DE102015101741A1

DE102015101741A1 - Verstärker mit Offset-Kompensation

Info

Publication number: DE102015101741A1
Application number: DE102015101741.5A
Authority: DE
Inventors: Fazil Ahmad; Gavin P. Cosgrave
Original assignee: Analog Devices Global ULC
Current assignee: Analog Devices International ULC
Priority date: 2014-02-14
Filing date: 2015-02-06
Publication date: 2015-08-20
Anticipated expiration: 2035-02-07
Also published as: DE102015101741B4

Abstract

Aspekte dieser Offenbarung betreffen die Kompensation eines relativ großen Offsets in einem von einem Sensor, wie beispielsweise einem Drucksensor und/oder einem Widerstandsbrücken-basierten Sensor, erzeugten Signal. Eine derartige Offset-Kompensation kann das Anlegen eines Offset-Korrektursignals, welches durch eine auslegbare Spannungsreferenz erzeugt wird, wie beispielsweise einen Spannungsmodus-Digital-Analog-Wandler (Digital-to-Analog Converter, DAC), an einen Eingang eines Verstärkers in einem Instrumentenverstärker umfassen, um das Offset des durch den Sensor erzeugten Signals zu kompensieren.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldung
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität von der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/940,204, eingereicht am 14. Februar 2014, mit dem Titel „AMPLIFIER WITH OFFSET COMPENSATION“ (Verstärker mit Offset-Kompensation) und der US-Patentanmeldung 14/321,426, eingereicht am 1. Juli 2014, mit dem Titel „AMPLIFIER WITH OFFSET COMPENSATION“ (Verstärker mit Offset-Kompensation).
Technisches Gebiet
Die offenbarte Technologie betrifft Elektronik und insbesondere die Kompensation von Offsets.
Beschreibung der verwandten Technologie
Bestimmte Sensoren erzeugen ein Ausgangssignal, welches eine Offset-Komponente aufweist, die relativ zu einer Signalkomponente groß ist. Eine solch relativ große Offset-Komponente kann eine Größe aufweisen, welche ein Vielfaches, wie beispielsweise in der Größenordnung von etwa 10-mal bis etwa 100-mal, einer Größe der entsprechenden Signalkomponente, ist. Beispielsweise können einige Drucksensoren ein Ausgangssignal mit einer Empfindlichkeit von etwa 60 Millivolt pro Volt (mV/V)-Offset-Komponente und etwa 1 mV/V-Signalkomponente erzeugen, wobei die Empfindlichkeit die erwartete Vollskalenänderung in Ausgangsspannung gegenüber einer Anregungsspannung bzw. Versorgungsspannung für den Sensor repräsentiert. In diesem Beispiel kann die Offset-Komponente den Großteil des Dynamikbereichs eines Verstärkers verbrauchen, welcher das Sensorausgangssignal verstärkt. Dementsprechend kann der Verstärker gesättigt sein. Um eine Sättigung zu vermeiden, kann eine niedrigere Verstärkungseinstellung des Verstärkers implementiert werden. Jedoch kann die niedrigere Verstärkungseinstellung das Signal-Rausch-Verhältnis (Signal-to-Noise, SNR) bei bestimmten Anwendungen reduzieren. Darüber hinaus könnte ein Analog-Digital-Wandler (Analog-to-Digital Converter, ADC) mit relativ hoher Auflösung, welcher teuer zu implementieren sein kann, anderweitig mit der niedrigeren Verstärkungseinstellung bei bestimmten Anwendungen erforderlich sein. Idealerweise würde die Signalkomponente des Sensorausgangssignals den gesamten Dynamikbereich des Verstärkers besetzen und das Offset wäre null.
Dementsprechend besteht ein großer Bedarf an Sensor-Offset-Unterdrückung.
KURZFASSUNG BESTIMMTER ERFINDERISCHER ASPEKTE
Ein Aspekt dieser Offenbarung ist eine Vorrichtung, welche einen Instrumentenverstärker und eine auslegbare Spannungsreferenz umfasst. Der Instrumentenverstärker weist wenigstens eine erste Stufe auf, welche einen ersten Verstärker, einen zweiten Verstärker und ein Widerstandsnetz umfasst. Der erste Verstärker weist wenigstens einen ersten nicht-invertierenden Eingangsanschluss und einen ersten invertierenden Eingangsanschluss auf. Der zweite Verstärker weist wenigstens einen zweiten nicht-invertierenden Eingangsanschluss und einen zweiten invertierenden Eingangsanschluss auf. Das Widerstandsnetz ist ausgelegt, um eine erste Verstärkung des ersten Verstärkers und eine zweite Verstärkung des zweiten Verstärkers festzulegen. Das Widerstandsnetz ist operativ mit dem ersten invertierenden Eingangsanschluss und dem zweiten invertierenden Eingangsanschluss gekoppelt. Die auslegbare Spannungsreferenz ist operativ mit dem Instrumentenverstärker gekoppelt. Die auslegbare Spannungsreferenz ist ausgelegt, um eine erste Offset-Korrekturspannung am ersten invertierenden Eingangsanschluss und eine zweite Offset-Korrekturspannung am zweiten invertierenden Eingangsanschluss anzulegen. Die ersten und zweiten Offset-Korrekturspannungen sind ausgelegt, um eine Offset-Spannung in Differenzspannungssignalen zu kompensieren, welche am ersten nicht-invertierenden Eingangsanschluss und am zweiten nicht-invertierenden Eingangsanschluss empfangen werden.
Ein weiterer Aspekt dieser Offenbarung ist ein Verfahren zum Kompensieren eines Offsets in einem Sensorausgang. Das Verfahren umfasst das Empfangen, von einem Sensor, eines Sensorausgangs an einem nicht-invertierenden Eingangsanschluss eines ersten Verstärkers in einem Instrumentenverstärker. Der Sensorausgang umfasst eine Offset-Komponente und eine Signalkomponente. Das Verfahren umfasst auch das Erzeugen eines Offset-Korrektursignals an einem negativen Eingangsanschluss des ersten Verstärkers unter Verwendung eines Spannungsmodus-Digital-Analog-Wandlers (Digital-to-Analog Converter, DAC), um die Offset-Komponente des Sensorausgangs im Wesentlichen zu unterdrücken. Das Verfahren umfasst ferner das Verstärken des Sensorausgangs unter Verwendung des ersten Verstärkers.
Ein noch weiterer Aspekt dieser Offenbarung ist ein elektronisches System, welches einen Sensor, einen ersten Verstärker und eine auslegbare Spannungsreferenz umfasst. Der Sensor ist ausgelegt, um einen Differenzsensorausgang zu erzeugen, wobei der Differenzsensorausgang eine Offset-Komponente und eine Signalkomponente umfasst. Der erste Verstärker weist eine erste Verstärkung des Verstärkers auf, welche von einem ersten Widerstandsrückkopplungsnetz festgelegt wird. Der erste Verstärker umfasst einen nicht-invertierenden Eingangsanschluss, welcher ausgelegt ist, um einen positiven Teil des Differenzsensorausgangs zu empfangen, und einen invertierenden Eingangsanschluss, welcher operativ mit dem ersten Widerstandsrückkopplungsnetz gekoppelt ist. Der zweite Verstärker weist eine zweite Verstärkung des Verstärkers auf, welche von einem zweiten Widerstandsrückkopplungsnetz festgelegt wird. Der zweite Verstärker umfasst einen nicht-invertierenden Eingangsanschluss, welcher ausgelegt ist, um einen negativen Teil des Differenzsensorausgangs zu empfangen, und einen invertierenden Eingangsanschluss, welcher operativ mit dem zweiten Widerstandsrückkopplungsnetz gekoppelt ist. Die auslegbare Spannungsreferenz ist ausgelegt, um ein erstes Offset-Korrektursignal am invertierenden Eingangsanschluss des ersten Verstärkers und ein zweites Offset-Korrektursignal am invertierenden Eingang des zweiten Verstärkers anzulegen, um die Offset-Komponente des Sensorausgangs im Wesentlichen zu unterdrücken.
Zum Zweck der Zusammenfassung der Offenbarung wurden bestimmte Aspekte, Vorteile und neue Merkmale der Erfindungen hierin beschrieben. Es ist zu verstehen, dass nicht notwendigerweise alle solchen Vorteile gemäß einer bestimmten Ausführungsform der Erfindungen erzielt werden können. Folglich können die Erfindungen in einer Weise ausgeführt oder ausgestaltet werden, welche einen Vorteil oder eine Gruppe von Vorteilen wie hierin gelehrt erzielt oder optimiert werden, ohne notwendigerweise andere hierin gelehrte oder vorgeschlagene Vorteile zu erzielen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines Instrumentenverstärkers, welcher ausgelegt ist, um einen Sensorausgang von einem Sensor zu empfangen und ein Offset im Sensorausgang unter Verwendung von Digital-Analog-Wandlern (Digital-to-Analog Converters, DACs) zu unterdrücken, gemäß einer Ausführungsform.
2A ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Instrumentenverstärkers und einer auslegbaren Spannungsreferenz.
2B ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der auslegbaren Spannungsreferenz aus 2A, welche einen Spannungsteiler umfasst.
