DE102008023384B4

DE102008023384B4 - Strom-Rückkopplungs-Instrumentenverstärker mit selbsttätiger Nullpunkt-Einstellung

Info

Publication number: DE102008023384B4
Application number: DE102008023384.6A
Authority: DE
Inventors: Michiel Pertijs; George Reitsma
Original assignee: National Semiconductor Corp
Current assignee: National Semiconductor Corp
Priority date: 2007-05-17
Filing date: 2008-05-15
Publication date: 2019-03-28
Anticipated expiration: 2028-05-16
Also published as: DE102008023384A1; US20080284507A1; KR101035344B1; US7719351B2; JP2008295060A; KR20080101784A; TW200903990A; JP5283983B2

Abstract

Instrumentenverstärker (500), der folgendes umfasst:
eine Ausgangsstufe (510) zum Erzeugen einer Ausgangsspannung (Vout);
eine erste Eingangsstufe (520) zum Erfassen eines differentiellen Eingangs (Vin) und Erzeugen eines ersten Zwischenstromes basierend darauf;
eine erste Rückkopplungsstufe (530), die mit der ersten Eingangsstufe (520) und der Ausgangsstufe (510) gekoppelt ist, wobei die erste Rückkopplungsstufe (530) zum Erzeugen eines ersten Rückkopplungsstroms basierend auf der Ausgangsspannung (Vout) geeignet ist; und
eine Selbst-Nullungs-Schaltung (540), die mit der Eingangsstufe (520), der Rückkopplungsstufe (530) und der Ausgangsstufe (510) gekoppelt ist, wobei die Selbst-Nullungs-Schaltung (540) zum Erzeugen eines Ausnullungs-Stroms geeignet ist, wobei der Ausnullungs-Strom Fehler in dem ersten Zwischenstrom und dem ersten Rückkopplungsstrom kompensiert, die aus Eingangs-Offsets in der ersten Eingangsstufe (520) und der ersten Rückkopplungsstufe (530) resultieren; und
eine Vorladungs-Schaltung (1200), die mit der ersten Eingangsstufe (520) gekoppelt ist, wobei die Vorladungsstufe (1200) geeignet ist, einen Eingang (Vin) der ersten Eingangsstufe (520) auf eine Vorladungs-Spannung aufzuladen, wobei die Vorladungs-Spannung auf dem differentiellen Eingang (Vin) basiert.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Erfindungsgebiet
Ausführungsformen der Erfindung beziehen sich im allgemeinen auf Strom-Rückkopplungs-Instrumentenverstärker.
Hintergrund der Erfindung
Instrumentenverstärker werden üblicherweise verwendet, um kleine differentielle Eingangsspannungen (auch Differenz-Spannungen oder Gegentakt-Spannungen genannt) zu verstärken, während sie Gleichtakt-Eingangsspannungen abweisen. Ein erwünschtes Merkmal solcher Verstärker besteht in einer niedrigen eingangsbezogenen Offset-Spannung kombiniert mit einem niedrigen Eingangsstrom. Letzterer kann unter Verwendung einer MOS-Eingangsstufe erreicht werden, aber eine derartige Stufe führt typischerweise zu einer hohen Offset-Spannung.
Ein weiteres erwünschtes Merkmal von Instrumentenverstärkern besteht darin, dass ihr Bereich für Eingangsspannungen die negative Versorgungsleitung einschließt, so dass sie in einem System mit einfacher Zufuhr mit einer geerdeten Signalquelle verbunden werden kann. Dies ist mit einer herkömmlichen Instrumentenverstärker-Topologie mit drei Operationsverstärkern nicht möglich.
Diese Beschränkung wurde zu gewissem Grade dadurch überwunden, dass eine Strom-Rückkopplungs-Topologie mit PMOS-Eingangstransistoren verwendet wurde. Die PMOS-Transistoren übertragen die differentielle Eingangsspannung auf einen Widerstand, der zwischen ihren Source-Anschlüssen verbunden ist, was zu einem Strom führt, der proportional zur differentiellen Eingangsspannung ist. Die PMOS-Transistoren stellen gleichzeitig den erforderlichen Gleichtakt-Levelshift bereit, um in der Lage zu sein, diese Spannungs-zuStrom-Umwandlung mit einer Eingangsspannung auf Erdnungsniveau zu erreichen. Im Rest des Verstärkers wird der erzeugte Strom unter Verwendung eines zweiten Widerstandes zurück in eine Ausgangsspannung gewandelt.
1 zeigt ein Blockdiagramm eines herkömmlichen Strom-Rückkopplungs-Instrumentenverstärkers 100. Die differentielle Eingangsspannung V_in wird durch einen Transkonduktanz-Verstärker g₂ in einen Strom umgewandelt. Wie oben beschrieben wurde, hat der Verstärker g₂ PMOS-Eingangstransistoren, die ihn in die Lage versetzen, Eingangssignale auf der negativen Zufuhrleitung zu erfassen. Der Unterschied zwischen der Ausgangsspannung V_out und einer Referenzspannung V_ref wird durch einen Widerstandsteiler herunterskaliert, der aus Widerständen R₁ und R₂ besteht, um eine Rückkopplungs- bzw. Feedback-Spannung V_fb bereitzustellen. Diese wird an einen zweiten Transkonduktanz-Verstärker g₃ angelegt. Die Rückkopplungsschleife, die durch die Ausgangsstufe g₁ geschlossen wird, stellt sicher, dass der Ausgangsstrom von g₃ gleich demjenigen von g₂ ist. Man beachte, dass die Ausgangsstufe, die hier als eine einzige Miller-kompensierte Transkonduktanz-Stufe gezeigt ist, in der Praxis aus mehreren Stufen bestehen kann. Wenn die beiden Transkonduktanz-Verstärker g₂ und g₃ gleich sind, ist V_fb gleich V_in , und daher ergibt sich für die Ausgangsspannung folgendes: $V_{out} = V_{ref} + (R_{1} + R_{2}) / R_{2} \cdot V_{m}$
In dem allgemeineren Fall, in dem die beiden Transkonduktanz-Verstärker nicht gleich sind, gilt für die Ausgangsspannung folgendes: $V_{out} = V_{ref} + g_{2} / g_{3} \cdot (R_{1} + R_{2}) / R_{2} \cdot V_{m}$
Zusätzlich zu seiner Fähigkeit, Eingangsspannungen an der negativen Zufuhrleitung zu erfassen, hat der Verstärker 100 die attraktive Eigenschaft, dass sein Ausgang von Leitung zu Leitung durchschwingen kann, was wichtig für Anwendungen niedriger Spannung ist.
Jedoch ist die Schaltung 100 insofern unvorteilhaft, als die Offsets der Transkonduktanz-Verstärker g₂ und g₃ direkt zur Eingangsspannung addiert werden, und dass sie daher kompensiert werden müssen. 2 zeigt einen herkömmlichen Verstärker 200, der Chopper-Schalter 210 und 220 verwendet, die an dem Eingang von g₂ und g₃ zugefügt sind, um die Polarität des Eingangs- und des Rückkopplungssignals periodisch umzukehren. Ein zusätzlicher Chopper-Schalter 230 am Eingang der Ausgangsstufe stellt die ursprüngliche Polarität wieder her. Diese Konfiguration moduliert effektiv den Offset der Transkonduktanz-Verstärker mit der Chopper-Frequenz, wobei er im Prinzip ausgefiltert werden kann.
Ein wichtiger Nachteil der Verwendung des Choppers zum Entfernen des Offsets in Strom-Rückkopplungs-Instrumentenverstärkern besteht darin, dass der modulierte Offset zu unerwünschten Wechselstromsignalen am Ausgang des Verstärkers 200 führt. Beispielsweise kann der Ausgang des Verstärkers 200 tatsächlich als ein Sägezahn-Signal erscheinen. Da der Ausgang eines Instrumentenverstärkers typischerweise von einem Analog-zu-Digital-Wandler abgetastet wird, können derartige unerwünschte Signale zu Messfehlern führen, wenn sie nicht herausgefiltert werden. Es wurde in herkömmlichen Anwendungen versucht, die unerwünschten Signale zu verringern und herauszufiltern, unter Verwendung eines kontinuierlichen (nicht-gechoppten) Mitkopplungs-Pfades (auch „Feedforward-Pfad“ genannt) und verschiedener zusätzlicher Offset-Kompensationsschleifen. Dies führt jedoch zu einem sehr großen und komplexen System.
Ein weiterer wichtiger Nachteil der Verwendung des Choppens besteht darin, dass die Eingangsquelle einer geschalteten kapazitiven Last ausgesetzt ist, die durch die Eingangs-Kapazität C_in2 des Transkonduktanz-Verstärkers g₂ gebildet wird. Aufgrund der periodischen Umkehrung der Polarität muss diese Kapazität alternierend auf +V_in und -V_in geladen werden.
Der zugehörige Strom führt zu einem Eingangs-Offset-Strom. Effektiv verringert dies die Eingangsimpedanz des Instrumentenverstärkers (z.B. des Verstärkers 200) auf: $R_{in} = 1 / (2 \cdot f_{chop} \cdot C_{in2}) .$
Für typische Werte von f_chop = 10 kHz und C_in2 = 1 pF beträgt die Eingangs-Impedanz 50 MΩ. Im Gegensatz hierzu erreichen nicht-gechoppte Instrumentenverstärker mit MOS-Eingängen typischerweise Eingangs-Impedanzen in der Größenordnung von 10 GΩ. Diese verringerte Impedanz infolge des Choppens kann signifikante Fehler im Verstärkungsgrad hervorrufen, wenn eine Signalquelle mit einer hohen Impedanz ausgelesen wird. Ein ähnliches Problem tritt am Eingang des Transkonduktanz-Verstärkers g₃ auf, dessen Eingangskapazität C_in3 eine geschaltete Last für das Rückkopplungs-Netzwerk repräsentiert.
US 7,132,883 B2 beschreibt einen chopper-stabilisierten Instrumentenverstärker. Eine Eingangsspannung und eine Referenzspannung werden als Eingang an Spannung-zu-Strom-Verstärkern eingespeist. Eine verschachtelte Miller-Kompensation bildet eine Ausgangsstufe zum Ausgeben einer Ausgangsspannung, von welcher die Referenzspannung abgeleitet wird. Um den Offset zwischen den Verstärkern G7 und G8 zu reduzieren, wird die Ausgänge der Verstärker G7 und G8 durch einen Verstärker G9 während eines vollen Taktzyklus und unter Verwendung eines Multiplexers MUX1 zusammengefasst. Das resultierende Signal entspricht dem Offset zwischen den Verstärkern G7 und G8, welches durch einen weiteren Verstärker G10 rückgekoppelt und korrigiert wird. Weitere Schleifen sorgen dafür, dass Offsets von weiteren eingebauten Verstärkern korrigiert, reduziert und/oder kompensiert werden.
Daher stellen herkömmliche Rückkopplungs-Instrumentenverstärker keinen einfachen Weg bereit, Eingangs-Offsets zu verringern und gleichzeitig eine hohe Eingangsimpedanz beizubehalten und unerwünschte Signale am Ausgang zu vermeiden.
ZUSAMMENFASSUNG
Diese Zusammenfassung soll eine Auswahl an Konzepten in vereinfachter Form einführen, die unten in der detaillierten Beschreibung mehr im Detail erläutert werden. Diese Zusammenfassung soll jedoch nicht Merkmale mit Schlüsselfunktionen oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstandes herausheben, und ebenso wenig soll die Zusammenfassung in einer Weise aufgefasst werden, die den Schutzumfang des beanspruchten Gegenstandes beschränkt.
Eine Ausführungsform widmet sich einem Instrumentenverstärker. Der Instrumentenverstärker umfasst eine Ausgangsstufe zum Erzeugen einer Ausgangsspannung, einen Niedrigfrequenz-Pfad, der mit der Ausgangsstufe gekoppelt ist, und einen Hochfrequenz-Pfad, der mit der Ausgangsstufe gekoppelt ist. Der Hochfrequenz-Pfad dominiert den Niedrigfrequenz-Pfad bei Frequenzen oberhalb einer bestimmten Frequenz, und der Niedrigfrequenz-Pfad dominiert den Hochfrequenz-Pfad bei Frequenzen unterhalb der bestimmten Frequenz. Der Niedrigfrequenz-Pfad umfasst eine Eingangsstufe zum Erfassen einer differentiellen Eingabe und zum Erzeugen eines Zwischenstroms basierend darauf, und eine Rückkopplungsstufe, die mit der Eingangs- und der Ausgangsstufe gekoppelt ist, wobei die Rückkopplungsstufe dazu geeignet ist, einen Rückkopplungsstrom basierend auf der Ausgangsspannung zu erzeugen, und eine selbsttätige Nullpunkt-Einstellungs-Schaltung, im folgenden auch „Selbst-Nullungs-Schaltung“ genannt, die mit der Eingangsstufe, der Rückkopplungsstufe und der Ausgangsstufe gekoppelt ist, wobei die Selbst-Nullungs-Schaltung geeignet ist, einen Ausnullungs-Strom zu erzeugen. Der Ausnullungs-Strom kompensiert Fehler in dem Zwischenstrom und dem Rückkopplungsstrom, die auf Eingangs-Offsets in der Eingangsstufe und der Rückkopplungsstufe basieren.
