-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Offsetkompensation eines Switched Capacitor-Verstärkers und eine Switched Capacitor-Verstärkeranordnung.
-
Switched Capacitor-Verstärker oder Verstärker nach dem Prinzip geschalteter Kapazitäten basieren auf dem Prinzip in verschiedenen Phasen mittels geeigneter Schalter unterschiedliche Pfade wie Schleifenführungen auf den Verstärker zu schalten und dabei im Wechsel Kapazitäten aufzuladen und wiederum gespeicherte Ladungen bereitzustellen. Auf diese Weise wird eine zeitdiskrete Signalverarbeitung möglich, die eine Vielzahl von Anwendungen beispielsweise in Analog/Digital-Wandlern und Sigma-Delta-Modulatoren findet.
-
Viele Anwendungen dieser Verstärker erfordern eine hohe Linearität bei gleichzeitig kleiner Offsetspannung. Diesem Erfordernis kann meist nur nachgekommen werden, indem hohe Verstärkungsfaktoren, wie sie beispielsweise Operationsverstärker aufweisen, verwendet und entsprechende Schaltungen zur Offsetkompensation vorgesehen werden. Ist jedoch zusätzlich auch gefordert, dass der Verstärker mit einer Spitze-Spitze-Aussteuerung (rail-to-rail) betrieben werden soll, so sind in der Regel mehrstufige Verstärker vonnöten.
-
Das Anforderungsprofil an Switched Capacitor-Verstärker stellt wiederum hohe Ansprüche an die Stabilität der Verstärkerschaltung. Als zentrales Kriterium bei Schaltungen mit Schleifenrückführung (feedback) ist dabei zu nennen, dass bei Einheitsverstärkung (unity gain) eine ausreichende Phasenreserve (phase margin) verbleibt, so dass insgesamt die Phase stets kleiner als –180° ist. Jegliche Maßnahme, die zu einer verbesserten Stabilität von Switched Capacitor-Verstärkern beiträgt, ist somit wünschenswert.
-
US 4,543,534 zeigt einen Switched Capacitor-Verstärker mit Offsetkompensation. Der Verstärker wird in zwei Phasen betrieben, wobei der Signaleingang alternativ abgefragt oder geblockt wird. Die Offsetkompensation erfolgt mit unterschiedlichen Kapazitäten.
-
Die Schrift
US 5,796,300 zeigt ebenfalls einen Switched Capacitor-Verstärker mit Offsetkompensation. Hier wird insbesondere ein Schaltkreis vorgeschlagen, der den Einfluss von Störladungen auf den Offset eines Verstärkers reduziert.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Switched Capacitor-Verstärker und ein Verfahren zur Offset Kompensation eines Switched Capacitor-Verstärkers bereitzustellen, welches verbesserte Stabilitätseigenschaften aufweist.
-
Die Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Patentanspruchs 1 und des Patentanspruchs 8 gelöst. Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Offsetkompensation eines Switched Capacitor-Verstärkers eine Resetphase und wenigstens eine Arbeitsphase. In der Resetphase wird in Abhängigkeit einer Offsetspannung eine Ausgangsspannung des Verstärkers gemäß einer gedämpften Schleifenverstärkung auf einen Eingang des Verstärkers geführt. In der wenigstens einen Arbeitsphase wird in Abhängigkeit der Offsetspannung ein Offset des Verstärkers kompensiert, indem entsprechend einer Schleifenverstärkung die Ausgangsspannung einer Eingangsspannung des Verstärkers überlagert wird.
-
Im Folgenden sei mit Schleifenverstärkung das Produkt aus Leerlaufverstärkung und Schleifenfaktor bezeichnet. Der Schleifenfaktor charakterisiert dabei die Verstärkung der Rückkopplungschleife eines Verstärkers.
-
Mit Hilfe der gedämpften Schleifenverstärkung lassen sich die Stabilitätskriterien für den Verstärker insgesamt einfacher erfüllen. Im Allgemeinen gilt, dass mit kleiner werdender Schleifenverstärkung die Stabilität des Verstärkers erhöht wird. Insbesondere ist es dabei vorteilhaft, dass in der Resetphase die gedämpfte Schleifenverstärkung so eingestellt sein kann, dass der Verstärker in dieser Resetphase das Stabilitätskriterium nicht bei Einheitsverstärkung (unity gain) erfüllen muss. Aufgrund dessen bleibt der Switched Capacitor-Verstärker stabil. Das Stabilitätskriterium ist vielmehr erfüllt, wenn bei Schleifenverstärkung mit Betrag eins ein ausreichender Phasenrand oder eine Phasendrehung kleiner 180° verbleibt. Dieses Kriterium lässt sich mittels der gedämpften Schleifenverstärkung erfüllen.