2C ist eine schematische Darstellung, welche Schaltungen veranschaulicht, die ausgelegt sind, um Impedanzen in einem Widerstandsnetz anzupassen, um die Verstärkung einer ersten Stufe des Instrumentenverstärkers aus 2A anzupassen, und Schaltungen, welche ausgelegt sind, um eine Widerstandskette zwischen einem DAC und dem Widerstandsnetz operativ zu koppeln, entsprechend einer Ausführungsform.
2D ist eine schematische Darstellung, welche eine beispielhafte Ausführungsform veranschaulicht, in der ein einzelner Verstärker ausgelegt ist, um Schalter zu steuern, um eine ausgewählte Widerstandskette operativ mit einem entsprechenden Abgriffspunkt zu koppeln.
3 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer ersten Stufe des Instrumentenverstärkers mit einer auslegbaren Spannungsreferenz, welche einen R2R-DAC umfasst.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BESTIMMTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende detaillierte Beschreibung bestimmter Ausführungsformen bietet verschiedene Beschreibungen von spezifischen Ausführungsformen. Jedoch können die hierin beschriebenen Innovationen beispielsweise in einer Vielzahl unterschiedlicher Weisen ausgeführt werden, wie durch die Patentansprüche definiert und abgedeckt. In dieser Beschreibung wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen gleiche Bezugszeichen identische oder funktionell ähnliche Elemente anzeigen. Es versteht sich, dass in den Figuren veranschaulichte Elemente nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet sind.
Wie oben erläutert, können Sensoren oder Wandler ein Ausgangssignal erzeugen, welches eine Offset-Komponente aufweist, die zu einer Signalkomponente im Ausgangssignal relativ groß ist. Solche Sensoren können Drucksensoren, Dehnungsmessstreifen, Lastzellen, Sensoren für relative Feuchtigkeit, Widerstandstemperaturvorrichtungen (Resistance Temperature Devices, RTDs), Thermistoren und dergleichen umfassen und können mit resistiven Wheatstone-Brückenschaltungen implementiert werden. Als ein Beispiel können Hochdrucksensoren, welche zur In-Zylinder-Messung in Dieselmotoren verwendet werden, relativ große Offsets aufweisen. In einem veranschaulichenden Beispiel kann ein Sensorausgangssignal eine Offset-Komponente von etwa 300 mV und eine Signalkomponente von etwa 5 mV aufweisen. Dies kann eine präzise Verstärkung der Signalkomponente erschweren. Die Offset-Komponente des Sensorausgangssignals kann den Großteil oder den gesamten Dynamikbereich eines Verstärkers verbrauchen, welcher das Sensorausgangssignal verstärkt. Dies kann die Signalaufbereitung besonders erschweren. Beispielsweise kann die Offset-Komponente einen signifikanten Teil des Dynamikbereichs eines Verstärkers verbrauchen, und die Signalstärke kann auch verschlechtert werden, wenn das Sensorausgangssignal mit einer großen Offset-Komponente verstärkt wird. Beispielsweise kann die Signalstärke in einigen Anwendungen um etwa 40 Dezibel (dB) oder mehr verschlechtert werden.
Eine Anzahl von elektronischen Systemen, beispielsweise Systeme, welche Drucksensoren umfassen, können eine relativ hohe Präzision (beispielsweise wenigstens 10- bis 12-Bit-Präzision) und relativ hohe Auflösung (beispielsweise wenigstens 12- bis 14-Bit-Auflösung) verwenden. In einem veranschaulichenden Beispiel, falls der Dynamikbereich der Offset-Komponente etwa 35 dB größer als die Signalkomponente im Sensorausgangssignal ist, können 6 Bits Auflösung allein durch die Offset-Komponente verloren gehen. Um unter solchen Umständen 12- bis 14-Bit-Auflösung zu erreichen, kann ein 18-Bit-ADC verwendet werden. Ein ADC mit zusätzlichen Bits kann schwieriger zu entwerfen sein, mehr Fläche verbrauchen und mehr Strom verbrauchen. Dies kann ein elektronisches System, welches den ADC umfasst, verteuern.
Aspekte dieser Offenbarung betreffen das Reduzieren einer Offset-Komponente eines Sensorausgangssignals vor dem Verstärken des Sensorausgangssignals. Das Sensorausgangssignal kann nach der Offset-Unterdrückung verstärkt werden. Durch Entfernen eines signifikanten Teils der Offset-Komponente vom Sensorausgangssignal vor der Verstärkung kann der Großteil oder im Wesentlichen der gesamte Dynamikbereich des Verstärkers verwendet werden, um die Signalkomponente des Sensorausgangssignals zu verstärken. Dies kann Genauigkeits- und/oder Auflösungsspezifikationen eines elektronischen Systems erfüllen, ohne zusätzliche Bits zu einem ADC hinzuzufügen, um ein Offset im Sensorausgangssignal zu berücksichtigen.
Es kann wünschenswert sein, einen Teil oder die gesamte Offset-Komponente in Sensorausgangssignalen mit einer relativ großen Offset-Komponente relativ zu einer Signalkomponente zu unterdrücken. Beispielsweise kann ein Verstärker durch Unterdrücken eines signifikanten Teils der Offset-Komponente mehr von der Signalkomponente und weniger von der Offset-Komponente verstärken.
Die hierin erläuterte Offset-Unterdrückung kann an einem Eingang von einer oder mehreren Stufen eines Verstärkers, wie beispielsweise eines Instrumentenverstärkers, implementiert werden. Beispielsweise kann ein elektronisches System einen Sensor umfassen, welcher ausgelegt ist, um einen Sensorausgang mit einer Offset-Komponente und einer Signalkomponente zu erzeugen, wobei die Offset-Komponente relativ zur Signalkomponente groß ist. Ein Verstärker kann eine Verstärkung aufweisen, welche von einem Widerstandsrückkopplungsnetz festgelegt wird. Ein nicht-invertierender Eingangsanschluss des Verstärkers kann den Sensorausgang empfangen, und ein invertierender Eingangsanschluss des Verstärkers kann operativ mit dem Widerstandsrückkopplungsnetz gekoppelt werden. Eine auslegbare Spannungsreferenz, wie beispielsweise ein DAC, kann eine Spannungsreferenz bereitstellen, welche verwendet werden kann, um ein Offset zu reduzieren. Beispielsweise kann ein zeitkontinuierlicher Spannungsmodus-DAC ein Offset-Korrektursignal am invertierenden Eingangsanschluss des Verstärkers anlegen, um die Offset-Komponente des Sensorausgangs im Wesentlichen zu unterdrücken. Solch ein DAC kann einen Widerstandsketten-DAC oder einen R2R-DAC umfassen. In einigen Ausführungsformen können sowohl der Sensor als auch der DAC elektrisch mit der gleichen Referenzspannung gekoppelt sein. Dementsprechend kann sich das Offset-Korrektursignal, während sich das Sensor-Offset aufgrund von Drift in der Referenzspannung ändert, in einer ratiometrischen Beziehung ändern. Eine ratiometrische Beziehung kann ein Signal repräsentieren, welches direkt proportional zu einem anderen Signal ist. Gemäß bestimmten Ausführungsformen können eine oder mehrere Impedanzen des Widerstandsrückkopplungsnetzes angepasst werden. Dies kann die Verstärkung des Verstärkers anpassen. In einigen dieser Ausführungsformen kann eine Summe bestimmter anpassbarer Impedanzen des Widerstandsrückkopplungsnetzes im Wesentlichen konstant bleiben.
In einer Ausführungsform umfasst eine erste Stufe eines Instrumentenverstärkers einen ersten Verstärker, einen zweiten Verstärker und ein Widerstandsnetz, welches ausgelegt ist, um eine erste Verstärkung des ersten Verstärkers und eine zweite Verstärkung des zweiten Verstärkers festzulegen. Ein DAC kann ein erstes Offset-Korrektursignal für den ersten Verstärker und ein zweites Offset-Korrektursignal für den zweiten Verstärker erzeugen. Der DAC kann als zwei separate DACs implementiert sein, einer für den ersten Verstärker und einen für den zweiten Verstärker. Der DAC kann ein Spannungsmodus-DAC oder ein Strommodus-DAC sein, welcher mit einer I-V-Wandlerstufe an seinem Ausgang verwendet wird. Der DAC kann Spannungen erzeugen, welche über Widerstände an den Eingangsanschlüssen der Verstärker angelegt werden. Dementsprechend können die Offset-Korrektursignale, welche an Eingangsanschlüssen solcher Verstärker empfangen werden, in einigen Ausführungsformen Ströme sein. Die Offset-Korrektursignale können alternativ in bestimmten Ausführungsformen Spannungssignale sein. Die ersten und zweiten Offset-Korrektursignale können eine Offset-Spannung in den Differenzspannungssignalen kompensieren, welche jeweils von den ersten und zweiten Verstärkern empfangen werden. Die Differenzspannungssignale können von einem Sensor empfangen werden. Die DACs können die erste Offset-Korrekturspannung und die zweite Offset-Korrekturspannung separat steuern. Ein Register in der Steuerlogik kann einen oder mehrere DAC-Codes speichern, welche während der Werkskalibrierung bestimmt werden, um die ersten und zweiten Offset-Korrekturspannungen zu erzeugen.
