DE10004079A1 - Komparatorschaltungsanordnung und Verfahren zum Kompensieren der Offsetspannung eines Komparators - Google Patents

Abstract

Angegeben wird eine Komparatorschaltungsanordnung (100) mit einem Komparator (10) und einer Kompensationsschaltung (20) zum Kompensieren der Offsetspannung des Komparators, bei der ein Eingangssignal (U¶L¶) an einen ersten Komparatoreingang (2) anzulegen ist, und die Kompensationsschaltung eine erste Kompensationsspannung (U¶R2¶), die größer als die Offsetspannung (U¶Offset¶) ist, erzeugt und an den ersten Komparatoreingang anlegt, und wenn kein Eingangssignal (U¶L¶) anliegt, eine zweite Kompensationsspannung (U¶C2¶), die periodisch abwechselnd größer und kleiner als die Summe der ersten Kompensationsspannung (U¶R2¶) und der Offsetspannung (U¶Offset¶) ist, erzeugt und an den zweiten Eingang (1) anlegt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Komparatorschaltungsan­ ordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und auf ein Ver­ fahren zum Kompensieren der Offsetspannung eines Komparators.

Eine Komparatorschaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der deutschen Zeitschrift ELRAD 1994, Heft 6, Seiten 71 bis 74, Bilder 14, 15, 16, bekannt.

Reale Komparatorbauelemente weisen eine interne Offsetspan­ nung zwischen ihren Eingängen auf. Diese Offsetspannung kann zu einer Fehlfunktion bei bestimmten Schaltungsanordnungen führen. Gerade dann, wenn die Eingangsspannung der Schaltung im Bereich der Offsetspannung liegt, führt eine fehlende Kom­ pensation der Offsetspannung zu Fehlfunktionen der Schaltung. Weiterhin ist diese Offsetspannung sowohl von der Versor­ gungsspannung als auch von der Temperatur abhängig. Ferner schwankt sie von Bauteil zu Bauteil, selbst innerhalb einer Produktionscharge. Um den Einfluss der Offsetspannung mög­ lichst klein zu halten oder ganz zu unterbinden, ist es not­ wendig, die Offsetspannung durch eine äußere Beschaltung zu kompensieren.

Die Schaltungen zur Kompensation der Offsetspannung, die im Stand der Technik bekannt sind, kompensieren entweder aktiv die Offsetspannung eines Komparators, wozu weitere aktive Bauelemente notwendig sind, oder kompensieren passiv die Off­ setspannung, was aber bisher nicht zu befriedigenden Ergeb­ nissen geführt hat.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Komparatorschaltungsanord­ nung und ein Verfahren zum Kompensieren der Offsetspannung eines Komparators anzugeben, die eine effektive Kompensation der Offsetspannung in einfacher Weise ermöglichen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Komparatorschaltungsan­ ordnung nach Anspruch 1 bzw. ein Verfahren nach Anspruch 10.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen an­ gegeben.

Bei der beschriebenen Lösung wird der beispielsweise zur Sig­ nalverarbeitung benutzte Komparator so geschaltet, daß er im Ruhezustand, d. h. ohne zur Verarbeitung anliegendes Signal, selbst seine eigene Offsetspannung aktiv kompensieren kann. Jede Änderung der Offsetspannung wird durch diese Lösung aus­ geglichen. Daher sind Schwankungen der Offsetspannung, ob aufgrund von Schwankungen der Versorgungsspannung oder auf­ grund von Temperaturschwankungen oder aufgrund anderer Ein­ flüsse, kein Problem mehr.

Die Lösung minimiert den Bedarf an Bauteilen und damit auch einen möglichen Anstieg des Ruhestroms der Schaltung, da kei­ ne weiteren aktiven Bauelemente wie Operationsverstärker o. ä. eingesetzt werden.

Bei der in der nachfolgend beschriebenen Ausführungsform an­ gegebenen Schaltungsvariante wird durch eine kleine, zusätz­ liche Beschaltung des Komparators für die Signalverarbeitung derselbe Kompensator auch für die Offsetkompensation verwen­ det.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der Komparatorschaltungsan­ ordnung nach der Ausführungsform;

Fig. 2 einen Screenprint, der den Abstand zwischen zwei Impulsen im Ruhezustandsausgangssignal des Kompara­ tors aus Fig. 1 zeigt;

Fig. 3 einen Screenprint, der einen der Impulse aus Fig. 2 in vergrößerter Darstellung zeigt; und

Fig. 4 eine nicht maßstabsgetreue Darstellung der Spannung am Kondensator C2 aus Fig. 1 im Ruhezustand.