-
Mit Hilfe des Verfahrens zur Offsetkompensation ist es möglich, einen Switched Capacitor-Verstärker mit verminderten Stabilitätsanforderungen beispielsweise mit einem Operationsverstärker zu betreiben und so bei Integration auf einem integrierten Schaltkreis sowohl Fläche einzusparen, als auch einen vorteilhaften Stromverbrauch bereitzustellen. Durch die Offsetkompensation wird es ferner möglich, ein verbessertes Rauschverhalten zu erreichen, was insbesondere für mehrstufige Verstärker von Vorteil ist. Mit dem vorgestellten Verfahren ist es möglich, Rauschen in einer Ausgangsstufe des Verstärkers während der Resetphase zu reduzieren. Dies hat wiederum einen signifikanten Einfluss auf das Rauschverhalten eines Gesamtschaltkreises, in dem der Verstärker beispielsweise betrieben wird.
-
In einer weiteren Ausführungsform wird in der Resetphase die gedämpfte Schleifenverstärkung mittels Dämpfung der Schleifenverstärkung eingestellt.
-
Mittels der Dämpfung der Schleifenverstärkung wird erreicht, dass auch während der Resetphase eine Schleifenverstärkung eingestellt ist, die die Gesamtstabilität des Verstärkers vorteilhaft beeinflusst. Dabei wird die Verstärkung entsprechend so gewählt, dass sich die Schleifenverstärkung des Verstärkers insgesamt verringert und der Switched Capacitor-Verstärker somit stabil betrieben werden kann. Aufgrund der Verstärkung während der Resetphase ist der Verstärker in dieser Phase stabil, wenn auch bei gedämpfter Schleifenverstärkung mit Betrag eins ein ausreichender Phasenrand eingestellt ist. So ist es selbst dann möglich, wenn bei Einheitsverstärkung (unity gain) das Phasenkriterium von –180° nicht erfüllt ist.
-
In einer weiteren Ausführungsform wird mittels der gedämpften Schleifenverstärkung wenigstens ein Pol einer Übertragungsfunktion des Verstärkers in seiner Frequenz verschoben. Dies äußert sich beispielsweise darin, dass die Frequenz des Pols relativ zur Signalbandbreite der Resetphase verschoben wird.
-
Mit Hilfe der gedämpften Schleifenverstärkung ist es weiterhin vorteilhafterweise möglich, den Pol der entsprechenden Übertragungsfunktion des Verstärkers in seiner Frequenz so zu verschieben, dass ein entsprechendes Stabilitätskriterium für den Betrieb des gesamten Verstärkers erfüllt ist. Dabei ist die Frequenzlage des Pols ebenfalls ein Kriterium, um die Stabilität einer Verstärkerschaltung zu beurteilen.
-
Das Verfahren stellt mittels der gedämpften Schleifenverstärkung einen Parameter zur Verfügung, der es erlaubt, den Pol (oder weitere Pole) außerhalb der Bandbreite der Resetphase zu halten. Auf diese Weise wird zusätzlich erreicht, dass der Verstärker bei Einheitsverstärkung unter Umständen das Stabilitätskriterium nicht erfüllt, dennoch aber stabil betrieben werden kann.
-
In einer weiteren Ausführungsform wird die gedämpfte Schleifenverstärkung mittels Umschalten zwischen einer ersten und einer zweiten Feedbackschleife eingestellt.
-
Durch Verwendung und Umschalten zwischen der ersten und einer zweiten Feedbackschleife ist es möglich, die zwei unterschiedlichen Schleifenverstärkungen in den jeweiligen Phasen zu verwenden. So kann beispielsweise in der wenigstens einen Arbeitsphase eine geeignete Bandbreite benutzt werden und in der Resetphase eine andere. Die Wahl und Einstellung erfolgt dabei unter Maßgabe der jeweiligen konkreten Anwendung.
