DE102009060504B4

DE102009060504B4 - Schaltung und Verfahren zur Einstellung eines Offset-Ausgangsstroms für einen Eingangsstromverstärker

Info

Publication number: DE102009060504B4
Application number: DE102009060504.5A
Authority: DE
Inventors: Dr. Prohaska Armin; Terje Saether; Holger Vogelmann
Original assignee: Atmel Corp
Current assignee: Arigna Technology Ltd Ie
Priority date: 2009-12-23
Filing date: 2009-12-23
Publication date: 2014-07-03
Anticipated expiration: 2029-12-24
Also published as: DE102009060504A1; US8289082B2; CN102122188A; US20130043952A1; US8760227B2; CN102122188B; US20110148380A1

Abstract

Schaltung mit einem Eingangsstromverstärker (100) und einer Einstellungsschaltung (200) zur Korrektur eines Offsets (Ioff) eines Ausgangsstroms (Io) des Eingangsstromverstärkers (100),
– bei der die Einstellungsschaltung (200) eine gesteuerte Stromquelle (210) aufweist,
– bei der ein Ausgang (203) der gesteuerten Stromquelle (210) mit dem Eingangsstromverstärker (100) zur Einprägung eines Ausgangsstromes (I1) der gesteuerten Stromquelle (210) in den Eingangsstromverstärker (100) verbunden ist,
– bei der ein Eingang (219) der gesteuerten Stromquelle (210) zur Bildung eines Regelglieds eines Regelkreises durch eine erste Schaltvorrichtung (S1) der Einstellungsschaltung (200) mit dem Ausgang (102) des Eingangsstromverstärkers (100) verbunden und zur Bildung eines Halteglieds durch die erste Schaltvorrichtung (S1) von dem Ausgang (102) des Eingangsstromverstärkers (100) getrennt ist,
– bei der die als Regelglied wirkende gesteuerte Stromquelle (210) durch Bereitstellung eines Stromwertes des Ausgangsstroms (I1) zur Regelung des Offsets (Ioff) auf ein Minimum eingerichtet ist, und
– bei der die als Halteglied wirkende gesteuerte Stromquelle (210) zum Halten des zum Minimum zugehörigen Stromwertes des Ausgangsstroms (I1) eingerichtet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung und ein Verfahren zur Einstellung eines Offset-Ausgangsstroms für einen Eingangsstromverstärker.
Ein Strom-Verstärker (CC-OPV) ist beispielsweise aus ”Halbleiterschaltungstechnik”, Tietze, Schenk, 12. Auflage, 2002 Seiten 563–565 bekannt.
Aus der Druckschrift US 2003/210092 A1 ist ein wechselstromgekoppelter, mehrstufiger Operationsverstärker mit hohem Verstärkungsfaktor bekannt. Der Operationsverstärker beinhaltet zumindest zwei Verstärkerstufen, die jeweils einen Ein- und Ausgang haben, einen Wechselspannungskopplungskondensator, der den Ausgang der ersten Stufe mit dem Eingang der zweiten Stufe verbindet, und eine Ladeschaltung, die mit dem Wechselspannungskopplungskondensator und dem Eingang der zweiten Stufe verbunden ist, um den Wechselspannungskopplungskondesator in einer Spannungsfolgephase zu laden und den Wechselspannungskopplungskondensator mit dem Eingang der zweiten Stufen während einer Haltephase zu verbinden, um die Biasspannungen der beiden Stufen zu trennen. Ein ähnlicher Differenzverstärker mit geschalteten Kapazitäten ist auch aus der Druckschrift US 5,565,813 A bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Schaltung mit einem Eingangsstromverstärker möglichst zu verbessern.
Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zu Grunde, ein möglichst verbessertes Verfahren zur Korrektur eines Offsets eines Eingangstromverstärkers anzugeben.
Der erste Teil der Aufgabe wird durch eine Schaltung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen und in der Beschreibung enthalten.
Demzufolge ist eine Schaltung vorgesehen, die vorzugsweise auf einem Halbleiterchip monolithisch integriert ist.
Die Schaltung weist einen Eingangsstromverstärker und eine Einstellungsschaltung auf. Die Einstellungsschaltung ist zur Korrektur eines Offsets eines Ausgangsstroms des Eingangsstromverstärkers eingerichtet.
Die Einstellungsschaltung weist eine gesteuerte Stromquelle auf. Die gesteuerte Stromquelle stellt einen Ausgangsstrom bereit, der von einer Steuergröße, insbesondere einer Steuerspannung abhängt. Mit konstanter Steuergröße ist auch der Ausgangsstrom der gesteuerten Stromquelle konstant.
Der Ausgang der gesteuerten Stromquelle ist mit dem Eingangsstromverstärker zur Einprägung eines Ausgangsstroms der gesteuerten Stromquelle in den Eingangsstromverstärker verbunden. Vorzugsweise ist die gesteuerte Stromquelle mit einem Ausgang des Eingangsstromverstärkers verbunden. Alternativ kann die gesteuerte Stromquelle auch mit einem Eingang des Eingangsstromverstärkers verbunden sein.
Ein Eingang der gesteuerten Stromquelle ist zur Bildung eines Regelglieds eines Regelkreises durch eine erste Schaltvorrichtung der Einstellungsschaltung mit dem Ausgang des Eingangsstromverstärkers verbunden. Die erste Schaltvorrichtung ist beispielsweise ein Halbleiterschalter, insbesondere ein Transmissionsgate oder ein Feldeffekttransistor.