Somit stellen Ausführungsformen eine Technologie bereit, die Instrumentenverstärker mit sehr geringem eingangsbezogenem Offset, einem niedrigen Eingangsstrom und einem niedrigen Grad an unerwünschten Schaltsignalen am Ausgang ermöglicht. Darüberhinaus können unerwünschte Signale ferner dadurch verringert werden, dass ein Hochfrequenz-Mitkopplungs-Pfad, auch „Feedfoward-Pfad“ genannt, hinzugefügt ist.
Figurenliste
Die beigefügten Zeichnungen, die einen Teil dieser Beschreibung bilden, zeigen Ausführungsformen der Erfindung und dienen gemeinsam mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Ausführungsformen der Erfindung zu erläutern:

1 zeigt ein Blockdiagramm eines herkömmlichen Strom-Rückkopplungs-Instrumentenverstärkers.
2 zeigt einen herkömmlichen Verstärker, der Chopper-Schalter verwendet, die an dem Eingang und dem Ausgang von g₂ und g₃ von 1 zugefügt sind, um den Offset von g₂ und g₃ aus dem Gleichstromsignal herauszumodulieren.
3 zeigt ein Blockdiagramm eines Strom-Rückkopplungs-Verstärkers gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt eine schematische Ansicht eines Strom-Rückkopplungs-Verstärkers gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt ein Blockdiagramm eines Strom-Rückkopplungs-Verstärkers, der einen Hochfrequenz-Mitkopplungs-Pfad enthält, gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
6 zeigt eine schematische Ansicht eines Strom-Rückkopplungs-Instrumentenverstärkers, der einen Hochfrequenz-Mitkopplungspfad enthält, gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
7 zeigt eine schematische Ansicht eines Strom-Rückkopplungs-Instrumentenverstärkers, der parallele Eingangsstufen enthält, gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
8 zeigt eine schematische Ansicht eines Strom-Rückkopplungs-Instrumentenverstärkers, der parallele Eingangsstufen enthält, gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
9 zeigt ein Blockdiagramm eines Strom-Rückkopplungs-Instrumentenverstärkers, der parallele Eingangsstufen und einen Hochfrequenz-Mitkopplungspfad enthält, gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
10 zeigt eine schematische Ansicht eines Strom-Rückkopplungs-Instrumentenverstärkers, der parallele Eingangsstufen und einen Hochfrequenz-Mitkopplungs-Pfad enthält, gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
11 zeigt eine schematische Ansicht eines Strom-Rückkopplungs-Instrumentenverstärkers, der eine Strom-Puffer-Stufe enthält, gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
12 zeigt eine Eingangsstufe eines Instrumentenverstärkers, der eine Vorladungs-Schaltung enthält, gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
13 zeigt ein Flussdiagramm eines Prozesses zum Verringern von Effekten von Offsets in einem Strom-Rückkopplungs-Instrumentenverstärker, gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
14 zeigt ein Flussdiagramm eines Prozesses zum Erzeugen eines Ausnullungs-Stroms, gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
15 zeigt ein Flussdiagramm eines Prozesses zum Schalten eines Instrumentenverstärkers von einer Verstärkungs-Konfiguration zu einer Selbst-Nullungs-Konfiguration, gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
16A-16B zeigen ein Flussdiagramm für einen Prozess zum Verringern der Effekte von Offsets in einem Instrumentenverstärker, gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
17 zeigt ein Flussdiagramm für einen Prozess zum Kalibrieren eines Ausnullungs-Stroms, gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung
Im Folgenden wird Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung genommen, von denen in den beigefügten Zeichnungen Beispiele dargestellt sind. Obwohl die Erfindung in Verbindung mit den bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wird, versteht es sich, dass diese nicht den Schutzbereich der Erfindung auf diese Ausführungsformen beschränken sollen. Im Gegenteil soll die Erfindung Alternativen, Modifikationen und Äquivalente abdecken, die im Geist und Rahmen der Erfindung enthalten sind, wie er durch die Ansprüche definiert ist. Ferner werden in der detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung viele spezifische Details angegeben, um ein gründliches Verständnis der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen. Jedoch ist es für den Fachmann offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung auch ohne diese spezifischen Details ausgeführt werden kann. In anderen Fällen wurden bekannte Verfahren, Prozeduren, Komponenten und Schaltungen nicht im Detail beschrieben, um die Aspekte der vorliegenden Erfindung nicht auf unnötige Weise zu verschleiern.
Übersicht
Allgemein gesprochen stellen Ausführungsformen der Erfindung eine Technologie zum Verringern von Eingabe-Offsets bei Instrumentenverstärkern mit Stromrückkopplung bereit. Die Technologie umfasst eine selbsttätige Nullpunkteinstellungs-Schaltung im folgenden auch „Selbst-Nullungs-Schaltung“ genannt, um den Offset einer Eingangstufe auf Null zu setzen. In einer Ausführungsform wird dies dadurch erreicht, dass eine Selbst-Nullungs-Schaltung periodisch eingeschaltet wird. Im Ergebnis sind Ausführungsformen in der Lage, einen sehr niedrigen Eingangs-bezogenen Offset, einen niedrigen Eingangsstrom und ein geringes Niveau von unerwünschten Schaltsignalen am Ausgang zu erreichen. Zusätzlich können unerwünschte Signale durch Zufügen eines Hochfrequenz-Rückkopplungspfades weiter verringert werden.
Beispielhafte Schaltungen gemäß verschiedener Ausführungsformen
3 zeigt ein Blockdiagramm eines Strom-Rückkopplungs-Verstärkers 300 gemäß verschiedener Ausführungsformen der Erfindung. Der Verstärker 300 umfasst eine Eingangsstufe 320, eine Ausgangsstufe 310, eine Rückkopplungsstufe 330 und ein Rückkopplungsnetzwerk 350. Das Rückkopplungsnetzwerk ist in der Lage, eine Rückkopplungsspannung V_fb aus der Ausgangsspannung V_out und der Referenzspannung V_ref zu erzeugen und definiert somit den Verstärkungsgrad des Verstärkers. Der Verstärker 300 umfasst außerdem vorzugsweise einen Selbst-Nullungs-Schaltung 340, die mit der Eingangstufe 320, der Ausgangstufe 310 und der Rückkopplungsstufe 330 gekoppelt ist. Die Selbst-Nullungs-Schaltung 340 ist in der Lage, den Verstärker 300 zwischen einer Verstärkungskonfiguration, die einer Verstärkungsphase entspricht, und einer Selbst-Nullungs-Konfiguration zu schalten, die einer Selbst-Nullungs-Phase entspricht. Während der Verstärkungsphase ist der Verstärker 300 in der Lage, normale Verstärkungsoperationen durchzuführen. Während der Selbst-Nullungs-Phase ist die Selbst-Nullungs-Schaltung 340 in der Lage, Offset-Ströme, welche durch die Eingangsstufe 320 und die Rückkopplungsstufe 330 erzeugt werden, auf Null zu setzen.
In einer Ausführungsform setzt die Selbst-Nullungs-Schaltung 340 die Offset-Ströme auf Null, indem sie die Eingänge der Eingangsstufe 320 und der Rückkopplungsstufe 330 mit jeweiligen Gleichtaktspannungen kurzschließt. Danach kann die Selbst-Nullungs-Schaltung 340 die zugehörigen Offset-Ströme, die durch die Eingangsstufe 320 und die Rückkopplungsstufe 330 erzeugt werden, messen und in Abhängigkeit davon einen Nullpunkteinstellungs-Strom, im Folgenden „Ausnullungs-Strom“ genannt, erzeugen. Der Ausnullungs-Strom dient dazu, die Offset-Ströme zu kompensieren, die von der Eingangsstufe 320 und der Rückkopplungsstufe 330 erzeugt werden.
Wenn die Selbst-Nullungs-Schaltung 340 den Verstärker 300 zurück in die Verstärkungskonfiguration schaltet, fährt die Selbst-Nullungs-Schaltung 340 damit fort, den Ausnullungs-Strom zu erzeugen, wodurch Offsets im Verstärker 300 verringert werden oder sogar vollständig eliminiert werden. In einer Ausführungsform schaltet die Selbst-Nullungs-Schaltung 340 periodisch zwischen der Verstärkungs- und der Selbst-Nullungs-Konfiguration um, um den Ausnullungs-Strom periodisch zu rekalibrieren.
Man beachte, dass der Verstärker 300 auf eine Reihe von Arten erhalten werden kann. Beispielsweise zeigt 4 eine schematische Ansicht eines Strom-Rückkopplungs-Verstärkers 400, gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Bei dem Verstärker 400 dient ein Transkonduktanz-Verstärker 411 als Ausgangsstufe, wie beispielsweise Ausgangsstufe 310 von Verstärker 300, ein Transkonduktanz-Verstärker 412 dient als Eingangsstufe, wie beispielsweise Eingangsstufe 320 des Verstärkers 300, ein Transkonduktanz-Verstärker 413 dient als Rückkopplungsstufe, wie beispielsweise Rückkopplungsstufe 330 des Verstärkers 300, und Widerstände 461 und 462 dienen als Rückkopplungsnetzwerk, wie beispielsweise das Rückkopplungsnetzwerk 350 des Verstärkers 300. Obwohl Ausführungsformen hierin unter Bezugnahme auf einzelne Transkonduktanz-Verstärker beschrieben werden, versteht es sich, dass die Ausführungsformen nicht darauf beschränkt sind. Beispielsweise können anstelle des einzelnen Transkonduktanz-Verstärkers 411 eine Kaskade von mehreren Stufen mit geeigneter Frequenzkompensation verwendet werden, um einen höheren Verstärkungsgrad zu erhalten. Kapazitäten 451 und 452 dienen als Frequenzkompensatoren für den Transkonduktanz-Verstärker 411 und bilden somit eine so genannte Miller-kompensierte Ausgangsangsstufe. Die Widerstände 461 und 462 erzeugen zusammen mit der Referenzspannung V_ref die Rückkopplungsspannung V_fb basierend auf der Ausgangsspannung V_out. V_fb wird als Eingabe in den Rückkopplungs-Transkonduktanz-Verstärker 413 rückgekoppelt.
Schalter 431-436 und 441-446, die Transkonduktanz-Verstärker 414 und 415 und die Kapazitäten 453 und 454 wirken zusammen als eine Selbst-Nullungs-Schaltung, wie beispielsweise die Selbst-Nullungs-Schaltung 340 des Verstärkers 300. Man beachte, dass die Schalter 431-436 und 441-446 durch eine beliebige Anzahl von Vorrichtungen gebildet sein können, die in der Lage sind, eine Schaltfunktion auszuführen. In einer Ausführungsform dienen die Schalter 431-436 und 441-446 dazu, den Verstärker 400 zwischen der Verstärkungs- und der Selbst-Nullungs-Konfiguration umzuschalten. Beispielsweise kann eine Verstärkungskonfiguration einem Zustand entsprechen, in dem die Schalter 443-446 geschlossen und die Schalter 431-436 geöffnet sind. Umgekehrt kann eine Selbst-Nullungs-Konfiguration einem Zustand entsprechen, in dem die Schalter 431-436 geschlossen und die Schalter 441-446 geöffnet sind.
Während der Selbst-Nullungs-Phase werden die Eingänge der Transkonduktanz-Verstärker 412 und 413 mit der Eingangs-Gleichtaktspannung V_cmin bzw. der Rückkopplungs-Gleichtaktspannung V_cmfb kurzgeschlossen, wobei „cm“ für common mode“, also „Gleichtakt“ steht. Sämtliche Eingangs-Offsets der Verstärker 412 und 413 können einen Offsetstrom verursachen, der in den Integrator fließt, welcher durch den Transkonduktanz-Verstärker 414 und die Kapazitäten 453 und 454 gebildet wird. Die Ausgabe dieses Integrators treibt dann den Transkonduktanz-Verstärker 415 an, um einen Nullungs-Strom zu erzeugen, welcher den Offset-Strom effektiv auf Null setzt, d.h. „ausnullt“.
Am Ende der Selbst-Nullungs-Phase sind die Schalter 431-436 geöffnet. Demzufolge wird die Spannung am Ausgang des Integrators um den Verstärker 414 herum gehalten, so dass der Verstärker 415 damit fortfährt, den Offset-Strom an den Ausgängen der Verstärker 412 und 413 auf Null zu setzen.
Danach werden in der Verstärkungsphase die Schalter 441-446 geschlossen. V_in und V_fb werden an die Verstärker 412 bzw. 413 angelegt, und der summierte Ausgangsstrom der Verstärker 412, 413 und 415 wird mit der Ausgangsstufe (d.h. Verstärker 411 etc.) gekoppelt. Der Verstärker 400 arbeitet dann ähnlich wie ein herkömmlicher Strom-Rückkopplungs-Instrumentenverstärker, außer dass der Ausnullungs-Strom, der von dem Verstärker 415 injiziert wird, sicherstellt, dass die eingangsbezogenen Offset-Spannungen der Verstärker 412-413 nicht zur Ausgangsspannung beitragen. Danach hält, in einer nachfolgenden Selbst-Nullungs-Phase, die Miller-kompensierte Ausgangsstufe, welche durch den Verstärker 411 und die Kapazitäten 451-452 gebildet wird, die Ausgangsspannung, während die Verstärker 412-413 wieder selbsttätig ausgenullt werden.
