DE102019101663A1

DE102019101663A1 - Rauscharme differenzverstärkerschaltung und verfahren zur verstärkung

Info

Publication number: DE102019101663A1
Application number: DE102019101663.0A
Authority: DE
Inventors: Jonas Weiland; Abdullah Ahmed
Original assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Current assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Priority date: 2018-03-01
Filing date: 2019-01-23
Publication date: 2019-09-05
Also published as: US20190273471A1; CN110224677B; CN110224677A; US10491166B2; US20200007089A1; US10756680B2

Abstract

In einem allgemeinen Aspekt kann ein Verstärker Folgendes umfassen: eine Eingangsverstärkerschaltung, die konfiguriert ist, um einen Ruhestrom zu empfangen und als ein Eingang ein Signalpaar zu empfangen, das mit der Eingangsverstärkerschaltung differentiell verbunden ist, wobei die Eingangsverstärkerschaltung konfiguriert ist, um ein differentielles Ausgangssignalpaar basierend auf dem empfangenen differentiellen Eingangssignalpaar auszugeben, eine rückgekoppelte Verstärkerschaltung, die konfiguriert ist, um einen Mittelwert des differentiellen Ausgangssignalpaares zu empfangen, und konfiguriert ist, um einen Vorspannungseinstellausgang zum Steuern des Ruhestroms vorzusehen, und eine Ausgangspufferschaltung, die konfiguriert ist, um das differentielle Ausgangssignalpaar zu puffern, wobei die Pufferung zu einem gepufferten differentiellen Ausgangssignalpaar führt, das eine ohmsche Last ansteuern kann.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Beschreibung bezieht sich allgemein auf einen rauscharmen Differenzverstärker.
HINTERGRUND
Im Allgemeinen können kleine elektronische Vorrichtungen, zum Beispiel elektronische medizinische Vorrichtungen, die von einer Person getragen oder in sie implantiert werden können, in einigen Anwendungen wesentlich von Verringerungen der Größe und/oder des Energieverbrauchs profitieren. Jedoch kann das Verringern der Größe und/oder des Energieverbrauchs herausfordernd sein, da relativ große und leistungsstarke Komponenten benötigt werden, um die hohe Empfindlichkeit und Selektivität zu erreichen, wenn Signale in der körpergetragenen Elektronik verarbeitet werden. Dementsprechend sind bekannte, körpergetragene elektronische Vorrichtungen nicht in der Lage, eine erwünschte Empfindlichkeit und Selektivität für die Verarbeitung von Biosignalen zu erreichen, während sie ausreichend klein und leistungsarm sind.
ZUSAMMENFASSUNG
In einem allgemeinen Aspekt umfasst ein Verstärker eine rückgekoppelte Verstärkerschaltung, die konfiguriert ist, um einen Ausgangsspannungshub eines differentiellen Ausgangssignalpaares in Bezug auf einen Ruhestrom zu steuern, indem eine konstante Verstärkung des Ausgangsspannungssignals für das differentielle Ausgangssignalpaar bereitgestellt wird, eine Eingangsverstärkerschaltung, die konfiguriert ist, um den Ruhestrom zu erhalten, und konfiguriert, um als ein Eingang ein Signalpaar, das mit der Eingangsverstärkerschaltung durch einen Sperrkondensator differentiell verbunden ist, zu erhalten, wobei die Eingangsverstärkerschaltung konfiguriert ist, um das differentielle Ausgangssignalpaar basierend auf dem differentiellen Eingangssignalpaar und dem Ruhestrom auszugeben, und einen Ausgangspuffer, umfassend eine erste Pufferschaltung und eine zweite Pufferschaltung, wobei die erste Pufferschaltung konfiguriert ist, um ein erstes Ausgangssignal des differentiellen Ausgangssignalpaares zu verstärken, damit ein erstes gepuffertes Ausgangssignal erzeugt wird, das konfiguriert ist, um eine erste ohmsche Last anzusteuern, wobei die zweite Pufferschaltung konfiguriert ist, um ein zweites Ausgangssignal des differentiellen Ausgangssignalpaares zu verstärken, damit ein zweites gepuffertes Ausgangssignal erzeugt wird, das konfiguriert ist, um eine zweite ohmsche Last anzusteuern.
