DE102007011715B4 - Verstärkeranordnung zum Verstärken eines Signals - Google Patents

Abstract

Verstärkeranordnung, aufweisend – einen Verstärker (3) mit einem Signaleingang (31), einem Rückführungseingang (32) und einem Signalausgang (33); – einen ersten Kopplungspfad (FB1), der ein erstes Impedanzelement (R1) aufweist und der den Rückführungseingang (32) mit dem Signalausgang (33) verbindet; und – einen zweiten Kopplungspfad (FB2), der eine Spannungsquelle (6) zum Bereitstellen eines fest vorgegebenen Spannungsversatzes im Ausgangssignal der Verstärkeranordnung und eine Serienschaltung einer Filterreinrichtung (4), einer Pufferschaltung (5) und eines zweiten Impedanzelements (R2) aufweist und der den Rückführungseingang (32) entweder mit dem Signalausgang (33) oder mit dem Signaleingang (31) verbindet.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verstärkeranordnung.
• Beispielsweise MEMS(Micro electro-mechanical systems)-Anwendungen erfordern häufig Signalverstärker mit geringem Flächenbedarf, geringer Eingangskapazität, hoher Eingangsimpedanz, geringem Strombedarf und geringem Rauschen. Weiter wünschenswert sind eine Rail-to-Rail AB Ausgangsstufe, Stromrückkopplung sowie Eingangssignalpegel bis zur Versorgungsspannung, zum Beispiel ein Eingangssignal bezogen auf ein negatives oder positives Versorgungspotenzial.
• Mit einem Differenzverstärker, der ausgangsseitig einen Spannungsteiler mit einer Rückkopplung umfasst, kann üblicherweise eine ausreichende Verstärkung bereitgestellt werden.
• Bei typischen Anwendungen ist jedoch teilweise am Eingang eines solchen Verstärkers ein Spannungs-Offset oder ein niederfrequentes Rauschen vorhanden. Beispielsweise wird bei derartigen Verstärkern ein sich verändernder Spannungsoffset eines veränderlichen Eingangssignals mit verstärkt. Dies kann unter anderem zu einer Verschlechterung der Signalqualität im verstärkten Ausgangssignal führen. Zudem ist durch die Verstärkung des niederfrequenten Rauschens oder des Spannungs-Offsets der Stromverbrauch im Verstärker erhöht.
• Niederfrequente Anteile könnten beispielsweise durch kapazitive Entkopplung unterdrückt werden. Jedoch ist es dabei notwendig, in Abhängigkeit einer gewünschten Frequenzunterdrückung relativ große Kapazitätswerte zu verwenden, welche den Kostenaufwand einer derartigen Verstärkerschaltung erhöhen, oder alternativ größere Widerstandswerte für den Spannungsteiler, welche das Rauschverhalten der Verstärkerschaltung negativ beeinflussen.
• Aktive Filterschaltungen mit Verstärkungswirkung, die eine derartige kapazitive Entkopplung realisieren, sind beispielsweise im Fachbuch ”Halbleiter-Schaltungstechnik”, Tietze, Schenk, 11. Auflage, Berlin, 1999, in den Kapiteln 13.3 bis 13.9 und im Kapitel 13.11 beschrieben.
• Das Dokument US 7,180,369 B1 zeigt eine Verstärkeranordnung zur aktiven Tiefpassfilterung mit drei Verstärkern, bei denen die Eingänge von zweien der Verstärker mit dem Ausgang des dritten Verstärkers und der Eingang des dritten Verstärkers mit den Ausgängen der zwei anderen Verstärker verschaltet sind.
• Die Patentschrift GB 2261785 zeigt eine Audioverstärkeranordnung, bei der ein Ausgangssignal eines Hauptverstärkers über einen Signalpfad, der einen mit einem RC-Glied beschalteten Verstärker, einen widerstandsbasierten rückgekoppelten Verstärker und einen Widerstand aufweist, auf einen Rückführungseingang des Hauptverstärkers geführt wird. Zu dem wird ein Eingangssignal des Hauptverstärkers über den genannten Signalpfad auf den Rückführungseingang geführt. Mit der Verstärkerschaltung sollen Verzerrungen im Ausgangssignal reduziert werden.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verstärkeranordnung zum Verstärken eines Signals anzugeben, bei denen mit geringem Aufwand eine frequenzabhängige Signalverstärkung mit geringem Rauschen erzielbar ist.
• Dies Aufgabe wird mit dem Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
• In einer beispielhaften Ausführungsform weist eine Verstärkeranordnung einen Verstärker mit einem Signaleingang, einem Rückführungseingang und einem Signalausgang auf. Ferner sind ein erster Kopplungspfad, der ein erstes Impedanzelement aufweist und der den Rückführungseingang mit dem Signalausgang verbindet, und ein zweiter Kopplungspfad vorgesehen, der eine Serienschaltung einer Filtereinrichtung, einer Pufferschaltung und eines zweiten Impedanzelements aufweist und der den Rückführungseingang mit dem Signalausgang oder mit dem Signaleingang verbindet.