In manchen Fällen kann das Gating bzw. Gatterschalten des Eingangssignals dazu führen, dass Komponenten des Eingangssignals (inklusive Rauschen) bei den Oberschwingungen der Taktfrequenz detektiert werden. Derartige Komponenten können sich mit dem Taktsignal mischen und in das Basisband heruntermoduliert werden. Dementsprechend kann dies zu Fehlern und erhöhtem Rauschen in der Ausgabe der Verstärker 300 und 400 führen.
In einer Ausführungsform kann dieses Mischen verhindert werden, indem ein Hochfrquenz-Mitkopplungspfad, auch „Feedforward-Pfad“ genannt, verwendet wird. 5 zeigt ein Blockdiagramm eines Strom-Rückkopplungs-Verstärkers 500, der einen Hochfrequenz-Mittkopplungspfad umfasst, entsprechend verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Der Verstärker 500 umfasst Eingangsstufen 520 und 570, eine Ausgangsstufe 510, Rückkopplungsstufen 530 und 580, und ein Rückkopplungsnetzwerk 550. Der Verstärker 500 umfasst vorteilhafterweise außerdem eine Selbst-Nullungs-Schaltung 540, die mit der Eingangsstufe 520, der Ausgangsstufe 510 und der Rückkopplungsstufe 530 gekoppelt ist. Die Selbst-Nullungs-Schaltung 540 ist in der Lage, den Verstärker 500 zwischen einer Verstärkungskonfiguration, die einer Verstärkungsphase entspricht, und einer Selbst-Nullungs-Konfiguration, die einer Selbst-Nullungs-Phase entspricht, umzuschalten. Während der Verstärkungsphase ist der Verstärker 500 in der Lage, normale Verstärkungsoperationen durchzuführen. Während der Selbst-Nullungs-Phase ist die Selbst-Nullungs-Schaltung 540 in der Lage, Offset-Ströme, welche von der Eingangsstufe 520 und der Rückkopplungsstufe 530 erzeugt werden, auszunullen.
In einer Ausführungsform nullt die Selbst-Nullungs-Schaltung 540 die Offset-Ströme dadurch aus, dass die Eingänge der Eingangsstufe 520 und der Rückkopplungsstufe 530 mit jeweiligen Gleichtaktspannungen kurzgeschlossen werden. Nachfolgend kann die Selbst-Nullungs-Schaltung 540 dann zugehörige Offset-Ströme messen, die von der Eingangsstufe 520 und der Rückkopplungsstufe 530 erzeugt werden, und basierend darauf einen Ausnullungs-Strom erzeugen. Der Ausnullungs-Strom dient dazu, die Offset-Ströme zu kompensieren, welche von der Eingangsstufe 520 und der Rückkopplungsstufe 530 erzeugt werden.
Wenn die Selbst-Nullungs-Schaltung 540 den Verstärker 500 zurück in die Verstärkungskonfiguration schaltet, fährt die Selbst-Nullungs-Schaltung 540 damit fort, den Nullungsstrom zu erzeugen, wodurch Offsets im Verstärker 500 verringert oder sogar vollständig eliminiert werden. In einer Ausführungsform schaltet die Selbst-Nullungs-Schaltung 540 periodisch zwischen Verstärkungs- und Selbst-Nullungs-Konfigurationen hin und her, um periodisch den Nullungs-Strom zu rekalibrieren.
Für niedrige Frequenzen (beispielsweise unterhalb der Taktfrequenz) ist der Selbst-Nullungs-Pfad, welcher die Eingangsstufe 520, die Rückkopplungsstufe 530 und die Selbst-Nullungs-Schaltung 540 umfasst, dominant, und der Verstärker 500 arbeitet ähnlich wie ein herkömmlicher Strom-Rückkopplungs-Instrumentenverstärker, außer dass der Ausnullungs-Strom, der durch die Selbst-Nullungs-Schaltung 540 injiziert wird, sicherstellt, dass die eingangsbezogenen Offsets der Eingangsstufe 520 und der Rückkopplungsstufe 530 nicht zur Ausgangsspannung beitragen. Danach kann die Ausgangsstufe 510 in einer nachfolgenden Selbst-Nullungs-Phase die Ausgangsspannung halten, während die Eingangsspannungsstufe 520 und die Rückkopplungsstufe 530 wieder selbsttätig ausgenullt werden.
Bei hohen Frequenzen ist der Mittkopplungspfad, welcher die Eingangsstufe 570 und die Rückkopplungsstufe 580 umfasst, dominant. Oberhalb einer Schwellenfrequenz stellt der Mitkopplungspfad sicher, dass das Rückkopplungssignal V_fb das Eingangssignal V_in verfolgen kann. Selbst wenn eine Mischung in Folge des Gatings an den Eingängen der Eingangsstufe 520 und der Rückkopplungsstufe 530 auftritt, heben sich daher die resultierenden Mischprodukte auf.
Ein weiterer Vorteil des Mittkopplungs-Pfades besteht darin, dass er Schalt-Transiente, welche durch die selbst-genullte Eingangsstufe produziert werden, dämpft. Je niedriger die Schwellenfrequenz ist, desto größer ist der relative Verstärkungsgrad des Mitkopplungspfades bei der Taktfrequenz und deren Oberschwingungen, und desto besser ist daher die Dämpfung solcher Schaltungs-Transienten.
Man erkennt, dass der Verstärker 500 auf eine Reihe von Arten erhalten werden kann. Beispielsweise zeigt 6 eine schematische Darstellung eines Strom-Rückkopplungs-Instrumentenverstärkers 600, der einen Hochfrequenz-Mittkopplungspfad gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst. In dem Verstärker 600 dienen Transkonduktanz-Verstärker 611 und 616 zusammen als Ausgangsstufe, ähnlich wie die Ausgangsstufe 510 des Verstärkers 500, die Transkonduktanz-Verstärker 612 und 617 dienen als Eingangsstufen, wie beispielsweise die Eingangsstufen 520 und 570 des Verstärkers 500, die Transkonduktanz-Verstärker 613 und 618 dienen als Rückkopplungsstufen, wie beispielsweise eine Rückkopplungsstufe 530 und 580 des Verstärkers 500, und die Widerstände 661 und 662 dienen zusammen als Rückkopplungsnetzwerk, wie beispielsweise das Rückkopplungsnetzwerk 550 des Verstärkers 500. Kapazitäten 651 und 652 dienen als FrequenzKompensatoren für den Transkonduktanz-Verstärker 611, wodurch eine ineinander geschachtelte Miller-kompensierte Ausgangstreiberstufe gebildet wird. Zusätzlich dient der Transkonduktanz-Verstärker 616, zusammen mit den Kapazitäten 656-657, als Miller-kompensierte Zwischen-Stufe für den Verstärker 600. Die Widerstände 661 und 662 erzeugen gemeinsam mit der Referenzspannung V_ref die Rückkopplungsspannung V_fb basierend auf der Ausgangsspannung V_out . V_fb wird als Eingang in die Rückkopplungs-Transkonduktanz-Verstärker 613 und 618 eingeführt.
Schalter 631-636 und 641-646, Transkonduktanz-Verstärker 614 und 615 und Kapazitäten 653 und 654 funktionieren zusammen als eine Selbst-Nullungs-Schaltung, wie beispielsweise die Selbst-Nullungs-Schaltung 340 des Verstärkers 300. Man beachte, dass die Schalter 631-636 und 641-646 irgendeine Anzahl von Vorrichtungen sein können, die geeignet sind, die Schaltungsfunktion durchzuführen. In einer Ausführungsform dienen die Schalter 631-636 und 641-646 dazu, den Verstärker 600 zwischen einer Verstärkungs- und einer Selbst-Nullungs-Konfiguration umzuschalten. Beispielsweise kann eine Verstärkungs-Konfiguration einem Zustand entsprechen, in dem die Schalter 641-646 geschlossen und die Schalter 631-636 geöffnet sind. Umgekehrt kann eine Selbst-Nullungs-Konfiguration einem Zustand entsprechen, in dem die Schalter 631-636 geschlossen und die Schalter 641-646 offen sind.
Während der Selbst-Nullungs-Phase werden die Eingänge der Transkonduktanz-Verstärker 612 und 613 mit der Eingangs-Gleichtaktspannung V_cmin bzw. der Rückkopplungs-Gleichtaktspannung V_cmfb kurzgeschlossen. Jegliche Eingangs-Offsets der Verstärker 612 und 613 führen zu einem Offsetstrom, der in den Integrator fließt, welcher durch den Transkonduktanz-Verstärker 614 und die Kapazitäten 653 und 654 gebildet wird. Die Ausgabe dieses Integrators treibt dann den Transkonduktanz-Verstärker 615 an, einen Nullungs-Strom zu erzeugen, welcher effektiv den Offset-Strom auf Null setzt, d.h. „ausnullt“.
Am Ende der Selbst-Nullungs-Phase sind die Schalter 631-636 geöffnet. Im Ergebnis wird die Spannung am Ausgang des um den Verstärker 614 herum gebildeten Integrators gehalten, so dass der Verstärker 615 damit fortfährt, den Offset-Strom an den Ausgängen der Verstärker 612 und 613 auszunullen. Nachfolgend werden in der Verstärkungsphase die Schalter 641-646 geschlossen. V_in und V_fb werden an die Verstärker 612 bzw. 613 angelegt, und der summierte Ausgangsstrom der Verstärker 612, 613 und 615 wird mit der mittleren Stufe (d.h. Verstärker 616) gekoppelt.
Für niedrige Frequenzen (z.B. unterhalb der Taktfrequenz) ist der Selbst-Nullungs-Pfad, welcher die Verstärker 611-616 umfasst, dominant, und der Verstärker 600 arbeitet dann ähnlich wie ein herkömmlicher Strom-Rückkopplungs-Instrumentenverstärker, außer dass der Ausnullungs-Strom, der von dem Verstärker 615 injiziert wird, sicherstellt, dass eingangsbezogene Offset-Spannungen der Verstärker 612-613 nicht zur Ausgangsspannung beitragen. Danach halten in einer nachfolgenden Selbst-Nullungs-Phase die verschachtelte Miller-kompensierte Ausgangsstufe, die durch den Verstärker 611 und die Kapazitäten 651-652 und den Verstärker 616 und die Kapazitäten 656-657 gebildet wird, die Ausgangsspannung, während die Verstärker 612-613 wiederum selbsttätig ausgenullt werden.
Bei hohen Frequenzen ist der Mitkopplungspfad, d.h. der positive Rückkopplungs- bzw. „Feedforward“-Pfad, welcher die Verstärker 617-618 umfasst, dominant. Der Mittkopplungspfad bildet, zusammen mit dem Ausgangsverstärker 611, einen regulären Miller-kompensierten Zweistufen-Verstärker mit einem Abfall von ungefähr 20 dB/dec. Diese Art von Frequenzkompensation ist als „Multipfad-verschachtelte Miller-Kompensation“ bekannt und wurde bei herkömmlichen Operationsverstärkern verwendet, jedoch ohne die Anwendung auf Instrumentenverstärker, die einer Selbst-Nullung unterzogen sind.
In einer Ausführungsform ist die Frequenz, bei der der Mitkopplungs- bzw. Feedforward-Pfad anfängt, zu dominieren wie folgt gegeben: $ω_{pz} = g_{618} / C_{651},$
(wobei angenommen wird dass C₆₅₁ = C₆₅₂ und g₆₁₇ = g₆₁₈). In einer bevorzugten Ausführungsform wird diese Frequenz so gewählt, dass sie unterhalb der Taktfrequenz liegt. Oberhalb von ω_pz stellt der Mittkopplungspfad sicher, dass das Rückkopplungssignal V_fb das Eingangssignal V_in verfolgen kann. Demzufolge heben sich, selbst wenn eine Mischung in Folge des Gatings an den Eingängen von Verstärkern 612-613 auftritt, die Mischprodukte auf.
Die oben genannten Mischungsprobleme können alternativ unter Verwendung einer dualen Eingangsstufen-„Ping-Pong“-Architektur gelöst werden. 7 zeigt eine schematische Darstellung eines Strom-Rückkopplungs-Instrumentenverstärkers 700, welcher parallele Eingangsstufen umfasst, gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Der Verstärker 700 umfasst eine erste und eine zweite Eingangsstufe 720 und 725, eine Ausgangsstufe 710, eine erste und eine zweite Rückkopplungsstufe 730 und 735 und ein Rückkopplungsnetzwerk 750. Der Verstärker 700 umfasst außerdem vorzugsweise eine erste Selbst-Nullungs-Schaltung 740, die mit der Eingangsstufe 720, der Ausgangsstufe 710 der Rückkopplungsstufe 730 gekoppelt ist. Der Verstärker 700 umfasst ferner eine zweite Selbst-Nullungs-Schaltung 745, welche mit der Eingangsstufe 725, der Ausgangsstufe 710 und der Rückkopplungsstufe 735 gekoppelt ist.