Offset-Unterdrückung kann zu einem Instrumentenverstärker, wie beispielsweise einem Spannungsmodus-Instrumentenverstärker, hinzugefügt werden. Instrumentenverstärker können Präzisionsverstärkungsblöcke sein, welche einen Differenzeingang verstärken. Instrumentenverstärker können die Differenz zwischen Differenzeingangsspannungen verstärken, während gemeinsame Signale an beiden Eingängen unterdrückt werden. Instrumentenverstärker können in einer Vielzahl von Anwendungen implementiert sein, wie beispielsweise Anwendungen, in denen Gleichstrompräzision und Verstärkungsgenauigkeit innerhalb einer verrauschten Umgebung aufrechterhalten werden sollten und/oder wo relativ große Gleichtaktsignale oder Gleichtaktrauschen (beispielsweise Rauschen von der Welligkeit des gleichgerichteten Wechselstroms einer Kraftfahrzeuglichtmaschine, Rauschen von einem Kraftfahrzeugzündsystem usw.) vorhanden sind. Beispielhafte Anwendungen für Instrumentenverstärker umfassen industrielle, Mess-, Datenerfassungs-, Automobil- und medizinische Anwendungen. Einige Instrumentenverstärker sind auf im Wesentlichen feste Verstärkungspegel programmierbar. Ein Verstärkungspegel kann digital durch dedizierte Eingangskontakte und/oder durch Schnittstellen wie beispielsweise SPI (Serial-Peripheral Interface) oder I²C (Inter-Integrated Circuit) ausgewählt werden. Programmierbare Verstärkungsinstrumentenverstärker sind in der Regel gut für Anwendungen geeignet, bei denen eine Maximierung der Verstärkungsgenauigkeit wünschenswert ist und/oder bei denen ein einzelner programmierbarer Verstärkungsverstärker mehrere separate Instrumentenverstärker mit unterschiedlichen Verstärkungseinstellungen ersetzen kann.
1 ist eine schematische Darstellung eines Instrumentenverstärkers, welcher ausgelegt ist, um einen Sensorausgang von einem Sensor zu empfangen und ein Offset im Sensorausgang unter Verwendung von Digital-Analog-Wandlern (Digital-to-Analog Converters, DACs) zu unterdrücken, gemäß einer Ausführungsform. Der veranschaulichte Instrumentenverstärker ist ein Spannungsmodus-Instrumentenverstärker. Spannungsmodus-Instrumentenverstärker können auch gut geeignet sein, um Differenzsignale von Widerstandsbrücken-basierten Sensoren zu verstärken.
Das in 1 veranschaulichte elektronische System umfasst einen Sensor oder Wandler 10 und eine integrierte Schaltung 20, welche einen ersten DAC 27, eine DAC-Steuerlogik 28, einen Instrumentenverstärker 30, einen zweiten DAC 35 und einen dritten DAC 38 umfasst. Der erste DAC 27, der zweite DAC 35 und der dritte DAC 38 können jeweils ein zeitkontinuierlicher Spannungsmodus-DAC sein. Jeder in 1 gezeigte DAC kann durch zwei DACs implementiert werden. Alternativ oder zusätzlich kann jeder in 1 gezeigte DAC ein DAC mit einem Differenzausgang sein. Der veranschaulichte Sensor 10 ist ein resistiver Wheatstone-Brücken-basierter Sensor, wobei wenigstens ein Widerstandselement der Brücke mit dem Parameter variiert, welcher erfasst wird. Der Sensor 10 kann in einigen Ausführungsformen ein Drucksensor sein, und alle 4 Widerstandselemente können mit dem Druck variieren. Als ein Beispiel kann der Sensor 10 in Automobilanwendungen verwendet werden, um beispielsweise den Druck in einer Verbrennungskammer eines Fahrzeugmotors zu messen. Der Sensor 10 kann Sensorausgangssignale erzeugen, welche Offset-Komponenten aufweisen, die relativ zu den jeweiligen Signalkomponenten groß sind. Der Sensor 10 kann Differenzspannungen V_POS und V_NEG jeweils ersten und zweiten Eingangskontakten 22 und 24 der integrierten Schaltung 20 bereitstellen. Die integrierte Schaltung 20 kann auch eine Referenzspannung V_REG an einem dritten Eingangskontakt 26 empfangen. Die Referenzspannung V_REG kann eine geregelte Spannung sein, wie beispielsweise eine Versorgungsspannung, welche für analoge Schaltungen vorgesehen ist. Die Referenzspannung V_REG kann von der gleichen Quelle wie die Referenzspannung, welche vom Sensor 10 als eine Anregungsspannung verwendet wird, erzeugt werden. Der Sensor 10 kann alternativ durch einen Strom angeregt werden. Ungefähr die gleiche Referenzspannung V_REG kann vom Sensor 10 und DAC 27 verwendet werden. Ähnlich kann ungefähr die gleiche Referenzspannung V_REG vom Sensor 10 und den DACs 35 und/oder 38 verwendet werden. Die Ausgänge von einer beliebigen Kombination von einigen oder allen der DACs 27, 35 und 38 können ratiometrisch zu den Ausgängen des Sensors 10 sein. Die Eingangskontakte 22, 24 und 26 können beispielsweise Stifte sein. Die integrierte Schaltung 20 kann ein Sensorsignalformer sein, wie beispielsweise ein Kraftfahrzeugsensorsignalformer und/oder ein Drucksensorsignalformer, gemäß bestimmten Ausführungsformen.
Wie veranschaulicht, umfasst der Instrumentenverstärker 30 eine erste Stufe und eine zweite Stufe. Die erste Stufe umfasst einen ersten Verstärker 32 und einen zweiten Verstärker 34. Die zweite Stufe umfasst einen dritten Verstärker 36. Die Verstärker 32, 34, 36 können Operationsverstärker sein. Ein nicht-invertierender Eingangsanschluss des ersten Verstärkers 32 kann eine positive Ausgangsspannung V_POS vom Sensor 10 empfangen. Ein nicht-invertierender Eingangsanschluss des zweiten Verstärkers 34 kann eine negative Ausgangsspannung V_NEG vom Sensor 10 empfangen.
Die Verstärkungen der ersten und zweiten Verstärker 32 und 34 können jeweils durch ein Widerstandsnetz festgelegt werden. In der in 1 gezeigten Ausführungsform umfasst das Widerstandsnetz für die erste Stufe des Instrumentenverstärkers 30 die Widerstände R₀, R₀’, 2R₁, R₂ und R₂’. Der Widerstand 2R₁ kann durch zwei Widerstände implementiert werden, welche in Reihe geschaltet sind und jeweils einen Widerstand von R₁ aufweisen. Einer oder mehrere dieser Widerstände können programmierbar sein, beispielsweise wie später detaillierter erläutert wird. In 1 ist der Widerstand 2R₁ zwischen den invertierenden Eingangsanschlüssen des ersten Verstärkers 32 und des zweiten Verstärkers 34 gekoppelt, der Widerstand R₂ ist in einem Rückkopplungspfad zwischen einem Ausgang des ersten Verstärkers 32 und dem invertierenden Eingangsanschluss des ersten Verstärkers 32, und der Widerstand R₂’ in einem Rückkopplungspfad zwischen einem Ausgang des zweiten Verstärkers 34 und dem invertierenden Eingangsanschluss des zweiten Verstärkers 34. In 1 ist der Widerstand R₀ zwischen einem Ausgang des DAC 27 und dem invertierenden Eingangsanschluss des ersten Verstärkers 32 gekoppelt, und der Widerstand R₀’ ist zwischen einem Ausgang des DAC 27 und dem invertierenden Eingangsanschluss des zweiten Verstärkers 34 gekoppelt.
Die Differenz zwischen den Ausgangsspannungen der Verstärker 32 und 34 der ersten Stufe des Instrumentenverstärkers 30 kann durch Gleichung 1 dargestellt werden:
In Gleichung 1 repräsentiert V_O1 die Ausgangsspannung des ersten Verstärkers 32, V_O2 repräsentiert die Ausgangsspannung des zweiten Verstärkers 34, V_POS repräsentiert die positive Eingangsspannung der ersten Stufe des Instrumentenverstärkers 30, V_NEG repräsentiert die invertierte Eingangsspannung der ersten Stufe des Instrumentenverstärkers 30, V_DACP1 repräsentiert eine Offset-Korrekturspannung, welche ein erster Ausgang des ersten DAC 27 ist, die am Widerstand R₀, der elektrisch mit dem invertierenden Eingangsanschluss des ersten Verstärkers 32 verbunden ist, angelegt wird, und V_DACN1 repräsentiert eine Offset-Korrekturspannung, welche ein zweiter Ausgang des ersten DAC 27 ist, die am Widerstand R₀’, der elektrisch mit dem invertierenden Eingangsanschluss des zweiten Verstärkers 34 verbunden ist, angelegt wird. Die Widerstände in Gleichung 1 entsprechen den in 1 gezeigten Widerständen.