• Über das erste und das zweite Impedanzelement im ersten und zweiten Kopplungspfad kann ein Übertragungsverhalten, beispielsweise eine Verstärkung der Verstärkeranordnung eingestellt werden. Das erste und das zweite Impedanzelement können jeweils einen Widerstand umfassen. Alternativ können die Impedanzelemente auch kapazitive Eigenschaften oder eine Kombination aus kapazitiven und resistiven beziehungsweise ohmschen Eigenschaften aufweisen. Durch die Filtereinrichtung im zweiten Kopplungspfad wird zudem ermöglicht, dass unerwünschte Frequenzanteile in einem jeweiligen Signal, welches an den Rückführungseingang des Verstärkers geführt wird, unterdrückt werden. Die Pufferschaltung im zweiten Kopplungspfad ermöglicht, dass ein erstes Schleifensignal im ersten Kopplungspfad ein zweites Schleifensignal im zweiten Kopplungspfad nur geringfügig beeinflusst.
• Die Impedanzwerte beziehungsweise Widerstandswerte des ersten und zweiten Impedanzelements können relativ gering gewählt werden, so dass ein Rauschen der Verstärkeranordnung ebenfalls gering bleibt.
• Der zweite Kopplungspfad kann als Rückkopplungspfad ausgebildet sein, der den Signalausgang des Verstärkers, welcher üblicherweise auch den Signalausgang der Verstärkeranordnung bildet oder mit diesem gekoppelt ist, mit dem Rückführungseingang verbindet. Alternativ kann der zweite Kopplungspfad auch als Vorwärtskopplung ausgebildet sein, die den Signaleingang des Verstärkers mit dem Rückführungseingang verbindet. Eine frequenzabhängige Verstärkung eines Eingangssignals kann somit sowohl durch entsprechende Verarbeitung des Eingangssignals als auch durch Verarbeitung des Ausgangssignals der Verstärkeranordnung erreicht werden.
• In einer Ausführungsform weist die Filtereinrichtung ein Tiefpassfilter auf. Dabei kann das Tiefpassfilter beispielsweise ein RC-Glied umfassen. Das Tiefpassfilter kann jedoch auch als aktives Filter ausgebildet sein.
• Die Filtereinrichtung kann in verschiedenen Ausführungsformen auch andere Filtereigenschaften als ein Tiefpassfilter aufweisen. Beispielsweise kann die Filtereinrichtung auch als Hochpassfilter, als Bandpassfilter oder als Bandsperre ausgebildet sein. Zudem ist es in anderen Ausführungsformen möglich, dass die Filtereinrichtung eine beliebige Filterfunktion aufweist. In den verschiedenen Ausführungsformen kann die Filtereinrichtung dabei sowohl mit aktiven als auch mit passiven Filtern gebildet sein.
• In einer weiteren Ausführungsform weist der zweite Kopplungspfad eine Spannungsquelle auf. Durch die Spannungsquelle kann beispielsweise ein fester, vorgegebener Spannungsversatz im Ausgangssignal der Verstärkeranordnung erreicht werden. So lässt sich ein Ausgangssignal erzeugen, das spannungsmäßig um den durch die Spannungsquelle, durch die zwei Impedanzelemente und durch den DC-Eingangspegel am Signaleingang bestimmten Spannungswert herum schwingt, für den Fall, dass das Eingangssignal der Verstärkeranordnung eine Schwingung aufweist. Ein Verstärker gemäß dieser Ausführungsform kann auch als Verstärker mit Rail-to-Rail-Ausgang bezeichnet werden.
• In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Verstärker mehrere Verstärkerstufen. Beispielsweise umfasst der Verstärker eine Eingangsstufe, die einen Transistor aufweist, der mit dem Signaleingang und über ein Impedanzelement mit dem Signalausgang verbunden ist und zumindest eine Ausgangsstufe, die eingangsseitig mit dem Transistor und ausgangsseitig mit dem Signalausgang verbunden ist. Dem Transistor kann an einem Eingang, beispielsweise einem Steuereingang über den Signaleingang ein Eingangssignal zugeführt werden. Ein Ausgang der Eingangsstufe, der durch einen weiteren Anschluss des Transistors gebildet ist, ist, gegebenenfalls über weitere Bauteile oder Funktionsblöcke, mit einem Eingang der Ausgangsstufe gekoppelt. Die Ausgangsstufe stellt ein Ausgangssignal bereit, welches vom Eingangssignal der Eingangsstufe abgeleitet und verstärkt ist. Ein Ausgang der Ausgangsstufe ist zumindest über den ersten Kopplungspfad mit dem Rückführungseingang der Eingangsstufe, der beispielsweise durch einen weiteren Anschluss des Transistors gebildet ist, gekoppelt. Somit schließen der erste und gegebenenfalls der zweite Kopplungspfad nicht nur die Ausgangsstufe ein, sondern führen den Ausgang der Ausgangsstufe auf den Transistor zurück.