Der Eingang der gesteuerten Stromquelle ist zudem zur Bildung eines Halteglieds durch die erste Schaltvorrichtung von dem Ausgang des Eingangsstromverstärkers getrennt. Die gesteuerte Stromquelle weist daher in geschlossener Schaltstellung der ersten Schaltvorrichtung als erste Funktion eine Regelfunktion als Regelglied des Regelkreises und in Synergie in geöffneter Schaltstellung der ersten Schaltvorrichtung als zweite Funktion eine Haltefunktion als Halteglied auf. Der Regelkreis ist dabei durch die erste Schaltvorrichtung schließbar. Durch Öffnen der ersten Schaltvorrichtung wird der Regelkreis aufgetrennt. Im aufgetrennten Zustand ist der Ausgangsstrom der als Haltglied wirkenden gesteuerten Stromquelle für die Verstärkung eines zeitlich nachfolgenden Eingangssignals im Wesentlichen konstant.
Die als Regelglied wirkende gesteuerte Stromquelle ist durch Bereitstellung eines Stromwertes des Ausgangsstroms zur Regelung des Offsets auf ein Minimum eingerichtet. Das Minimum des Offsets wird erreicht, wenn der Ausgangsstrom aus Eingangsstromverstärker einen stationären Zustand erreicht hat, also im Wesentlichen konstant – idealerweise Null – ist.
Mit Erreichen des stationären Zustands wird die Regelfunktion beendet. Die nun als Halteglied wirkende gesteuerte Stromquelle ist zum Halten des zum Minimum zugehörigen Stromwertes des Ausgangsstroms eingerichtet. Die als Halteglied wirkende gesteuerte Stromquelle hält den Ausgangsstrom dabei zumindest für die Dauer einer Verstärkung von Eingangssignalen des Eingangsstromverstärkers im Wesentlichen konstant.
Der zweite Teil der Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen und in der Beschreibung enthalten.
Demzufolge ist ein Verfahren zur Korrektur eines Offsets eines Ausgangsstroms eines Eingangsstromverstärkers einer Schaltung vorgesehen. Das Verfahren kann dabei durch eine Steuerungsvorrichtung durchgeführt werden.
In dem Verfahren wird eine gesteuerte Stromquelle zur Bildung eines Regelglieds eines Regelkreises durch eine erste Schaltvorrichtung mit einem Ausgang des Eingangsstromverstärkers verbunden. Der Regelkreis ist dabei zur Regelung auf einen stationären Zustand ausgebildet.
Durch Bereitstellung eines Stromwertes des Ausgangsstroms der als Regelglied wirkenden gesteuerten Stromquelle wird der Offset auf ein Minimum geregelt, wenn ein Eingangssignal des Eingangsstromverstärkers einen konstanten Wert aufweist. Demzufolge liegt am Eingang des Eingangsstromverstärkers während der Regelung allein ein Gleichstromwert, jedoch kein Wechselstrom an. Idealerweise ist der am Eingang des Eingangsstromverstärkers anliegende Gleichstromwert des Eingangssignals gleich Null.
Die gesteuerte Stromquelle wird zur Bildung eines Halteglieds mit dem zum Minimum zugehörigen Stromwert des Ausgangsstroms durch die erste Schaltvorrichtung vom Ausgang des Eingangsstromverstärkers getrennt. Von der gesteuerten Stromquelle wird dabei der Stromwert solange gehalten, bis eine auf die Regelung folgende Verstärkung eines zeitvarianten Eingangssignals am Eingang des Eingangsstromverstärkers erfolgt ist.
Die im Folgenden beschriebenen Weiterbildungen beziehen sich sowohl auf die Schaltung als auch auf das Verfahren zum Einstellung. Funktionale Merkmale der Schaltung ergeben sich dabei aus Verfahrensmerkmalen. Verfahrensmerkmale können aus Funktionen der Schaltung abgeleitet werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die gesteuerte Stromquelle der Schaltung eine Kapazität auf. Die Kapazität kann dabei durch einen integrierten Kondensator, beispielsweise einer MIM-Kapazität, oder durch eine Kapazität eines aktiven Bauelementes, wie die Gate-Source-Kapazität eines Feldeffekttransistors gebildet sein. Vorzugsweise ist die erste Schaltvorrichtung an die Kapazität angeschlossen. Bevorzugt lässt sich ein Strom zum Laden der Kapazität durch die erste Schaltvorrichtung schalten.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die gesteuerte Stromquelle durch eine Steuerspannung steuerbar ist. Dabei kann die Steuerspannung durch ein Element der gesteuerten Stromquelle selbst erzeugt werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die gesteuerte Stromquelle einen Transistor auf. Der Transistor ist vorzugsweise ein Feldeffekttransistor. Der Transistor steuert durch eine Steuerspannung am Steuereingang des Transistors den Ausgangsstrom der gesteuerten Stromquelle.
In einer weiteren auch kombinierbaren Weiterbildung ist vorgesehen, dass die gesteuerte Stromquelle ein Speichermittel – insbesondere die Kapazität – zur Speicherung der Steuerspannung aufweist. Mittels der gespeicherten Steuerspannung kann der Ausgangsstrom der gesteuerten Stromquelle in ihrer Funktion als Halteglied konstant gehalten werden. Alternativ könnte in einer aufwendigeren Ausgestaltung auch ein digitaler Wert zur Steuerung der gesteuerten Stromquelle gespeichert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildungsvariante ist die Kapazität der als Regelglied wirkenden gesteuerten Stromquelle mit dem Ausgang des Eingangsstromverstärkers verbindbar. Die Verbindung erfolgt mittels der ersten Schaltvorrichtung zur Ladung der Kapazität bis zum Erreichen eines stationären Zustands für das Minimum des Offsets. Im stationären Zustand ist der Ladestrom durch die Kapazität auf ein Minimum abgesunken.
In einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante ist vorgesehen, dass der Eingangsstromverstärker einen ersten Stromspiegel und einen zweiten Stromspiegel zur Stromverstärkung aufweist. Die Ausgänge der Stromspiegel sind mit dem Ausgang des Eingangsstromverstärkers und mithin mit dem Ausgang der Schaltung verbunden. Vorzugsweise sind der erste Stromspiegel einer Verstärkung eines positiven Signalstroms am Eingang des Eingangsstromverstärkers und der zweite Stromspiegel einer Verstärkung eines negativen Signalstroms am Eingang des Eingangsstromverstärkers zugeordnet. Vorzugsweise ist die Konstantstromquelle und/oder die gesteuerte Stromquelle an den ersten und/oder zweiten Stromspiegel angeschlossen.
Der Eingangsstromverstärker weist einen mit dem Ausgang des Eingangsstromverstärkers verbundenen Stromsummationsknoten auf. Im Stromsummationsknoten summieren sich ein Konstantstrom der Konstantstromquelle und ein Ausgangsstrom der gesteuerten Stromquelle. Vorzugsweise ist die Konstantstromquelle hierzu mit dem Ausgang des Eingangsstromverstärkers unmittelbar oder über ein Bauelement, wie einen Feldeffekttransistor verbunden. Vorzugsweise ist die gesteuerte Stromquelle mit dem Ausgang des Eingangsstromverstärkers unmittelbar oder über ein Bauelement, wie einen Feldeffekttransistor verbunden. Der Konstantstrom der Konstantstromquelle oder der Ausgangsstrom der gesteuerten Stromquelle geht mit negativem Vorzeichen in die Summation ein.
In einer kombinierbaren Weiterbildungsvariante weist die Einstellungsschaltung eine zweite Schaltvorrichtung auf. Die zweite Schaltvorrichtung ist über einen Eingang der Einstellungsschaltung an den Ausgang des Eingangsstromverstärkers und an den Schaltungsausgang angeschlossen. Durch die zweite Schaltvorrichtung ist der Ausgang der Schaltung vom Ausgang des Eingangsstromverstärkers trennbar und mit dem Ausgang des Eingangsstromverstärkers verbindbar. Die zweite Schaltvorrichtung ist beispielsweise ein Halbleiterschalter, insbesondere ein Transmissionsgate oder ein Feldeffekttransistor.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Einstellungsschaltung eine dritte Schaltvorrichtung aufweist. Die dritte Schaltvorrichtung ist an die Kapazität der gesteuerten Stromquelle angeschlossen und zur Entladung der Kapazität im geschlossenen Zustand ausgebildet.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung weist die Schaltung eine Steuerungsschaltung auf, die mit der Einstellungsschaltung verbunden ist.
Die Steuerungsschaltung ist vorzugsweise zur Steuerung der ersten Schaltvorrichtung mit einem ersten Steueranschluss der ersten Schaltvorrichtung verbunden. Die Steuerungsschaltung ist vorzugsweise zur Steuerung der zweiten Schaltvorrichtung mit einem zweiten Steueranschluss der zweiten Schaltvorrichtung verbunden. Die Steuerungsschaltung ist vorzugsweise zur Steuerung der dritten Schaltvorrichtung mit einem dritten Steueranschluss der dritten Schaltvorrichtung verbunden. Die Steuerungsschaltung weist vorzugsweise eine Anzahl von Verzögerungsgliedern zur zeitabhängigen Steuerung auf.
Bevorzugt ist die Steuerungsschaltung eingerichtet in einem ersten Schritt den Ausgang des Eingangsstromverstärkers durch Öffnen der zweiten Schaltvorrichtung von dem Schaltungsausgang zu trennen. Vorzugsweise ist die Steuerungsschaltung eingerichtet in einem zweiten Schritt die Kapazität der gesteuerten Stromquelle durch Schließen der ersten Schaltvorrichtung mit dem Ausgang des Eingangsstromverstärkers zu verbinden, wobei nach dem zweiten Schritt die Kapazität durch einen Ladestrom geladen wird und durch das Laden der Kapazität ein Ausgangsstrom der gesteuerten Stromquelle erhöht wird bis beim Stromwert des stationären Zustands der Ladestrom ein Minimum erreicht. Vorzugsweise ist die Steuerungsschaltung eingerichtet in einem dritten Schritt die geladene Kapazität der gesteuerten Stromquelle durch Öffnen der ersten Schaltvorrichtung von dem Ausgang des Eingangsstromverstärkers zu trennen.
Bevorzugt ist die Steuerungsschaltung eingerichtet in einem vierten Schritt den Ausgang des Eingangsstromverstärkers durch Schließen der zweiten Schaltvorrichtung mit dem Schaltungsausgang zu verbinden.
Gemäß einer Ausgestaltung weist das Verfahren mehrere Verfahrensschritte auf, die beispielsweise durch eine Zustandmaschine oder einen Programmablauf in einer Recheneinheit erfolgen. Zuerst kann die dritte Schaltvorrichtung temporär geschlossen werden, so dass die Kapazität über die dritte Schaltvorrichtung entladen wird. Danach wird die dritte Schaltvorrichtung wieder geöffnet.
Anschließend wird in einem Verfahrensschritt die Kapazität der gesteuerten Stromquelle durch Schließen der ersten Schaltvorrichtung mit dem Ausgang des Eingangsstromverstärkers verbunden. Vorzugsweise wird zudem ein Ausgang des Eingangsstromverstärkers durch Öffnen der zweiten Schaltvorrichtung von einem Schaltungsausgang getrennt, so dass der Regelungsvorgang kein unerwünschtes Ausgangssignal erzeugt. Nach diesem Verfahrensschritt wird die Kapazität durch den Ladestrom geladen. Durch das Laden der Kapazität wird ein Ausgangsstrom der gesteuerten Stromquelle erhöht bis der Ladestrom ein Minimum erreicht.
In einem nachfolgenden Verfahrenschritt wird die geladene Kapazität der gesteuerten Stromquelle durch Öffnen der ersten Schaltvorrichtung von dem Ausgang des Eingangsstromverstärkers getrennt. In einem nachfolgenden weiteren Verfahrensschritt wird der Ausgang des Eingangsstromverstärkers durch Schließen der zweiten Schaltvorrichtung mit dem Schaltungsausgang verbunden um ein durch den Eingangsstromverstärker verstärktes Signal als Ausgangssignal auszugeben.