-
In einer weiteren Ausführungsform wird die gedämpfte Schleifenverstärkung in Abhängigkeit eines Quotienten aus Widerstandswerten eingestellt.
-
Vorteilhafterweise ist es möglich, mittels Widerstandselementen beispielsweise eines Spannungsteilers die Dämpfung der Schleifenverstärkung einzustellen. So ist es auf einfache Art und Weise möglich, ein Stabilitätskriterium entsprechend einzustellen indem Spannungen in der Rückführung verändert werden.
-
In einer weiteren Ausführungsform wird in der Resetphase die Offsetspannung mittels eines Ladungsspeichers gepuffert und in der wenigstens einen Arbeitsphase zur Offsetkompensation zur Eingangsspannung geschaltet.
-
Switched Capacitor-Verstärker verfügen über Kapazitäten, die wichtige Elemente ihrer Funktion darstellen. Solche Kapazitäten lassen sich vorteilhaft nutzen, während einzelner Phasen (hier die Resetphase) Kompensationsspannungen wie die Offset-Spannung zu speichern und in einer weiteren Phase (hier die wenigstens eine Arbeitsphase) zur Offset-Kompensation zu verwenden. Auf diese Weise ist es möglich, herstellungs- und durch das Funktionsprinzip bedingte Toleranzen des Verstärkers auszugleichen und so einen präzisen Betrieb des Verstärkers zu ermöglichen.
-
In einer weiteren Ausführungsform wird die Schleifenverstärkung in Abhängigkeit eines Quotienten aus Kapazitätswerten des Ladungsspeichers eingestellt.
-
Der Quotient aus Kapazitätswerten ist der Bandbreite des Verstärkers und damit auch der Schleifenverstärkung proportional. Auf diese Weise hat der Quotient einen direkten Einfluss auf die Stabilität der Verstärkerschaltung.
-
In einer weiteren Ausführungsform folgen die Resetphase die wenigstens eine Arbeitsphase im zeitlichen Wechsel aufeinander.
-
In einer Ausführungsform umfasst eine Switched Capacitor-Verstärkeranordnung einen Eingang und einen Ausgang. Ein Verstärker ist mittels eines ersten Verstärkereingangs und einer Offsetkompensationseinrichtung mit dem Eingang gekoppelt, wobei an dessen zweiten Verstärkereingang eine Offsetspannung zuführbar ist oder eingezeichnet werden kann, und der Verstärker einen Verstärkerausgang aufweist, der wiederum mit dem Ausgang verbunden ist. Eine Feedbackschleife wird in einer Resetphase oder in wenigstens einer Arbeitsphase geschaltet. Dabei ist in der Resetphase der Verstärkerausgang mittels erster Schalter und einem Dämpfungsglied mit der Offsetkompensationseinrichtung elektrisch leitend gekoppelt. Mittels zweiter Schalter wird in der wenigstens einen Arbeitsphase der Verstärkerausgang direkt mit der Offsetkompensationseinrichtung elektrisch gekoppelt, wobei ebenfalls mittels zweiter Schalter der Eingang mit der Offsetkompensationseinrichtung gekoppelt ist.
-
Die ersten und zweiten Schalter werden entsprechend der Resetphase oder der wenigstens einen Arbeitsphase geschaltet. In der Resetphase sind jeweils die ersten Schalter elektrisch verbindend, während synchron dazu alle der zweiten Schalter offen sind. Dadurch wird zunächst die am zweiten Verstärkereingang anliegende Offsetspannung über den Verstärkerausgang mittels der Feedbackschleife der Offsetkompensationseinrichtung zugeführt. Dies geschieht dadurch, dass die Ausgangsspannung, die von der Offsetspannung abhängig ist, einem Dämpfungsglied zugeführt wird. Auf diese Weise ist auch eine entsprechende Schleifenverstärkung in dieser Phase gegenüber einer entsprechenden Schleifenverstärkung in der Arbeitsphase gedämpft. Die Offsetspannung wird in der Offsetkompensationseinrichtung gespeichert und steht in anderen Phasen zur Verfügung.