Umsetzungsformen können eines oder mehrere der folgenden Merkmale, allein oder in Kombination mit einem oder mehreren anderen Merkmalen, umfassen. Zum Beispiel kann der Verstärker ferner ein DC-Vorspannungsmodul umfassen, das konfiguriert ist, um eine Hochpassfilterfrequenz für den Verstärker einzustellen. Das DC-Vorspannungsmodul kann eine Mehrzahl von Widerständen und eine Mehrzahl von Metalloxidhalbleiter (MOS)-Transistoren aufweisen, die die Mehrzahl von Widerständen steuern, um eine DC-Vorspannung für das differentielle Eingangssignalpaar einzustellen. Die Hochpassfilterfrequenz kann ferner auf einem Wert des Sperrkondensators basieren. Die rückgekoppelte Verstärkerschaltung kann eine Gleichtakt-Rückkopplungsschaltung sein. Die rückgekoppelte Verstärkerschaltung kann eine Eingangsspannung aufweisen, die eine erste Gleichtaktreferenzspannung ist, und das DC-Vorspannungsmodul kann eine Eingangsspannung aufweisen, die eine zweite Gleichtaktreferenzspannung ist. Ein Wert der ersten Gleichtaktreferenzspannung und ein Wert der zweiten Gleichtaktreferenzspannung können eingestellt werden, um einen Eingangsgleichtaktbereich für den Verstärker zu steuern. Der Verstärker kann ein Vorverstärker mit einer ersten Stufe, die die rückgekoppelte Verstärkerschaltung und die Eingangsverstärkerschaltung umfasst, und mit einer zweiten Stufe sein, die den Ausgangspuffer umfasst, und die erste ohmsche Last und die zweite ohmsche Last sind in einem Verstärkungsmodul enthalten. Eine Mehrzahl von Metalloxidhalbleiter (MOS)-Transistoren kann ein Schalten von Ausgangslastwiderständen zur Eingangsverstärkerschaltung steuern. Die Ausgangslastwiderstände können einen Wert aufweisen, der eine Stromstärke für den Verbrauch durch die Eingangsverstärkerschaltung bestimmt. Die Stärke des verbrauchten Stroms kann einen Rauschpegel im Verstärker bestimmen. Der Verstärker kann eine Gleichtaktverstärkung aufweisen, die basierend auf einer Anpassung der Ausgangslastwiderstände bestimmt wird. Der rückgekoppelte Verstärker kann einen Eingang aufweisen, der eine Kombination aus einer zweiten Ausgangssignalspannung des differentiellen Ausgangssignalpaares und einer ersten Ausgangssignalspannung des differentiellen Ausgangssignalpaares ist. Der Verstärker kann ferner ein Eingangsruhestrommodul umfassen, das konfiguriert ist, um den Ruhestrom zu erzeugen und den Eingangsverstärker mit dem Ruhestrom zu versorgen. Der rückgekoppelte Verstärker kann einen Ausgang aufweisen, der die Erzeugung des Ruhestroms durch das Eingangsruhestrommodul steuert.
In einem anderen allgemeinen Aspekt kann ein Verfahren das Empfangen eines differentiellen Eingangssignalpaares durch eine im Verstärker enthaltene Eingangsverstärkerschaltung, das Ausgeben eines differentiellen Ausgangssignalpaares durch die Eingangsverstärkerschaltung basierend auf dem empfangenen differentiellen Eingangssignalpaar und dem empfangenen Ruhestrom, Empfangen einer Kombination der Signale des differentiellen Ausgangssignalpaares durch eine im Verstärker enthaltene rückgekoppelte Verstärkerschaltung, und das Ausgeben eines Signals durch die rückgekoppelte Verstärkerschaltung zum Steuern des Ruhestroms umfassen.
Umsetzungsformen können eines oder mehrere der folgenden Merkmale, allein oder in Kombination mit einem oder mehreren anderen Merkmalen, umfassen. Das Verfahren kann beispielsweise ferner Folgendes umfassen: Steuern eines Schaltens von Ausgangslastwiderständen zur Eingangsverstärkerschaltung durch eine Mehrzahl von Metalloxidhalbleiter (MOS)-Transistoren, Bestimmen eines Werts der Ausgangslastwiderstände basierend auf dem Schalten, Bestimmen einer Strommenge zum Verbrauch durch die Eingangsverstärkerschaltung basierend auf dem bestimmten Wert der Ausgangslastwiderstände, und Bestimmen eines Rauschpegels im Verstärker basierend auf der bestimmten Strommenge, die vom Verstärker verbraucht wird. Das Verfahren kann ferner das Bestimmen einer Gleichtaktverstärkung des Verstärkers basierend auf einer Anpassung der Ausgangslastwiderstände umfassen. Das Verfahren kann ferner das Empfangen des Signals durch ein im Verstärker enthaltenes Eingangsruhestrommodul zum Steuern der Erzeugung des Ruhestroms von der rückgekoppelten Verstärkerschaltung, das Erzeugen des Ruhestroms durch das Eingangsruhestrommodul basierend auf dem empfangenen Signal, und das Ausgeben des Ruhestroms durch das Eingangsruhestrommodul zum Eingeben in die Eingangsverstärkerschaltung umfassen. Der Ruhestrom kann basierend auf einem Wert bestimmt werden, der für eine zweite Gleichtaktreferenzspannung eingestellt ist. Das Verfahren kann ferner das Bestimmen eines Wertes für eine erste Gleichtaktreferenzspannung fi oder us zum Steuern eines Signalhubs des differentiellen Ausgangssignalpaares umfassen.