Die Differenzeingangsspannungen V_POS und V_NEG können eine relativ große Offset-Spannung aufweisen. Die Offset-Korrekturspannungen V_DAC1P und V_DAC1N können helfen, einen solchen relativ großen Offset zu kompensieren. In einigen Fällen können die Offset-Korrekturspannungen V_DAC1P und V_DAC1N den Ausgang der ersten Stufe des Instrumentenverstärkers 30 innerhalb des Dynamikbereichs des Instrumentenverstärkers 30 wesentlich minimieren. Um Gleichtaktverstärkung zu reduzieren, können die Offset-Korrekturspannungen V_DAC1P und V_DAC1N so festgelegt werden, dass sie eine Gleichtaktspannung aufweisen, welche ähnlich zur Gleichtaktspannung der Differenzeingangsspannungen V_POS und V_NEG ist. Die Gleichtaktverstärkung kann einen Beitrag des Verstärkerausgangs, welcher aus einer Gleichtaktspannung resultiert, repräsentieren. Gleichung 2 repräsentiert den Gleichtakt der Differenzeingangsspannungen V_POS und V_NEG als ungefähr gleich dem Gleichtakt der Offset-Korrekturspannungen V_DAC1P und V_DAC1N:
Die Offset-Korrekturspannungen V_DAC1P und V_DAC1N, welche jeweils an den invertierenden Eingangsanschlüssen des ersten Verstärkers 32 und des zweiten Verstärkers 34 angelegt werden, können sicherstellen, dass der Großteil oder der gesamte Dynamikbereich der ersten Stufe des Instrumentenverstärkers 30 verwendet wird, um die Signalkomponente der Differenzspannungen V_POS und V_NEG, die vom Sensor 10 erzeugt werden, zu verstärken. Ähnliche Prinzipien können angewandt werden, um Spannungs-Offsets an den Eingängen der zweiten Stufe des Instrumentenverstärkers 30 zu korrigieren. Solche Offset-Korrektur kann eine relativ hohe Auflösung und/oder einen relativ hohen Dynamikbereich sicherstellen. Eine dritte Stufe der Offset-Unterdrückung des Instrumentenverstärkers 30 kann die Ausgangsspannung auf eine feinere Auflösung einstellen. Weitere Details bezüglich der Festlegung von DAC-Codes für die verschiedenen Stufen der Offset-Korrektur im Instrumentenverstärker 30 werden später erläutert.
Die Verstärkung des dritten Verstärkers 36 kann durch ein Widerstandsnetz für die zweite Stufe des Instrumentenverstärkers 30 festgelegt werden. In der in 1 gezeigten Ausführungsform umfasst das Widerstandsnetz für die zweite Stufe des Instrumentenverstärkers 30 die Widerstände R₃, R₃’, R₄, R₄’, R₅ und R₅’. Einer oder mehrere dieser Widerstände können programmierbar, das heißt einstellbar, sein. In 1 ist der Widerstand R₃ zwischen dem Ausgangsanschluss des ersten Verstärkers 32 und dem nicht-invertierenden Eingangsanschluss des dritten Verstärkers 36 gekoppelt, und der Widerstand R₃’ ist zwischen dem Ausgangsanschluss des zweiten Verstärkers 34 und dem invertierenden Eingangsanschluss des dritten Verstärkers 36 gekoppelt. Wie auch in 1 veranschaulicht, ist der Widerstand R₄’ zwischen einem Ausgangsanschluss des dritten Verstärkers 36 und dem invertierenden Eingangsanschluss des dritten Verstärkers 36 gekoppelt, und der Widerstand R₄ ist zwischen einem Ausgang des DAC 38 und dem nicht-invertierenden Eingangsanschluss des dritten Verstärkers 36 gekoppelt. Zusätzlich ist bei der Ausführungsform aus 1 der Widerstand R₅ zwischen einem Ausgang des DAC 35 und dem nicht-invertierenden Eingangsanschluss des dritten Verstärkers 36 gekoppelt, und der Widerstand R₅’ ist zwischen einem Ausgang des DAC 35 und dem invertierenden Eingangsanschluss des dritten Verstärkers 36 gekoppelt.
Die Ausgangsspannung V_OUT des Instrumentenverstärkers 30 kann durch Gleichung 3 dargestellt werden:
In Gleichung 3 repräsentiert V_O1 die Ausgangsspannung des ersten Verstärkers 32, V_O2repräsentiert die Ausgangsspannung des zweiten Verstärkers 34, V_DAC2P repräsentiert eine Offset-Korrekturspannung, welche am Widerstand R₅ angelegt ist, die mit dem nicht-invertierenden Eingangsanschluss des dritten Verstärkers 36 gekoppelt ist, V_DAC2N repräsentiert eine Offset-Korrekturspannung, welche am Widerstand R₅’ angelegt ist, der mit dem invertierenden Eingangsanschluss des dritten Verstärkers 36 gekoppelt ist, und V_DAC3 repräsentiert eine Offset-Korrekturspannung, welche vom DAC 38 erzeugt wird. Die Widerstände in Gleichung 1 entsprechen den in 1 gezeigten Widerständen. Während die Ausgangsspannung V_OUT als eine Einzelspannung in 1 veranschaulicht ist, kann die Ausgangsspannung V_OUT in manchen anderen Implementierungen eine Differenzausgangsspannung sein.
Die Offset-Korrekturspannungen V_DAC2P und V_DAC2N können die Offset-Korrektur ferner verfeinern. Beispielsweise können die Offset-Korrekturspannungen V_DAC2P und V_DAC2N ein Gleichtakt-Offset und/oder ein differentielles Offset im Differenzausgang der ersten Stufe des Instrumentenverstärkers 30 korrigieren. Solche Offset-Korrektur kann zu einer hohen Auflösung und/oder einem hohen Dynamikbereich führen. Die Offset-Korrekturspannung V_DAC3, welche vom DAC 38 erzeugt wird, kann die Ausgangsspannung V_OUT des Instrumentenverstärkers 30 auf eine feinere Auflösung einstellen. Die eingangsbezogene Auflösung der DACs 35 und 38 kann höher als der DAC 27 sein. Dies kann die Offset-Korrekturauflösung erhöhen. Darüber hinaus kann der Eingangs-Offset-Korrekturbereich von DAC 35 und 38 niedriger als der DAC 27 sein. Das Widerstandsnetz in der ersten Stufe des Instrumentenverstärkers 30 kann die Verstärkung auf eine ausgewählte einer Mehrzahl von unterschiedlichen Verstärkungseinstellungen der ersten Stufe anpassen. Beispielsweise kann die erste Stufe in einer Ausführungsform drei Verstärkungseinstellungen aufweisen. Ähnlich kann das Widerstandsnetz in der zweiten Stufe des Instrumentenverstärkers 30 die Verstärkung auf eine ausgewählte einer Mehrzahl von unterschiedlichen Verstärkungseinstellungen der zweiten Stufe anpassen. Als ein Beispiel kann die zweite Stufe 12 verschiedene Verstärkungseinstellungen in einer Ausführungsform aufweisen. Die Gesamtverstärkung des Instrumentenverstärkers 30 kann in einigen Ausführungsformen aus dem Bereich von etwa 2 bis etwa 1000 ausgewählt werden. Die verschiedenen Verstärkungseinstellungen können durch Einstellen der Impedanzen von einem oder mehreren der Widerstände R0, R0’, 2R1, R2, R2’, R3, R3’, R4, R4’, R5 oder R5’ ausgewählt werden. Ein oder mehrere DAC-Codes können während der Werkskalibrierung bestimmt werden. Diese DAC-Codes können einen Teil oder die gesamte Offset-Komponente im Sensorausgangssignal und/oder einige oder alle Effekte der Gleichtaktvariation unterdrücken. Die DAC-Codes können in Registern der DAC-Steuerlogik 28 gespeichert werden. Die DAC-Steuerlogik 28 kann durch jede geeignete Schaltung implementiert werden, welche ausgelegt ist, um einen DAC mit einem DAC-Code bereitzustellen. Die DAC-Codes können alternativ oder zusätzlich in anderen geeigneten Speicherelementen, wie beispielsweise EEPROM, Sicherungen, anderem geeigneten nicht-flüchtigen Speicher oder dergleichen, gespeichert werden. Solche DAC-Codes können in die DAC-Steuerlogik 28 geladen werden. In einem beispielhaften Offset-Kalibrierungsalgorithmus können 6 Bit für Gleichtaktkorrektur verwendet werden, 6 Bit können für Offset-Trimmen der ersten Stufe verwendet werden, 5 Bit können für Offset-Trimmen der zweiten Stufe verwendet werden, und 7 Bit können für Offset-Trimmen der dritten Stufe verwendet werden.