Die zuvor beschriebenen Weiterbildungsvarianten sind sowohl einzeln als auch in Kombination besonders vorteilhaft. Dabei können sämtliche Weiterbildungsvarianten untereinander kombiniert werden. Einige mögliche Kombinationen sind in der Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Figuren erläutert. Diese dort dargestellten Möglichkeiten von Kombinationen der Weiterbildungsvarianten sind jedoch nicht abschließend.
Im Folgenden wird die Erfindung durch Ausführungsbeispiele anhand zeichnerischer Darstellungen näher erläutert.
Dabei zeigen
1a eine schematische Darstellung eines Eingangsstromverstärkers,
1b eine schematische Darstellung eines Eingangsstromverstärkers mit einer Einstellungsschaltung zur Einstellung des Offset-Ausgangsstroms,
2a einen Schaltplan eines ersten Ausführungsbeispiels,
2b ein schematisches Diagramm, und
3 einen Schaltplan eines weiteren Ausführungsbeispiels.
In 1 ist ein Eingangsstromverstärker 100 mit geringer Eingangsimpedanz schematisch dargestellt. Dabei ist der Signalausgangsstrom Io am Schaltungsausgang durch einen unerwünschten Offset Ioff am Ausgang überlagert. Der Offset Ioff ist durch Prozessschwankungen der Herstellung von Verstärkertransistoren des Eingangstromverstärkers 100 bedingt und in 1a schematisch als Stromquelle Ioff dargestellt. Der Offset Ioff kann dabei bezüglich der Stromrichtung am Schaltungsausgang positiv oder negativ sein.
Um den Offset Ioff am Schaltungsausgang zu korrigieren ist in 1b eine Einstellungsschaltung 200 vorgesehen, die den Offset Ioff am Ausgangs der Schaltung im Idealfall vollständig subtrahiert.
Ein Beispiel für einen Eingangsstromverstärker 100 mit einer niederohmigen Eingangsimpedanz ist in der 2a als Schaltplan dargestellt. Weiterhin ist in 2a ein Ausführungsbeispiel einer Einstellungsschaltung 200 zur Einstellung des Offsets Ioff des Eingangsstromverstärkers 100 gezeigt. Die PMOS-Transistoren 123 und 124 bilden einen ersten Stromspiegel des Eingangsstromverstärkers 100 mit einem ersten Übersetzungsverhältnis. Der erste Stromspiegel 123, 124 ist mit der Versorgungsspannung V+ verbunden. Die NMOS-Transistoren 125 und 126 bilden einen zweiten Stromspiegel des Eingangsstromverstärkers 100 mit einem zweiten Übersetzungsverhältnis. Der zweite Stromspiegel 125, 126 ist mit Masse verbunden. Im Idealfall wären das erste Übersetzungsverhältnis und das zweite Übersetzungsverhältnis exakt gleich. Aufgrund von Prozessabweichungen in der Herstellung fallen das erste Übersetzungsverhältnis und das zweite Übersetzungsverhältnis jedoch nicht exakt gleich aus und verursachen daher den Offset Ioff. Der PMOS-Transistor 112 und der NMOS-Transistor 111, angeschlossen am Eingang 101 des Eingangsstromverstärkers 100, dienen einer Einstellung der Spannung am Eingang 101 mittels der Gate-Spannungen Vn und Vp. Beispielsweise wird die Spannung am Eingang 101 auf die halbe Betriebsspannung V+/2 mittels der Gate-Spannungen Vn und Vp eingestellt.
Der Ausgangstransistor 124 des ersten Stromspiegels ist über den PMOS-Transistor 131 mit einem Stromsummationsknoten 105 und einem Ausgang 102 des Eingangsstromverstärkers 100 verbunden. Der Ausgangstransistor 126 des zweiten Stromspiegels ist über den NMOS-Transistor 132 mit dem Stromsummationsknoten 105 und dem Ausgang 102 des Eingangsstromverstärkers 100 verbunden. Die Transistoren 131 und 132 werden durch die Gate-Spannungen Vcp und Vcn gesteuert und bewirken eine Erhöhung des Ausgangswiderstands des Eingangsstromverstärkers 100 (Kaskode-Stromspiegel).
Weiterhin ist in 2a die Einstellungsschaltung 200 dargestellt, die mit dem Eingangsstromverstärker 100 zur Einstellung und damit zur Korrektur des Offsets Ioff verbunden ist. Vorzugsweise ist die Einstellungsschaltung 200 zur Einstellung des Offsets Ioff auf ein Minimum, bevorzugt auf den Wert Null ausgebildet. Die Einstellungsschaltung 200 weist zwei Stromquellen, eine gesteuerte Stromquelle 210 und eine Konstantstromquelle 220 auf, die mit dem Ausgang 102 des Eingangsstromverstärkers 100 verbunden sind.
Die Konstantstromquelle 220 erzeugt einen Konstantstrom I2. Der Konstantstrom I2 ist betragsmäßig höher als der maximal zu erwartende Offset Ioff. Der maximal zu erwartende Offset Ioff kann beispielsweise mittels einer Simulation der Prozessabweichungen ermittelt werden. Die Konstantstromquelle 220 ist im Ausführungsbeispiel der 2a über den Anschluss 203 der Einstellungsschaltung 200 und dem Anschluss 103 des Eingangsstromverstärkers 100 an den PMOS-Ausgangstransistor 124 des ersten Stromspiegels angeschlossen. Im Anschlussknoten summieren sich der Ausgangsstrom des Ausgangstransistors 124 des ersten Stromspiegels und der Konstantstrom I2. Die Konstantstromquelle 220 ist also über den PMOS-Transistor 131 mit dem Ausgang 102 des Eingangsstromverstärkers 100 verbunden. Auch wäre es möglich die Konstantstromquelle 220 direkt an den Ausgang 102 des Eingangsverstärkers 100 anzuschließen. Im Ausführungsbeispiel der 2a weist die Konstantstromquelle 220 eine Stromquelle 224 und einen Stromspiegel aus PMOS-Transistoren 225, 226 zur Erzeugung des Konstantstroms I2 auf.