In einem anderen Aspekt kann ein Verstärker Folgendes umfassen: eine Eingangsverstärkerschaltung, die konfiguriert ist, um einen Ruhestrom zu empfangen und als Eingang ein Signalpaar zu empfangen, das mit der Eingangsverstärkerschaltung differentiell verbunden ist, wobei die Eingangsverstärkerschaltung konfiguriert ist, um ein differentielles Ausgangssignalpaar basierend auf dem empfangenen differentiellen Eingangssignalpaar auszugeben, eine rückgekoppelte Verstärkerschaltung, die konfiguriert ist, um einen Mittelwert des differentiellen Ausgangssignalpaares zu empfangen, und konfiguriert ist, um einen Vorspannungseinstellausgang zum Steuern des Ruhestroms bereitzustellen, und eine Ausgangspufferschaltung, die konfiguriert ist, um das differentielle Ausgangssignalpaar zu puffern, wobei die Pufferung zu einem gepufferten differentiellen Ausgangssignalpaar führt, das eine ohmsche Last ansteuern kann.
Umsetzungsformen können eines oder mehrere der folgenden Merkmale, allein oder in Kombination mit einem oder mehreren anderen Merkmalen, umfassen. Der Verstärker kann beispielsweise ferner eine Kombinationsschaltung enthalten, die konfiguriert ist, um das differentielle Ausgangssignalpaar zu empfangen, und konfiguriert ist, um den Mittelwert des differentiellen Ausgangssignalpaares zum Eingeben in den rückgekoppelten Verstärker auszugeben. Der Vorspannungseinstellausgang kann basierend auf einem Wert bestimmt werden, der für eine zweite Gleichtaktreferenzspannung eingestellt ist. Die rückgekoppelte Verstärkerschaltung kann einen Spannungshub des differentiellen Ausgangssignalpaares basierend auf dem Vorspannungseinstellausgang steuern. Der Spannungshub des differentiellen Ausgangssignalpaares kann basierend auf dem Einstellen eines Werts für eine erste Gleichtaktreferenzspannung gesteuert werden. Der Verstärker kann basierend auf dem Steuern des Spannungshubs durch die rückgekoppelte Verstärkerschaltung eine konstante Verstärkung vorsehen. Der Verstärker kann ein Vorverstärker sein. Der Vorverstärker kann eine erste Stufe aufweisen, die die rückgekoppelte Verstärkerschaltung und die Eingangsverstärkerschaltung umfasst. Der Vorverstärker kann eine zweite Stufe aufweisen, die den Ausgangspuffer umfasst. Die ohmsche Last kann in einem Verstärkungsmodul enthalten sein.
Die Details einer oder mehrerer Umsetzungsformen sind in den begleitenden Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt. Andere Merkmale werden aus der Beschreibung und den Zeichnungen und aus den Ansprüchen ersichtlich.
Figurenliste

1A ist ein Blockdiagramm, das eine beispielhafte elektrische Schaltung für eine integrierte Differenzverstärkungsschaltung darstellt.
1B ist ein Blockdiagramm, das eine beispielhafte elektrische Schaltung für einen Verstärker darstellt, der einen rückgekoppelten Verstärker, einen Eingangsverstärker, ein Eingangsruhestrommodul, ein DC-Vorspannungsmodul und einen Ausgangspuffer umfasst.
2 ist ein Blockdiagramm, das eine beispielhafte elektrische Schaltung darstellt, die einen Verstärker und ein Verstärkungsblockmodul umfasst.
3 ist ein Diagramm, das eine beispielhafte elektrische Schaltung für einen rückgekoppelten Verstärker darstellt.
4 ist ein Diagramm, das eine beispielhafte elektrische Schaltung darstellt, die in einer ersten, in einem Ausgangspuffer enthaltenen Schaltung enthalten ist.
5 ist ein Diagramm, das eine beispielhafte elektrische Schaltung darstellt, die in einer zweiten, in einem Ausgangspuffer enthaltenen Schaltung enthalten ist.
6 ist ein Diagramm, das eine beispielhafte elektrische Schaltung darstellt, die in einem DC-Vorspannungsmodul enthalten ist.
7 ist ein Diagramm, das eine beispielhafte elektrische Schaltung darstellt, die in einem Eingangsruhestrommodul enthalten ist.
8 ist ein Diagramm, das eine beispielhafte elektrische Schaltung darstellt, die in einer Kombinationsschaltung enthalten ist.
9 ist ein Diagramm, das eine beispielhafte elektrische Schaltung für einen Eingangsverstärker darstellt.
10 ist eine beispielhafte Grafik, die eine Ausgangsspannung gegen eine Frequenz darstellt, wobei die Frequenz eine Hochpassfilterfrequenz ist, die durch einen Hochpassfilter unter Verwendung eines Kondensators außerhalb eines DC-Vorspannungsmoduls gesteuert wird.
11 ist eine beispielhafte Grafik, die eine DC-Vorspannung im Zeitverlauf mit einer bestimmten Hochpassfilterfrequenz darstellt.
