterbildung,

Fig. 3, 4 und Fig. 5 Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für PCM-CODEC-Systeme.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 liegt am Eingang 1 ein Wechselsignal Sem an, dem eine Gleichspannungskomponente (Offset) beliebiger Größe überlagert ist. Diese Gleichspannungskomponente wird durch einen Kondensator 3 unterdrückt; am Ausgang 2 liegt das offsetfreie Ausgangseignal saus an. Mit 4 ist ein Bauteil mit Ohm'schem Verhalten bezeichnet, bei welchem es sich bevorzugt um eine Switched-Capacitor-Schaltung handelt. An deren Stelle kann auch ein Transkonduktanz-verstärker, ein geregelter Transistor, aber auch ein Ohm'scher Widerstand Verwendung finden. Dieser Bauteil ist einerseits an den Ausgang des Kondensators 3, und andererseits an den Ausgang einer Integratorschaltung 5 angeschlossen. Der eine Eingang 6 der Integratorschaltung ist mit dem Ausgang 2 verbunden, wohingegen der andere Ausgang 7 der Integratorschaltung 5 auf einem Referenzpotential Urei liegt, gegen welches das Ausgangssignal seUs bezogen ist. Durch die solcherart gebildete Regelschleife werden am Ausgang 2 auftretende Offsetspannungen dadurch ausgeregelt, daß die Integratorschaltung bei am Eingang 6 steigenden Potentialen sein Ausgangspotential absenkt, bzw. umgekehrt. 3

AT 403 229 B

Um den Einfluß des Schwingverhaltens dieses Regelkreises auf das Ausgangssignal saus weitgehend auszuschließen, wird die Eigenfrequenz der gesamten Schaltungsanordnung wesentlich größer, etwa im Verhältnis 1:10, gewählt als 1 2πτ wobei τ der durch den durch den Kondensator 3 und den Bauteil mit Ohmschem Verhalten 4 gegebenen Zeitkonstante T = R.C entspricht. Hiedurch wird erreicht, daß durch die RC-Kombination 3,4 diese Schwingungen so stark gedämpft werden, daß sie sich im Ausgangssignal saus nicht mehr wesentlich auswirken.

Fig. 2 zeigt eine Modifikation der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 mit einem Ausführungsbeispiel der Integratorschaltung, wobei mit Fig. 1 übereinstimmende Bauteile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind.

Die Integratorschaltung 5 ist hier durch einen mit einem RC-Glied 8,9 beschatteten Operationsverstärker 10 realisiert, wobei zur Begrenzung der an sich theoretisch unendlich hohen Verstärkung für Gleichspannungen dem Kondensator 9 ein Widerstand 10 parallel geschaltet sein kann. Zur weiteren Abschwächung der Eigenschwingungen des Systems kann ein Abschwächer 11, z.B. ein Schalter-Kondensator(SC)-Spannungsteiler vorgesehen sein. Mit 12 ist eine Schaltung zur Signalverstärkung, wie z.B. ein Komparator, Verstärker, o.dgl., bezeichnet, der den Offsetanteil des Ausgangssignals saus verstärkt, und somit die Integratorschaltung an ihrem Eingang mit einem verstärkten, dem Offset entsprechenden Signal angesteuert wird.

Die Fig. 3, 4 und Fig. 5 zeigen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für die Verwendung bei PCM-CODEC-Systemen. Mit den Fig. 1 und 2 übereinstimmende Bauteile sind wieder mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Gemäß Schaltungsanordnung nach Fig. 3 wird das vom Offsetanteil durch den Kondensator 3 befreite Signal durch einen Encoder 14 digitalisiert. Von dem digitalen Ausgangssignal saus wird das Vorzeichenbit einem Ein-Bit-D/A-Wandler 15 zugeführt, dessen Ausgang mit dem Eingang 6 der Integratorschaltung verbunden ist. Die durch ein allfälliges Offset im digitalen Ausgangssignal saus versursachte Asymmetrie entspricht Änderungen im Vorzeichenbit, welche Änderungen gegenläufige Änderungen im Ausgangssignal der Integratorschaltung hervorrufen, die ihrerseits in das vom Offset befreite Eingangssignal über das Bauteil 4 wieder rückeingespeist werden, und die detektierte Offset-Änderung kompensieren.

Fig. 4 zeigt eine Abwandlung der Fig. 3, bei welcher das Vorzeichenbit zunächst einem Zähler 19 zugeführt ist. Erst wenn dieser Zähler überläuft generiert der Ein-Bit-D/A-Wandler das Eingangssignal für die Integratorschaltung. Diese Schaltungsvariante hat den Vorteil, daß hiedurch z.B. bei Verwendung eines 3-Bit-Zählers der Eigenoffset der Integratorschaltung z.B. um den Faktor 8 herabgesetzt werden kann.