Das Prinzipschaltbild in Fig. 1 zeigt einen induktiven Emp­ fänger, dessen Eingangssignal über einen Komparator digitali­ siert wird. Der induktive Empfänger 100 ist eine Komparator­ schaltungsanordnung, die einen Komparator 10, eine Kompensa­ tionsschaltung 20 und eine Eingangssignalschaltung 30 auf­ weist. Der Komparator weist einen ersten Eingang 2, einen zweiten Eingang 1, einen Ausgang 4, einen Stromversorgung­ sanschluß 3 und einen Masseanschluß 5 auf. Die Spannungskom­ pensationsschaltung weist einen ersten Schaltungsteil, der eine Spannungsteilerschaltung ist, die aus den Widerständen R1 und R2 besteht, die zwischen die Stromversorgungsspannung und Masse geschaltet sind, einen zweiten Schaltungsteil, der aus dem Transistor Q1, dem Widerstand R4, dem Widerstand R3 und dem Kondensator C2 besteht, und einen dritten Schaltungs­ teil, der aus dem Widerstand R5 und dem Kondensator C4 be­ steht, auf. In dem ersten Schaltungsteil sind der Widerstand R3 und der Kondensator C2 parallel zwischen Masse und einen Anschluss des Widerstands R4 geschaltet, und der Transistor Q1 ist zwischen den anderen Anschluss des Widerstands R4 und die Stromversorgungsspannung geschaltet. Die Basis des Tran­ sistors Q1 ist über den Widerstand R5 mit dem Ausgang 4 des Komparators 10 verbunden. Der Kondensator C4 des dritten Schaltungsteils ist zwischen die Basis des Transistors Q1 und die Stromversorgungsspannung geschaltet. Der Verbindungspunkt der Widerstände R3 und R4 ist mit dem zweiten Eingang 1 des Komparators 10 verbunden. Zwischen diesen Verbindungspunkten der Widerstände R3 und R4 und den Ausgang 4 ist weiterhin ein Kondensator C3 geschaltet.

Die Eingangssignalschaltung 30 besteht aus einem Schwing­ kreis. Der Eingang des Schwingkreises ist mit dem Verbin­ dungspunkt der Widerstände R1 und R2 der Spannungsteiler­ schaltung des ersten Schaltungsteils verbunden, und der Aus­ gang des Schwingkreises ist mit dem ersten Eingang 2 des Kom­ parators 10 verbunden. Der Schwingkreis besteht aus einer Pa­ rallelschaltung einer Spule L1 und eines Kondensators C1 zwi­ schen den Eingang und den Ausgang der Eingangssignalschaltung 30.

Derart sind der erste Schaltungsteil der Kompensationsschal­ tung 20 und die Eingangssignalschaltung 30 in Reihe geschal­ tet mit dem ersten Eingang 2 des Komparators 10 verbunden.

Ein Eingangssignal wird über den Schwingkreis induktiv in den induktiven Empfänger, d. h. die Schaltungsanordnung, eingekop­ pelt und von dem Komparator 10 in Pegeln der Ausgangsspannung U2 digitalisiert.

Das Prinzip der Offsetspannungskompensation liegt darin, den Arbeitspunkt des Komparators zu ändern. Im Ruhezustand wird der Ausgangspegel am Ausgang 4 des Komparators 10 periodisch für einen kurzen Augenblick (Impuls) auf den niedrigen Pegel (L-Pegel) geschaltet. Dieses geschieht im einzelnen wie folgt:

• a) Initialisierung der Schaltung
  Sobald die Versorgungsspannung VCC angelegt ist, liegt, wenn kein Eingangssignal am Schwingkreis anliegt, die Spannung am ersten Eingang 2 (dem negativen oder inver­ tierenden Eingang) des Komparators 10 auf dem Pegel U_R2.
  Die Widerstandswerte der Widerstände R1 und R2 sind da­ bei so gewählt, daß die Spannung U_R2, die über den Wi­ derstand R2 abfällt, die folgende Bedingung (Unglei­ chung) erfüllt:
  U_R2 << U_Offset (1)
  Dadurch wird das Signal am Ausgang 4 des Komparators 10 auf L-Pegel gehalten. Das Signal auf L-Pegel wird über den Widerstand R5 an die Basis des Transistors Q1 ange­ legt, so dass der Transistor Q1 durchschaltet. Dadurch wird der Kondensator C2 über den Transistor Q1 und den Widerstand R4 geladen.
  Sobald die Spannung U_C2 am Kondensator C2 die Bedingung (Ungleichung)
  U_C2 < U_R2 + U_Offset (2)
  erfüllt, wird die Spannung am Ausgang 4 des Komparators 10 auf den hohen Pegel (H-Pegel) geschaltet und als Fol­ ge davon der Transistor Q1 gesperrt. Vorteilhaft ist, wenn die Offsetspannung U_Offset klein gegenüber der Span­ nung U_R2 ist. Bevorzugterweise ist U_Offset 1/100 oder we­ niger von U_R2.
  Nachdem die Bedingung (2) erfüllt ist und der Transistor Q1 als Folge gesperrt ist, wird der Kondensator C2 über den Widerstand R3 entladen, bis die Bedingung (Unglei­ chung)
  U_C2 < U_R2 + U_Offset (3)
  erfüllt ist. In der Folge wird das Signal am Ausgang 4 des Komparators wieder auf L-Pegel geschaltet und, da der Transistor Q1 als Folge durchgeschaltet wird, der Kondensator C2 wieder geladen.
• b) Ruhezustand der Schaltungsanordnung
  Der Ruhezustand der Schaltungsanordnung liegt dann vor, wenn kein Eingangssignal über den Schwingkreis eingekop­ pelt wird.
  Zur Erläuterung des Ruhezustands wird nun angenommen, dass zuerst die Bedingung (2) erfüllt ist. Bei Erfüllung der Bedingung (2) wird der Kondensator C2 über den Wi­ derstand R3 entladen, bis die Bedingung (3) erfüllt ist. Bei Erfüllung der Bedingung (3) schaltet der Komparator 10 seinen Ausgang 4 auf L-Pegel, und der Kondensator C2 wird wieder geladen, bis die Bedingung (2) wieder er­ füllt ist. Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch.
  Das Signal am Ausgang 4 des Komparators 10 hängt dabei von folgenden Parametern ab:
  • 1. Signallaufzeit im Komparator;
  • 2. Zeitkonstante aus C2 und R3;
  • 3. Zeitkonstante aus R4, R_CE,Q1 (Kollektor-Emitter- Widerstand des Transistors Q1) und C2;
  • 4. U_Offset;
  • 5. U_R2.
  Das Signal am Ausgang 4 des Komparators 10 ist beispiel­ haft in den Fig. 2 und 3 gezeigt. Die Fig. 2 zeigt den Abstand zwischen zwei L-Pegelpulsen im Signal am Ausgang 4. Die Fig. 3 zeigt in vergrößertem Maßstab einen der Impulse aus Fig. 2. Die Impulsbreite ist von den obigen Parametern b1) und b3) abhängig. Der Abstand der Pulse ist von den obigen Parametern b2), b4) und b5) abhängig.
  Die durch den obigen Vorgang im Ruhezustand am Kondensa­ tor C2 entstehende Spannung ist in Fig. 4 dargestellt. Bei der Darstellung in Fig. 4 ist die Spannungsamplitude zur besseren Darstellung vergrößert worden. Im realen Betrieb ist die Spannungsamplitude kleiner. Die Span­ nungsamplitude ist von der Dimensionierung des Wider­ stands R4 und des Kondensators C2 und von der Signal­ laufzeit des Komparators 10 abhängig.
• c) Kompensation der Offsetspannung
  Im Ruhezustand stellt sich, wie oben unter b) beschrie­ ben, am Kondensator C2 eine Spannung U_C2 entsprechend der folgenden Beziehung ein:
  U_C2 ≅ U_R2 + U_Offset (4)
  Die Spannung U_C2 am Kondensator C2 ändert sich, wenn sich die Spannung U_R2 am Widerstand R2, zum Beispiel durch Änderung von VCC oder der Offsetspannung U_Offset, zum Beispiel durch eine Temperaturänderung, ändert. Da­ mit sich das Signal am Ausgang 4 des Komparators 10 auf H-Pegel ändert, muss an den Komparatoreingängen 2, 1 die folgende Bedingung (Ungleichung) erfüllt sein:
  U₊ < U_- + U_Offset (5)
  wobei U₊ die Spannung am zweiten Eingang 1 und U_- die Spannung am ersten Eingang 2 ist. Damit das Signal am Ausgang 4 des Komparators 10 auf L-Pegel ist, muss ana­ log die folgende Bedingung (Ungleichung) erfüllt sein:
  U₊ < U_- + U_Offset (6)
  Für die in Fig. 1 dargestellte Schaltung erhält man da­ her als Netzwerkgleichungen für den ersten Eingang 2
  U_- = U_R2 + U_L (7)
  und für den zweiten Eingang 1
  