12 ist ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren zum Bereitstellen einer rauscharmen Differenzverstärkung für Signale darstellt, die in körpergetragener Elektronik verwendet werden.

Gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen zeigen gleiche Elemente an.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Kleine, leistungsarme elektronische Vorrichtungen, wie elektronische medizinische Vorrichtungen, die von einer Person getragen und/oder in eine Person implantiert werden können (beides kann als körpergetragene Elektronik oder als körpergetragene, elektronische Vorrichtungen bezeichnet werden), können in einer Vielzahl von Anwendungen vorteilhaft sein. Elektronische Schaltungen, die in dieser kleinen, leistungsarmen körpergetragenen Elektronik enthalten sind, können Signalverarbeitungsschaltungen enthalten, die einen begrenzten Stromverbrauch (z.B. weniger als ein Mikrowatt) haben, während sie eine hohe Gleichtaktunterdrückung (CMRR) und/oder eine niedrige harmonische Gesamtverzerrung (THD) von verstärkten Signalen liefern. Eine integrierte Differenzverstärkungsschaltung, wie hierin erörtert, kann zum Verstärken von Signalen in solchen Schaltungen den niedrigen Leistungsverbrauchsbedarf erfüllen, während sie eine hohe CMRR und eine niedrige THD von verstärkten Signalen liefert.
In einigen körpergetragenen, elektronischen Vorrichtungsanwendungen kann zum Beispiel eine Vorverstärkung von biologischen und/oder Audioeingangssignalen durch eine Verstärkungsschaltung mit einer Hochpasseckfrequenz (z.B. eine Hochpassgrenzfrequenz, eine Hochpassunterbrechungsfrequenz) bei niedrigen Frequenzen realisiert werden kann. Im Allgemeinen kann eine Signalverarbeitung in einer ersten Stufe von einem vorderen Ende einer Verstärkungsschaltung durch Rauschen beherrscht werden. Daher können die Anforderungen der Verstärkungsschaltung, ein Eingangssignal zu verstärken, während Rauschen und andere Signalverzerrungen minimal gehalten werden, für das vordere Ende der Verstärkungsschaltung wichtig sein, da jegliches Rauschen oder eine andere Art von Signalverzerrung am vorderen Ende der Verstärkungsschaltung die Leistung der elektronischen Schaltung als Ganzes verschlechtern kann. Das Rauschen und/oder die Signalverzerrung können weiter verstärkt und anderen Schaltungen zugeführt werden, die in der körpergetragenen, elektronischen Vorrichtung enthalten sind. Die integrierte Differenzverstärkungsschaltung, wie hierin erörtert, umfasst die Verwendung differentieller Eingänge für die erste Stufe des vorderen Endes der Verstärkungsschaltung, die den Vorteil einer verbesserten Rausch- und Störwiderstandsfähigkeit bieten.
Die integrierte Differenzverstärkungsschaltung, wie hierin erörtert, bietet zum Beispiel eine Verstärkungsschaltung, die eine Niederleistungsschaltung ist, die für die Komponentenanpassung geeignet ist, die eine Hochpasseckfrequenz für die integrierte Differenzverstärkungsschaltung konsequent steuern kann. Die hierin beschriebenen integrierten Differenzverstärkungsschaltungen haben Vorteile gegenüber beispielsweise der Verwendung diskreter Komponenten. Das Implementieren einer Verstärkungsschaltung in diskreten Komponenten kann zu einem erhöhten Leistungsverbrauch, eingeschränkten Rausch-/Stromverbrauchsausgleichen, Schwierigkeiten beim Anpassen von Komponenten und einer Hochpasseckfrequenz (z.B. eine Hochpassgrenzfrequenz, eine Hochpassunterbrechungsfrequenz) führen, die möglicherweise nicht gut gesteuert wird.
Die beispielhafte integrierte Differenzverstärkungsschaltung, die hierin beschrieben ist, kann eine selbstvorgespannte Gleichtaktrückkopplung umfassen, die vorwärts gespeist werden kann, um eine Spannung in der Verstärkungsstufe der Verstärkungsschaltung konsequent zu steuern. Die Spannung erzeugt einen Strom in einer Unterschwellenverstärkungsstufe der Verstärkungsschaltung, wobei die Verstärkung der Verstärkungsstufe proportional zum Strom ist und durch die in die Verstärkungsstufe gespeiste Spannung gesteuert wird. Das Implementieren einer konstanten Verstärkung in der Verstärkungsstufe kann die Fähigkeit umfassen, eingangsseitiges Rauschen für eine Stromentnahme zu berücksichtigen, was zur Fähigkeit führt, den Stromverbrauch mit Rauschen als Ausgleich zu skalieren. Dies bietet den Vorteil, dass ein stabiler Schaltpunkt für die Verstärkungsschaltung beibehalten wird.