In einer Ausführungsform dienen die Selbst-Nullungs-Schaltungen 740 und 745 dazu, den Verstärker 700 zwischen einer ersten und einer zweiten Konfiguration umzuschalten, welche einer ersten und einer zweiten Betriebsphase entsprechen. Beispielsweise kann die erste Konfiguration einer Selbst-Nullungs-Konfiguration der Selbst-Nullungs-Schaltung 740 und einer Verstärkungs-Konfiguration der Selbst-Nullungs-Schaltung 745 entsprechen. Umgekehr kann eine zweite Konfiguration einer Selbst-Nullungs-Konfiguration der Selbst-Nullungs-Schaltung 745 und einer Verstärkungs-Konfiguration der Selbst-Nullungs-Schaltung 740 entsprechen.
Während der ersten Phase werden die erste Eingangsstufe 720 und die erste Rückkopplungsstufe 730 selbsttätig ausgenullt, während die zweite Eingangsstufe 725 und die zweite Rückkopplungsstufe 735 die Verstärkungsfunktionen des Verstärkers 700 ausführen. Umgekehrt werden während der zweiten Phase die zweite Eingangsstufe 725 und die zweite Rückkopplungsstufe 735 selbsttätig ausgenullt, während die erste Eingangsstufe 720 und die erste Rückkopplungsstufe 730 die Verstärkungsfunktionen des Verstärkers 700 ausführen.
Somit kann die Selbst-Nullungs-Schaltung 740 während der ersten Phase die Offset-Ströme, die von der ersten Eingangsstufe 720 und der ersten Rückkopplungsstufe 730 erzeugt werden, auf Null setzen. In einer Ausführungsform setzt die Selbst-Nullungs-Schaltung 740 die Offset-Ströme auf Null, indem sie die erste Eingangsstufe 720 und die erste Rückkopplungsstufe 730 mit den jeweiligen Gleichtaktspannungen kurzschließt. Danach kann die Selbst-Nullungs-Schaltung 740 dann die zugehörigen Offset-Ströme messen, die von der ersten Eingangsstufe 720 und der ersten Rückkopplungsstufe 730 erzeugt werden, und basierend darauf einen Nullungsstrom erzeugen. Der Nullungsstrom dient dazu, die Offset-Ströme zu kompensieren, die von der ersten Eingangsstufe 720 und der zweiten Rückkopplungsstufe 730 erzeugt werden.
Gleichzeitig wird V_in an die zweite Eingangsstufe 725 angelegt, V_fb wird an die zweite Rückkopplungsstufe 735 angelegt, und die zweite Eingangsstufe 725 und die zweite Rückkopplungsstufe 735 werden über die zweite Selbst-Nullungs-Schaltung 745 mit der Ausgangsstufe 710 gekoppelt. Der Verstärker 700 arbeitet dann ähnlich wie ein herkömmlicher Strom-Rückkopplungs-Instrumentenverstärker, außer dass ein Nullungs-Strom, welcher von der zweiten Selbst-Nullungs-Schaltung 745 (welche wie unten erläutert in der zweiten Phase kalibriert wird) injiziert wird, sicherstellt, dass die eingangsbezogenen Offset-Spannungen der zweiten Eingangsstufe 725 und der zweiten Rückkopplungsstufe 735 nicht zur Ausgangsspannung beitragen.
Am Ende der ersten Phase wechselt die erste Selbst-Nullungs-Schaltung 740 von einer Selbst-Nullungs-Konfiguration zu einer Verstärkungskonfiguration, und die zweite Selbst-Nullungs-Schaltung 745 wechselt von einer Verstärkungskonfiguration zu einer Selbst-Nullungs-Konfiguration. Danach fährt die Selbst-Nullungs-Schaltung 740 damit fort, den Offset-Strom an den Ausgängen der ersten Eingangsstufe 720 und der ersten Rückkopplungsstufe 730 auszunullen.
Nachfolgend wird in der zweiten Phase V_in an die erste Eingangsstufe 720 angelegt, V_fb wird an die erste Rückkopplungsstufe 730 angelegt, und die erste Eingangsstufe 720 und die erste Rückkopplungsstufe 730 werden über die erste Selbst-Nullungs-Schaltung 740 mit der Ausgangsstufe 710 gekoppelt. Der Verstärker 700 arbeitet dann ähnlich, wie ein herkömmlicher Strom-Rückkopplungs-Instrumentenverstärker, außer dass der Ausnullungs-Strom, welcher von der ersten Selbst-Nullungs-Schaltung 740 injiziert wird, sicherstellt, dass die eingabebezogenen Offset-Spannungen der ersten Eingangsstufe 720 und der ersten Rückkopplungsstufe 730 nicht zur Ausgangsspannung beitragen.
Während der zweiten Phase ist die zweite Selbst-Nullungs-Schaltung 745 in der Lage, die Offset-Ströme, welche von der zweiten Eingangsstufe 725 und der zweiten Rückkopplungsstufe 735 erzeugt werden, auszunullen, während die erste Eingangsstufe 720 und die erste Rückkopplungsstufe 730 Verstärkungsfunktionen ausführen. In einer Ausführungsform setzt die zweite Selbst-Nullungs-Schaltung 745 die Offset-Ströme auf Null, indem sie die Eingänge der zweiten Eingangsstufe 725 und der zweiten Rückkopplungsstufe 735 mit jeweiligen Gleichtaktspannungen kurzschließt. Nachfolgend kann dann die zweite Selbst-Nullungs-Schaltung 745 die zugehörigen Offset-Ströme, welche von der zweiten Eingangsstufe 725 und der zweiten Rückkopplungsstufe 735 erzeugt werden, messen und basierend darauf einen Ausnullungs-Strom erzeugen. Der Ausnullungs-Strom dient dazu, die Offset-Ströme zu kompensieren, die von der zweiten Eingangsstufe 725 und der zweiten Rückkopplungsstufe 735 erzeugt werden.
Während des Betriebes schalten die Selbst-Nullungs-Schaltungen 740 und 745 des Verstärkers 700 den Verstärker 700 periodisch zwischen der ersten Konfiguration und der zweiten Konfiguration hin und her, wodurch sichergestellt wird, dass die Eingangsstufen 720 und 725 und die Rückkopplungsstufen 730 und 735 periodisch rekalibriert werden. Somit stellt dieser „Ping-Pong“-Betrieb sicher, dass in dem Signalpfad kontinuierlich eine offsetfreie Stufe vorhanden ist.
Es versteht sich, dass der Verstärker 700 auf eine Reihe von Arten erhalten werden kann. Beispielsweise zeigt 8 eine schematische Darstellung eines Strom-Rückkopplungs-Instrumentenverstärkers 800, der parallele Eingangsstufen enthält, gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Bei dem Verstärker 800 dient der Transkonduktanz-Verstärker 811 als eine Ausgangsstufe, wie beispielsweise die Ausgangsstufe 710 im Verstärker 700, die Transkonduktanz-Verstärker 812 und 822 dienen als eine erste und eine zweite Eingangsstufe, wie beispielsweise die Eingangsstufen 720 und 725 des Verstärkers 700, die Transkonduktanz-Verstärker 813 und 823 dienen als eine erste und eine zweite Rückkopplungsstufe, wie beispielsweise die Rückkopplungsstufen 730 und 735 des Verstärkers 700, und die Widerstände 861 und 862 dienen gemeinsam als Rückkopplungsnetzwerk, wie beispielsweise das Rückkopplungsnetzwerk 750 des Verstärkers 700. Obwohl hierin Ausführungsformen unter Bezugnahme auf einzelne Transkonduktanz-Verstärker beschrieben werden, versteht es sich, dass die Ausführungsformen nicht darauf beschränkt sind. Beispielsweise kann eine Kaskade von mehreren Stufen mit geeigneter Frequenzkompensation anstelle des einfachen Transkonduktanz-Verstärkers 811 verwendet werden, um einen höheren Verstärkungsgrad zu erhalten. Kapazitäten 851 und 852 dienen als Frequenzkompensatoren für den Transkonduktanz-Verstärker 811 und bilden somit eine Miller-kompensierte Ausgangsstufe. Die Widerstände 861 und 862 erzeugen gemeinsam mit der Referenzspannung V_ref die Rückkopplungsspannung V_fb basierend auf der Ausgangsspannung V_out. V_fb wird als Eingabe in die Rückkopplungs-Transkonduktanz-Verstärker 813 und 823 rückgekoppelt.
Die Schalter 831-836 und 841-846, die Transkonduktanz-Verstärker 814 und 815 und die Kapazitäten 853 und 854 funktionieren gemeinsam als eine erste Selbst-Nullungs-Schaltung, wie beispielsweise die Selbst-Nullungs-Schaltung 740 des Verstärkers 700. Auf ähnliche Weise funktionieren die Schalter 871-876 und 881-886, die Transkonduktanz-Verstärker 824 und 825 und die Kapazitäten 857 und 858 gemeinsam als eine zweite Selbst-Nullungs-Schaltung, wie beispielsweise die Selbst-Nullungs-Schaltung 745 des Verstärkers 700. Man beachte, dass die Schalter 831-836, 841-846, 871-876 und 881-886 irgendeine Anzahl von Vorrichtungen sein können, die geeignet sind, die Schaltungsfunktion auszuführen. In einer Ausführungsform dienen die Schalter 831-836, 841-846, 871-876 und 881-886 dazu, den Verstärker 800 zwischen einer ersten und einer zweiten Konfiguration umzuschalten, welche einer ersten und einer zweiten Betriebsphase entsprechen. Beispielsweise kann die erste Konfiguration einem Zustand entsprechen, in dem die Schalter 831-836 und 871-876 geschlossen und die Schalter 841-846 und 881-886 geöffnet sind. Umgekehrt kann eine zweite Konfiguration einem Zustand entsprechen, in dem die Schalter 841-846 und 881-886 geschlossen und die Schalter 831-836 und 871-876 geöffnet sind.
Während der ersten Phase werden die erste Eingangsstufe und die zweite Rückkopplungsstufe selbsttätig ausgenullt, während die zweite Eingangsstufe und die zweite Rückkopplungsstufe die Verstärkungsfunktionen des Verstärkers 800 ausführen. Umgekehrt werden während der zweiten Phase die zweite Eingangsstufe und die zweite Rückkopplungsstufe selbsttätig ausgenullt, während die erste Eingangsstufe und die erste Rückkopplungsstufe die Verstärkungsfunktionen des Verstärkers 800 ausführen.
Während der ersten Phase werden die Eingänge der Transkonduktanz-Verstärker 812 und 813 somit mit der Eingangs-Gleichtakt-Schaltung V_cmin bzw. der Rückkopplungs-Gleichtaktspannung V_cmfb kurzgeschlossen. Jegliche Eingangsoffsets der Verstärker 812 und 813 führen zu einem Offset-Strom, der in den Integrator fließt, welcher durch den Transkonduktanz-Verstärker 814 und die Kapazitäten 853 und 854 gebildet wird. Der Ausgang dieses Integrators treibt dann den Transkonduktanz-Verstärker 815 an, einen Ausnullungs-Strom zu erzeugen, der den Offset-Strom effektiv ausnullt.
Gleichzeitig werden V_in und V_fb an die Verstärker 822 bzw. 823 angelegt, und der summierte Ausgangsstrom der Verstärker 822, 823 und 825 wird mit der Ausgangsstufe (d.h. Verstärker 811 etc.) gekoppelt. Der Verstärker 800 arbeitet dann ähnlich wie ein herkömmlicher Strom-Rückkopplungs-Instrumentenverstärker, außer dass ein Ausnullungs-Strom, der von dem Verstärker 825 (der in der zweiten Phase wie unten beschrieben kalibriert wird) injiziert wird, sicherstellt, dass die eingabebezogenen Offset-Spannungen der Verstärker 822-823 nicht zur Ausgangsspannung beitragen.
Am Ende der ersten Phase sind die Schalter 831-836 und 871-876 geöffnet. Demzufolge wird die Spannung am Ausgang des um den Verstärker 814 herum gebildeten Integrators gehalten, so dass der Verstärker 815 damit fortfährt, den Offset-Strom an den Ausgängen der Verstärker 812 und 813 auszunullen.
Nachfolgend werden in der zweiten Phase die Schalter 841-846 und 881-886 geschlossen. V_in und V_fb werden an die Verstärker 812 bzw. 813 angelegt, und der summierte Strom der Verstärker 812, 813 und 815 wird mit der Ausgangsstufe (d.h. Verstärker 811 etc.) gekoppelt. Der Verstärker 800 arbeitet dann ähnlich wie ein herkömmlicher Strom-Rückkopplungs-Instrumentenverstärker, außer dass der von dem Verstärker 815 injizierte Ausnullungs-Strom sicherstellt, dass eingabebezogene Offset-Spannungen der Verstärker 812-813 nicht zur Ausgangsspannung beitragen.