-
Bevorzugt unmittelbar zeitlich aufeinanderfolgend schalten die zweiten Schalter in die wenigstens eine Arbeitsphase. Ein Umschalten erfolgt in der Regel so, dass alle der ersten Schalter offen geschaltet werden, bevor die zweiten Schalter elektrisch leitend sind. In der somit folgenden wenigstens einen Arbeitsphase steht nunmehr die in der Offsetkompensationseinrichtung gespeicherte Spannung zur Offsetkompensation am ersten Verstärkereingang zur Verfügung. Zur selben Zeit wird eine Eingangsspannung an diesem ersten Verstärkereingang angelegt. Durch Überlagerung dieser beiden Spannungen wird ein Offset kompensiert. Da die ersten Schalter offen geschaltet sind, ist auch das Dämpfungsglied nicht in der Feedbackschleife integriert. Eine entsprechende Schleifenverstärkung stellt sich somit gegenüber einer gedämpften Schleifenverstärkung in der Resetphase ein.
-
Vorteilhafterweise lässt sich mittels der gedämpften Schleifenverstärkung in der Resetphase der Verstärkeranordnung ein vorteilhaftes Stabilitätskriterium umsetzen. Insbesondere lässt sich so für die Resetphase erreichen, dass die Stabilität des Verstärkers in dieser Phase nicht durch eine Einheitsverstärkung und entsprechender Phasenreserve beschränkt ist. Der Verstärker kann somit in der Resetphase bei Einheitsverstärkung auch instabil betrieben werden.
-
Aufgrund dieser verbesserten Stabilitätskriterien lässt sich die Verstärkeranordnung platzsparend und stromsparend integrieren. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass aufgrund der gleichzeitig stattfindenden Offsetkompensation ein verbessertes Rauschverhalten ermöglicht wird, wie es insbesondere für mehrstufige Verstärkerstufen vorteilhaft ist. In der vorgeschlagenen Verstärkeranordnung ist zudem das Rauschen in der Ausgangsstufe während der Resetphase reduziert. Dies hat einen signifikanten Einfluss auf das Rauschverhalten jedes Schaltkreises, in dem die Verstärkeranordnung integriert wird.
-
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Dämpfungsglied einen Spannungsteiler, der mittels zweier erster Schalter zum einen mit dem Verstärkerausgang und zum anderen mit der Offsetkompensationseinrichtung gekoppelt ist. Der Spannungsteiler ist ferner dazu eingerichtet, eine Schleifenverstärkung der Feedbackschleife einzustellen.
-
Vorteilhafterweise lässt sich der Spannungsteiler mit einfachen und integrierbaren Bauteilen realisieren. Die Dämpfung wird auf diese Weise erzielt, indem Spannungen am ersten Verstärkereingang gedämpft beziehungsweise vom Betrage her reduziert werden.
-
In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Spannungsteiler einen ersten und zweiten Widerstand.
-
Ein Quotient aus Widerstandswerten des ersten und zweiten Widerstands ist der Schleifenverstärkung proportional. Dabei kann der Quotient je nach Anwendung gewählt und angepasst werden. Des Weiteren kann mittels des Quotienten eine Bandbreite während der Resetphase und damit auch die Schleifenverstärkung eingestellt werden. Der Quotient aus Widerstandswerten bestimmt dabei einen Feedbackfaktor, der wiederum multiplikativ in die Schleifenverstärkung eingeht.
-
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Offsetkompensationseinrichtung einen Ladungsspeicher.
-
Dieser wird während der Resetphase mit der Offsetspannung aufgeladen, die dann in der wenigstens einen Arbeitsphase zur Offsetkompensation bereitsteht.
-
In einer weiteren Ausführungsform weist der Ladungsspeicher einen miteinander gekoppelten ersten und zweiten Kondensator auf, deren einander zugewandte Elektroden mit dem ersten Verstärkereingang und deren voneinander abgewandten Elektroden mittels erster Schalter an ein Referenzpotential vorzugsweise Masse angeschlossen sind.
-
In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Verstärker einen Operationsverstärker.
-
Der Operationsverstärker erlaubt hohe Verstärkungsfaktoren und trägt somit zu einer geringeren Fehleranfälligkeit der Verstärkeranordnung bei. Zudem wird das Rauschverhalten positiv beeinflusst.
-
In einer weiteren Ausführungsform umfassen die ersten und zweiten Schalter jeweils Transistoren.
-
Transistoren als Schalter vereinfachen die Integration der Verstärkeranordnung in einem integrierten Schaltkreis.