Die gesteuerte Stromquelle 210 erzeugt einen gesteuerten Strom I1 als Ausgangsstrom. Die gesteuerte Stromquelle 210 ist im Ausführungsbeispiel der 2a über den Anschluss 204 der Einstellungsschaltung 200 und über den Anschluss 104 des Eingangsstromverstärkers 100 an den NMOS-Ausgangstransistor 126 des zweiten Stromspiegels angeschlossen. Im Anschlussknoten summieren sich der Ausgangsstrom des NMOS-Ausgangstransistors 126 des zweiten Stromspiegels und der Ausgangsstrom I1 der gesteuerten Stromquelle 210. Die gesteuerte Stromquelle 210 ist also über den NMOS-Transistor 132 mit dem Ausgang 102 des Eingangsstromverstärkers 100 verbunden. Auch wäre es möglich die gesteuerte Stromquelle 210 direkt an den Ausgang 102 des Eingangsstromverstärkers 100 anzuschließen.
Die gesteuerte Stromquelle 210 weist eine Kapazität 212 auf. Eine über der Kapazität 212 abfallende Spannung Uc steuert den Ausgangsstrom I1 der gesteuerten Stromquelle 210. Im Ausführungsbeispiel der 2a ist als Element zur Spannungs-Stromwandlung ein NMOS-Transistor 213 vorgesehen. Die über der Kapazität 212 abfallende Spannung Uc liegt dabei als Gate-Source-Spannung am NMOS-Transistor 213 an. Ist die über der Kapazität 212 abfallende Spannung Uc Null, sperrt der NMOS-Transistor 213. Mit steigender Spannung Uc steigt die Gate-Source-Spannung und steuert den NMOS-Transistor 213 auf, so dass der Ausgangsstrom I1 ebenfalls steigt. Hierdurch wird eine besonders schnelle Einregelung des stationären Zustands erzielt, so dass die Zeit, in der der Eingangsstromverstärker für eine Stromverstärkung des Eingangssignals Isig nicht zur Verfügung steht, minimiert ist.
Die Konstantstromquelle 220 und die gesteuerte Stromquelle 210 sind dabei mit dem Ausgang 102 des Eingangsstromverstärkers derart verbunden, dass sich der Konstantstrom I2 und der Ausgangsstrom I1 der gesteuerten Stromquelle 210 summieren, wobei einer der beiden Ströme mit negativem Vorzeichen in die Summation eingeht. Die am Ausgang wirkende Stromrichtung des Konstantstroms und die Stromrichtung des Ausgangsstroms der gesteuerten Stromquelle sind also entgegengesetzt. Wird die technische Stromrichtung in der 2a betrachtet, fließt der Konstantstrom I2 in den Summationsknoten 105 hinein. Hingegen fließt der Ausgangsstrom I1 der gesteuerten Stromquelle 210 aus dem Summationsknoten 105 heraus, geht also negativ in die Summation ein.
Durch die in 2a dargestellte Einstellungsschaltung 200 zur Einstellung des Offsets Ioff wird dem Ausgang 102 des Eingangsstromverstärkers 100 der Konstantstrom I2 eingeprägt, der den Offset Ioff betragsmäßig übersteigt. Die Einstellungsschaltung 200 weist zudem eine erste Schaltvorrichtung S1 und eine zweite Schaltvorrichtung S2 auf. Die erste Schaltvorrichtung S1 ist dabei an den Ausgang 102 der Einstellungsschaltung 200 und an einen Eingang 219 der gesteuerten Stromquelle 210 angeschlossen. Im geschlossenen Zustand verbindet die erste Schaltvorrichtung S1 den Ausgang 102 der Einstellungsschaltung 200 mit dem Eingang 219 der gesteuerten Stromquelle 210 und bildet einen Regelkreis, wobei die gesteuert Stromquelle 210 als Regelglied dieses Regelkreises wirkt.
Zur Regelung ist die zweite Schaltvorrichtung S2 offen und trennt den Ausgang 202 der Schaltung vom Ausgang 102 der Einstellungsschaltung 200. Der Eingangssignalstrom Isig ist dabei Null. Hierdurch fließt am Ausgang 102 des Eingangsstromverstärkers 100 der resultierende Strom heraus, der sich aus der Summation des Ausgangsstroms des ersten Stromspiegels 123, 124 des Ausgangsstroms des zweiten Stromspiegels 125, 126 und des Konstantstroms I2 ergibt. Der Ausgangsstrom I1 der gesteuerten Stromquelle 210 ist aufgrund der zunächst noch entladenen Kapazität 212 gleich Null.
Durch Aufladen der Kapazität 212 durch den Ladestrom Ic wird das Gate des NMOS-Transistors 213 so gesteuert, dass der NMOS-Transistor 213 durch die Regelung den Ausgangsstrom I1 der gesteuerten Stromquelle 210 auf einen stationären Zustand regelt, so dass der Ausgangsstrom I1 gerade die Summe aus Konstantstrom I2 und Offset Ioff wieder abzieht. Dabei kann der Offset Ioff positiv oder negativ sein. Die Kapazität 212 und der NMOS-Transistor 213 bilden dabei das Regelglied des Regelkreises. Im stationären Zustand ist der Ausgangsstrom I1 gleich der (vorzeichenbehafteten) Summe aus Konstantstrom I2 und Offset Ioff. In stationären Fall fließt daher kein konstanter Strom mehr aus dem Ausgang 102 des Eingangsstromverstärkers 100, so dass auch der Ladestrom Ic gleich Null ist.