Während der zweiten Phase werden die zweite Eingangsstufe und die zweite Rückkopplungsstufe selbsttätig ausgenullt, während die erste Eingangsstufe und die erste Rückkopplungsstufe die Verstärkungsfunktionen durchführen. Mit anderen Worten werden die Eingänge der Transkonduktanz-Verstärker 822 und 823 mit der Eingangs-Gleichtaktspannung V_cmin bzw. der Rückkopplungs-Gleichtaktspannung V_cmfb kurzgeschlossen. Jegliche Eingangsoffsets der Verstärker 822 und 823 führen zu einem Offset-Strom, der in den Integrator fließt, welcher durch den Transkonduktanz-Verstärker 824 und die Kapazitäten 857 und 858 gebildet wird. Der Ausgang dieses Integrators treibt dann den Transkonduktanz-Verstärker 825 an, einen Nullungsstrom zu erzeugen, welcher den Offset-Strom effektiv ausnullt.
Während des Betriebs schalten die Selbst-Nullungs-Schaltungen des Verstärkers 800 den Verstärker 800 periodisch zwischen der ersten Konfiguration und der zweiten Konfiguration hin und her, wodurch sichergestellt wird, dass die Eingangsstufen und die Rückkopplungsstufen periodisch rekalibriert werden. Somit stellte dieser „Ping-Pong“-Betrieb sicher, dass kontinuierlich eine offset-freie Stufe im Signalpfad vorliegt.
Es versteht sich, dass das Umschalten zwischen der parallelen Eingangsstufe und Rückkopplungsstufe dazu führen kann, dass korrespondierende Transiente im Ausgangssignal auftreten. Daher kann in einer Ausführungsform ein Hochfrequenz-Mitkopplungs- bzw. Feedforward-Pfad in Kombination mit der Ping-Pong-Architektur von 8 verwendet werden. 9 zeigt ein Blockdiagramm eines Strom-Rückkopplungs-Instrumentenverstärkers 900, der parallele Eingangsstufen und einen Hochfrequenz-Feedforward-Pfad umfasst, gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Der Verstärker 900 umfasst eine erste, eine zweite und eine dritte Eingangsstufe 920, 925 und 970, einer Ausgangsstufe 910, eine erste, eine zweite und eine dritte Rückkopplungsstufe 930, 935 und 980 und ein Rückkopplungsnetzwerk 950. Der Verstärker 900 umfasst außerdem vorteilhafterweise eine erste Selbst-Nullungs-Schaltungs 940, die mit der Eingangsstufe 920, der Ausgangsstufe 910 und der Rückkopplungsstufe 930 gekoppelt ist. Der Verstärker 900 umfasst ferner eine zweite Selbst-Nullungs-Schaltung 945, die mit der Eingangsstufe 925, der Ausgangsstufe 910 und der Rückkopplungsstufe 935 gekoppelt ist.
In einer Ausführungsform dienen die Selbst-Nullungs-Schaltungen 940 und 945 dazu, den Verstärker 900 zwischen der ersten und der zweiten Konfiguration umzuschalten, die einer ersten und einer zweiten Betriebsphase entsprechen. Beispielsweise kann die erste Konfiguration einer Selbst-Nullungs-Konfiguration der Selbst-Nullungs-Schaltung 940 und einer Verstärkungs-Konfiguration der Selbst-Nullungs-Schaltung 945 entsprechen. Umgekehrt kann eine zweite Konfiguration einer Selbst-Nullungs-Konfiguration der Selbst-Nullungs-Schaltung 945 und einer Verstärkungs-Konfiguration der Selbst-Nullungs-Schaltung 940 entsprechen.
Während der ersten Phase werden die erste Eingangsstufe 920 und die erste Rückkopplungsstufe 930 selbsttätig ausgenullt, während die zweite Eingangsstufe 925 und die zweite Rückkopplungsstufe 935 die Verstärkungsfunktionen des Verstärkers 900 ausführen. Umgekehrt werden während der zweiten Phase die erste Eingangsstufe 925 und die zweite Rückkopplungsstufe 935 selbsttätig ausgenullt, während die erste Eingangsstufe 920 und die erste Rückkopplungsstufe 930 die Verstärkungsfunktionen des Verstärkers 900 ausführen.
Während der ersten Phase kann die Selbst-Nullungs-Schaltung 940 daher die Offset-Ströme, die von der ersten Eingangsstufe 920 und der ersten Rückkopplungsstufe 930 erzeugt werden, ausnullen. In einer Ausführungsform setzt die Selbst-Nullungs-Schaltung 940 die Offset-Ströme auf Null, indem sie die Eingänge der ersten Eingangsstufe 920 und der ersten Rückkopplungsstufe 930 mit zugehörigen Gleichtaktspannungen kurzschließt. Danach kann die Selbst-Nullungs-Schaltung 940 dann die zugehörigen Offset-Ströme, die von der ersten Eingangsstufe 920 und der ersten Rückkopplungsstufe 930 erzeugt werden, messen und basierend darauf einen Ausnullungs-Strom erzeugen. Der Ausnullungs-Strom dient dazu, die Offset-Ströme, die von der ersten Eingangsstufe 920 und der ersten Rückkopplungsstufe 930 erzeugt werden, zu kompensieren.
Gleichzeitig wird V_in an die zweite Eingangsstufe 925 angelegt und V_fb wird an die zweite Rückkopplungsstufe 935 angelegt, und die zweite Eingangsstufe 925 und die zweite Rückkopplungsstufe 935 werden über die zweite Selbst-Nullungs-Schaltung 945 mit der Ausgangsstufe 910 gekoppelt. Der Verstärker 900 arbeitet dann ähnlich wie ein herkömmlicher Strom-Rückkopplungs-Instrumentenverstärker, außer dass ein Ausnullungs-Strom, welcher von der zweiten Selbst-Nullungs-Schaltung 945 (die wie unten diskutiert in der zweiten Phase kalibriert wird) injiziert wird, sicherstellt, dass die eingangsbezogenen Offset-Spannungen der zweiten Eingangsstufe 925 und der zweiten Rückkopplungsstufe 935 nicht zur Ausgangsspannung beitragen.
Am Ende der ersten Phase wechselt die erste Selbst-Nullungs-Schaltung 940 von einer Selbst-Nullungs-Konfiguration zu einer Verstärkungs-Konfiguration, und die zweite Selbst-Nullungs-Schaltung 945 wechselt von einer Verstärkungs-Konfiguration zu einer Selbst-Nullungs-Konfiguration. Danach fährt die Selbst-Nullungs-Schaltung 940 damit fort, den Offset-Strom an den Ausgängen der ersten Eingangsstufe 920 und der ersten Rückkopplungsstufe 930 auszunullen.
Nachfolgend wird in der zweiten Phase V_in an die erste Eingangsstufe 920 angelegt, V_fb wird an die erste Rückkopplungsstufe 930 angelegt, und die erste Eingangsstufe 920 und die erste Rückkopplungsstufe 930 werden über die erste Selbst-Nullungs-Schaltung 940 mit der Ausgangsstufe 910 gekoppelt. Der Verstärker 900 arbeitet dann ähnlich wie ein herkömmlicher Strom-Rückkopplungs-Instrumenten-Verstärker, außer dass der von der ersten Selbst-Nullungs-Schaltung 940 injizierte Ausnullungs-Strom sicherstellt, dass die eingangsbezogenen Offset-Spannungen der ersten Eingangsstufe 920 und der ersten Rückkopplungsstufe 930 nicht zur Ausgangsspannung beitragen.
Während der zweiten Phase kann die zweite Selbst-Nullungs-Schaltung 945 die Offset-Ströme, die von der zweiten Eingangsstufe 925 und der zweiten Rückkopplungsstufe 935 erzeugt werden, auf Null setzen, während die erste Eingangsstufe 920 und die erste Rückkopplungsstufe 930 die Verstärkungsfunktionen ausführen. In einer Ausführungsform setzt die zweite Selbst-Nullungs-Schaltung 945 die Offset-Ströme dadurch auf Null, dass sie die zweite Eingangsstufe 925 und die zweite Rückkopplungsstufe 935 mit den jeweiligen Gleichtaktspannungen kurzschließt. Nachfolgend kann die zweite Selbst-Nullungs-Schaltung 945 dann die zugehörigen Offset-Ströme, die von der zweiten Eingangsstufe 925 und der zweiten Rückkopplungsstufe 935 erzeugt werden, messen und basierend darauf einen Ausnullungs-Strom erzeugen. Der Ausnullungs-Strom dient dazu, die Offset-Ströme, die von der zweiten Eingangsstufe 925 und der zweiten Rückkopplungsstufe 935 erzeugt werden, zu kompensieren.
Während des Betriebs schalten die Selbst-Nullungs-Schaltungen 940 und 945 des Verstärkers 900 den Verstärker 900 periodisch zwischen der ersten und der zweiten Konfiguration hin und her, wodurch sichergestellt wird, dass die Eingangsstufen 920 und 925 und die Rückkopplungsstufen 930 und 935 periodisch rekalibriert werden. Dieser „Ping-Pong“-Betrieb stellt somit sicher, dass kontinuierlich eine offsetfreie Stufe im Signalpfad vorliegt.
Für niedrige Frequenzen (z.B. unterhalb der Taktfrequenz) sind die im Ping-Pong-Betrieb ausgenullten Pfade dominant, die die Eingangsstufen 920 und 925, Rückkopplungsstufe 930 und 935 und die Selbst-Nullungs-Schaltungen 940 und 945 enthalten, und der Verstärker 900 arbeitet dann auf ähnliche Weise wie ein herkömmlicher Strom-Rückkopplungs-Instrumentenverstärker, außer dass die von den Selbst-Nullungs-Schaltungen 940 und 945 injizierten Ausnullungs-Ströme sicherstellen, dass eingangsbezogene Offsets der Eingangsstufe 920 und 925 und der Rückkopplungsstufen 930 und 935 nicht zur Ausgangsspannung beitragen.
Bei hohen Frequenzen dominiert der Mitkopplungs- bzw. Feedforward-Pfad, welcher die Eingangsstufe 970 und die Rückkopplungsstufe 980 enthält. Oberhalb einer Schwellenfrequenz stellt der Feedforward-Pfad sicher, dass ein Rückkopplungssignal V_fb das Eingangssignal V_in verfolgen kann. Selbst wenn in Folge des Gatings an den Eingängen der Eingangsstufen 920 und 925 und der Rückkopplungsstufen 930 und 935 eine Mischung auftritt, heben sich die resultierenden Mischprodukte dem entsprechend auf.
10 zeigt eine schematische Ansicht eines Strom-Rückkopplungs-Instrumentenverstärkers 1000, der parallele Eingangsstufen und einen Hochfrequenz-Feedforward-Pfad umfasst, gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. In dem Verstärker 1000 dienen Transkonduktanz-Verstärker 1011 und 1016 gemeinsam als eine Ausgangsstufe, wie beispielsweise die Ausgangsstufe 910 im Verstärker 900, Transkonduktanz-Verstärker 1012, 1022 und 1017 dienen als eine erste, eine zweite und eine dritte Eingangsstufe, wie beispielsweise Eingangsstufen 920, 925 und 970 des Verstärkers 900; Transkonduktanz-Verstärker 1013, 1023 und 1018 dienen als eine erste, eine zweite und eine dritte Rückkopplungsstufe, wie beispielsweise die Rückkopplungsstufen 930, 935 und 980 des Verstärkers 900; und die Widerstände 1061 und 1062 dienen gemeinsam als Rückkopplungsnetzwerk, wie beispielsweise das Netzwerk 950 des Verstärkers 900. Zusätzlich dient der Transkonduktanz-Verstärker 1016 gemeinsam mit Kapazitäten 1056-1057 als eine Miller-kompensierte Zwischen-Stufe für den Verstärker 1000. Die Kapazitäten 1051 und 1052 dienen als Frequenzkompensatoren für den Transkonduktanz-Verstärker 1011, und bilden somit eine verschachtelte Miller-kompensierte Ausgangsstufe. Die Widerstände 1061 und 1062 erzeugen gemeinsam mit der Referenzspannung V_ref die Rückkopplungsspannung V_fb basierend auf der Ausgangsspannung V_out . V_fb wird als Eingabe in die Rückkopplungs-Transkonduktanz-Verstärker 1013, 1023 und 1018 rückgekoppelt.
Die Schalter 1031-1036 und 1041-1046, die Transkonduktanz-Verstärker 1014 und 1015, und die Kapazitäten 1053 und 1054 funktionieren gemeinsam als eine erste Selbst-Nullungs-Schaltung, wie beispielsweise die Selbst-Nullungs-Schaltung 940 des Verstärkers 900. Auf Ähnliche Weise funktionieren die Schalter 1071-1076 und 1081-1086, die Transkonduktanz-Verstärker 1024 und 1025 und die Kapazitäten 1058 und 1059 gemeinsam als eine zweite Selbst-Nullungs-Schaltung, wie beispielsweise die Selbst-Nullungs-Schaltung 945. Man beachte, dass die Schalter 1031-1036, 1041-1046, 1071-1076 und 1081-1086 durch irgendeine Anzahl von Vorrichtungen gebildet werden können, die in der Lage sind, die Schaltungsfunktion auszuführen. In einer Ausführungsform dienen die Schalter 1031-1036, 1041-1046, 1071-1076 und 1081-1086 dazu, den Verstärker 1000 zwischen einer ersten und einer zweiten Konfiguration umzuschalten, welche einer ersten bzw. zweiten Betriebsphase entsprechen. Beispielsweise kann die erste Konfiguration einem Zustand entsprechen, in dem die Schalter 1031-1036 und 1071-1076 geschlossen und die Schalter 1041-1046 und 1081-1086 geöffnet sind. Umgekehrt kann eine zweite Konfiguration einem Zustand entsprechen, in dem die Schalter 1041-1046 und 1081-1086 geschlossen und die Schalter 1031-1036 und 1071-1076 geöffnet sind.