  U₊ = U_C2 (8)
  Wenn man die Gleichungen (7) und (8) in die Ungleichun­ gen (5) und (6) einsetzt, erhält man:
  U_R2 + U_L + U_Offset << U_C2 (9)
  Dabei gilt in der doppelten Ungleichung (9) die Unglei­ chung < für einen L-Pegel am Ausgang 4 und die Unglei­ chung < für einen H-Pegel am Ausgang 4. Setzt man in die doppelte Ungleichung (9) das Verhältnis (4) ein, dann ergibt sich:
  U_R2 + U_L + U_Offset << U_R2 + U_Offset ⇒ U_L << 0 (10)
  Dabei ist U_L die über der Spule L1 anliegende Spannung. Man erkennt aus dem Verhältnis (10), daß der Einfluss der Offsetspannung auf dem Pegel am Ausgang 4 des Kompa­ rators 10 erfolgreich kompensiert wird. Sobald an der Spule L1 eine Spannung U_L ungleich Null anliegt, ändert sich der Pegel am Ausgang des Komparators 10 entspre­ chend.
• d) Datenempfang
  Aus dem obigen Verhältnis (10) ergibt sich also, dass, sobald ein Eingangssignal (genügender Größe) vom Schwingkreis C1, L1 detektiert wird, der Komparator 10 das Signal an seinem Ausgang 4 mit der Frequenz des Ein­ gangssignals auf den entsprechenden Pegel umschaltet.
  Damit durch dieses Umschalten kein Datensignal abge­ schnitten werden kann, ist in der Schaltungsanordnung der Tiefpaß R5, C4 vorgesehen, der das Ausgangssignal des Ausgangs 4 verzögert an die Basis des Transistors Q1 anlegt. Dadurch wird der Kondensator C2 in diesem Fall nur langsam aufgeladen. Sollte ein konstantes Signal an­ liegen, so wird dieses nach einer gewissen Zeit abge­ schnitten. Das bedeutet, daß das Signal am Ausgang des Komparators auf den H-Pegel geht, da der Kondensator C2 bis zur Erfüllung der Bedingung (2) geladen wurde. Damit werden auch mögliche Störungen unterdrückt. Für ein kor­ rektes Datensignal wird diese Bedingung aber nicht er­ füllt, und das Signal wird nicht abgebrochen.
  Durch das Laden des Kondensators C2 während des Empfangs des Eingangssignals wird die Empfindlichkeit gesenkt, was zur Folge hat, dass selbst sehr starke Eingangssig­ nale noch gut verarbeitet werden können. Ein Nachteil wäre nur, daß bei einer zu schnellen Änderung der Ein­ gangssignalspannung die Komparatorschaltung nicht folgen könnte. Dieser Fall kommt in der Praxis aber nicht vor.

Wie sich aus der obigen Beschreibung des Ausführungsbeispiels ergibt, ermöglicht die Komparatorschaltungsanordnung eine selbständige Offsetkompensation. Dadurch wird ein Abgleich überflüssig. Ein solcher Abgleich ist ohnehin kaum möglich bzw. sinnvoll, da bei der Endprüfung einer Kondensatorschal­ tungsanordnung mit Abgleich der Zeitaufwand erheblich wäre, die Offsetspannung ohnehin nicht konstant über die Temperatur und die Versorgungsspannung ist, die verwendeten Bauelemente keine Angaben über das Verhalten der Offsetspannung bei Alte­ rung der Bauelemente enthalten, und der Platzbedarf für ein abgleichbares Bauelement erheblich höher wäre.

Die Komparatorschaltungsanordnung überwindet diese Nachteile eines Abgleichs in einer einfachen und sehr wirksamen Weise.

Das Prinzip der Offsetkompensation, das in der oben beschrie­ benen Komparatorschaltungsanordnung verwirklicht ist, lässt sich auch auf die Kompensation der Offsetspannung eines ande­ ren Komparators übertragen. Wesentlich dabei ist, dass eine erste Kompensationsspannung erzeugt wird, die größer als die Offsetspannung ist, dass die erste Kompensationsspannung an einen ersten Eingang des Komparators angelegt wird, dass eine zweite Kompensationsspannung derart erzeugt wird, dass, wenn kein Eingangssignal am ersten Eingang anliegt, die zweite Kompensationsspannung derart erzeugt wird, dass sie perio­ disch größer oder kleiner, d. h. periodisch wechselnd zwischen größer und kleiner, als die erste Kompensationsspannung ist, und dass die zweite Kompensationsspannung an den zweiten Ein­ gang des Komparators angelegt wird. In einem Verwendungs- bzw. Anwendungsbeispiel ist das Eingangssignal ein Codesignal eines fernbedienbaren Diebstahlschutzsystems wie einer Weg­ fahrsperre oder eines Zugangsschutzes eines Fahrzeugs, das über die Spule, die einen Teil einer Antenne darstellt, ein­ gekoppelt wird.