In 2b ist ein Diagramm für die Steuersignale der Schaltvorrichtungen S1, S2 und S3 der Einstellungsschaltung 200 schematisch dargestellt. Zwischen den Zeitpunkten t1 und t4 wird die zweite Schaltungsvorrichtung S2 geöffnet und trennt den Schaltungsausgang 202 von dem Ausgang 102 des Eingangsstromverstärkers 100. Vor, während oder nach dem Öffnen der zweiten Schaltvorrichtung S2 wird eine dritte Schaltvorrichtung S3 geschlossen, die im geschlossenen Zustand die Kapazität 212 kurzschließt, so dass sich die Kapazität 212 über die dritte Schaltvorrichtung S3 zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 entlädt.
Zum Zeitpunkt t5 sind sowohl die zweite Schaltvorrichtung S2 als auch die dritte Schaltvorrichtung S3 in der Schaltstellung offen ”0”. Hingegen wird die erste Schaltvorrichtung S1 zwischen den Zeitpunkten t5 und t6 in die Schaltstellung geschlossen ”1” gesteuert. Zwischen den Zeitpunkten t5 und t6 ist die Kapazität 212 über die erste Schaltvorrichtung S1 mit dem Ausgang 102 des Eingangsstromverstärkers 100 verbunden. Zwischen den Zeitpunkten t5 und t6 wird daher wie zuvor beschrieben die Kapazität 212 bis zum Erreichen des stationären Zustands geladen.
Zum Zeitpunkt t6 wird die erste Schaltvorrichtung S1 geöffnet und trennt die Kapazität 212 vom Ausgang 102 des Eingangsstromverstärkers 100 wieder. Durch die Kapazität 212, das Gate des Transistors 213 und die erste und dritte Schaltvorrichtung S1, S3 fließt dabei nur ein sehr geringer Leckstrom, so dass die Ladung der Kapazität 212 für eine längere Zeit im Wesentlichen erhalten bleibt. Die Ladung wird auf der Kapazität 212 als Speichermittel gespeichert, so dass der Ausgangsstrom I1 der gesteuerten Stromquelle 210 im Wesentlichen konstant bleibt. Zeitlich nach dem Zeitpunkt t6 wird zum Zeitpunkt t7 die zweite Schaltvorrichtung S2 geschlossen und der Ausgang des Eingangsstromverstärkers 100 mit dem Schaltungsausgang 202 verbunden. Zwischen den Zeitpunkten t6 und t7 ist somit eine Zeitdifferenz vorgesehen. Die Schaltvorrichtungen S1 und S2 werden bevorzugt nicht gleichzeitig geschlossen. Die Schaltvorrichtungen S1, S2, S3 sind vorzugsweise Halbleiterschalter beispielsweise in Form von Feldeffekttransistoren oder Transmission-Gates.
Zwischen den Zeitpunkten t8 und t9 wird ein Spannungssignal Vsig an eine Kapazität Cm eines berührungsempfindlichen Bildschirms (engl. touch screen) gesendet. Im Falle einer Berührung wird die Kapazität Cm verändert und zudem ein Signalstrom Isig erzeugt, der als Eingangsstrom über den Eingang 101 in den/aus dem Eingangsstromverstärker 100 fließt und durch den Eingangsstromverstärker 100 verstärkt wird. Eine erneute Einstellung des Ausgangsstromes I1 der gesteuerten Stromquelle 210 kann beispielsweise vor jedem oder vor einer Gruppe von Signalen mit der Signalspannung Vsig erfolgen. Vorzugsweise erfolgt die Einstellung des Ausgangsstroms I1 der gesteuerten Stromquelle 210 in einem Zeitintervall von beispielsweise 500 us. Beispielsweise erfolgt die Einstellung des Ausgangsstroms I1 der gesteuerten Stromquelle 210 periodisch. Vorteilhafterweise ist das Zeitintervall oder die Periode einstellbar.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Anwendung eines berührungsempfindlichen Bildschirms ist in der 3 als Schaltplan schematisch dargestellt. Das Ausführungsbeispiel der 3 weist ebenfalls einen Eingangsstromverstärker 100 mit niederohmiger Eingangsimpedanz auf. Der Eingangsstromverstärker 100 weist zwei Stromspiegel 121 und 122 und die vier Transistoren 111, 112, 131, 132 analog zur 2a auf. Die Konstantstromquelle 220 mit der Stromquelle 223, den NMOS-Transistoren 221 und 222 zur Ausgabe des Konstantstroms I2 ist zur Konstantstromquelle 220 der 2a entsprechend komplementär ausgebildet. Demzufolge fließt der Konstantstrom I2 entsprechend der technischen Stromrichtung in die Konstantstromquelle 220 hinein. Ebenfalls ist eine gesteuert Stromquelle 210 mit einer Kapazität 212 und einem PMOS-Transistor 211 komplementär zur gesteuerten Stromquelle 210 der 2a ausgebildet. Die Schaltvorrichtungen S1 und S3 sind entsprechend angeschlossen. Die Funktionsweise der Einstellungsschaltung 200 entspricht dabei im Wesentlichen der Funktionsweise der Einstellungsschaltung der 2a. Wenn der Regelkreis des Regelglieds der gesteuerten Stromquelle 210 mit PMOS-Transistor 211 und Kapazität 212 durch das Schließen der ersten Schaltvorrichtung S1 aktiviert ist, fließt der Strom Ic zum Laden der Kapazität 212 solange in den Ausgang 102 des Eingangsstromverstärkers 100 hinein, bis im stationären Zustand der Ausgangsstrom I1 der gesteuerten Stromquelle 210 gleich der (vorzeichenbehafteten) Summe aus Konstantstrom I2 und Offset Ioff ist.