Während der ersten Phase werden die erste Eingangsstufe und die erste Rückkopplungsstufe selbsttätig ausgenullt, während die zweite Eingangsstufe und die zweite Rückkopplungsstufe die Verstärkungsfunktionen des Verstärkers 1000 ausführen. Umgekehrt werden während der zweiten Phase die zweite Eingangsstufe und die zweite Rückkopplungsstufe selbsttätig ausgenullt, während die erste Eingangsstufe und die erste Rückkopplungsstufe die Verstärkungsfunktionen des Verstärkers 1000 ausführen.
Während der ersten Phase werden somit die Eingänge der Transkonduktanz-Verstärker 1012 und 1013 mit der Eingangs-Gleichtakt-Spannung V_cmin bzw. der Rückkopplungs-Gleichtakt-Spannung V_cmfb kurzgeschlossen. Jegliche Eingangsoffsets der Verstärker 1012 und 1013 führen zu einem Offset-Strom, der in den Integrator fließt, der durch den Transkonduktanz-Verstärker 1014 und die Kapazitäten 1053 und 1054 gebildet wird. Die Ausgabe dieses Integrators treibt dann den Transkonduktanz-Verstärker 1015 an, um einen Ausnullungs-Strom zu erzeugen, der den Offset-Strom effektiv ausnullt.
Gleichzeitig werden V_in und V_fb an die Verstärker 1022 bzw. 1023 angelegt, und der summierte Ausgangsstrom der Verstärker 1022, 1023 und 1025 wird mit der mittleren Stufe (d.h. Verstärker 1016) gekoppelt. Der Verstärker 1000 arbeitet dann auf ähnliche Weise wie ein herkömmlicher Strom-Rückkopplungs-Instrumentenverstärker, außer dass ein von dem Verstärker 1025 (der in der zweiten Phase wie unten diskutiert kalibriert wird) injizierter Ausnullungs-Strom sicherstellt, dass die eingangsbezogenen Offset-Spannungen der Verstärker 1022-1023 nicht zur Ausgangsspannung beitragen.
Am Ende der ersten Phase sind die Schalter 1031-1036 und 1071-1076 geöffnet. Demzufolge wird die Ausgangsspannung des um den Verstärker 1014 gebildeten Integrators gehalten, so dass der Verstärker 1015 damit fortfährt, den Offset-Strom an den Ausgängen der Verstärker 1012 und 1013 auszunullen.
Nachfolgend werden in der zweiten Phase die Schalter 1041-1046 und 1081-1086 geschlossen. V_in und V_fb werden an die Verstärker 1012 bzw. 1013 angelegt, und die summierten Ströme der Verstärker 1012, 1013 und 1015 werden mit der mittleren Stufe bzw. ZwischenStrom (d.h. Verstärker 1016) gekoppelt. Der Verstärker 1000 arbeitet dann ähnlich wie ein herkömmlicher Strom-Rückkopplungs-Instrumentenverstärker, außer dass der von dem Verstärker 1015 injizierte Ausnullungs-Strom sicherstellt, dass die eingangsbezogenen Offset-Spannungen der Verstärker 1012-1013 nicht zur Ausgangsspannung beitragen.
Während der zweiten Phase werden die zweite Eingangsstufe und die zweite Rückkopplungsstufe selbsttätig ausgenullt, während die erste Eingangsstufe und die erste Rückkopplungsstufe die Verstärkungsfunktionen ausführen. Mit anderen Worten werden die Eingänge der Transkonduktanz-Verstärker 1022 und 1023 mit der Eingangs-Gleichtaktspannung V_cmin bzw. der Rückkopplungs-Gleichtaktspannung V_cmfb kurzgeschlossen. Jegliche Eingangs-Offsets der Verstärker 1022 und 1023 verursachen einen zugehörigen Offset-Strom, der in den Integrator fließt, der durch den Transkonduktanz-Verstärker 1024 und die Kapazitäten 1058 und 1059 gebildet wird. Der Ausgang dieses Integrators treibt dann den Transkonduktanz-Verstärker 1025 an, um einen Ausnullungs-Strom zu erzeugen, der effektiv den Offset-Strom ausnullt.
Während des Betriebs schalten die Selbst-Nullungs-Schaltungen des Verstärkers 1000 den Verstärker 1000 periodisch zwischen der ersten Konfiguration und der zweiten Konfiguration hin und her, wodurch sichergestellt wird, dass die Eingangsstufen und Rückkopplungsstufen periodisch rekalibriert werden. Somit stellt dieser „Ping-Pong“-Betrieb sicher, dass kontinuierlich eine Offset-freie Stufe im Signalpfad vorliegt.
Bei hohen Frequenzen dominiert der Mitkopplungs- bzw. Feedforward-Pfad, der die Verstärker 1017-1018 umfasst. Gemeinsam mit dem Ausgangsverstärker 1011 bildet dieser einen regulären Miller-kompensierten zweistufigen Verstärker mit einem Abfall von ungefähr 20 dB/dec. In einer Ausführungsform beträgt die Frequenz, bei der der Feedforward-Pfad beginnt, zu dominieren: $ω_{pz} = g_{1018} / C_{1051},$
(unter der Annahme, dass gilt C₁₀₅₁ = C₁₀₅₂ und g₁₀₁₇ = g₁₀₁₈). In einer bevorzugten Ausführungsform ist diese Frequenz so gewählt, dass sie unterhalb der Taktfrequenz liegt. Oberhalb von ω_pz stellt der Feedforward-Pfad sicher, dass das Rückkopplungs-Signal V_fb das Eingangssignal V_in verfolgen kann. Demzufolge werden Schaltungs-Transienten, die mit dem Schalten zwischen der ersten und der zweiten Konfiguration assoziiert sind, unterdrück. Je niedriger ω_pz ist, desto höher ist der relative Verstärkungsgrad des Feedforward-Pfades bei der Taktfrequenz und deren Oberschwingungen, und desto besser ist daher die Dämpfung solcher Schaltungs-Transienten.
In manchen Fällen kann ein Rest-Offset in den Verstärkern 400, 500, 600, 700, 800, 900 und 1000 auftreten. Dieser Rest-Offset kann durch eine Reihe von Faktoren hervorgerufen werden. Unter Bezugnahme auf 4 kann beispielsweise in Folge der endlichen Ausgangsimpedanz der Verstärker 412, 413 und 415 der Offset des Ausgangs-Verstärkers 411 zu einem Offset-Strom führen, der nicht durch die Selbst-Nullungs-Schleife kompensiert wird, die durch die Verstärker 414-415 gebildet wird, und daher eine eingangsbezogene Offset-Spannung verursachen. Zweitens kann der endliche Verstärkungsgrad in der Selbst-Nullungs-Schleife zu einer übrig bleibenden eingangsbezogenen Offset-Spannung führen. Drittens kann sich in Folge der Ladungsinjektion am Ende der Selbst-Nullungs-Phase die Spannung, die in den Integrator-Kapazitäten 453-454 gespeichert ist, etwas ändern, was zu einem kleinen Fehler in dem Ausnullungs-Strom führt, welcher während der Verstärkungsphase vom Verstärker 415 injiziert wurde. Man beachte, dass ähnliche Effekte in den Verstärkern 500, 600, 700, 800, 900 und 1000 auftreten können.
In einer Ausführungsform können sowohl der Rest-Offset infolge der Ausgangsstufe als auch der Rest-Offset infolge des endlichen Verstärkungsgrades in der Selbst-Nullungs-Schaltung verringert werden, indem eine Strom-Puffer-Stufe 1110 zugeführt wird, wie sie in 11 gezeigt ist. Obwohl der Verstärker 1100 von 11, keinen Feedforward-Pfad und keine Ping-Pong-Schaltung enthält, versteht es sich, dass das Zufügen einer Strompufferstufe auf ähnliche Weise für die Verstärker 500, 600, 700, 800, 900 und 1000 erreicht werden kann.
Die Strom-Puffer-Stufe 1110 erhöht die Impedanz am Eingang des Verstärkers 411. Daher wird der Verstärkungsgrad in der Selbst-Nullungs-Schleife erhöht, und der Spannungs-Offset des Verstärkers 411 führt zu einem geringeren Offset-Strom. In der in 11 gezeigten Ausführungsform wird der Offset, der durch die Strom-Puffer-Stufe 1110 selbst eingeführt wird, durch den Selbst-Nullungs-Prozess entfernt. Der Strompuffer kann als eine einfache Kaskodenstufe implementiert sein. Eine Verstärkungsgrad-Erhöhung kann verwendet werden, um den Rest-Offset weiter zu verringern. In einer anderen Ausführungsform kann eine tatsächliche Verstärkungsstufe anstelle von, oder in Kombination mit der Strom-Puffer-Stufe 1110 verwendet werden. Es versteht sich, dass in einem solchen Fall ein zusätzlicher dominanter Pol eingeführt wird, der eine zusätzliche Frequenzkompensation erforderlich machen wird.
In einer Ausführungsform kann der Rest-Offset infolge der Ladungsinjektion klein gehalten werden, indem eine vollständig differentielle Schaltung verwendet wird. Die Ladungsinjektion würde dann auf den Unterschied der Ladungsinjektion verringert. In einer Ausführungsform kann der Offset weiter verringert werden, indem kleine Schalter mit großen Integrator-Kapazitäten verwendet werden. In noch einer anderen Ausführungsform kann die Transkonduktanz bzw. Steilheit (i.e. g₄₁₅, g₈₁₅, etc.) der Nullungs-Verstärker 415, 615, 815, 825, 1015 und 1025 geringer sein als die Transkonduktanz bzw. Steilheit ihrer jeweiligen Eingangs- und Rückkopplungs-Verstärker, so dass die Spannungen an den Ausgängen der Integratoren größer sein werden, als die Offset-Spannungen an den Eingängen der jeweiligen Eingangs- und Rückkopplungs-Verstärker. Je kleiner die Transkonduktanz bzw. Steilheit der Nullungs-Verstärker ist, desto geringer sind die eingangsbezogenen Offsets infolge von Fehlern in den Spannungen an den Ausgängen der Integratoren.
Man beachte, dass die Transkonduktanz-Verstärker 412, 612, 812, 822 1012 und 1022 der 4, 6, 8 und 10 zugehörige Anteile der Eingangs-Kapazität haben. Als solche können die Verstärker 412, 612, 812, 822, 1012 und 1022 als geschaltete Kapazitäts-Lasten für die Signalquelle V_in wirken, da sie während der Selbst-Nullungs-Phasen periodisch entladen werden und während der Verstärkungs-Phasen wieder aufgeladen werden müssen. In verschiedenen Ausführungsformen kann dieser Effekt verringert werden, indem eine Vor-Ladungstechnik verwendet wird. 12 zeigt eine Eingangsstufe 1200 eines Verstärkers (wie beispielsweise Verstärker 400), die eine Vorladungsschaltung gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst. Man beachte, dass ähnliche Konfigurationen bei den Verstärkern 300, 500, 600, 700, 800, 900 und 1000 ebenso benutzt werden können. In 6 ist die Eingangs-Kapazität des Verstärkers 412 durch die Kapazität 1255 dargestellt. Die Eingangsstufe 1200 enthält zusätzliche Schalter 1271 und 1272, die eine „Vorladungs-Konfiguration“ der Eingangsstufe 1200 gestatten, zusätzlich zu der Verstärkungs-Konfiguration und der Selbst-Nullungs-Konfiguration. Während der Vorladungs-Phase sind die Schalter 431 bis 432 und 441 bis 442 geöffnet, und die Schalter 1271 bis 1272 sind geschlossen. Demzufolge sind die Eingänge des Verstärkers 412 mit einer gepufferten Version des Eingangssignals V_in über Puffer 1281 und 1282 gekoppelt, so dass der Strom, der zum Laden der Eingangs-Kapazität 1255 benötigt wird, von den Puffer-Verstärkern 1281 bis 1282 anstatt durch die Signalquelle bereitgestellt wird. In einer Ausführungsform sind die Puffer 1281 bis 1282 Puffer mit einem Verstärkungsgrad von 1. Daher braucht die Signalquelle in der nachfolgenden Verstärkungsphase lediglich Storm zum Korrigieren kleiner Offset-Fehler der Puffer-Verstärker 1281 bis 1282 bereitzustellen, anstelle der vollständigen Eingangsspannung V_in . Man beachte, dass obwohl eine Eingangsstufe 1200 in 12 dargestellt ist, die Eingangs-Kapazitäten oder andere Transkonduktanz-Verstärker auf ähnliche Weise vorgeladen werden können. Beispielsweise können Rückkopplungs-Verstärker 413, 613, 813, 823, 1013 und 1023 auf V_fb vorgeladen werden, um die Last für ihr jeweiliges Rückkopplungs-Netzwerk zu verringern.