• Dabei ist in dieser Ausführungsform aufgrund einer Signalverstärkung bereits in der Eingangsstufe das Rauschen deutlich verringert. Aufgrund der geschlossenen Regelschleife ist die Linearität hoch. Temperaturbedingte Streuung, prozessbedingte Streuungen und versorgungsspannungsabhängige Streuungen sind gering.
• Bevorzugt ist der Transistor der Eingangsstufe so verschaltet, dass an einem Steueranschluss des Transistors ein Eingang zum Zuführen des Eingangssignals der Verstärkeranordnung gebildet ist. Die Anschlüsse der gesteuerten Strecke des Transistors sind bevorzugt so verschaltet, dass einer der Anschlüsse einen Ausgang der Eingangsstufe bildet und mit der Ausgangsstufe verbunden ist, und ein weiterer Anschluss der gesteuerten Strecke des Transistors der Eingangsstufe mit dem ersten und dem zweiten Kopplungspfad verbunden ist.
• Der Transistor ist bevorzugt als pMOS-Transistor ausgebildet. Jedoch ist auch die Implementation als nMOS-Transistor möglich.
• Auch die Ausgangsstufe kann ebenfalls zumindest einen Transistor umfassen. Beispielsweise ist die Ausgangsstufe in einer Ausführungsform eine Klasse AB-Stufe. In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Eingangsstufe einen Widerstand, der einen Anschluss der gesteuerten Strecke des Transistors mit einem Versorgungspotenzialanschluss oder einem Bezugspotenzialanschluss koppelt. Mit dem Widerstand kann beispielsweise die Verstärkung der Eingangsstufe eingestellt werden. Die Eingangsstufe kann zusätzlich oder alternativ eine Bias-Stromquelle umfassen, die mit dem Transistor verbunden ist.
• In einer Ausführung umfasst die Eingangsstufe einen Strompfad, der zwischen Versorgungs- und Bezugspotenzialanschluss geschaltet ist. Beispielsweise sind die Bias-Stromquelle, der Transistor und der Widerstand der Eingangsstufe in dem gemeinsamen Strompfad angeordnet.
• In einem Ausführungsbeispiel eines nicht erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verstärken eines Signals wird ein Eingangssignal in Abhängigkeit eines ersten und eines zweiten Schleifensignals verstärkt und ein vom Eingangssignal abgeleitetes Ausgangssignal bereitgestellt. Das erste Schleifensignal wird in Abhängigkeit einer ersten Impedanz aus dem Ausgangssignal abgeleitet. Ein Zwischensignal wird durch Filtern des Eingangssignals oder des Ausgangssignals abgeleitet. Ein Ableiten des zweiten Schleifensignals erfolgt in Abhängigkeit einer zweiten Impedanz aus dem Zwischensignal.
• Durch das Verstärken des Eingangssignals in Abhängigkeit des ersten und des zweiten Schleifensignals kann eine Übertragungsfunktion zwischen verstärktem Ausgangssignal und Eingangssignal durch entsprechende Verarbeitung der Schleifensignale beeinflusst werden. Insbesondere das zweite Schleifensignal, welches durch Filtern des Eingangssignals oder des Ausgangssignals hergeleitet ist, kann dabei für eine frequenzabhängige Verstärkung des Eingangssignals dienen. Beispielsweise werden durch das Filtern Frequenzanteile im Eingangssignal beziehungsweise im Ausgangssignal unterdrückt, so dass die Schleifensignale, insbesondere das zweite Schleifensignal ein gewünschtes Frequenzverhalten beim Verstärken des Eingangssignals bewirken.
• In einer Ausführungsform des nicht erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Ableiten des ersten und/oder des zweiten Schleifensignals widerstandsbasiert. Somit werden das erste und/oder das zweite Schleifensignal in Abhängigkeit eines jeweiligen Widerstandswerts abgeleitet. Beispielsweise hängen die Verstärkungseigenschaften wie etwa ein Verstärkungsfaktor der Verstärkeranordnung von einem Impedanzverhältnis der ersten und zweiten Impedanz beziehungsweise einem Widerstandsverhältnis eines ersten und eines zweiten Widerstandswerts ab. Die Impedanzen beziehungsweise Widerstandswerte können dabei als geringe Werte gewählt werden, so dass auch ein Rauschen beim Verstärken gering gehalten werden kann.
• In einer weiteren Ausführungsform des nicht erfindungsgemäßen Verfahrens weist das Filtern ein Tiefpassverhalten auf. Alternativ kann das Filtern auch beliebige andere Filtereigenschaften aufweisen wie etwa Hochpasseigenschaften, Bandpasseigenschaften, Bandsperreneigenschaften oder eine Kombination daraus. Somit kann das Verstärken des Signals mit einer beliebigen Frequenzabhängigkeit erfolgen.