Obwohl die hier beschriebene beispielhafte integrierte Differenzverstärkungsschaltung in körpergetragener Elektronik oder körpergetragenen, elektronischen Vorrichtungen verwendet werden kann, kann die hier beschriebene beispielhafte integrierte Differenzverstärkungsschaltung auch in anderen Typen von kleinen, leistungsarmen elektronischen Vorrichtungen verwendet werden, die Signalverarbeitungsschaltungen umfassen, die wenig Leistung erfordern und gleichzeitig eine hohe CMRR und/oder eine niedrige THD von verstärkten Signalen liefern.
1A ist ein Blockdiagramm, das eine beispielhafte elektrische Schaltung für eine integrierte Differenzverstärkungsschaltung darstellt. Ein Verstärker 100 kann eine Kombinationsschaltung 140, einen rückgekoppelten Verstärker 104 (der auch als rückgekoppelte Verstärkerschaltung 104 bezeichnet werden kann), einen Eingangsverstärker 102 (der auch als Eingangsverstärkerschaltung 102 bezeichnet werden kann), ein Eingangsruhestrommodul 110 und einen Ausgangspuffer 134 umfassen.
Der Verstärker 100 kann zur Signalverarbeitung in, zum Beispiel, körpergetragener Elektronik verwendet werden. Der Verstärker 100 kann eine Vorverstärkung, beispielsweise eines Biosignals und/oder eines Audiosignals, bereitstellen (z.B. differentielles Eingangssignalpaar 120a-b, das als Eingangssignal in_n 120a und Eingangssignal in_p 120b dargestellt wird). Das Eingangssignal in_p 120b ist die Spannung, die dem nicht-invertierenden Eingang des Eingangsverstärkers 102 zugeführt wird. Das Eingangssignal in_n 120a ist die Spannung, die dem invertierenden Eingang des Eingangsverstärkers 102 zugeführt wird.
Der Verstärker 100 kann das differentielle Eingangssignalpaar 120a-b unter Verwendung eines rückgekoppelten Verstärkers mit hoher Gleichtaktunterdrückung (z.B. rückgekoppelter Verstärker 104), eines Eingangsverstärkers (z.B. Eingangsverstärker 102) und eines Ausgangspuffers 134 verstärken. Das verstärkte differentielle Eingangssignalpaar wird vom Verstärker 100 als ein gepuffertes differentielles Ausgangssignalpaar 132a-b ausgegeben, das als gepuffertes Ausgangssignal pout_n 132a und gepuffertes Ausgangssignal pout_p 132b dargestellt wird. Das gepufferte Ausgangssignal pout_n 132a ist die Spannung, die vom invertierenden Ausgang des Ausgangspuffers 134 ausgegeben wird. Das gepufferte Ausgangssignal pout_p 132b ist die Spannung, die vom nicht-invertierenden Ausgang des Ausgangspuffers 134 ausgegeben wird.
Der rückgekoppelte Verstärker 104 ist mit einer Kombination aus einem differentiellen Ausgangssignalpaar 124a-b versehen, das als Ausgangssignal Voutn 124a und Ausgangssignal Voutp 124b dargestellt wird. Die Kombination des differentiellen Ausgangssignalpaares 124a-b kann beispielsweise der Mittelwert (oder Mittelpunkt) des Ausgangssignals Voutn 124a und des Ausgangssignals Voutp 124b sein. Der Mittelwert oder die Kombination des differentiellen Ausgangssignalpaares 124a-b wird als Eingangssignal 136 an den rückgekoppelten Verstärker 104 eingegeben. Das differentielle Ausgangssignalpaar 124a-b sind Ausgangssignale vom Eingangsverstärker 102. Das Ausgangssignal Voutn 124a ist die Spannung, die vom invertierenden Ausgang des Eingangsverstärkers 102 ausgegeben wird. Das Ausgangssignal Voutp 124b ist die Spannung, die vom nicht-invertierenden Ausgang des Eingangsverstärkers 102 ausgegeben wird.
Ein Ausgang 146 des rückgekoppelten Verstärkers 104 steuert einen Eingang zu einem Eingangsruhestrommodul 110 (z.B. Vbias_set 128). Ein Ausgang (z.B. I_bias 130) des Eingangsruhestrommoduls 110 wird in den Eingangsverstärker 102 eingegeben. Der Ausgang I_bias 130 steuert den Ruhestrom für den Eingangsverstärker 102.
Unter Bezugnahme auf 3 ist eine zweite Gleichtaktreferenzspannung Vcmo 114 mit einem Gate 306 von MOS-Transistor Q31 verbunden. Kondensator C14, der zwischen dem Gate 306 des MOS-Transistors Q31 und Ausgang 146 geschaltet (gekoppelt) ist, kann die Stabilität der Rückkopplungsschaltung 104, wie in 3 dargestellt, verbessern. Die Eingangssignalspannung Vbias_set 128 ist das Ergebnis des rückgekoppelten Verstärkers 104, der das Eingangssignal 136 erfasst und ausgleicht, die der Mittelwert (oder Mittelpunkt) der Spannung von Ausgangssignal Voutn 124 und der Spannung von Ausgangssignal Voutp 124b sein kann. Ein Wert der Eingangssignalspannung Vbias_set 128 kann erzeugt werden, um den Ausgangsstrom I_bias 130 vom Eingangsruhestrommodul 110 zu steuern, wie in 7 detaillierter dargestellt wird.