Ein Beispiel der Bestimmung eines Gleichtakt-DAC-Codes V_{CM_CODE} wird nun beschrieben. Die differentielle Verstärkung des Instrumentenverstärkers 30 kann auf eine niedrigste Einstellung festgelegt werden. Ein Analog-Digital-Wandler (Analog-to-Digital Converter, ADC) kann einen Eingangsgleichtakt des Instrumentenverstärkers 30 erkennen. Als ein Beispiel kann der ADC einen Mittelpunkt des Widerstands 2R₁ messen, um einen Eingangsgleichtakt des Verstärkers 30 zu erkennen. Der Gleichtakt-DAC-Code V_{CM_CODE} für den DAC 27 kann so festgelegt werden, dass der DAC 27 bewirkt, dass Offset-Korrekturspannungen, welche an Eingängen der ersten Stufe des Instrumentenverstärkers 30 angelegt werden, ungefähr den gleichen Gleichtakt wie die Differenzeingangsspannungen V_POS und V_NEG aufweisen. In diesem Prozess kann der Gleichtakt-DAC-Code V_{CM_CODE} durch lineare Extrapolation unter Verwendung der Gleichung 4 bestimmt werden. Der Gleichtaktausgang der ersten Stufe des Instrumentenverstärkers 30 aus 1 kann durch Gleichung 4 dargestellt werden:
In Gleichung 4 repräsentiert V_{CM_1st} die Gleichtaktausgangsspannung der ersten Stufe des Instrumentenverstärkers 30, V_CMI repräsentiert die Gleichtakteingangsspannung zur ersten Stufe des Instrumentenverstärkers 30, und V_{CMO_1st} repräsentiert die Gleichtaktspannung der Offset-Korrekturspannungen V_DAC1P und V_DAC1N. In der ersten Stufe des Instrumentenverstärkers 30 ist durch Festlegen des Gleichtakts der Offset-Korrekturspannungen auf den Gleichtakt der Eingangsspannung (V_CMI = V_{CMO_1st}) der Gleichtakt der Ausgangsspannung gleich dem Gleichtakt der Eingangsspannung (V_{CM_1st} = V_CMI), gemäß Gleichung 4.
Der Gleichtakt-DAC-Code V_{CM_CODE} kann sicherstellen, dass der Eingang zur zweiten Stufe des Instrumentenverstärkers 30 einen Gleichtakt aufweist, welcher in der Nähe des Eingangsgleichtakts der ersten Stufe des Instrumentenverstärkers 30 liegt. Dies kann die Gleichtaktspannung für die ersten und zweiten Stufen des Instrumentenverstärkers 30 festlegen. DAC-Offset-Codes können den DACs 27, 35 und/oder 38 bereitgestellt werden, um Fehler gegenüber einem gewünschten Zielwert zu minimieren.
2A ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Instrumentenverstärkers 30 und der DACs 27, 35 und 38 aus 1. 2A veranschaulicht, dass die Widerstände in den Widerstandsnetzen, welche die Verstärkungen der ersten Stufe und der zweiten Stufe des Instrumentenverstärkers 30 festlegen, anpassbar sein können. Mit den in 2A gezeigten anpassbaren Widerständen weist der Instrumentenverstärker 30 eine programmierbare Verstärkung auf. Die DACs 27, 35 und 38 können eine beliebige Kombination der hierin erläuterten Offset-Kompensationsmerkmale implementieren.
2B ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer auslegbaren Spannungsreferenz 39, welche die Funktion des ersten DAC 27 und des zweiten DAC 35 aus 2A implementiert. Die auslegbare Spannungsreferenz 39 erzeugt ein Spannungsmodus-Signal und legt das Spannungsmodus-Signal an einem invertierenden Eingang eines Verstärkers und/oder nicht-invertierenden Eingang eines Verstärkers an. Dementsprechend soll, wie hierin verwendet, eine „auslegbare Spannungsreferenz“ eine Schaltung ausschließen, welche Strommodus-Signale erzeugt, die am invertierenden Eingang des Verstärkers summiert werden, wie beispielsweise des ersten Verstärkers 32 und/oder des zweiten Verstärkers 34. Die auslegbare Spannungsreferenz 39 umfasst einen Spannungsteiler mit einer Mehrzahl von Abgriffspunkten. Der Spannungsteiler kann ein Widerstandsteiler sein, wie veranschaulicht. Wie in 2B gezeigt, kann die auslegbare Spannungsreferenz 39 Schaltungen zum Erzeugen von Offset-Korrekturspannungen in verschiedenen Stufen des Instrumentenverstärkers 30 in bestimmten Ausführungsformen teilen. Das Teilen von Schaltungen kann Fläche, Kosten, Energie, dergleichen oder eine Kombination davon reduzieren. Obwohl die in 2B veranschaulichte auslegbare Spannungsreferenz 39 den ersten DAC 27 und den zweiten DAC 35 mit geteilten Schaltungen implementiert, können die DACs 27 und 35 jeweils separate Spannungsteiler in anderen Ausführungsformen aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann es einen separaten Spannungsteiler für jeden DAC-Ausgang geben. Gemäß einigen Ausführungsformen können der DAC 27 und/oder der DAC 35 als vier separate DACs, welche jeweils ausgelegt sind, um eine Offset-Spannung zu erzeugen, oder zwei separate DACs, welche jeweils ausgelegt sind, um eine differentielle Offset-Spannung zu erzeugen, implementiert werden. Der erste DAC 27 und der zweite DAC 35, veranschaulicht in 2B, können beide ein zeitkontinuierlicher Spannungsmodus-DAC sein.
Die veranschaulichte auslegbare Spannungsreferenz 39 umfasst einen Spannungsteiler 40, welcher eine Mehrzahl von Widerständen in Reihe zwischen einer Referenzspannung V_REG und einem Massepotential Gnd umfasst. Der Spannungsteiler 40 dient als ein Spannungsteiler zwischen der Referenzspannung V_REG und dem Massepotential Gnd. Verschiedene Abgriffspunkte am Spannungsteiler 40 können selektiv operativ mit Eingängen von Offset-Korrekturverstärkern 42, 44, 46 und 48 in Reaktion auf Steuersignale, wie beispielsweise digitale Steuersignale, gekoppelt werden. In bestimmten Ausführungsformen umfasst der Spannungsteiler 40 einen Widerstandsketten-DAC. In einem Widerstandsketten-DAC können unterschiedliche Abgriffspunkte an der Widerstandskette selektiv operativ mit Eingängen der Offset-Korrekturverstärker 42, 44, 46 und 48 in Reaktion auf digitale Steuersignale gekoppelt werden.
Die Referenzspannung V_REG kann elektrisch mit der gleichen Referenzspannung V_REG wie der Sensor 10 gekoppelt werden. Dementsprechend kann die auslegbare Spannungsreferenz 39 Offset-Drift aufgrund von Spannungsreferenz-Drift reduzieren und/oder eliminieren. Als solche können die Offset-Korrekturspannungen mit den Sensorausgangsspannungen driften. Wenn die Referenzspannung des Sensors 10 elektrisch mit der Referenzspannung V_REG der auslegbaren Spannungsreferenz 39 gekoppelt ist, kann die Offset-Korrekturspannung ratiometrisch zur Sensorausgangsspannung sein.
Digitale Steuersignale (nicht gezeigt) können Schalter (nicht gezeigt) öffnen und schließen, um solche operative Kopplung durchzuführen, um Analogspannungen an den positiven Eingangsanschlüssen der Offset-Korrekturverstärker 42, 44, 46 und 48 bereitzustellen. Jeder der Offset-Korrekturverstärker 42, 44, 46 und 48 ist als Pufferverstärker ausgelegt und kann eine Analogspannung vom Spannungsteiler 40 an einem nicht-invertierenden Eingangsanschluss und seinen Ausgang am invertierenden Eingangsanschluss empfangen, um die Spannungen zu puffern. Andere Spannungspufferkonfigurationen können alternativ verwendet werden. Die digitalen Steuersignale können unterschiedliche Spannungen jedem der Offset-Korrekturverstärker 42, 44, 46 und 48 bereitstellen. Die digitalen Steuersignale können einen DAC-Code der ersten Stufe umfassen, um ausgewählte Analogspannungspegel den Offset-Korrekturverstärkern 42 und 44 für die erste Stufe des Instrumentenverstärkers 30 bereitzustellen, und einen DAC-Code der zweiten Stufe, um ausgewählte Analogspannungspegel den Offset-Korrekturverstärkern 46 und 48 für die zweite Stufe des Instrumentenverstärkers 30 bereitzustellen. Dementsprechend können die Offset-Korrekturspannungen für die erste Stufe des Instrumentenverstärkers 30 und die zweite Stufe des Instrumentenverstärkers 30 separat steuerbar sein. Gemäß einigen Ausführungsformen kann ein separater CAD-Code dem Spannungsteiler 40 für jeden der Offset-Korrekturverstärker 42, 44, 46 und 48 bereitgestellt werden. In diesen Ausführungsformen können die Offset-Korrekturspannungen V_CM1, V_CM2, V_CM3 und V_CM4 für den Instrumentenverstärker 30 separat steuerbar sein.
2C ist eine schematische Darstellung, welche Schaltungen veranschaulicht, die ausgelegt sind, um Impedanzen in einem Widerstandsnetz anzupassen, um die Verstärkung einer ersten Stufe des Instrumentenverstärkers 30 aus 2A anzupassen, und Schaltungen, um eine Widerstandskette zwischen dem DAC und dem Widerstandsnetz operativ zu koppeln, entsprechend einer Ausführungsform. Wie oben erläutert, können die anpassbaren Impedanzen im Widerstandsnetz Verstärkung(en) des Instrumentenverstärkers 30 programmierbar machen. Die Widerstandskette R0 kann verwendet werden, um einen relativ großen Offset-Korrekturbereich zu kompensieren. Wie veranschaulicht, ist der Spannungsteiler 40 aus 2C ein Widerstandsketten-DAC. Andere Spannungsteiler können alternativ implementiert werden.