• In einer weiteren Ausführungsform des nicht erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Ableiten des Zwischensignals ein Beaufschlagen des Zwischensignals mit einem Offsetsignal. Mit dem Offsetsignal, welches beispielsweise eine Offsetspannung oder ein Offsetstrom ist, kann ein fester Grundwert im verstärkten Ausgangssignal erzeugt werden, der beispielsweise als Grundwert für mögliche Schwingungen im verstärkten Ausgangssignal dient.
• In einer Ausführungsform des nicht erfindungsgemäßen Verfahrens umfassen das Verstärken und das Bereitstellen ein Verstärken des Eingangssignals mit einem Transistor, ein Bereitstellen eines vom Eingangssignal abgeleiteten weiteren Zwischensignals, ein Verstärken des weiteren Zwischensignals und ein Bereitstellen des vom weiteren Zwischensignal abgeleiteten Ausgangssignals. Dabei werden das erste und das zweite Schleifensignal zu dem Transistor rückgeführt.
• Beispielsweise wird das weitere Zwischensignal an einem Anschluss einer gesteuerten Strecke des Transistors abgegriffen. Das erste und das zweite Schleifensignal werden in diesem Fall einem anderen Anschluss der gesteuerten Strecke des Transistors zurückgeführt.
• In einer Ausführungsform wird für das Verstärken dem Transistor ein Bias-Strom zugeführt. Zudem kann mit einem am Transistor angeschlossenen Widerstand eine Verstärkung einer Eingangsstufe umfassend den Transistor einstellbar sein.
• Im Folgenden wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen anhand der Figuren näher erläutert. Funktions- beziehungsweise wirkungsgleiche Elemente tragen dabei gleiche Bezugszeichen.
• Es zeigen:
• 1 ein erstes Beispiel einer Verstärkeranordnung,
• 2 ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Verstärkeranordnung,
• 3 einen beispielhaften Frequenzgang einer Verstärkeranordnung,
• 4 ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Verstärkeranordnung und
• 5 ein weiteres Beispiel einer Verstärkeranordnung.
• 1 zeigt ein Beispiel einer Verstärkeranordnung. Die Verstärkeranordnung umfasst einen Verstärker 3 mit einem Signaleingang 31, der mit einem Eingang 1 der Verstärkeranordnung verbunden ist, einem Rückführungseingang 32 und einem Signalausgang 33, der mit einem Ausgang 2 der Verstärkeranordnung verbunden ist.
• Ein erster Kopplungspfad FB1, der eine als Widerstand ausgeführte Impedanz R1 aufweist, verbindet den Signalausgang 33 mit dem Rückführungseingang 32. Ferner ist ein zweiter Kopplungspfad FB2 vorgesehen, der in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls den Signalausgang 33 mit dem Rückführungseingang 32 verbindet.
• In diesem Ausführungsbeispiel sind sowohl der erste als auch der zweite Kopplungspfad FB1, FB2 als Rückkopplungspfade ausgeführt, welche das Ausgangssignal des Verstärkers nach einer Verarbeitung auf den Rückführungseingang 32 des Verstärkers 3 rückführen.
• Der zweite Kopplungspfad FB2 umfasst eine Serienschaltung einer Filtereinrichtung 4, einer Pufferschaltung 5 und eines wiederum als Widerstand ausgeführten Impedanz R2. Ein Verbindungsknoten zwischen dem zweiten Widerstand R2 und der Pufferschaltung 5 stellt einen Bezugsknoten AGND für ein virtuelles Bezugspotenzial dar.
• Die Pufferschaltung umfasst beispielsweise einen Einheitsverstärker, das heißt einen Verstärker mit einer Verstärkung, die im Wesentlichen dem Faktor 1 entspricht. Alternativ kann die Pufferschaltung auch einen Verstärker mit einer anderen festen Verstärkung umfassen. In weiteren Ausführungsformen kann die Pufferschaltung 5 auch anders ausgeführt sein und dient im Wesentlichen dazu, die Filtereinrichtung 4 und den Rückführungseingang 32 strommäßig voneinander zu trennen beziehungsweise zu entkoppeln. Demzufolge wird durch die Pufferschaltung 5 der Widerstand R2 von der Filtereinrichtung 4 derart getrennt, dass keine Rückwirkung auf die Filterung der Filtereinrichtung 4 durch die Widerstände R1, R2 auf direktem Weg erfolgen kann.
• Eine Grundverstärkung der Verstärkungseinrichtung, beispielsweise für Signale mit Frequenzen, die nicht von der Verstärkungseinrichtung unterdrückt werden, ist über ein Widerstandsverhältnis der Widerstände R1, R2 einstellbar.