Weiterhin ist in 3 eine Steuerungsschaltung 300 dargestellt, die eine Schnittstelle 310 zu einer Recheneinheit 400, wie beispielsweise einem Mikroprozessor aufweist. Die Steuerungsschaltung 300 ist zur Steuerung des beschriebenen zeitlichen Ablaufs ausgebildet. Die Steuerungsschaltung 300 ist eingerichtet in einem ersten Schritt den Ausgang 102 des Eingangsstromverstärkers 100 durch Öffnen der zweiten Schaltvorrichtung S2 von dem Schaltungsausgang 202 zu trennen. Hierzu sendet die Steuerungsschaltung 300 über den Ausgang 301 ein Steuersignal – beispielsweise gemäß 2b – an die zweite Schaltvorrichtung S2.
Die Steuerungsschaltung 300 ist eingerichtet, im ersten Schritt eine dritte Schaltvorrichtung S3 zu schließen, so dass die Kapazität 212 über die dritte Schaltvorrichtung S3 entladen wird. Hierzu sendet die Steuerungsschaltung 300 über den Ausgang 303 ein Steuersignal – beispielsweise gemäß 2b – an die dritte Schaltvorrichtung S3. Dieser Schritt ist optional, so kann die Regelung auch mit einer teilweise geladenen Kapazität 212 gestartet werden.
Die Steuerungsschaltung 300 ist eingerichtet, in einem zweiten Schritt die Kapazität 212 der gesteuerten Stromquelle 210 durch Schließen der ersten Schaltvorrichtung S1 mit dem Ausgang 102 des Eingangsstromverstärkers 100 zu verbinden. Hierzu sendet die Steuerungsschaltung 300 über den Ausgang 302 ein Steuersignal – beispielsweise gemäß 2b – an die erste Schaltvorrichtung S1. Nach dem zweiten Schritt wird die Kapazität 212 durch einen Ladestrom Ic geladen. Durch das Laden der Kapazität 212 wird ein Ausgangsstrom I1 der gesteuerten Stromquelle 210 erhöht bis der Ladestrom Ic ein Minimum erreicht.
Die Steuerungsschaltung 300 ist eingerichtet, in einem dritten Schritt die geladene Kapazität 212 der gesteuerten Stromquelle 210 durch Öffnen der ersten Schaltvorrichtung S1 von dem Ausgang 102 des Eingangsstromverstärkers 100 zu trennen. Die Steuerungsschaltung 300 ist weiterhin eingerichtet, in einem vierten Schritt den Ausgang 102 des Eingangsstromverstärkers 100 durch Schließen der zweiten Schaltvorrichtung S2 mit dem Schaltungsausgang 202 zu verbinden.
Die Steuerungsschaltung 300 weist für die Generierung der Signale und deren zeitlicher Abfolge eine Logik und ein Anzahl von Verzögerungsgliedern, beispielsweise zumindest zwei Verzögerungsglieder auf (in 3 nicht dargestellt). Die Verzögerungsglieder werden zur Generation der Signale Vsig von der Recheneinheit 400 über die Schnittstelle 310 getriggert.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausgestaltungsvarianten der 1 bis 3 beschränkt. Beispielsweise ist es möglich, einen anderen Eingangsstromverstärker vorzusehen. Auch ist es möglich, eine andere Spannungsstromwandlung der gesteuerten Stromquelle anstelle der Transistoren 213, 211 vorzusehen. Die Funktionalität des Schaltkreises gemäß 2a kann besonders vorteilhaft für einen berührungsempfindlichen Bildschirm (engl. touch screen) verwendet werden.
Bezugszeichenliste

100: Eingangsstromverstärker
101: Eingang, Signaleingang, Stromeingang
102: Ausgang
103, 104: Anschluss
111, 125,126, 132, 213, 221, 222: NMOS-Transistor
112, 123, 124, 131, 211, 225, 226: PMOS-Transistor
121, 122: Stromspiegel
200: Einstellungsschaltung
202: Schaltungsausgang
203, 204: Anschluss
210: gesteuerte Stromquelle
212: Kapazität
219: Eingang der Stromquelle
220: Konstantstromquelle
223, 224: Stromquelle
S1, S2, S3: Schaltvorrichtung, Halbleiterschalter
300: Steuerungsschaltung
301, 302, 303, 304, 305, 306, 307: Ausgang
310: Schnittstelle, Verbindung
400: Steuereinheit, Computer
Cm: Kapazität
Isig: Signalstrom
Io: Ausgangsstrom
Ioff: Offset-Ausgangsstrom
11,12: Strom
t: Zeit
t1, t2, t3, t4, t5, t6, t7,: Zeitpunkt
t8, t9
0, 1: Schaltstellung
V+: Versorgungsspannung
Vn, Vp, Vcn, Vcp: Spannung
Vsig: Signalspannung

Claims

Schaltung mit einem Eingangsstromverstärker (100) und einer Einstellungsschaltung (200) zur Korrektur eines Offsets (Ioff) eines Ausgangsstroms (Io) des Eingangsstromverstärkers (100), – bei der die Einstellungsschaltung (200) eine gesteuerte Stromquelle (210) aufweist, – bei der ein Ausgang (203) der gesteuerten Stromquelle (210) mit dem Eingangsstromverstärker (100) zur Einprägung eines Ausgangsstromes (I1) der gesteuerten Stromquelle (210) in den Eingangsstromverstärker (100) verbunden ist, – bei der ein Eingang (219) der gesteuerten Stromquelle (210) zur Bildung eines Regelglieds eines Regelkreises durch eine erste Schaltvorrichtung (S1) der Einstellungsschaltung (200) mit dem Ausgang (102) des Eingangsstromverstärkers (100) verbunden und zur Bildung eines Halteglieds durch die erste Schaltvorrichtung (S1) von dem Ausgang (102) des Eingangsstromverstärkers (100) getrennt ist, – bei der die als Regelglied wirkende gesteuerte Stromquelle (210) durch Bereitstellung eines Stromwertes des Ausgangsstroms (I1) zur Regelung des Offsets (Ioff) auf ein Minimum eingerichtet ist, und – bei der die als Halteglied wirkende gesteuerte Stromquelle (210) zum Halten des zum Minimum zugehörigen Stromwertes des Ausgangsstroms (I1) eingerichtet ist.