Claims (10)

1. Komparatorschaltungsanordnung (100) mit
einem Komparator (10), der einen ersten Eingang (2), einen zweiten Eingang (1) und einen Ausgang (4) aufweist,
einem Stromversorgungsanschluss zum Anlegen einer Versor­ gungsspannung (VCC) an die Komparatorschaltungsanordnung, und
einer Kompensationsschaltung (20) zum Kompensieren der Off­ setspannung des Komparators,
bei der ein Eingangssignal (U_L) an den ersten Eingang (2) an­ zulegen ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kompensationsschaltung
einen ersten Schaltungsteil (R1, R2), der mit dem ersten Ein­ gang (2) verbunden und so ausgebildet ist, dass er, wenn die Versorgungsspannung (VCC) angelegt ist, eine erste Kompensa­ tionsspannung (U_R2) erzeugt, die größer als die Offsetspan­ nung (U_Offset) ist, und
einen zweiten Schaltungsteil (Q1, R4, C2, R3), der mit dem zweiten Eingang (1) verbunden und so ausgebildet ist, dass er, wenn kein Eingangssignal (U_L) anliegt, eine zweite Kom­ pensationsspannung (U_C2) erzeugt, die periodisch größer oder kleiner als die erste Kompensationsspannung (U_R2) ist, und an den zweiten Eingang (1) anlegt,
aufweist.

2. Komparatorschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Eingangssignal durch eine Eingangssignalerzeugungs­ schaltung (30) erzeugt wird, die mit dem ersten Eingang ver­ bunden ist.

3. Komparatorschaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, dass der erste Schaltungsteil eine Spannungsteilerschaltung (R¹, R²) ist.

4. Komparatorschaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, da­ durch gekennzeichnet, dass die Eingangssignalerzeugungsschaltung (30) und der erste Schaltungsteil (R1, R2) in Reihe geschaltet mit dem ersten Eingang (2) verbunden sind.

5. Komparatorschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schaltungsteil (Q1, R4, C2, R3) eine Ladungs­ speicherschaltung (2) aufweist, die periodisch auf- und ent­ laden wird.

6. Komparatorschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schaltungsteil (Q1, R4, C2, R3) mit dem Aus­ gang (4) verbunden ist und so ausgebildet ist, dass das peri­ odische Erzeugen der zweiten Kompensationsspannung (U_C2) durch das aus dem Ausgang (4) ausgegebene Signal gesteuert wird.

7. Komparatorschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schaltungsteil ein Schaltelement (Q1) aufweist, das gesteuert durch ein Aus­ gangssignal (U2) des Komparators einen Kondensator (C2), der über einen Widerstand mit Masse verbunden ist, mit dem Strom­ versorgungsanschluss verbindet oder von diesem trennt, und die Kondensatorspannung als die zweite Kompensationsspannung (U_C2) an den zweiten Eingang (1) anlegt.

8. Komparatorschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Tiefpass (R5, C4) zwischen den Ausgang (4) und den zweiten Schaltungsteil geschaltet ist.

9. Komparatorschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kompensationsspannung periodisch größer oder kleiner als die Summe der ersten Kompensationsspannung (U_R2) und der Offsetspannung (U_Offset) ist.

10. Verfahren zum Kompensieren der Offsetspannung eines Kom­ parators, der einen ersten Eingang (2), einen zweiten Eingang (1) und einen Ausgang (4) aufweist, und an dessen ersten Ein­ gang (2) ein Eingangssignal anzulegen ist, mit den Schritten: Erzeugen einer ersten Kompensationsspannung (U_R2), die größer als eine Offsetspannung (U_Offset) des Komparators ist,
Anlegen der ersten Kompensationsspannung an den ersten Ein­ gang (2),
Erzeugen einer zweiten Kompensationsspannung (U_C2) derart, dass, wenn kein Eingangssignal anliegt, die zweite Kompensa­ tionsspannung (U_C2) periodisch größer oder kleiner als die erste Kompensationsspannung (U_C2) ist, und
Anlegen der zweiten Kompensationsspannung an den zweiten Ein­ gang (1).