• Bei einer herkömmlichen Verstärkeranordnung ist ein entsprechender Widerstand R2 an einen Widerstand R1 und an einen Anschluss mit einem festen Bezugspotenzial, üblicherweise einem Massepotenzial, angeschlossen. Eine Gesamtverstärkung der herkömmlichen Verstärkeranordnung bleibt im Rahmen des jeweils verwendeten Verstärkers gleich. Bei der in dem Ausführungsbeispiel gezeigten Verstärkeranordnung ist der Widerstand R2 an den Anschluss AGND angeschlossen, an dem ein sich in Abhängigkeit des Ausgangssignals änderndes Potenzial anliegt.
• Durch die Filtereinrichtung 4 und die Pufferschaltung 5 wird also aus dem Ausgangssignal am Anschluss 33 ein Zwischensignal abgeleitet, aus dem sich das Potenzial am Anschluss AGND ergibt. Ein erstes Schleifensignal wird über den Widerstand R1 aus dem Ausgangssignal abgeleitet. Dementsprechend wird aus dem Zwischensignal über den Widerstand R2 ein zweites Schleifensignal abgeleitet. Das erste und das zweite Schleifensignal werden gemeinsam auf den Rückführungseingang 32 des Verstärkers 3 geführt. Somit erfolgt eine Verstärkung beziehungsweise Verarbeitung des Eingangssignals am Eingang 31 zum verstärkten Ausgangssignal am Signalausgang 33 in Abhängigkeit des ersten und des zweiten Schleifensignals.
• Durch die Filtereinrichtung 4 werden bestimmte Frequenzanteile des Ausgangssignals im Zwischensignal unterdrückt, welche somit keinen oder zumindest geringen Einfluss auf das Potenzial am Anschluss AGND haben. Eine frequenzabhängige Beeinflussung des verstärken Ausgangssignals erfolgt demnach vorwiegend durch die Signalanteile im jeweiligen Durchlassbereich der Filtereinrichtung 4, das heißt durch die nicht unterdrückten Frequenzanteile im Zwischensignal.
• Anders ausgedrückt, wirken sich die Frequenzeigenschaften der Filtereinrichtung 4, die im Rückkopplungspfad FB2 angeordnet ist, in umgekehrter Weise auf das Frequenzverhalten der Verstärkeranordnung aus. Wenn beispielsweise die Filtereinrichtung 4 Tiefpassverhalten aufweist, wirkt sich dies als Hochpass für die Verstärkeranordnung aus.
• Durch entsprechende Wahl der Filtereigenschaften der Filtereinrichtung 4 können somit die Übertragungseigenschaften der Verstärkeranordnung eingestellt werden. Eine Grundverstärkung der Verstärkeranordnung im Durchlassbereich ist durch das Widerstandsverhältnis der Widerstände R1, R2 bestimmt. Die Widerstände R1, R2 können niederohmig ausgeführt sein, was zu einem verbesserten Rauschverhalten der Verstärkeranordnung führt.
• 2 zeigt eine Weiterbildung der Schaltung von 1, die dieser in Aufbau, den verwendeten Bauteilen, deren Verschaltung miteinander und der vorteilhaften Funktionsweise weitgehend entspricht. Zusätzlich ist jedoch die Filtereinrichtung 4 mit einem RC-Glied R3, C1 ausgebildet, welches einen Widerstand R3 und ein kapazitives Element C1 umfasst. Der Widerstand R3 ist dabei in dem Kopplungspfad FB2 geschaltet, der Kondensator C1 bildet einen Querpfad vom Kopplungspfad FB2 zu einem Bezugspotenzialanschluss GND. Der Kopplungspfad FB2, der wiederum als Rückkopplungspfad ausgeführt ist, umfasst in diesem Ausführungsbeispiel zusätzlich eine Spannungsquelle 6.
• Das Tiefpassverhalten des RC-Glieds R3, C1 wirkt sich in einem Hochpassverhalten der Verstärkeranordnung aus. Durch die Spannungsquelle 6, deren Spannung durch die Filtereinrichtung 4 und die Pufferschaltung 5 unbeeinflusst bleibt, wird das veränderliche Bezugspotenzial am Anschluss AGND auf einen festen Grundwert eingestellt. Damit kommt es zu einer spannungsmäßigen Verschiebung des verstärkten Ausgangssignals bezogen auf ein Bezugspotenzial des Eingangssignals am Signaleingang 31. Ein Eingangssignal, das beispielsweise um eine Bezugsspannung von Null Volt herum schwingt, wird dem entsprechend durch die Verstärkeranordnung zu einem Ausgangssignal verstärkt, welches um eine Spannung herum schwingt, die von der Spannung der Spannungsquelle 6 abgeleitet ist. Zum Beispiel entspricht der Mittelwert der Schwingung der Spannung der Spannungsquelle 6 multipliziert mit R₁/(R₁ + R₂), wobei R₁, R₂ die Widerstandswerte der Widerstände R1, R2 darstellen. Somit kann beispielsweise erreicht werden, dass das Ausgangssignal Spannungswerte annimmt, die nur im positiven Spannungsbereich angeordnet sind. Dazu ist beispielsweise die Schwingungsamplitude des Ausgangssignals kleiner als die Spannung der Spannungsquelle 6. Die Verstärkeranordnung kann somit unter anderem als Rail-to-Rail-Verstärker verwendet werden.