Schaltung nach Anspruch 1, – bei der die gesteuerte Stromquelle (210) eine Kapazität (212) aufweist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, – bei der die gesteuerte Stromquelle (210) durch eine Steuerspannung (Uth, Uc) steuerbar ist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – bei der die gesteuerte Stromquelle (210) einen Transistor (211, 213) aufweist, der durch eine Steuerspannung (Uth, Uc) am Steuereingang des Transistors (211, 213) den Ausgangsstrom (I1) der gesteuerten Stromquelle (210) steuert.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – bei der die gesteuerte Stromquelle (210) ein Speichermittel (212) – insbesondere die Kapazität (212) – zur Speicherung der Steuerspannung (Uc) aufweist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, – bei der die Kapazität (212) der als Regelglied wirkenden gesteuerten Stromquelle (210) mit dem Ausgang (102) des Eingangsstromverstärkers (100) mittels der ersten Schaltvorrichtung (S1) zur Ladung der Kapazität (212) bis zum Erreichen eines stationären Zustands für das Minimum des Offsets (Ioff) verbindbar ist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – bei der der Eingangsstromverstärker (100) einen ersten Stromspiegel (121) und einen zweiten Stromspiegel (122) zur Stromverstärkung aufweist, deren Ausgänge mit dem Ausgang (102) des Eingangsstromverstärkers (100) verbunden sind.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – bei der der Eingangsstromverstärker (100) einen mit dem Ausgang (102) des Eingangsstromverstärkers (100) verbundenen Stromsummationsknoten (105) aufweist, in dem sich ein Konstantstrom (I2) einer Konstantstromquelle (220) und ein Ausgangsstrom (I1) der gesteuerten Stromquelle (210) summieren, wobei der Konstantstrom (I2) der Konstantstromquelle (220) oder der Ausgangsstrom (I1) der gesteuerten Stromquelle (210) mit negativem Vorzeichen in die Summation eingehen.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – bei der die Einstellungsschaltung (200) eine zweite Schaltvorrichtung (S2) aufweist, die über einen Eingang (201) der Einstellungsschaltung (200) an den Ausgang (102) des Eingangsstromverstärkers (100) und die an den Schaltungsausgang (202) angeschlossen ist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – bei der die Einstellungsschaltung (200) eine dritte Schaltvorrichtung (S3) aufweist, die an die Kapazität (212) angeschlossen und zur Entladung der Kapazität (212) im geschlossenen Zustand ausgebildet ist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – mit einer Steuerungsschaltung (300), – bei der die Steuerungsschaltung (300) zur Steuerung der ersten Schaltvorrichtung (S1) mit einem ersten Steueranschluss der ersten Schaltvorrichtung (S1) verbunden ist und/oder – bei der die Steuerungsschaltung (300) zur Steuerung der zweiten Schaltvorrichtung (S2) mit einem zweiten Steueranschluss der zweiten Schaltvorrichtung (S2) verbunden ist und/oder – bei der die Steuerungsschaltung (300) zur Steuerung der dritten Schaltvorrichtung (S3) mit einem dritten Steueranschluss der dritten Schaltvorrichtung (S3) verbunden ist.
Schaltung nach Anspruch 11, bei der die Steuerungsschaltung (300) eingerichtet ist – in einem ersten Schritt den Ausgang (102) des Eingangsstromverstärkers (100) durch Öffnen der zweiten Schaltvorrichtung (S2) von dem Schaltungsausgang (202) zu trennen, – in einem zweiten Schritt die Kapazität (212) der gesteuerten Stromquelle (210) durch Schließen der ersten Schaltvorrichtung (S1) mit dem Ausgang (102) des Eingangsstromverstärkers (100) zu verbinden, wobei nach dem zweiten Schritt die Kapazität (212) durch einen Ladestrom (Ic) geladen wird und durch das Laden der Kapazität (212) ein Ausgangsstrom (I1) der gesteuerten Stromquelle (210) erhöht wird bis der Ladestrom (Ic) ein Minimum erreicht, – in einem dritten Schritt die geladene Kapazität (212) der gesteuerten Stromquelle (210) durch Öffnen der ersten Schaltvorrichtung (S1) von dem Ausgang (102) des Eingangsstromverstärkers (100) zu trennen, und – in einem vierten Schritt den Ausgang (102) des Eingangsstromverstärkers (100) durch Schließen der zweiten Schaltvorrichtung (S2) mit dem Schaltungsausgang (202) zu verbinden.
Verfahren zur Korrektur eines Offsets (Ioff) eines Ausgangsstroms (Ic) eines Eingangsstromverstärkers (100) einer Schaltung, – bei dem eine gesteuerte Stromquelle (210) zur Bildung eines Regelglieds eines Regelkreises durch eine erste Schaltvorrichtung (S1) mit einem Ausgang (102) des Eingangsstromverstärkers (100) verbunden wird, – bei dem durch Bereitstellung eines Stromwertes des Ausgangsstroms (I1) der als Regelglied wirkenden gesteuerten Stromquelle (210) der Offset (Ioff) auf ein Minimum geregelt wird, wenn ein Eingangssignal (Isig) des Eingangsstromverstärkers (100) einen konstanten Wert aufweist, – bei dem die gesteuerte Stromquelle (210) zur Bildung eines Halteglieds mit dem zum Minimum zugehörigen Stromwert des Ausgangsstroms (I1) durch die erste Schaltvorrichtung (S1) vom Ausgang (102) des Eingangsstromverstärkers (100) getrennt wird.