BEISPIELE FÜR DEN BETRIEB GEMÄSS VERSCHIEDENER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Diskussion erläutert im Detail den Betrieb der vorliegenden Technologie zum Verringern der Effekte von Offsets in Strom-Rückkopplungs-Instrumentenverstärkern. Unter Bezugnahme auf 13 bis 17 illustrieren Flussdiagramme 1300, 1350A, 1410A, 1600 und 1625A jeweils beispielhafte Operationen, die von den verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Technologie zum Verringern der Effekte von Offsets in Strom-Rückkopplungs-Instrumentenverstärkern verwendet werden. Die Flussdiagramme 1300, 1350A, 1410A, 1600 und 1625A umfassen Prozesse, die in verschiedenen Ausführungsformen durch Schaltungen in einem IC ausgeführt werden. Obwohl spezifische Operationen in den Flowcharts 1300, 1350A, 1410A, 1600 und 1625A offenbart sind, sind derartige Operationen lediglich Beispiele. Das heißt, Ausführungen der Erfindung sind dazu geeignet, verschiedene andere Operationen oder Variationen der Operationen, die in den Flussdiagrammen 1300, 1350A, 1410A, 1600 und 1625A erwähnt sind, auszuführen. Es versteht sich, dass die Operationen in den Flussdiagrammen 1300, 1350A, 1410A, 1600 und 1625A in einer anderen Reihenfolge durchgeführt werden können, als sie dargestellt sind, und dass nicht alle der Operationen in den Flussdiagrammen 1300, 1350A, 1410A, 1600 und 1625A notwendigerweise durchgeführt zu werden brauchen.
13 zeigt ein Flussdiagramm 1300 eines Prozesses zum Verringern der Effekte von Offsets in einem Strom-Rückkopplungs-Instrumentenverstärker gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Bei Block 1310 kann eine Eingangsstufe des Instrumentenverstärkers optional mit einer gepufferten Version der Eingangsspannung vorgeladen werden, bevor die Eingangsspannung tatsächlich an die Eingangsstufe angelegt wird. Bei Block 1320 wird eine Rückkopplungsstufe auf ähnliche Weise mit einer gepufferten Version einer Rückkopplungs-Spannung vorgeladen. Es versteht sich, dass die Vorladungsspannungen sich etwas von der Eingangsspannung bzw. der Rückkopplungs-Spannung selbst unterscheiden können. Jedoch verringert das Vorladen auf diese Weise die Belastung von Eingangs- und Rückkopplungs-Spannungen durch Eingangskapazitäten in der Eingangsstufe bzw. der Rückkopplungsstufe.
Block 1330 umfasst das Erzeugen eines Zwischenstromes basierend auf der Eingangsspannung. Block 1340 umfasst das Erzeugen eines Rückkopplungsstromes basierend auf einer Ausgangsspannung des Instrumentenverstärkers. Es versteht sich, dass bei einem herkömmlichen Instrumentenverstärker der Zwischenstrom und der Rückkopplungsstrom Fehlerkomponenten infolge von Eingabe-Offsets der Eingangsstufe und der Rückkopplungsstufe aufweisen würden. Daher wird bei Block 1350 ein Ausnullungs-Strom basierend auf den Offset-Komponenten erzeugt. Man beachte, dass der Ausnullungs-Strom auf eine Reihe verschiedener Weisen erzeugt werden kann. Beispielsweise zeigt 14 ein Flussdiagramm 1350A eines Prozesses zum Erzeugen eines Ausnullungs-Stroms, gemäß verschiedener Ausführungsformen der Erfindung. Blei Block 1410 wird der Instrumentenverstärker von einer Verstärkungs-Konfiguration zu einer Selbst-Nullungs-Konfiguration umgeschaltet. Man beachte, dass dies ebenfalls auf eine Reihe verschiedener Weisen erreicht werden kann. Beispielsweise zeigt 15 ein Flussdiagramm 1410A eines Prozesses zum Schalten des Instrumentenverstärkers von einer Verstärkungs-Konfiguration in eine Selbst-Nullungs-Konfiguration, gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Bei Block 1510 wird die Ausgangsstufe des Instrumentenverstärkers von der Eingangsstufe und der Rückkopplungsstufe entkoppelt. Während dieser Periode, während der die Ausgangsstufe von den anderen Stufen des Verstärkers entkoppelt ist, kann eine weitere Schaltung verwendet werden, um die Ausgabe des Instrumentenverstärkers effektiv zu halten. Bei Block 1520 werden die Eingangsstufe und die Rückkopplungsstufe mit einer Selbst-Nullungs-Schleife gekoppelt. Diese Selbst-Nullungs-Schleife kann im Wesentlichen so sein, wie sie oben gezeigt wurde, aber sie ist nicht darauf beschränkt. Block 1530 verwendet dann eine Gleichtakt-Eingangsspannung an der Eingangsstufe. Auf ähnliche Weise verwendet der Block 1540 eine Gleichtakt-Rückkopplungs-Spannung an der Rückkopplungsstufe.
Unter Bezugnahme auf 14 umfasst der Block 1420 das Messen der Offset-Komponenten. In einer Ausführungsform wird dies durch einen Integrator erreicht, aber hinsichtlich dieser Wahl besteht keine Beschränkung. Der Ausnullungs-Strom wird dann basierend auf den gemessenen Offset-Komponenten (Block 1430) erzeugt. Bei Block 1440 wird der Instrumentenverstärker von der Selbst-Nullungs-Konfiguration zurück in die Verstärkungs-Konfiguration geschaltet. Somit fährt der Instrumentenverstärker damit fort, die Offsets während der Verstärkungs-Konfiguration zu kompensieren, indem er damit fortfährt, den Ausnullungs-Strom zu injizieren.
Unter Bezugnahme wiederum auf 13 umfasst es der Block 1360, den Zwischenstrom, den Rückkopplungsstrom, den Ausnullungs-Strom oder eine Kombination derselben optional zu puffern. In einer Ausführungsform kann dies durch die Verwendung einer Kaskodenstufe erreicht werden. Bei Block 1370 wird ein Hochfrequenzpfad, der gleichzeitig mit dem ausgenullten Niedrigfrequenz-Pfad betrieben werden kann, verwendet, um die Ausgangsspannungen bei Frequenzen oberhalb einer gewissen Frequenz (z.B. der Taktfrequenz) zu erzeugen. Mit anderen Worten dominiert bei hohen Frequenzen der Hochfrequenz-Pfad den ausgenullten Niedrigfrequenz-Pfad, und der ausgenullte Niedrigfrequenz-Pfad dominiert den Hochfrequenz-Pfad bei Frequenzen unterhalb der Schwellenspannung.
Unter Bezugnahme auf 16A bis 16B zeigt das Flussdiagramm 1600 einen weiteren Prozess zum Verringern der Effekte von Offsets bei einem Instrumentenverstärker, gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Bei Block 1605 wird eine erste Eingangsstufe des Instrumentenverstärkers optional mit einer gepufferten Version der Eingangsspannung vorgeladen. Obwohl dies im Flussdiagramm 1600 nicht gezeigt ist, kann eine erste Rückkopplungsstufe des Verstärkers auf ähnliche Weise mit einer Rückkopplungs-Spannung vorgeladen werden. Wiederum beachte man, dass die Vorladungs-Spannungen sich etwas von der Eingangsspannung und der Rückkopplungs-Spannung selbst unterscheiden können. Jedoch verringert das Vorladen auf diese Weise die Belastung der Eingangsspannung und der Rückkopplungs-Spannung durch irgendwelche Eingangskapazitäten in der ersten Eingangsstufe bzw. der ersten Rückkopplungsstufe. Bei Block 1610 wird ein erster Verstärkungspfad über eine erste Unterschaltung in einer ersten Konfiguration des Instrumentenverstärkers bereitgestellt. Block 1615 umfasst dann das Kompensieren der ersten Unterschaltung im Hinblick auf Eingangs-Offsets mit Hilfe eines ersten Ausnullungs-Stroms. Bei Block 1620 kann der erste Ausnullungs-Strom optional gepuffert werden. Dies kann beispielsweise mit einer Kaskodenstufe erreicht werden. Man beachte, dass andere Ströme auf ähnliche Weise gepuffert werden können. Bei Block 1625 wird ein zweiter Ausnullungs-Strom einer zweiten Unterschaltung des Instrumentenverstärkers kalibriert. Es versteht sich, dass die Kalibration auf eine Reihe verschiedener Weisen ausgeführt werden kann. Beispielsweise zeigt 17 ein Flussdiagramm 1625A für einen Prozess zum Kalibrieren eines Ausnullungs-Stroms, gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Block 1710 umfasst das Anlegen einer Gleichtakt-Eingangsspannung an die Eingangsstufe (d.h., die Eingangsstufe der zweiten Unterschaltung). Block 1720 umfasst das Anlegen einer Gleichtakt-Rückkopplungsspannung an eine Rückkopplungsstufe (d.h., die Rückkopplungsstufe der zweiten Unterschaltung). Die Gleichtakt-Eingangsspannung und die Gleichtakt-Rückkopplungsspannung verursachen, dass die Eingangsstufe und die Rückkopplungsstufe Ströme erzeugen, die jeglichen Offset der Eingangsstufe und der Rückkopplungsstufe entsprechen. Somit umfasst der Block 1730 das Messen der Offset-Komponenten der zweiten Unterscheidung.
Unter Bezugnahme wiederum auf 16A bis 16B, umfasst der Block 1630 das Schalten des Instrumentenverstärkers aus der ersten Konfiguration in eine zweite Konfiguration. In einer Ausführungsform umfasst das Schalten das Schalten einer ersten Unterschaltung des Instrumentenverstärkers aus einer Verstärkungs-Konfiguration in eine Selbst-Nullungs-Konfiguration und das Schalten einer zweiten Unterschaltung des Instrumentenverstärkers aus einer Selbst-Nullungs-Konfiguration in eine Verstärkungs-Konfiguration. Bei Block 1635 wird eine Eingangsstufe der zweiten Unterschaltung optional mit einer gepufferten Version der Eingangsspannung vorgeladen. Auf ähnliche Weise kann eine Rückkopplungsstufe der zweiten Unterschaltung mit einer gepufferten Version einer Rückkopplungsspannung vorgeladen werden.
Bei Block 1640 wird ein zweiter Verstärkungspfad über die zweite Unterschaltung bereitgestellt, während der Instrumentenverstärker sich in der zweiten Konfiguration befindet. Bei Block 1645 werden Eingangs-Offsets der zweiten Unterschaltung unter Verwendung des zweiten Ausnullungs-Stroms, der in Block 1625 kalibriert wurde, kompensiert. Bei Block 1650 wird der zweite Ausnullungs-Strom optional gepuffert, beispielsweise unter Verwendung einer Kaskodenstufe. Block 1655 umfasst das Kalibrieren des ersten Ausnullungs-Stroms in der ersten Unterschaltung, während sich der Instrumentenverstärker in der zweiten Konfiguration befindet. In einer Ausführungsform kann der erste Ausnullungs-Strom, wie oben unter Bezugnahme auf 17 beschrieben, kalibriert werden, aber die Ausführungsform ist nicht auf diese Variante beschränkt.
Bei Block 1660 wird der Instrumentenverstärker aus der zweiten Konfiguration zurück in die erste Konfiguration geschaltet. Man beachte, dass dieser Prozess des Umschaltens zwischen dem Verstärkungspfad, der von der ersten Unterschaltung und der zweiten Unterschaltung bereitgestellt wird, während des Betriebs des Instrumentenverstärkers viele Male wiederholt werden kann. Ein derartig kontinuierliches Schalten gestattet eine periodische Rekalibrierung der Nullungs-Ströme, was sicherstellt, dass der Ausgang des Instrumentenverstärkers frei von Offset-Fehlern ist. Darüber hinaus stellt dieser Ping-Pong-Betrieb außerdem sicher, dass der Instrumentenverstärker kontinuierlich einen Pfad vom Eingang zum Ausgang aufweist.
Bei Block 1665 kann ein Hochfrequenz-Pfad, der gleichzeitig mit dem ausgenullten Niedrigfrequzenz-Pfad in Betrieb sein kann, verwendet werden, um die Ausgangsspannung zu erzeugen. Dieser Pfad kann beispielsweise bei Frequenzen überhalb einer Schwellenfrequenz verwendet werden. In einer Ausführungsform ist der Hochfrequenz-Pfad separat von der ersten Unterschaltung und der zweiten Unterschaltung des Instrumentenverstärkers.
Somit stellen die Ausführungsformen eine Technologie bereit, die Instrumentenverstärker mit sehr geringem eingangsbezogenem Offset, geringem Eingangsstrom und einem geringen Grad an nicht erwünschten Schaltsignalen am Ausgang gestattet. Darüber hinaus verwenden einige Architekturen eine Ping-Pong-Architektur, die sicherstellt, dass eine Offset-freie Stufe kontinuierlich im Signalpfad vorliegt, und dass kein zusätzlicher Offset dadurch infolge eines Aliasing eingeführt wird. Darüber hinaus können unerwünschte Signale weiter durch Zufügen eines Hochfrequenz-Feedforwardpfades verringert werden.