• Beispielsweise bei MEMS-Anwendungen kann es vorkommen, dass das Eingangssignal zusätzlich zu erwünschten Schwingungen auch einen Gleichsignalanteil aufweist, der sich unter Umständen mit geringer Frequenz ändert. Dieser Gleichsignalanteil oder DC-Offset kann bei einer herkömmlichen Verstärkeranordnung zu unerwünschten Ergebnissen im Ausgangssignal führen, beispielsweise zu einer Überschreitung des Verstärkungsbereichs, bei dem es zu einem Abschneiden, englisch Clipping von Signalanteilen kommt.
• In einem Ausführungsbeispiel ist eine Grenzfrequenz des RC-Glieds R3, C1 derart gewählt, dass im Rückkopplungspfad FB2 nur Frequenzanteile durchgelassen werden, welche den niederfrequenten Spannungsänderungen des Gleichsignalanteils im Eingangssignal entsprechen. Dadurch wird erreicht, dass diese Frequenzanteile Einfluss auf das Potenzial am Anschluss AGND haben und damit bei der Verstärkung im Verstärker 3 nicht berücksichtigt werden. Wie zuvor erläutert, wirkt sich der Tiefpass im Rückkopplungspfad FB2 als Hochpass in der Verstärkeranordnung aus, so dass ein sich verändernder DC-Offset im Eingangssignal im verstärkten Ausgangssignal unterdrückt ist.
• Der Widerstand R3 kann in diesem Ausführungsbeispiel hochohmig gewählt werden, so dass bei unveränderter Grenzfrequenz des RC-Glieds die Kapazität des Kondensators C1 klein gewählt werden kann.
• 3 zeigt einen beispielhaften Frequenzgang in einem Ausführungsbeispiel einer Verstärkeranordnung, bei der im Rückkopplungspfad FB2 eine Filtereinrichtung 4 mit Tiefpassverhalten vorgesehen ist. Der Tiefpass weist dabei eine erste Grenzfrequenz f1 auf, die sich beispielsweise in dem Ausführungsbeispiel in 2 aus den Bauteilwerten des Widerstands R3 und des Kondensators C1 ergibt. Ab einer zweiten Grenzfrequenz f2 wirkt der Tiefpass als Sperre, das heißt es werden keine Frequenzanteile mit einer Frequenz größer als die Grenzfrequenz f2 durchgelassen.
• In dem Frequenzgang in 3 ist erkennbar, dass von der Frequenz Null bis zur ersten Grenzfrequenz f1 eine einheitliche Verstärkung von Eins resultiert. Im Frequenzbereich zwischen der ersten Grenzfrequenz f1 und der zweiten Grenzfrequenz f2 nimmt die Unterdrückung im Tiefpassfilter zu, so dass eine Verstärkung g der Verstärkeranordnung dementsprechend zunimmt. Bei der zweiten Grenzfrequenz f2 ist eine Grundverstärkung oder Maximalverstärkung von 2(R₁/R₂) + 1 erreicht, wobei R₁, R₂ wiederum die Widerstandswerte der Widerstände R1, R2 sind.
• Ab einer dritten Grenzfrequenz f3, welche sich aus einer Grenzfrequenz des Verstärkers 3 ergibt, fällt die Verstärkung der Verstärkeranordnung wieder ab. Die dritte Grenzfrequenz f3 ist jedoch weitestgehend unabhängig von der Beschaltung des Verstärkers 3 mit dem ersten und dem zweiten Kopplungspfad FB1, FB2.
• Der Frequenzgang in 3 weist somit das Verhalten eines Bandpasses auf, der im Wesentlichen zwischen den Grenzfrequenzen f2 und f3 durchlässig ist. Insbesondere Frequenzen unterhalb der ersten Grenzfrequenz f1 werden unterdrückt. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Verstärkeranordnung. Der Verstärker 3 umfasst dabei eine Eingangsstufe A1 und zwei Ausgangsstufen A2, A3 und ist somit als mehrstufiger Verstärker ausgeführt. Die Eingangsstufe A1 weist einen pMOS-Transistor M1 auf, dessen Steueranschluss den mit dem Eingang 1 der Verstärkeranordnung gekoppelten Signaleingang 31 bildet beziehungsweise mit diesem verbunden ist. Ein erster Anschluss der gesteuerten Strecke des Transistors M1 ist mit dem Rückführungseingang 32 sowie mit einer Bias-Stromquelle I1 gekoppelt. Ein zweiter Anschluss der gesteuerten Strecke des Transistors M1 ist über einen Widerstand R4 mit dem Bezugspotenzialanschluss GND sowie direkt mit dem Eingang der Ausgangsstufe A2 verbunden. Die Bias-Stromquelle I1, der Transistor M1 und der Widerstand R4 sind somit in einem gemeinsamen Strompfad angeordnet. Ein Ausgang der Ausgangsstufe A3 ist mit dem Signalausgang 33 gekoppelt.