In der dargestellten Ausführungsform können die Impedanzen der Widerstände 2R₁ und R₂ angepasst werden, während die Summe der Impedanzen der Widerstände 2R₁ und R₂ im Wesentlichen konstant bleiben kann. Eine auslegbare Verstärkungseinstellung, welche durch einen Benutzer bereitgestellt werden kann, kann das Verhältnis der Impedanzen der Widerstände 2R₁ und R₂ anpassen, um eine gewünschte Verstärkung der ersten Stufe des Instrumentenverstärkers 30 festzulegen. Die programmierbare Verstärkungseinstellung kann die invertierenden Eingangsanschlüsse des ersten Verstärkers 32 und des zweiten Verstärkers 34 mit unterschiedlichen Abgriffspunkten an einer R1-R2-Widerstandsleiter koppeln, um die Verstärkung der ersten Stufe des Instrumentenverstärkers 30 anzupassen.
Die programmierbare Verstärkungseinstellung kann bewirken, dass ein ausgewählter der Verstärkungseinstellungsschalter 62 und 64 den invertierenden Eingangsanschluss des ersten Verstärkers 32 operativ mit einem ausgewählten Abgriffspunkt T₁ oder T₂ an einer Widerstandskette koppelt, um die Verstärkung des ersten Verstärkers 32 festzulegen. Ein unterschiedlicher Wert der Verstärkungseinstellung kann bewirken, dass ein anderer Verstärkungseinstellungsschalter 62 oder 64 den invertierenden Eingangsanschluss des ersten Verstärkers 32 mit einem anderen Abgriffspunkt T₁ oder T₂ an einer Widerstandskette koppelt, um somit die Verstärkung des ersten Verstärkers 32 zu ändern. Ähnlich kann die programmierbare Verstärkungseinstellung bewirken, dass ein ausgewählter der Verstärkungseinstellungsschalter 66 und 68 den invertierenden Eingangsanschluss des zweiten Verstärkers 34 operativ mit einem ausgewählten Abgriffspunkt T₁’ oder T₂’ an einer Widerstandskette koppelt, um die Verstärkung des zweiten Verstärkers 34 festzulegen. Ein unterschiedlicher Wert der Verstärkungseinstellung kann bewirken, dass ein anderer Verstärkungseinstellungsschalter 66 oder 68 den invertierenden Eingangsanschluss des zweiten Verstärkers 34 mit einem anderen Abgriffspunkt T₁’ oder T₂’ an einer Widerstandskette koppelt, um somit die Verstärkung des zweiten Verstärkers 34 zu ändern.
Als ein Beispiel kann die programmierbare Verstärkungseinstellung die Verstärkung des ersten Verstärkers 32 durch Koppeln des invertierenden Eingangsanschlusses des ersten Verstärkers 32 mit dem zweiten Abgriffspunkt T₂ anstelle des ersten Abgriffspunkts T₁ anpassen. Dies kann bewirken, dass der Widerstand R2 verringert und der Widerstand 2R1 entsprechend erhöht wird. Dementsprechend kann sich die Verstärkung in der ersten Stufe des Instrumentenverstärkers 30 beispielsweise gemäß Gleichung 1 ändern. Ähnlich kann der invertierende Eingangsanschluss des zweiten Verstärkers 34 operativ mit dem vierten Abgriffspunkt T₂’ anstelle des dritten Abgriffspunkts T₁’ gekoppelt werden, welcher auf die programmierbare Verstärkungseinstellung anspricht, um den Widerstand R₂ um ungefähr den gleichen Betrag zu reduzieren, den der Widerstand 2R₁ erhöht wird. Als ein weiteres Beispiel kann, durch Koppeln des invertierenden Eingangsanschlusses des ersten Verstärkers 32 mit dem ersten Abgriffspunkt T₁ anstelle des zweiten Abgriffspunkts T₂, der Widerstand R₂ erhöht und der Widerstand 2R₁ entsprechend verringert werden.
Obwohl zwei Schalter und zwei Abgriffspunkte in Verbindung mit dem invertierenden Eingangsanschluss des ersten Verstärkers 32 und zwei andere Abgriffspunkte in Verbindung mit dem invertierenden Eingangsanschluss des zweiten Verstärkers 34 zu Veranschaulichungszwecken gezeigt werden, versteht es sich, dass jede geeignete Anzahl von Schaltern und Abgriffspunkten implementiert werden kann, um den Instrumentenverstärker 30 programmierbar zu machen, um eine gewünschte Anzahl von unterschiedlichen programmierbaren Verstärkungen aufzuweisen.
Ein Verstärkungseinstellungsschalter 62 oder 64 ist innerhalb einer Rückkopplungsschleife des ersten Verstärkers 32 vorhanden und sollte keine signifikante Variation aufgrund von Änderungen des Schalterwiderstands aufgrund von Änderungen der Temperatur verursachen. Der Gesamtschaltwiderstand sollte relativ zur Verstärkung des ersten Verstärkers 32 ein kleiner Faktor sein. Ähnlich ist ein Verstärkungseinstellungsschalter 66 oder 68 innerhalb der Rückkopplungsschleife des zweiten Verstärkers 34 vorhanden und sollte keine signifikante Variation aufgrund von Änderungen des Schalterwiderstands aufgrund von Änderungen der Temperatur verursachen.
Verschiedene Widerstandsketten mit einem Widerstand R₀ sind mit unterschiedlichen Abgriffspunkten in der R₁-R₂-Widerstandsleiter gekoppelt. Wie in 2C gezeigt, kann ein Ende jeder Widerstandskette mit jedem Abgriffspunkt T₁, T₂, T₁’ oder T₂’ verbunden sein, und das andere Ende jeder Widerstandskette kann entweder schwebend oder mit einem Offset-Korrekturverstärker 42/44 über die Schalter 52 oder 54/56 oder 58 verbunden sein. Schwebende Widerstandsketten sollten nicht mehr als eine relativ kleine parasitäre Kapazität und einen relativ kleinen Leckstrom zum jeweiligen Abgriffspunkt hinzufügen. Da die Schalter 52, 54, 56 und 58, welche die jeweiligen Widerstandsketten mit einem Offset-Korrekturverstärker 42 oder 44 verbinden, klein bemessen werden können, beispielsweise auf nahezu oder auf minimale Schaltergröße, kann die Ableit- und parasitäre Kapazität in Verbindung mit solchen Schaltern relativ klein sein.
Die Offset-Korrekturschaltungen aus 2A bis 2C sind zur Korrektur relativ großer Sensor-Offsets gut geeignet, wie beispielsweise ein Sensorausgangssignal mit einer Offset-Komponente von etwa 240 mV und einer Signalkomponente von etwa 4 mV. Simulationsergebnisse zeigen, dass die Offset-Korrektur aus 2A bis 2C solche Offsets unterdrücken kann.
2D ist eine schematische Darstellung, welche eine beispielhafte Ausführungsform veranschaulicht, in der ein einzelner Offset-Korrekturverstärker ausgelegt ist, um eine Mehrzahl von Widerstandsketten zu entsprechenden Abgriffspunkten zu steuern. Wie in 2D gezeigt, kann ein einzelner Offset-Korrekturverstärker 70 eine Eingangsspannung von einer auslegbaren Spannungsreferenz, wie beispielsweise einem DAC, empfangen und mehrere Schalter steuern, welche mit mehreren Abgriffspunkten verbunden sind. Dies kann die Anzahl der Offset-Korrekturverstärker reduzieren. Der Offset-Korrekturverstärker 70 kann eine Offset-Korrekturspannung einem ausgewählten Abgriffspunkt bereitstellen, welcher Ausgänge des Offset-Korrekturverstärkers 70 selektiv mit einer Widerstandskette über die Schalter 76 und 77/78 und 79 koppelt. Die Schalter 71 oder 73 können die Widerstandsketten mit einem Eingangsanschluss des Offset-Korrekturverstärkers 70 selektiv koppeln, um einen Rückkopplungspfad auszubilden. Wenn die Schalter 71, 76 und 77 geschlossen sind, können die Schalter 73, 78 und 79 geöffnet werden. Ähnlich, wenn die Schalter 71, 76 und 77 geöffnet sind, können die Schalter 73, 78 und 79 geschlossen werden. Solche Schaltung kann geschlossene Schleifen aufrechterhalten.
3 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer ersten Stufe des Instrumentenverstärkers 30 und des ersten DAC 27 aus 1, in der der erste DAC 27 ein R2R-DAC ist. Ein R2R-DAC ist eine weitere Möglichkeit, um ein Sensor-Offset in der ersten Stufe eines Instrumentenverstärkers 30 zu unterdrücken. Der in 3 veranschaulichte DAC 27 ist ein zeitkontinuierlicher Spannungsmodus-DAC.