Die vorstehende Beschreibung der offenbarten Ausführungsformen ist angegeben, um den Fachmann in die Lage zu versetzen, die vorliegende Erfindung zu benutzen. Verschiedene Modifikationen an diesen Ausführungsformen werden dem Fachmann unmittelbar einleuchten, und die generischen Prinzipien, die hier definiert sind, können in anderen Ausführungsformen zur Anwendung kommen, ohne von dem Geist und dem Rahmen der Erfindung abzuweichen. Somit soll die vorliegende Erfindung nicht durch die hier gezeigten Ausführungsformen beschränkt werden, sondern ihr soll der weitest mögliche Schutzbereich zugerechnet werden, der mit den Prinzipien und den neuartigen Merkmalen konsistent ist, die hierin offenbart sind.

Claims

Instrumentenverstärker (500), der folgendes umfasst: eine Ausgangsstufe (510) zum Erzeugen einer Ausgangsspannung (Vout); eine erste Eingangsstufe (520) zum Erfassen eines differentiellen Eingangs (Vin) und Erzeugen eines ersten Zwischenstromes basierend darauf; eine erste Rückkopplungsstufe (530), die mit der ersten Eingangsstufe (520) und der Ausgangsstufe (510) gekoppelt ist, wobei die erste Rückkopplungsstufe (530) zum Erzeugen eines ersten Rückkopplungsstroms basierend auf der Ausgangsspannung (Vout) geeignet ist; und eine Selbst-Nullungs-Schaltung (540), die mit der Eingangsstufe (520), der Rückkopplungsstufe (530) und der Ausgangsstufe (510) gekoppelt ist, wobei die Selbst-Nullungs-Schaltung (540) zum Erzeugen eines Ausnullungs-Stroms geeignet ist, wobei der Ausnullungs-Strom Fehler in dem ersten Zwischenstrom und dem ersten Rückkopplungsstrom kompensiert, die aus Eingangs-Offsets in der ersten Eingangsstufe (520) und der ersten Rückkopplungsstufe (530) resultieren; und eine Vorladungs-Schaltung (1200), die mit der ersten Eingangsstufe (520) gekoppelt ist, wobei die Vorladungsstufe (1200) geeignet ist, einen Eingang (Vin) der ersten Eingangsstufe (520) auf eine Vorladungs-Spannung aufzuladen, wobei die Vorladungs-Spannung auf dem differentiellen Eingang (Vin) basiert.
Instrumentenverstärker nach Anspruch 1, der ferner folgendes umfasst: eine Strom-Pufferstufe (1110), die mit der ersten Eingangsstufe (520), der ersten Rückkopplungsstufe (530), der Selbst-Nullungs-Schaltung (540) und der Ausgangsstufe (510) gekoppelt ist, wobei die Strom-Pufferstufe (1110) zum Puffern des ersten Zwischenstroms und/oder des ersten Rückkopplungsstroms und/oder des Ausnullungs-Stroms geeignet ist, wobei die Strom-Pufferstufe (1110) eine Eingangsimpedanz erhöht, die an einem Eingang der Ausgangsstufe (510) wahrgenommen wird.
Instrumentenverstärker nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Eingangsstufe (520), die erste Rückkopplungsstufe (530) und die Selbst-Nullungs-Schaltung (540) einen Niedrigfrequenz-Pfad bilden, der mit der Ausgangsstufe (510) gekoppelt ist, und wobei der Instrumentenverstärker ferner einen Hochfrequenz-Pfad umfasst, der mit der Ausgangsstufe (510) gekoppelt ist, wobei der Hochfrequenz-Pfad den Niedrigfrequenz-Pfad bei Frequenzen, die oberhalb einer bestimmten Frequenz liegen, dominiert, und wobei der Niedrigfrequenz-Pfad den Hochfrequenz-Pfad bei Frequenzen, die unterhalb der bestimmten Frequenz liegen, dominiert.
Instrumentenverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Hochfrequenz-Pfad folgendes umfasst: eine zweite Eingangsstufe (570), die mit der Ausgangsstufe (510) gekoppelt ist, wobei die zweite Eingangsstufe (570) zum Erfassen eines differentiellen Eingangs (Vin) und zum Erzeugen eines zweiten Zwischenstroms basierend darauf geeignet ist; und eine zweite Rückkopplungsstufe (580), die mit der Ausgangsstufe (510) gekoppelt ist, wobei die zweite Rückkopplungsstufe (580) zum Erzeugen eines zweiten Rückkopplungsstromes basierend auf der Ausgangsspannung (Vout) geeignet ist.
Instrumentenverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Selbst-Nullungs-Schaltung (540) geeignet ist, Offset-Ströme zu detektieren, die Eingangs-Offsets der Eingangsstufe (520) und der Rückkopplungsstufe (530) entsprechen, und basierend auf den detektierten Offset-Strömen einen Ausnullungs-Strom zu erzeugen.
Instrumentenverstärker nach Anspruch 5, bei dem die Selbst-Nullungs-Schaltung (540) folgendes umfasst: einen Integrator (614, 653, 654), der mit der ersten Eingangsstufe (520) und der ersten Rückkopplungsstufe (530) gekoppelt ist, wobei der Integrator (614, 653, 654) in der Lage ist, die Offset-Ströme zu detektieren; und einen Transkonduktanz-Verstärker (615), der mit dem Integrator gekoppelt ist, wobei der Transkonduktanz-Verstärker (615) zum Erzeugen des Ausnullungs-Stroms geeignet ist.
Instrumentenverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Selbst-Nullungs-Schaltung (540) folgendes umfasst: eine Mehrzahl von Schaltern (631-636, 641-646), die mit der ersten Eingangsstufe (520) und der ersten Rückkopplungsstufe (530) gekoppelt sind, wobei die Schalter (631-636, 641-646) so betätigbar sind, dass die Eingänge der ersten Eingangsstufe (520) mit einer Eingangs-Gleichtaktspannung (Vcmin) kurzgeschlossen werden, und bei dem die Schalter (631-636, 641-646) ferner so betätigbar sind, dass die Eingänge der ersten Rückkopplungsstufe (530) mit einer Rückkopplungs-Gleichtaktspannung (Vcmfb) kurzgeschlossen werden.
Instrumentenverstärker nach Anspruch 7, bei dem die Schalter (631-636, 641-646) so betätigbar sind, dass sie die erste Eingangsstufe (520) und die erste Rückkopplungsstufe (530) zeitweilig von der Ausgangsstufe (510) trennen, während der Ausnullungs-Strom kalibriert wird.
Instrumentenverstärker nach Anspruch 1, bei dem die Vorladungsschaltung geeignet ist, den Eingang (Vin) der ersten Eingangsstufe (520) auf die Vorladungs-Spannung aufzuladen, ohne den differentiellen Eingang (Vin) zu belasten.
Instrumentenverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Vorladungs-Schaltung (1200) einen Puffer (1281, 1282) umfasst.
Instrumentenverstärker (500), der folgendes umfasst: eine Ausgangsstufe (510) zum Erzeugen einer Ausgangsspannung (Vout); einen Niedrigfrequenz-Pfad, der mit der Ausgangsstufe (510) gekoppelt ist, wobei der Niedrigfrequenz-Pfad folgendes umfasst: eine Eingangsstufe (520) zum Erfassen eines differentiellen Eingangs und Erzeugen eines Zwischenstroms basierend darauf; eine Rückkopplungsstufe (530), die mit der Eingangsstufe (520) und der Ausgangsstufe (510) gekoppelt ist, wobei die Rückkopplungsstufe (530) geeignet ist, basierend auf der Ausgangsspannung (Vout) einen Rückkopplungsstrom zu erzeugen; und eine Selbst-Nullungs-Schaltung (540), die mit der Eingangsstufe (520) und der Rückkopplungsstufe (530) gekoppelt ist, wobei die Selbst-Nullungs-Schaltung (540) geeignet ist, den Instrumentenverstärker (500) zwischen einer Verstärkungs-Konfiguration und einer Selbst-Nullungs-Konfiguration umzuschalten, wobei die Selbst-Nullungs-Schaltung (540) in der Selbst-Nullungs-Konfiguration in der Lage ist, Offset-Ströme zu detektieren, die Eingangs-Offsets der Eingangsstufe (520) und der Rückkopplungsstufe (530) entsprechen, und wobei die Selbst-Nullungs-Schaltung (540) ferner in der Verstärkungs-Konfiguration in der Lage ist, einen Ausnullungs-Strom basierend auf den detektierten Offset-Strömen zu erzeugen; eine Vorladungs-Schaltung (1200), die mit der ersten Eingangsstufe (520) gekoppelt ist, wobei die Vorladungsstufe (1200) geeignet ist, einen Eingang (Vin) der ersten Eingangsstufe (520) auf eine Vorladungs-Spannung aufzuladen, wobei die Vorladungs-Spannung auf dem differentiellen Eingang (Vin) basiert; und einen Hochfrequenz-Pfad, der mit der Ausgangsstufe (510) gekoppelt ist, wobei der Hochfrequenz-Pfad den Niedrigfrequenz-Pfad bei Frequenzen oberhalb einer bestimmten Frequenz dominiert, und wobei der Niedrigfrequenz-Pfad den Hochfrequenz-Pfad bei Frequenzen unterhalb dieser bestimmten Frequenz dominiert.
Instrumentenverstärker nach Anspruch 11, bei dem die Selbst-Nullungs-Schaltung (540) in der Selbst-Nullungs-Konfiguration in der Lage ist, die Ausgangsstufe (510) von der Eingangsstufe (520) und der Rückkopplungsstufe (530) zu entkoppeln, die Eingangsstufe (520) und die Rückkopplungsstufe (530) mit einer Selbst-Nullungs-Schleife zu koppeln, die Eingangsstufe (520) mit einer Gleichtakt-Eingangsspannung (Vcmin) zu koppeln, und die Rückkopplungsstufe (530) mit einer Gleichtakt-Rückkopplungsspannung (Vcmfb) zu koppeln.
Instrumentenverstärker nach Anspruch 11 oder 12, der ferner folgendes umfasst: eine Strompufferstufe (1110), die mit der Eingangsstufe (520), der Rückkopplungsstufe (530), der Selbst-Nullungs-Schaltung (540) und der Ausgangsstufe (510) gekoppelt ist, wobei die Strompufferstufe (1110) geeignet ist, den Zwischenstrom und/oder den Rückkopplungsstrom und/oder den Ausnullungs-Strom zu puffern.
Verfahren zum Verringern der Effekte von Offsets in einem Strom-Rückkopplungs-Instrumentenverstärker (500), das folgendes umfasst: Erzeugen (1330) eines Zwischenstroms basierend auf einer Eingangsspannung (Vin) des Strom-Rückkopplungs-Instrumentenverstärkers (500); Erzeugen (1340) eines Rückkopplungs-Stroms basierend auf einer Ausgangsspannung (Vout) des Strom-Rückkopplungs-Instrumentenverstärkers (500), wobei der Zwischenstrom und der Rückkopplungsstrom Offset-Komponenten enthalten, die Eingangs-Offsets einer Eingangsstufe (520) bzw. einer Rückkopplungsstufe (530) entsprechen; Erzeugen (1350) eines Ausnullungs-Stroms basierend auf den Offset-Komponenten, wobei der Ausnullungs-Strom die Offset-Komponenten kompensiert; und Vorladen (1310) der Eingangsstufe (520) mit einer gepufferten Version der Eingangsspannung (Vin) vor dem Anlegen der Eingangsspannung (Vin) an die Eingangsstufe (520).
Verfahren nach Anspruch 14, das ferner folgendes umfasst: Anlegen (1710) einer Gleichtakt-Eingangsspannung (Vcmin) an die Eingangsstufe (520); Anlegen (1720) einer Gleichtakt-Rückkopplungsspannung (Vcmfb) an die Rückkopplungsstufe (530); und Messen (1730) der Offset-Komponenten während die Gleichtakt-Eingangsspannung (Vcmin) und die Gleichtakt-Rückkopplungsspannung (Vcmfb) an die Eingangsstufe (520) und die Rückkopplungsstufe (530) angelegt sind.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, bei dem das Erzeugen des Ausnullungs-Stromes folgendes umfasst: Schalten (1410) des Instrumentenverstärkers (500) von einer Verstärkungs-Konfiguration in eine Selbst-Nullungs-Konfiguration; Messen (1420) der Offset-Komponenten; und Erzeugen (1430) des Ausnullungs-Stroms basierend auf der Messung der Offset-Komponenten.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem das Schalten (1410) folgendes umfasst: Entkoppeln (1510) der Ausgangsstufe (510) von der Eingangsstufe (520) und der Rückkopplungsstufe (530); Koppeln (1530) der Eingangsstufe (520) mit einer Gleichtakt-Eingangsspannung (Vcmin); und Koppeln (1540) der Rückkopplungsstufe (530) mit einer Gleichtakt-Rückkopplungsspannung (Vcmfb).
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, das ferner folgendes umfasst: Puffern des Zwischenstroms, des Rückkopplungsstroms und des Ausnullungs-Stroms.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, das ferner folgendes umfasst: Verwenden (1370) eines Hochfrequenz-Pfades, um die Ausgangsspannung (Vout) bei Frequenzen oberhalb einer bestimmten Frequenz zu erzeugen.