• Der Signalausgang 33 ist wie in dem Ausführungsbeispiel von 2 über eine Spannungsquelle 5 und eine als RC-Glied ausgebildete Filtereinrichtung 4 mit der Pufferschaltung 5 gekoppelt. Die Pufferschaltung 5 weist in diesem Ausführungsbeispiel einen weiteren pMOS-Transistor M2 auf, dessen Steueranschluss mit dem Ausgang der Filtereinrichtung 4 verbunden ist. Ein erster Anschluss der gesteuerten Strecke des Transistors M2 bildet den Ausgang der Pufferschaltung 5 und ist mit dem Knoten AGND mit veränderlichem Potenzial verbunden. Ferner ist der erste Anschluss der gesteuerten Strecke des Transistors M2 mit einer zweiten Bias-Stromquelle I2 verbunden. Ein zweiter Anschluss der gesteuerten Strecke des Transistors M2 ist über einen Widerstand R5 an den Bezugspotenzialanschluss GND angeschlossen sowie direkt an einen invertierenden Eingang (–) eines Verstärkers 7. Der nicht invertierende Eingang (+) des Verstärkers 7 wird mit einer Spannung einer weiteren Spannungsquelle 8 versorgt. Ein Ausgang des Verstärkers 7 ist mit einem jeweiligen Regeleingang der ersten und zweiten Bias-Stromquelle I1, I2 gekoppelt. Beispielsweise sind die Bias-Stromquellen I1, I2 als aufeinander abgestimmte, englisch: matched p-MOS-Stromspiegel ausgeführt, welche jeweils mit einem Versorgungspotenzialanschluss VCC gekoppelt sind. Eine Stromsteuerung erfolgt durch den Verstärker 7.
• Der Transistor M1 verstärkt das am Eingang 1 anliegende Eingangssignal und stellt am Eingang der Ausgangsstufe A2 ein verstärktes Eingangssignal in Form eines weiteren Zwischensignals bereit. Dieses bereits verstärkte weitere Zwischensignal wird von den Ausgangsstufen A2, A3 weiter verstärkt.
• Für den Widerstand R1 wird wiederum ein erstes Schleifensignal erzeugt. Aus dem Ausgangssignal am Signalausgang 33 wird ferner über die Filtereinrichtung 4 und die Pufferschaltung 5 ein Zwischensignal am Anschluss AGND abgeleitet, wobei das Ableiten des Zwischensignals ein Beaufschlagen des Zwischensignals mit einem Offset-Signal umfasst, welches in Form der Spannung der Spannungsquelle 6 bereit gestellt wird. Über den Widerstand R2 wird aus dem Zwischensignal das zweite Schleifensignal abgeleitet.
• Das Eingangssignal am Anschluss 1 und die rückgeführten Schleifensignale am Rückführungseingang 32 können als Komponenten eines differenziellen Signaleingangs des Verstärkers 3 interpretiert werden. Somit umfasst die Eingangsstufe A1 einen Differenzsignaleingang, bei dem an einem Anschluss 31 das Eingangssignal und an einem zweiten Anschluss 32 die aus dem Ausgangssignal abgeleiteten Schleifensignale zugeführt werden.
• Aufgrund der geschlossenen Schleife ist die Linearität der Schaltung gut. Streuungen aufgrund von Temperaturschwankungen, Schwankungen der Fertigungsparameter sowie Schwankungen der Versorgungsspannung sind gering.
• Der jeweilige Bulk-Anschluss der Transistoren M1, M2, der vorliegend nicht eingezeichnet ist, kann entweder mit dem Source-Anschluss des jeweiligen Transistors verbunden werden oder mit einem anderen Schaltungsknoten. Das Anschließen an den Source-Anschluss hat den Vorteil, dass dort die effektive Gate-Bulk-Kapazität reduziert ist.
• Durch gute Abschirmung des Signaleingangs 31 vom Rückführungseingang 32 kann eine sehr geringe Eingangskapazität erreicht beziehungsweise diese noch weiter verringert werden. Somit ist es möglich, die effektiv am Eingang 31 wirksame parasitäre Gate-Source-Kapazität praktisch zu eliminieren.
• Die vorgeschlagene Schaltung, wie sie beispielhaft anhand der 1, 2 und 4 erläutert ist, eignet sich besonders als analoger Signalverstärker. Sie zeichnet sich durch niedrige effektive Eingangskapazität, hohe Eingangsimpedanz, kleinen Stromverbrauch und geringes Eingangsrauschen aus.
• Die Schaltung in 4 ist derart aufgebaut, dass im Betrieb in Wechselstrombetrachtung durch die Transistoren M1, M2 jeweils der gleiche konstante Strom fließt. Dem entsprechend steigt mit einer steigenden Spannung am Eingang 1 in gleichem Maße die Spannung am Rückführungseingang 32. Ein zugehöriger Spannungsunterschied wird über einen Stromfluss über den Widerstand R2 bewirkt. Da aber der Strom durch den Transistor M2, wie zuvor erläutert, im Wesentlichen konstant ist, wird der Stromfluss durch den Widerstand R2 durch die Stromquelle I2 bereitgestellt. Durch die Kopplung der Stromquellen I1, I2 führt dies auch zu einer Veränderung des Stroms durch die Stromquelle I1. Die Spannung über den Widerstand R2 ist in Wechselstrombetrachtung die gleiche wie die Spannung am Eingang 1 der Verstärkeranordnung. Mit dem Strom i_R2 in Wechselstrombetrachtung über den Widerstand R2 gilt