-
Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand von Figuren näher erläutert. Soweit sich Schaltungsteile oder Bauelemente in ihrer Funktion entsprechen, wird deren Beschreibung nicht in jeder der folgenden Figuren wiederholt.
-
Es zeigen:
-
1A eine beispielhafte Ausführungsform eines Switched Capacitor-Verstärkers nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
-
1B eine beispielhafte Zeitfolge von Resetphase und Arbeitsphase eines Switched Capacitor-Verstärkers nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
-
2A ein Bodediagramm eines Switched Capacitor-Verstärkers ohne Dämpfung der Schleifenverstärkung während der Resetphase nach dem vorgeschlagenen Prinzip, und
-
2B ein Bodediagramm eines Switched Capacitor-Verstärkers mit Dämpfung nach dem vorgeschlagenen Prinzip.
-
1A zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines Switched Capacitor-Verstärkers nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Der Switched Capacitor-Verstärker umfasst dabei einen Verstärker amp mit einem ersten und zweiten Verstärkereingang ain1, ain2 und einem Verstärkerausgang aout, sowie ferner ein Dämpfungsglied D, eine Offsetkompensationseinrichtung Off sowie erste und zweite Schalter sw1, sw2.
-
Ein Eingang Vin des Switched Capacitor-Verstärkers ist über einen der zweiten Schalter sw2 und eine Kapazität C1 der Offsetkompensationseinrichtung Off mit dem ersten Verstärkereingang ain1 gekoppelt. Die erste Kapazität C1 ist zudem mittels einem der ersten Schalter sw1 an ein Referenzpotential, vorzugsweise Masse, angeschlossen. Am zweiten Verstärkereingang ain2 des Verstärkers amp liegt zudem eine Offset-Spannung Voff an, die als Ersatzschaltung der real auftretenden Offsetspannung des Verstärkers amp dient. Der Verstärkerausgang aout ist mit dem Ausgang Vout des Switched Capacitor-Verstärkers verbunden.
-
Eine erste Feedbackschleife führt den Verstärkerausgang aout über einen der ersten Schalter sw1 und das Dämpfungsglied D, welches einen Spannungsteiler R1, R2 umfasst, und über einen weiteren der ersten Schalter sw1 auf den ersten Verstärkereingang ain1 zurück.
-
Eine zweite Feedbackschleife führt den Verstärkerausgang aout über einen der zweiten Schalter sw2, der zudem mittels einem der ersten Schalter sw1 an das Referenzpotential, vorzugsweise Masse, gekoppelt ist, über eine zweite Kapazität C2 der Offsetkompensationseinrichtung Off auf den ersten Verstärkereingang ain1 zurück.
-
Der Switched Capacitor-Verstärker wird in einer Resetphase φ1 und wenigstens eine Arbeitsphase φ2 betrieben. Die ersten und zweiten Schalter sw1, sw2 schalten dabei synchron und komplementär, d. h. es sind entweder die ersten oder die zweiten Schalter sw1, sw2 elektrisch leitend geschaltet oder die jeweils anderen ersten oder zweiten Schalter sw1, sw2 offen und umgekehrt. Bevorzugt sind die Schalter sw1, sw2 dabei als Transistoren ausgebildet, um eine einfache Integration der Verstärkerschaltung auf einem integrierten Schaltkreis zu ermöglichen.
-
In der Resetphase φ1 liegt die Offsetspannung Voff am zweiten Verstärkereingang ain2 an. Eine entsprechende Ausgangsspannung wird am Verstärkerausgang aout bereitgestellt und über das Dämpfungsglied D beziehungsweise den Spannungsteiler mit Widerständen R1, R2 an die Kapazitäten C1, C2 übergeben. Die auf diese Weise gespeicherte Spannung entspricht der Offsetspannung. Die erste und zweite Kapazität C1, C2 ist mittels erster Schalter sw1 gegen das Referenzpotential (bevorzugt Masse) geschaltet und speichert so die Offsetspannung Voff.
-
In der zeitlich auf die Resetphase φ1 folgenden wenigstens einen Arbeitsphase φ2 wird eine am Eingang Vin des Switched Capacitor-Verstärkers anliegende Eingangsspannung auf den ersten Verstärkereingang ain1 gegeben und zudem die gespeicherte Offsetspannung Voff auf diesen Eingang ain1 negativ überlagert. Auf diese Weise wird eine Offsetkompensation realisiert, die einem Autozeroing ähnlich ist.