In der Ausführungsform aus 3 sind die Widerstände R₁ und R₂ anpassbar und die Verstärkungen des ersten Verstärkers 32 und des zweiten Verstärkers 34 programmierbar. Die Widerstände des R2R-DAC können getrennt sein und/oder unterschiedliche Impedanzwerte als die Widerstände im Widerstandsnetz für die erste Stufe des Instrumentenverstärkers 30 aufweisen. Ähnlich können 2R2-DACs für die Offset-Unterdrückung in der zweiten Stufe des Instrumentenverstärkers implementiert werden. Der R2R-DAC kann einen digitalen DAC-Code, einschließlich Datenziffern MSB, MSB-1, MSB-2 ... LSB, empfangen und den DAC-Code in eine analoge Offset-Korrekturspannung am invertierenden Eingang des ersten Verstärkers 32 und/oder des zweiten Verstärkers 34 umwandeln. Unterschiedliche DAC-Codes können dem R2R-DAC bereitgestellt werden, um unterschiedliche Spannungen an invertierenden Eingangsanschlüssen des ersten Verstärkers 32 und des zweiten Verstärkers 34 anzulegen. Die unterschiedlichen DAC-Codes können ermöglichen, dass der R2R-DAC Spannungen, welche an invertierenden Eingangsanschlüssen des ersten Verstärkers 32 und des zweiten Verstärkers 34 angelegt sind, separat steuert.
Das Implementieren eines R2R-DAC kann kostengünstiger als das Implementieren des Widerstandsketten-DAC aus 2A bis 2C sein. Beispielsweise werden die Offset-Korrekturverstärker aus 2A bis 2C nicht beim R2R-DAC benötigt, da der R2R-DAC eine feste Ausgangsimpedanz aufweisen kann. Dies kann die Größe der ersten Stufe und der zweiten Stufe des Instrumentenverstärkers 30 reduzieren. Bei einem R2R-DAC würde kein Offset und/oder kein Offset-Drift in Verbindung mit den Verstärkern der auslegbaren Spannungsreferenzen aus 2A–2C vorhanden sein. Falls Einheitswiderstände im R2R-DAC und Widerstandsnetz des Instrumentenverstärkers 30 gleich sind, können die Widerstände eng aufeinander abgestimmt werden, und die Offset-Unterdrückung kann auf einem einfachen Widerstandsverhältnis beruhen.
Obwohl Widerstandsketten-DAC- und R2R-DAC-Architekturen zu Veranschaulichungszwecken beschrieben worden sind, versteht es sich, dass die hierin erläuterten Prinzipien und Vorteile auf andere geeignete auslegbare Spannungsreferenz- und/oder DAC-Architekturen zum Unterdrücken von Sensor-Offsets angewandt werden können.
Die Systeme, Vorrichtungen und Verfahren zur Offset-Unterdrückung sind oben mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben. Fachleute werden jedoch erkennen, dass die Prinzipien und Vorteile der Ausführungsformen für beliebige andere Systeme, Vorrichtungen oder Verfahren mit einem Bedarf an Offset-Unterdrückung, wie beispielsweise Sensor-Offset-Unterdrückung, verwendet werden können.
Solche Systeme, Vorrichtungen und/oder Verfahren können in verschiedenen elektronischen Vorrichtungen implementiert werden. Beispiele für die elektronischen Vorrichtungen können Verbraucherelektronikprodukte, Teile der Verbraucherelektronikprodukte, elektronische Prüfgeräte, Automobilelektronik usw. umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt. Beispiele für die Automobilelektronik umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt, Sensoren für Sitzdruck, Pedaldruck, Krümmerdruck, Verbrennungskammerdruck und dergleichen und die zugehörige Elektronik. Beispiele für die elektronischen Vorrichtungen können auch Speicherchips, Speichermodule, Schaltungen von optischen Netzen oder anderen Kommunikationsnetzen und Plattentreiberschaltungen umfassen. Die Verbraucherelektronikprodukte können Präzisionsinstrumente, medizinische Vorrichtungen, drahtlose Vorrichtungen, ein Mobiltelefon (beispielsweise ein Smartphone), zellulare Basisstationen, ein Telefon, einen Fernseher, einen Computermonitor, einen Computer, einen Handheld-Computer, einen Tablet-Computer, einen persönlichen digitalen Assistenten (PDA), ein Mikrowellengerät, einen Kühlschrank, eine Stereoanlage, einen Kassettenrecorder oder ein Kassettenabspielgerät, einen DVD-Player, einen CD-Player, einen digitalen Videorecorder (DVR), einen VCR, einen MP3-Player, ein Radio, einen Camcorder, eine Kamera, eine digitale Kamera, einen tragbaren Speicherchip, eine Waschmaschine, einen Trockner, einen Waschtrockner, ein Kopiergerät, ein Faxgerät, einen Scanner, eine multifunktionale Peripherievorrichtung, eine Armbanduhr, eine Uhr usw. umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt. Ferner kann die elektronische Vorrichtung unfertige Produkte umfassen.
Sofern der Zusammenhang nicht eindeutig anderweitig verlangt, sind die Wörter „aufweisen“, „aufweisend“, „umfassen“, „umfassend“ und dergleichen in der Beschreibung und den Patentansprüchen durchweg sinngemäß als einschließend auszulegen, im Gegensatz zu einem ausschließlichen oder erschöpfenden Sinn; also im Sinn von „umfassend, aber nicht darauf beschränkt“. Die Wörter „gekoppelt“ oder „verbunden“, wie sie hierin allgemein verwendet werden, beziehen sich auf zwei oder mehr Elemente, welche entweder direkt miteinander verbunden oder durch ein oder mehrere Zwischenelemente verbunden sein können. Zusätzlich sind die Wörter „hierin“, „vorstehend“, „nachstehend“ und Wörter mit ähnlicher Bedeutung, soweit sie in dieser Anmeldung verwendet werden, so zu verstehen, dass sie sich auf diese Anmeldung in ihrer Gesamtheit und nicht auf irgendwelche bestimmte Teile dieser Anmeldung beziehen. Wo es der Zusammenhang erlaubt, können Wörter, die im Teil „Detaillierte Beschreibung“ in der Einzahl oder Mehrzahl verwendet werden, jeweils auch die Mehrzahl oder Einzahl einschließen. Das Wort „oder“ in Bezug auf eine Liste mit zwei oder mehr Elementen soll alle folgenden Interpretationen des Worts abdecken: ein beliebiges Element der Liste, alle Elemente der Liste und jegliche Kombination von Elementen der Liste. Alle hierin bereitgestellten numerischen Werte sollen ähnliche Werte innerhalb eines Messfehlers umfassen.
Die Lehren der hierin bereitgestellten Erfindungen können auf andere Systeme, nicht unbedingt die vorstehend beschriebenen Systeme, angewendet werden. Die Elemente und Aktionen der verschiedenen, vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen bereitzustellen. Die Aktion der hierin erläuterten Verfahren kann nach Bedarf in beliebiger Reihenfolge durchgeführt werden. Darüber hinaus können die Aktionen der hierin erläuterten Verfahren nach Bedarf seriell oder parallel durchgeführt werden.
Es wurden zwar bestimmte Ausführungsformen der Erfindungen beschrieben, diese Ausführungsformen sind jedoch nur beispielhaft dargestellt und sind nicht dazu bestimmt, den Schutzbereich der Offenbarung zu beschränken. Tatsächlich können die hierin beschriebenen neuen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme in einer Vielzahl von anderen Formen implementiert werden. Beispielsweise versteht es sich, dass die hierin erläuterten Prinzipien und Vorteile in jedem geeigneten elektronischen System mit einem Bedarf für Offset-Unterdrückung verwendet werden können. Ferner können verschiedene Weglassungen, Ersetzungen und Änderungen an der Form der hierin beschriebenen Verfahren und Systeme vorgenommen werden. Es ist beabsichtigt, dass die beigefügten Patentansprüche und deren Äquivalente solche Formen oder Modifikationen abdecken sollen, welche in den Schutzbereich der Offenbarung fallen. Dementsprechend ist der Schutzbereich der vorliegenden Erfindungen durch Bezugnahme auf die Patentansprüche definiert.

Claims

Vorrichtung, umfassend: einen Instrumentenverstärker mit wenigstens einer ersten Stufe, die erste Stufe umfassend: einen ersten Verstärker mit wenigstens einem ersten nicht-invertierenden Eingangsanschluss und einem ersten invertierenden Eingangsanschluss; einen zweiten Verstärker mit wenigstens einem zweiten nicht-invertierenden Eingangsanschluss und einem zweiten invertierenden Eingangsanschluss; und ein Widerstandsnetz, welches ausgelegt ist, um eine erste Verstärkung des ersten Verstärkers und eine zweite Verstärkung des zweiten Verstärkers festzulegen, wobei das Widerstandsnetz operativ mit dem ersten invertierenden Eingangsanschluss und dem zweiten invertierenden Eingangsanschluss gekoppelt ist; und eine auslegbare Spannungsreferenz, welche operativ mit dem Instrumentenverstärker gekoppelt ist und ausgelegt ist zum: Anlegen einer ersten Offset-Korrekturspannung an den ersten invertierenden Eingangsanschluss; und Anlegen einer zweiten Offset-Korrekturspannung an den zweiten invertierenden Eingangsanschluss; wobei die ersten und zweiten Offset-Korrekturspannungen ausgelegt sind, um eine Offset-Spannung in Differenzspannungssignalen zu kompensieren, welche am ersten nicht-invertierenden Eingangsanschluss und am zweiten nicht-invertierenden Eingangsanschluss empfangen werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung eine integrierte Schaltung umfasst, wobei die integrierte Schaltung Eingangskontakte umfasst, welche ausgelegt sind, um die Differenzeingangssignale von einem Sensor zu empfangen, wobei die integrierte Schaltung den Instrumentenverstärker umfasst und wobei der Instrumentenverstärker ausgelegt ist, um die Differenzeingangssignale vom Sensor zu verstärken.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die integrierte Schaltung einen weiteren Eingangskontakt umfasst, welcher ausgelegt ist, um eine Referenzspannung des Sensors zu empfangen, und wobei die auslegbare Spannungsreferenz einen Spannungsmodus-Digital-Analog-Wandler (Digital-to-Analog Converter, DAC) umfasst, welcher operativ mit dem anderen Eingangskontakt gekoppelt ist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 oder 3, wobei der Sensor wenigstens einen von einem Drucksensor oder einem Widerstandsbrücken-basierten Wandler umfasst.