Der Verstärker 100 kann eine oder mehrere Vorteile haben, wenn er als ein Vorverstärker in beispielsweise körpergetragener Elektronik integriert ist. Die Verwendung differentieller Eingänge für den Eingangsverstärker 102 kann eine verbesserte Rausch- und Störwiderstandsfähigkeit bieten. Rausch- oder elektromagnetische Störungen sind sowohl beim Eingangssignal in_n 120a als auch beim Eingangssignal in_p 120b gleich. Da der Eingangsverstärker 102 die Differenz zwischen dem Eingangssignal in_n 120a und dem Eingangssignal in_p 120b misst, wird jegliches Rauschen oder elektromagnetische Störung ignoriert. Die Verwendung des rückgekoppelten Verstärkers 104, der das Steuern des Ruhestroms zum Eingeben in den Eingangsverstärker 102 basierend auf der Kombination oder dem Mittelwert des differentiellen Ausgangssignalpaares 124a-b vom Eingangsverstärker 102 bereitstellt, kann einen stabilen Schaltpunkt für den Eingangsverstärker 102 beibehalten, indem der Signalhub des differentiellen Ausgangssignalpaares 124a-b in Bezug auf den Eingangsruhestrom gesteuert wird.
Um den Strom für den Eingangsverstärker 102 niedrig zu halten (bei einem Minimalwert (z.B. im Nanoampere-Bereich)), ist ein Ausgangswiderstand für jedes des Ausgangssignals Voutn 124a und des Ausgangssignals Voutp 124b groß (z.B. im Megaohm-Bereich). Aufgrund des großen Ausgangswiderstandes des Ausgangssignals Voutn 124a und des Ausgangssignals Voutp 124b, können das Ausgangssignal Voutn 124a und das Ausgangssignal Voutp 124b eine ohmsche Last möglicherweise nicht ansteuern. Die Verwendung eines Ausgangspuffers (z.B. der Ausgangspuffer 134) kann das Ausgangssignal Voutn 124a und das Ausgangssignal Voutp 124b puffern, wobei das gepufferte Ausgangssignal pout_n 132a und das gepufferte Ausgangssignal pout_p 132b als Ausgangssignale des Vorverstärkers erzeugt werden, die konfiguriert sind, um eine ohmsche Last anzusteuern.
1B ist ein Blockdiagramm, das eine beispielhafte elektrische Schaltung für den Verstärker 100 detaillierter darstellt, die ferner ein DC-Vorspannungsmodul 112, eine erste Ausgangspufferschaltung 106 und eine zweite Ausgangspufferschaltung 108 umfasst, die im Ausgangspuffer 134 enthalten sind, und einen Metalloxidhalbleiter (MOS)-Transistor und Widerstandsblock 126 und einen MOS-Transistor und Widerstandsblock 138, die im Eingangsverstärker 102 enthalten sind.
Details der im MOS-Transistor und Widerstandsblock 126 enthaltenen Schaltung und des MOS-Transistors und Widerstandsblocks 138 werden in 9 dargestellt. Im Allgemeinen umfasst jeder MOS-Transistor und Widerstandsblock eine Mehrzahl von MOS-Transistoren, die jeweilige Widerstände in und aus einer Schaltung schalten können, die die Verstärkung eines jeweiligen Ausgangssignals steuern kann (z.B. das Ausgangssignal Voutn 124a und das Ausgangssignal Voutp 124b). Ein Gesamtwiderstandswert kann in einem Ausgleich von Verstärkungsquerrauschen für das jeweilige Ausgangssignal erhöht oder verringert werden. Das DC-Vorspannungsmodul 112 gibt ein DC-Vorspannungsdifferenzspannungssignal 138a-b (das als DCbias_n 138a und DCbias_p 138b dargestellt wird) zur jeweiligen Verwendung beim Steuern der DC-Vorspannung des differentiellen Eingangssignalpaares 120a-b, des Eingangssignals in_n 120a und des Eingangssignals in-p 120b aus. Eine erste Gleichtaktreferenzspannung Vcmi 116 wird als die Eingangsreferenzspannung an das DC-Vorspannungsmodul 112 geliefert. Kondensator C16 und Kondensator C18 können verwendet werden, um eine Hochpassfilterfrequenz für das Eingangssignal in_n 120a und das Eingangssignal in_p 120b, das differentielle Eingangssignalpaar 120a-b einzustellen. Die Spannung Sin 142a und die Spannung Sip 142b sind Referenzspannungen, die dem Kondensator C16 und dem Kondensator C18 jeweils als Referenzspannung des differentiellen Signalpaares 142a-b zugeführt werden.