-
1B zeigt eine beispielhafte Zeitfolge der Resetphase φ1 und wenigstens einer Arbeitsphase φ2. Dabei ist zu erkennen, dass bevorzugt die Resetphase φ1 und die wenigstens eine Arbeitsphase φ2 zwar zeitlich aufeinanderfolgen, dass es jedoch einen kurzen Zeitraum gibt, in der beide Phasen beziehungsweise die ersten und zweiten Schalter sw1, sw2 nicht gleichzeitig elektrisch leitend geschaltet sind. Dies vermeidet eventuelle Kurzschlüsse.
-
Ein Aspekt der Verstärkerschaltung gemäß 1A und dem Zeitablauf nach 1B ist, dass die Resetphase φ1 und wenigstens eine Arbeitsphase φ2 unterschiedliche Schleifenverstärkungen aufweisen. Diese beeinflussen die Stabilität der Gesamtschaltung und werden durch das Dämpfungsglied D bzw. den Spannungsteiler R1, R2 eingestellt.
-
In der Resetphase φ1 und der Arbeitsphase φ2 bestimmen jeweils Stabilitätskriterien, ob die Switched Capacitor-Verstärkerschaltung stabil ist. Als zentrale Größen dabei können jeweils für beide Phasen φ1, φ2 Schleifenverstärkungen AB (feedback loop gain) definiert werden. Diese setzen sich aus zwei Faktoren zusammen: a) Leerlaufverstärkung der offenen Schleife A (open loop gain) und b) Schleifenfaktor B (feedback factor). Die Verstärkung G der geschlossenen Schleife (closed loop gain) ergibt sich dabei zu
mit V
out: Ausgangsspannung, V
in: Eingangsspannung, A: Verstärkung der offenen Schleife, B: Schleifenfaktor. Für große Verstärkungen A gilt in guter Näherung G = B
–1.
-
Als Stabilitätskriterium für jede der Phasen φ1, φ2 gilt: |A·B| = 1 und Phasendrehung < 180°, d. h. bei Schleifenverstärkung mit Betrag eins ist die Phasendrehung der Rückführung kleiner als 180° zu halten, um eine stabile Verstärkerschaltung zu erhalten.
-
2A zeigt dazu ein Bodediagramm eines Switched Capacitor-Verstärkers nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Gezeigt ist der Spezialfall, dass für die Widerstandswerte R1, R2 des Spannungsteilers: R1 = 0 und R2 → ∞.
-
Aufgetragen ist die Schleifenverstärkung AB(1) der Resetphase φ1 bzw. AB(2) der Arbeitsphase φ2 als Funktion der Frequenz f. Zudem sind die Leerlaufverstärkung Aebenfalls als Funktion der Frequenz f eingetragen. Dabei ist die Frequenzachse f definiert durch eine Leerlaufverstärkung von A = 1.
-
Eine weitere Bestimmungsgröße, die Aussagen über die Stabilität einer Verstärkerschaltung mit Rückkopplung erlaubt, ist ein sogenannter erster und zweiter Pol P1, P2 der Übertragungsfunktion der Schaltung. Allgemein beschreibt eine Übertragungsfunktion die Abhängigkeit des Ausgangssignals eines Systems von dessen Eingangssignal. Der zweite Pol P2 der vorliegenden Schaltung ist beispielsweise bei der Frequenz f3 zu finden. Dabei weist der zweite Pol P2 einen gewissen Abstand (gain margin) zur Frequenzachse f (unity gain) auf. Dies stellt ebenfalls ein Kriterium zur Beurteilung der Stabilität der Schaltung dar.
-
In der Resetphase φ1 ergibt sich eine Schleifenverstärkung AB(1), wie sie in 2A mit dem schraffierten Bereich bezeichnet ist. Die Bandbreite in der Resetphase φ1 ist dabei durch die Frequenz f1 begrenzt und befindet sich relativ nahe am zweiten Pol P2. Grundsätzlich gilt, dass die Frequenz f3 des zweiten Pols P2, den Stromverbrauch des Verstärkers beeinflusst. Je höher die Frequenz f3 liegt, desto höher auch der Stromverbrauch.