  

  wobei v_inp die Spannung am Eingang 1 ist, R₂ der Widerstandswert des Widerstands R2 und i_i der Strom über die Stromquellen I1, I2. Ebenso gilt i_R2 = i_i + i_R1, (2) mit i_R1 als Wechselstrom über den Widerstand R1, woraus sich mit Gleichung (1) ergibt: i_R1 = i_R2 – i_i = i_R2 – (–i_R2) = 2·i_R2. (3)
• Mit der Wechselspannung v_R1 über den Widerstand R1 und die Spannung v_out am Ausgang 2 gilt v_out = v_R1 +v_inp. (4)
• Daraus lässt sich unter Zuhilfenahme der Gleichungen (1) bis (3) und mit R₁ als Widerstandswert des Widerstands R1 ableiten

  
• Für einen wechselstrommäßigen Verstärkungsfaktor A_AC ergibt sich daraus

  
• Man sieht, dass die Kreisverstärkung der Anordnung etwa um den Faktor 2 größer ist als bei herkömmlichen Verstärkeranordnungen. Mit Verweis auf 3 gilt dieser Verstärkungsfaktor A_AC im Wesentlichen für den Durchlassbereich der dargestellten Verstärkeranordnung.
• 5 zeigt ein weiteres Beispiel einer Verstärkeranordnung. Im Gegensatz zu der in 1 gezeigten Verstärkeranordnung ist der zweite Kopplungspfad FB2 in diesem Ausführungsbeispiel zwischen dem Signaleingang 31 und dem Rückführungseingang 32 angeordnet. Ein Potenzial am Anschluss AGND, welches wiederum variabel ist, hängt somit direkt vom Eingangssignal am Eingang 1 ab. Anders ausgedrückt, wird ein Zwischensignal über Filterung mit der Filtereinrichtung 4 und Pufferung mit der Pufferschaltung 5 aus dem Eingangssignal am Eingang 1 abgeleitet. Das Zwischensignal bestimmt das Potenzial am Anschluss AGND. Ein Verstärkungsfaktor in der Verstärkeranordnung aus 5 wird im Wesentlichen wiederum von den Widerständen R1, R2 bestimmt. Die als RC-Tiefpass R3C1 ausgeführte Filtereinrichtung 4 bewirkt, dass dabei im Wesentlichen die niederfrequenten Anteile im Eingangssignal zu einer Beeinflussung des Bezugspotenzials am Anschluss AGND führen.
• Der zweite Kopplungspfad FB2 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Vorwärtskopplungspfad ausgeführt. In Abhängigkeit der Tiefpasseigenschaften der Filtereinrichtung 4 weist die in 5 dargestellte Verstärkeranordnung unter Berücksichtigung der Übertragungseigenschaften des Verstärkers 3 ein Bandpaßverhalten auf.
• Bezugszeichenliste

1

Eingang

2

Ausgang

3

Verstärker

31

Signaleingang

32

Rückführungseingang

33

Signalausgang

4

Filtereinrichtung

5

Pufferschaltung

6

Spannungsquelle

7

Verstärker

8

Spannungsquelle

R1, R2, R3, R4, R5

Widerstand

C1

kapazitives Element, Kondensator

I1, I2

Spannungsquelle

A1, A2, A3

Verstärkerstufe

M1, M2

Transistor

VCC

Versorgungspotenzialanschluss

GND

Bezugspotenzialanschluss

AGND

Anschluss

FB1, FB2

Kopplungspfad

f1, f2, f3

Grenzfrequenz

Claims (9)

1. Verstärkeranordnung, aufweisend – einen Verstärker (3) mit einem Signaleingang (31), einem Rückführungseingang (32) und einem Signalausgang (33); – einen ersten Kopplungspfad (FB1), der ein erstes Impedanzelement (R1) aufweist und der den Rückführungseingang (32) mit dem Signalausgang (33) verbindet; und – einen zweiten Kopplungspfad (FB2), der eine Spannungsquelle (6) zum Bereitstellen eines fest vorgegebenen Spannungsversatzes im Ausgangssignal der Verstärkeranordnung und eine Serienschaltung einer Filterreinrichtung (4), einer Pufferschaltung (5) und eines zweiten Impedanzelements (R2) aufweist und der den Rückführungseingang (32) entweder mit dem Signalausgang (33) oder mit dem Signaleingang (31) verbindet.
2. Verstärkeranordnung nach Anspruch 1, bei der das erste und/oder das zweite Impedanzelement (R1, R2) einen Widerstand umfasst.
3. Verstärkeranordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Filterreinrichtung (4) ein Tiefpassfilter aufweist.
4. Verstärkeranordnung nach Anspruch 3, bei der das Tiefpassfilter ein RC-Glied (R3, C1) aufweist.
5. Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der Verstärker (3) mehrere Verstärkerstufen (A1, A2, A3) umfasst.
6. Verstärkeranordnung nach Anspruch 5, bei der der Verstärker (3) umfasst: – eine Eingangsstufe (A1), die einen Transistor (M1) aufweist, der mit dem Signaleingang (31) und mit dem Signalausgang (33) verbunden ist; und – zumindest eine Ausgangsstufe (A2, A3), die eingangsseitig mit dem Transistor (M1) und ausgangsseitig mit dem Signalausgang (33) verbunden ist.
7. Verstärkeranordnung nach Anspruch 6, bei der die Eingangsstufe (A1) einen Widerstand (R4) umfasst, der einen Anschluss einer gesteuerten Strecke des Transistors (M1) mit einem Versorgungs- oder Bezugspotenzialanschluss (GND) koppelt.
8. Verstärkeranordnung nach Anspruch 6 oder 7, bei der die Eingangsstufe (A1) eine Bias-Stromquelle (I1) umfasst, die mit dem Transistor (M1) verbunden ist.
9. Verstärkeranordnung nach Anspruch 7 und 8, bei der die Bias-Stromquelle (I1), der Transistor (M1) und der Widerstand (R4) der Eingangsstufe (A1) in einem gemeinsamen Strompfad angeordnet sind.

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