Das Ausgangssignal Voutn 124a wird der ersten Ausgangspufferschaltung 106 als Eingangssignal 160 zugeführt. Die erste Ausgangspufferschaltung 106 puffert das Ausgangssignal Voutn 124a vom Eingangsverstärker 102 zur Ausgabe als gepuffertes Ausgangssignal pout_n 132a. Das Ausgangssignal Voutp 124b wird der zweiten Ausgangspufferschaltung 108 als Eingangssignal 162 zugeführt. Die zweite Ausgangspufferschaltung 108 puffert das Ausgangssignal Voutp 124b vom Eingangsverstärker 102 zur Ausgabe als gepuffertes Ausgangssignal pout_p 132b. Die erste Ausgangspufferschaltung 106 und die zweite Ausgangspufferschaltung 108 stellen das gepufferte differentielle Ausgangssignalpaar 132a-b bereit.
Zum Beispiel liefert die Kombinationsschaltung 140 das Eingangssignal 136 an den rückgekoppelten Verstärker 104 als ein Mittelwert des Ausgangssignals Voutn 124a und des Ausgangssignals Voutp 124b.
Die VDDA 148 ist eine geregelte Versorgungsspannung für den Verstärker 100. Die VDDA 148 kann beispielsweise einen niedrigen Wert im Ein-Volt-Bereich aufweisen. In einigen Umsetzungsformen kann die VDDA 148 eine geregelte Batteriespannung sein. Die VSS 150 ist eine Schaltungsmassespannung für den Verstärker 100.
Ein ip_buff_pa_4n-Signal 152 und ein ip_buff_pa_1n-Signal 154 werden dem ersten Ausgangspuffer 106 jeweils als Eingangssignal 153 und Eingangssignal 155 zur Verfügung gestellt. Das ip_buff_pa_4n-Signal 152 und das ip_buff_pa_1n-Signal 154 werden dem zweiten Ausgangspuffer 108 jeweils als Eingangssignal 156 und Eingangssignal 158 zur Verfügung gestellt. Das ip_buff_pa_4n-Signal 152 und das ip_buff_pa_1n-Signal 154 werden von der ersten Ausgangspufferschaltung 106 und der zweiten Ausgangspufferschaltung 108 verwendet, wenn das Ausgangssignal Voutn 124a und das Ausgangssignal Voutp 124b jeweils gepuffert werden, um jeweils das gepufferte Ausgangssignal pout_n 132 und das gepufferte Ausgangssignal pout_p 132b zu erzeugen.
In einigen Umsetzungsformen kann der Verstärker 100 zwei Stufen aufweisen, eine erste Stufe 170 und eine zweite Stufe 172. Die erste Stufe 170 kann den rückgekoppelten Verstärker 104, den Eingangsverstärker 102, die Kombinationsschaltung 140, das Eingangsruhestrommodul 110 und das DC-Vorspannungsmodul 112 umfassen. Die zweite Stufe 172 kann den Ausgangspuffer 134 enthalten.
Die geringe Stromaufnahme kann die Treibfähigkeit des differentiellen Ausgangssignalpaares 124a-b (dargestellt als das Ausgangssignal Voutn 124a und das Ausgangssignal Voutp 124b) zum Ansteuern der Ausgangslasten einschränken. Eine nachfolgende Verstärkungsstufe mit ohmscher Last kann durch den Ausgangspuffer 134 vorgesehen werden. Der Ausgangspuffer 134 kann Ausgangspufferschaltungen (jeweils die erste Ausgangspufferschaltung 106 und die zweite Ausgangspufferschaltung 108) zum Puffern des Ausgangssignals Voutn 124a und des Ausgangssignals Voutp 124b umfassen. Die erste Ausgangspufferschaltung 106 und die zweite Ausgangspufferschaltung 108, die im Ausgangspuffer 134 enthalten sind, können ein Puffer mit hoher Anstiegsrate sein, der konfiguriert (ausgelegt) ist, um eine niedrige harmonische Gesamtverzerrung bereitzustellen. Beispielsweise kann für maximale Eingangssignalpegel von zwei Millivolt Spitze die harmonische Gesamtverzerrung, die durch den Verstärker 100 erzeugt wird, weniger als ein Prozent betragen. Die erste Ausgangspufferschaltung 106 und die zweite Ausgangspufferschaltung 108, die im Ausgangspuffer 134 enthalten sind, können als ein Sourcefolger mit niedriger Ausgangsimpedanz implementiert (ausgelegt) sein, der jedes Ausgangssignal vom Eingangsverstärker 102 puffern kann. Die erste Ausgangspufferschaltung 106 und die zweite Ausgangspufferschaltung 108, die im Ausgangspuffer 134 enthalten sind, können daher derart implementiert sein, dass der Verstärker 100 eine Leistung der Klasse AB unter Verwendung einer einfachen Struktur bieten kann.