-
In Abhängigkeit der Kapazitäten C1 und C2 ergibt sich eine Schleifenverstärkung AB(2) der Arbeitsphase φ2. Deren Bandbreite ist durch die Frequenz f2 bestimmt und hängt ab von dem Verhältnis aus Kapazitäten C1, C2: f1 ∝ 1 + C1 / C2.
-
Mit anderen Worten unterstützen die Ladungsträger C1, C2 des Switched Capacitor-Verstärkers einen stabilen Betrieb in der wenigstens einen Arbeitsphase φ2.
-
2B zeigt ein Bodediagramm für einen Switched Capacitor-Verstärker nach dem vorgeschlagenen Prinzip mit einer gedämpften Schleifenverstärkung AB(1) in der Resetphase φ1.
-
Mit Hilfe des Dämpfungsgliedes D bzw. des Spannungsteilers R1, R2 lässt sich eine gedämpfte Schleifenverstärkung AB(1) einstellen. Dabei gilt für die Widerstandswerte des Spannungsteilers R1/R2 > 0. Diese Dämpfung äußert sich in der Resetphase φ1 in mehren Punkten, die zu einer erhöhten Stabilität in dieser Phase beitragen.
-
Zum einen verringert sich die Bandbreite in der Resetphase φ1 von der Frequenz f1 auf f1'. Dies ermöglicht, den zweiten Pol P2 des Verstärkers auf eine tiefere Frequenz f3' zu dimensionieren. Der zweite Pol P2 hat in der Reset- wie auch in der Arbeitsphase φ1, φ2 denselben Abstand zur Signalbandbreite der Resetphase φ1, denn es gilt: f3 / f2 = f3' / f1'
-
Da zudem f3' > f3 gilt, lässt sich der Verstärker mit erheblich geringerem Stromverbrauch betreiben.
-
Des Weiteren kann, wie in der 2B gezeigt, der zweite Pol P2 über der durch die Einheitsverstärkung (unity gain) markierten Grenze liegen. Mittels der gedämpften Schleifenverstärkung AB(1) ist die Schaltung trotz allem stabil, weil die Schleifenverstärkung AB(1) der Resetphase φ1 nach unten begrenzt ist. Diese Begrenzung ergibt sich aus den Widerstandswerten R1, R2. Es gilt: f1' ∝ 1 + R1 / R2.
-
Insgesamt sind damit die Stabilitätskriterien des Switched Capacitor-Verstärkers einfacher zu implementieren. So kann beispielsweise bei Integration auf einem integrierten Schaltkreis Fläche eingespart und auch ein geringerer Stromverbrauch erzielt werden. Durch die Offsetkompensation wird es ferner möglich, ein verbessertes Rauschverhalten zu erreichen, was insbesondere für mehrstufige Verstärker von Vorteil ist. Mit den vorgestellten Überlegungen ist es zudem möglich, Rauschen in einer Ausgangsstufe des Verstärkers schon während der Resetphase φ1 zu reduzieren. Dies hat wiederum einen signifikanten Einfluss auf das Rauschverhalten jedes Gesamtschaltkreises, in den der Verstärker Verwendung findet.
-
Bezugszeichenliste
-
-
- A
- Verstärkung der offenen Schleife (open loop gain)
- AB
- Schleifenverstärkung
- AB(1)
- Schleifenverstärkung Resetphase
- AB(2)
- Schleifenverstärkung Arbeitsphase
- amp
- Verstärker
- ain1
- erster Verstärkereingang
- ain2
- zweiter Verstärkereingang
- aout
- Verstärkeraungang
- B
- Schleifenfaktor
- C1
- erste Kapazität
- C2
- zweite Kapazität
- D
- Dämpfungsglied
- f
- Frequenz
- f1
- Frequenz
- f1'
- Frequenz
- f2
- Frequenz
- f3
- Frequenz
- f3'
- Frequenz
- G
- Verstärkung der geschlossenen Schleife (closed loop gain)
- Off
- Offsetkompensationseinrichtung
- on
- Phase an
- off
- Phase aus
- φ1
- Resetphase
- φ2
- Arbeitsphase
- R1
- Widerstand
- R2
- Widerstand
- sw1
- erster Schalter
- sw2
- zweiter Schalter
- t
- Zeit
- Vin
- Eingang
- Voff
- Offsetspannung
- Vout
- Ausgang
