DE10004079C2

DE10004079C2 - Komparatorschaltungsanordnung und Verfahren zum Kompensieren der Offsetspannung eines Komparators

Info

Publication number: DE10004079C2
Application number: DE2000104079
Authority: DE
Inventors: Siegfried Kamlah
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-01-31
Filing date: 2000-01-31
Publication date: 2001-11-29
Anticipated expiration: 2020-02-01
Also published as: DE10004079A1

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.

In der EP 0 746 094 A1, von der im Oberbegriff des neuen Hauptanspruchs ausgegangen wird, ist ein System zum Kompen sieren einer Offsetspannung eines Operationsverstärkers beschrieben, wobei der Messeingang des Operationsverstärkers permanent mit einer Kompensationsspannung beaufschlagbar ist, die größer ist als die Offsetspannung. Mit dem Ausgang des O perationsverstärkers ist ein Schmitt-Trigger verbunden, des sen Ausgang den Ausgang einer Komparatorschaltung bildet, der mit einem Mikroprozessor verbunden ist und über einen Wider stand auf den zweiten Eingang des Operationsverstärkers rück geführt ist, der über einen Kondensator gleichzeitig mit dem Ausgang des Operationsverstärkers verbunden ist. Eine Ein gangssignalquelle ist mit dem ersten Eingang des Operations verstärkers über eine Reihenschaltung zweier Widerstände ver bunden. Eine Versorgungsspannungsquelle ist mit dem ersten Eingang des Operationsverstärkers über einen weiteren Wider stand verbunden. Der Verbindungspunkt zwischen den erstge nannten Widerständen ist über einen Schalter mit Masse ver bunden. Mit der Komparatorschaltungsanordnung ist es durch Auswertung der Zeitdauern der am Ausgang des Schmitt-Triggers erscheinenden Rechtecksignale möglich, bei geschlossenem Schalter die Offsetspannung des Operationsverstärkers zu er mitteln und dadurch rechnerisch einen Einfluss der Offset spannung auf eine Messung der Spannung des Eingangssignals zu eliminieren.

Die DE 196 30 396 C2 beschreibt ein Verfahren zur Offset- Kompensation einer Signalverarbeitungsschaltung, in deren Signalweg sich eine offsetbehaftete Schaltungsanordnung (Ope rationsverstärker mit veränderbarer Verstärkung) befindet, wobei

a) die offsetbehaftete Schaltungsanordnung vorübergehend von dem Signalweg der Signalverarbeitungsschaltung entkoppelt und währenddessen in einem reinen Gleichspannungsbetrieb betrie ben wird;
b) zu dem im Gleichspannungsbetrieb am Ausgang der offsetbe hafteten Schaltungsanordnung auftretetenden Ausgangsgleich spannungswert ein Kompensationsgleichspannungswert hinzuaddiert wird, der so lange verändert wird, bis der Summenwert von Ausgangsgleichspannungswert und Kompensationsgleichspan nungswert zu Null geworden ist,
c) danach die offset-behaftete Schaltungsanordnung wieder in den Signalwert gekoppelt wird und
d) von da ab dem Ausgangssignal der offsetbehafteten Schal tungsanordnung der beim Summenwert Null aufgetretene Kompen sationsgleichspannungswert permanent hinzuaddiert wird, bis ein neuer Offset-Kompensationsvorgang durchgeführt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Komparator schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Kompensieren der Offsetspannung eines Komparators anzugeben, die eine effekti ve Kompensation der Offsetspannung in einfacher Weise ermög lichen.

Der die Schaltungsanordnung betreffende Teil der Erfindungs aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Komparatorschaltungsanordnung wird ein zweiter Schaltungsteil verwendet, der zwischen der Ver sorgungsspannung und Masse liegt und der je nach Aktivierung des Schaltelements, das vom Ausgangssignal des Komparators gesteuert wird, den zweiten Eingang des Komparators mit der zweiten Kompensationsspannung beaufschlagt. Der Ausgang des Komparators, der beispielsweise mit einem Mikroprozessor ver bunden ist, ist mit dem Schaltelement verbunden, das ein ein facher Transistor sein kann.

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.

Die Unteransprüche 2 bis 4 sind auf vorteilhafte Weiterbil dungen der erfindungsgemäßen Komparatorschaltungsanordnung gerichtet, bezüglich deren Vorteile zur Vermeidung von Wie derholungen auf die Beschreibung verwiesen wird.

Der auf das Verfahren gerichtete Teil der Erfindungsaufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.

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 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

1. Komparatorschaltungsanordnung (100) mit einem Komparator (10), der einen ersten Eingang (2) zum Anle gen eines Eingangssignals (U_L), einen zweiten Eingang (1) und einen Ausgang (4) aufweist, einem Stromversorgungsanschluss zum Anlegen einer Versorgungsspannung (VCC) an die Kompara torschaltungsanordnung, und einer Kompensationsschaltung (20) zum Kompensieren der Offsetspannung des Komparators, wobei die Kompensationsschaltung einen ersten Schaltungsteil (R1, R2), der mit dem ersten Eingang (2) verbunden und so ausge bildet ist, dass er, wenn die Versorgungsspannung (VCC) ange legt ist, eine erste Kompensationsspannung (U_R2) erzeugt, die größer als die Offsetspannung (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 Ein gangssignal (U_L) anliegt, eine zweite Kompensationsspannung (U_C2) erzeugt, die periodisch größer oder kleiner als die erste Kompensationsspannung (U_R2) ist, und an den zweiten Eingang (1) anlegt, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schaltungsteil ein Schaltelement (Q1) auf weist, das gesteuert durch ein Ausgangssignal (U2) des Kompa rators einen Kondensator (C2), der über einen Widerstand mit Masse verbunden ist, mit dem Stromversorgungsanschluss ver bindet oder von diesem trennt, und die Kondensatorspannung als die zweite Kompensationsspannung (U_C2) an den zweiten Eingang (1) anlegt.

2. Komparatorschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass eine Eingangssignalerzeugungsschaltung (30) zum Erzeugen des Eingangssignals (U_L) und der erste Schaltungsteil (R1, R2) in Reihe geschaltet mit dem ersten Eingang (2) verbunden sind.

3. Komparatorschaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, dass ein Tiefpass (R5, C4) zwischen den Ausgang (4) und den zweiten Schaltungsteil geschaltet ist.

4. Komparatorschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kompensationsspannung periodisch größer oder kleiner als die Summe der ersten Kompensationsspannung (U_R2) und der Offsetspannung (U_Offset) ist.

5. Verfahren zum Kompensieren der Offsetspannung eines Kompa rators, 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 Eingang (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 zwei ten Kompensationsspannung an den zweiten Eingang (1), sodass der Komparator (10) unabhängig von seiner Offsetspannung (U- _Offset) das an seinem Ausgang (4) liegende Signal mit der Fre quenz des Eingangssignals umschaltet.