Vorrichtung nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die auslegbare Spannungsreferenz ausgelegt ist, um die erste Offset-Korrekturspannung am ersten invertierenden Eingang über einen Widerstand anzulegen.
Vorrichtung nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei: der Instrumentenverstärker eine zweite Stufe umfasst, wobei die zweite Stufe einen dritten Verstärker mit einem dritten invertierenden Eingangsanschluss umfasst, welcher operativ mit einem ersten Ausgangsanschluss des ersten Verstärkers und einem dritten nicht-invertierenden Eingangsanschluss gekoppelt ist, der operativ mit einem zweiten Ausgangsanschluss des zweiten Verstärkers gekoppelt ist; und die Vorrichtung ferner eine zweite auslegbare Spannungsreferenz umfasst, welche ausgelegt ist, um eine dritte Offset-Korrekturspannung am dritten nicht-invertierenden Eingangsanschluss und eine vierte Offset-Korrekturspannung am dritten invertierenden Eingangsanschluss anzulegen, um eine Offset-Spannung in den Ausgangsspannungen von den ersten und zweiten Verstärkern zu kompensieren.
Vorrichtung nach Anspruch 6, ferner umfassend eine dritte auslegbare Spannungsreferenz, welche ausgelegt ist, um eine fünfte Offset-Korrekturspannung am nicht-invertierenden Eingangsanschluss des dritten Verstärkers anzulegen.
Vorrichtung nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die auslegbare Spannungsreferenz einen Spannungsteiler mit einer Mehrzahl von Abgriffspunkten umfasst, welche ausgelegt sind, um verschiedene Spannungspegel bereitzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 8, ferner umfassend einen Offset-Korrekturverstärker, welcher ausgelegt ist, um eine Spannung zu verstärken, welche vom Spannungsteiler erzeugt wird, wobei ein Ausgang des Offset-Korrekturverstärkers mit einer oder mehreren ausgewählten Widerstandsketten elektrisch verbindbar ist und wobei die eine oder mehreren Widerstandsketten mit der ersten Stufe des Instrumentenverstärkers elektrisch verbunden sind.
Vorrichtung nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die auslegbare Spannungsreferenz einen R2R-DAC umfasst.
Vorrichtung nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Widerstandsnetz umfasst: eine erste auslegbare Impedanz, welche operativ zwischen dem ersten invertierenden Eingangsanschluss und dem zweiten invertierenden Eingangsanschluss gekoppelt ist, wobei die erste auslegbare Impedanz eine erste anpassbare Impedanz aufweist; eine zweite auslegbare Impedanz, welche operativ zwischen dem ersten invertierenden Eingangsanschluss und einem Ausgangsanschlusss des ersten Verstärkers gekoppelt ist, wobei die zweite auslegbare Impedanz eine zweite anpassbare Impedanz aufweist; und eine dritte auslegbare Impedanz, welche operativ zwischen dem zweiten invertierenden Eingangsanschluss und einem Ausgangsanschlusss des zweiten Verstärkers gekoppelt ist, wobei die dritte auslegbare Impedanz eine dritte anpassbare Impedanz aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei eine Summe der ersten anpassbaren Impedanz, der zweiten anpassbaren Impedanz und der dritten anpassbaren Impedanz im Wesentlichen konstant bleibt, wenn die erste anpassbare Impedanz, die zweite anpassbare Impedanz und die dritte anpassbare Impedanz jeweils angepasst werden.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 11 oder 12, wobei die Vorrichtung ausgelegt ist, wenigstens eine der ersten anpassbaren Impedanz, der zweiten anpassbaren Impedanz oder der dritten anpassbaren Impedanz anzupassen, wenn eine Verstärkung des Instrumentenverstärkers angepasst wird.
Vorrichtung nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Instrumentenverstärker eine programmierbare Verstärkung aufweist und wobei das Widerstandsnetz ausgelegt ist, um die programmierbare Verstärkung durch Anpassen einer oder mehrerer auslegbarer Impedanzen anzupassen.
Vorrichtung nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Offset-Komponente an den ersten und zweiten invertierenden Eingangsanschlüssen, welche von der auslegbaren Spannungsreferenz aufgrund von Drift einer Referenzspannung induziert wird, ausgelegt ist, zu einer Offset-Komponente von Eingängen an den ersten und zweiten nicht-invertierenden Eingangsanschlüssen aufgrund von Drift der Referenzspannung ratiometrisch zu sein.
Vorrichtung nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die auslegbare Spannungsreferenz ausgelegt ist, um das Erzeugen der ersten Offset-Korrekturspannung und der zweiten Offset-Korrekturspannung separat zu steuern.
Verfahren zum Kompensieren eines Offsets in einem Sensorausgang, das Verfahren umfassend: Empfangen, von einem Sensor, eines Sensorausgangs an einem nicht-invertierenden Eingangsanschluss eines ersten Verstärkers in einem Instrumentenverstärker, wobei der Sensorausgang eine Offset-Komponente und eine Signalkomponente umfasst; Erzeugen eines Offset-Korrektursignals an einem negativen Eingangsanschluss des ersten Verstärkers unter Verwendung eines Spannungsmodus-Digital-Analog-Wandlers (Digital-to-Analog Converter, DAC), um die Offset-Komponente des Sensorausgangs im Wesentlichen zu unterdrücken; und Verstärken des Sensorausgangs unter Verwendung des ersten Verstärkers.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Spannungsmodus-DAC wenigstens einen von einem Widerstandsketten-DAC oder einem R2R-DAC umfasst.
Verfahren nach den Ansprüchen 17 oder 18, ferner umfassend: Empfangen, vom Sensor, eines zweiten Sensorausgangs an einem nicht-invertierenden Eingangsanschluss eines zweiten Verstärkers im Instrumentenverstärker, wobei der zweite Sensorausgang eine zweite Offset-Komponente und eine zweite Signalkomponente umfasst; Erzeugen eines zweiten Offset-Korrektursignals an einem invertierenden Eingangsanschluss des zweiten Verstärkers unter Verwendung des Spannungsmodus-DAC, um die zweite Offset-Komponente des zweiten Sensorausgangs im Wesentlichen zu unterdrücken; Verstärken des zweiten Sensorausgangs unter Verwendung des zweiten Verstärkers; und Verstärken einer Differenz zwischen Ausgängen des ersten Verstärkers und des zweiten Verstärkers unter Verwendung eines dritten Verstärkers.
Elektronisches System, umfassend: einen Sensor, welcher ausgelegt ist, um einen Differenzsensorausgang zu erzeugen, wobei der Differenzsensorausgang eine Offset-Komponente und eine Signalkomponente umfasst; einen ersten Verstärker mit einer ersten Verstärkung des Verstärkers, welche von einem ersten Widerstandsrückkopplungsnetz festgelegt wird, wobei der erste Verstärker einen nicht-invertierenden Eingangsanschluss umfasst, welcher ausgelegt ist, um einen positiven Teil des Differenzsensorausgangs und einen invertierenden Eingangsanschluss zu empfangen, welche operativ mit dem ersten Widerstandsrückkopplungsnetz gekoppelt sind; einen zweiten Verstärker mit einer zweiten Verstärkung des Verstärkers, welche von einem zweiten Widerstandsrückkopplungsnetz festgelegt wird, wobei der zweite Verstärker einen nicht-invertierenden Eingangsanschluss umfasst, welcher ausgelegt ist, um einen negativen Teil des Differenzsensorausgangs und einen invertierenden Eingangsanschluss zu empfangen, welche operativ mit dem zweiten Widerstandsrückkopplungsnetz gekoppelt sind; und eine auslegbare Spannungsreferenz, welche ausgelegt ist, um ein erstes Offset-Korrektursignal am invertierenden Eingangsanschluss des ersten Verstärkers und ein zweites Offset-Korrektursignal am invertierenden Eingang des zweiten Verstärkers anzulegen, um die Offset-Komponente des Sensorausgangs im Wesentlichen zu unterdrücken.
System nach Anspruch 20, wobei der Sensor wenigstens einen von einem Drucksensor oder einem Widerstandsbrücken-basierten Sensor umfasst.
System nach den Ansprüchen 20 oder 21, wobei die auslegbare Spannungsreferenz wenigstens einen von einem Widerstandsketten-DAC oder einem R2R-DAC umfasst.
System nach einem beliebigen der Ansprüche 20 bis 22, wobei die auslegbare Spannungsreferenz einen Spannungsmodus-DAC umfasst.