Fig. 5 zeigt eine erfindungsgemäße Abwandlung der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 bzw. 4, bei welcher die Integratorschaltung durch einen Vorwärts-Rückwärts-Zähler 16 und einen nachgeschalteten Mehr-Bit-D/A-Wandler 17 gebildet ist. Das Vorzeichenbit wird im Vorwärts-Rückwärts-Zähler 16 ausgezählt, die kumulierten Symmetrieabweichungen werden von dem D/A-Wandler 17 wieder in ein Analogsignal umgesetzt und über den Bauteil 4 rückeingespeist, wodurch die Ausregelung des Offsets im Ausgangssignal saus erfolgt.

Wesentlich hiebei ist, daß die Regelschleife als gegengekoppelte Regelschleife konzipiert ist, d.h. der Zähler bei positivem Vorzeichenbit herunterzählt, und umgekehrt. Diese notwendige Gegenkopplung kann z.B. durch einen Inverter 18 erreicht werden. Auch bei dieser Ausführungsform kann ein Zähler mit wenigen Zählerstellen Verwendung finden, wobei gegebenenfalls alle Zählerausgänge an den D/A-Wandler 17 geführt sein können.

Somit ist es möglich, daß nicht nur der Offset des Signals selbst, sondern auch ein Offset der Schaltung, also z.B. des Encoders und/oder des Bauteils mit Ohm'schem Verhalten, z.B. einer Schalter-Kondensator-(SC)-Schaltung, eliminiert werden kann, wobei für das Eingangssignal sein das RC-Glied 3,4 einen Hochpaß darstellt und für das Ausgangssignal der Integratorschaltung dasselbe RC-Glied 3,4 einen Tiefpaß darstellt. Die maximale Grenzfrequenz dieses Hochpasses ist durch die Forderung festgelegt, daß das übertragene Signal im Sprachbereich (3 bis 3.400 Hz) nicht um mehr als z.B. 0,25 dB abgeschwächt werden darf, was durch nationale und internationale Normen, z.B. CCITT G.712 festgelegt wurde. Die 4

Claims

AT 403 229 B erfindungsgemäße Schaltung stellt somit die von den Telefonienormen vorgeschriebene Signalqualität sicher, und es ist ohne externe Bauelemente möglich, typische MOS-Schaltkreise zu realisieren, deren Komplexität signifikant kleiner ist als die einer rein digitalen oder gemischt analog-digitalen Lösung. Patentansprüche 1. Schaltungsanordnung mit Offset-Kompensation für ein an einem Eingang (sein) der Schaltungsanordnung anliegendes Wechselsignal mit einem zwischen dem offsetfreien Ausgang (saus) und dem Eingang (Sein) der Schaltungsanordnung in einer Regelschleife angeordneten Integrationsschaltung (5; 16, 17), deren Ausgang über ein Bauteil (4) mit Ohm’schem Verhalten, wie z.B. eine Schalter-Kondensator(SC)-Schaltung, ein Transkonduktanzverstärker, ein Ohm'scher Widerstand, ein geregelter Transistor o.dgl., mit dem Eingang (sej„) der Schaltungsanordnung in Verbindung steht, wobei, gegebenenfalls über eine Schaltungsanordnung zur Signalverarbeitung (14), zwischem dem Eingang (sein) und dem offsetfreien Ausgang (saus) der Schaltungsanordnung eine direkte Verbindung besteht, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Eingang (sem) und dem offsetfreien Ausgang (saus), gegebenenfalls über die Schaltungsanordnung zur Signalverarbeitung (14), einerseits sowie dem Bauteil (4) mit Ohm'schem Verhalten andererseits ein Kondensator (3) geschaltet ist, wobei das aus dem Kondensator (3) und dem Bauteil (4) mit Ohm'schem Verhalten gebildete RC-Glied für das Ausgangssignal der Integratorschaltung (5; 16, 17) einen Tiefpaß und für das am Eingang (s8in) der Schaltungsanordnung anliegende Wechselsignal einen Hochpaß darstellt.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenfrequenz der Schaltungsanordnung wesentlich größer, z.B. um das zehn- bis zwanzigfache, ist als 1 2 π τ wobei r der durch den Kondensator und den Bauteil mit Ohm'schem Verhalten gegebenen Zeitkonstante entspricht.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Bauteil mit Ohm'schem Verhalten und der Integratorschaltung ein Abschwächer, z.B. ein Schalter-Kondensator-(SC)-Spannungsteiler, angeordnet ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Integratorschaltung eine Schaltung zur Signalverarbeitung, z.B. ein Komparator, Verstärker, o.dgl., vorgeschaltet ist.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung zur Signalverarbeitung durch einen Encoder gebildet ist, wobei das Eingangssignal der Integratorschaltung durch das Vorzeichenbit des Encoders bestimmt ist.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Integratorschaltung durch eine Zählerschaltung und einem dem Zähler nachgeschalteten D/A-Wandler gebildet ist. Hiezu 3 Blatt Zeichnungen 5