3-9 enthalten Diagramme, die beispielhafte elektrische Schaltungen für die Schaltungen, Verstärker und Module, die in 1A-B enthalten sind, darstellen. 3 ist ein Diagramm, das eine beispielhafte elektrische Schaltung für den rückgekoppelten Verstärker 104 darstellt. 4 ist ein Diagramm, das eine beispielhafte elektrische Schaltung für die zweite Ausgangspufferschaltung 108 darstellt. 5 ist ein Diagramm, das eine beispielhafte elektrische Schaltung für die erste Ausgangspufferschaltung 106 darstellt. 6 ist ein Diagramm, das eine beispielhafte elektrische Schaltung darstellt, die im DC-Vorspannungsmodul 112 enthalten ist. 7 ist ein Diagramm, das eine beispielhafte elektrische Schaltung darstellt, die im Eingangsruhestrommodul 110 enthalten ist. 8 ist ein Diagramm, das eine beispielhafte elektrische Schaltung darstellt, die in der Kombinationsschaltung 140 enthalten ist. 9 ist ein Diagramm, das eine beispielhafte elektrische Schaltung für den Eingangsverstärker 102 darstellt, die eine beispielhafte elektrische Schaltung für den MOS-Transistor und Widerstandsblock 126 und eine beispielhafte elektrische Schaltung für den MOS-Transistor und Widerstandsblock 138 umfasst.
2 ist ein Blockdiagramm, das eine beispielhafte elektrische Schaltung 200 darstellt, die einen Verstärker (z.B. der Verstärker 100, wie in 1 dargestellt) und ein Verstärkungsblockmodul 202 umfasst. Der Verstärker 100 kann beispielsweise ein Vorverstärker sein. Der Ausgang des Verstärkers 100, das gepufferte differentielle Ausgangssignalpaar 132a-b, kann in das Verstärkungsblockmodul 202 eingegeben werden. Das gepufferte Ausgangssignal pout_n 132a und das gepufferte Ausgangssignal p_outp 132b, die vom Verstärker 100 ausgegeben werden, können einen Verstärkungsblockdifferentialeingang 210a-b (jeweils als ein Verstärkungsblockeingang 210a und ein Verstärkungsblockeingang 210b dargestellt) des Verstärkungsblockmoduls 202 ansteuern.
Das Verstärkungsblockmodul 202 kann eine weitere Verstärkung und Amplifikation des gepufferten differentiellen Ausgangssignalpaares 132a-b bereitstellen, was zu einem differentiellen Ausgangssignalpaar 206a-b führt, das als ein Ausgangssignal go_n 206a und ein Ausgangssignal go_p 206b dargestellt wird. Verstärker 204 kann das gepufferte Ausgangssignal pout_n 132a und das gepufferte Ausgangssignal p_outp 132b verstärken. Widerstand R20 und Widerstand R24 können die Verstärkung des Verstärkers 204 und die dem gepufferten Ausgangssignal pout_n 132a bereitgestellte Verstärkung steuern, was zu einem Ausgangssignal go_n 206a führt. Widerstand R22 und Widerstand R26 können die Verstärkung des Verstärkers 204 und die dem gepufferten Ausgangssignal pout_p 132b bereitgestellte Verstärkung steuern, was zu einem Ausgangssignal go_p 206b führt.
3 ist ein Diagramm, das eine beispielhafte elektrische Schaltung für einen rückgekoppelten Verstärker darstellt (z.B. der rückgekoppelte Verstärker 104, wie in 1A-B dargestellt). Der rückgekoppelte Verstärker 104 kann als Gleichtaktverstärker implementiert sein, der einen Stromspiegel (MOS-Transistoren Q34-37), Differenzeingänge (MOS-Transistoren Q30-31) und MOS-Transistoren Q32-33 umfasst, die dem Stromspiegel einen Eingangsreferenzstrom 304 bereitstellen. Das Eingangssignal 302 kann den MOS-Transistor Q33 ansteuern, der den Wert des Eingangsreferenzstroms 304 steuert.
Die Differenzeingänge in den rückgekoppelten Verstärker 104 umfassen den Ausgang der Kombinationsschaltung 140 beim Eingangssignal 136 und die zweite Gleichtaktreferenzspannung Vcmo 114. Der Ausgang der Kombinationsschaltung 140 ist die Kombination oder der Mittelwert des Ausgangssignals Voutn 124a und des Ausgangssignals Voutp 124b vom Eingangsverstärker 102. Das Eingangssignal 136 und die zweite Gleichtaktreferenzspannung Vcmo 114 ermöglichen die adaptive Einstellung des Vbias_set 128-Ausgangs, der den Eingangsruhestrom zum Eingangsverstärker 102 steuert. Der rückgekoppelte Verstärker 104 kann den Ausgangssignalhub des differentiellen Ausgangssignalpaares 124a-b in Bezug auf den Eingangsruhestrom steuern. Dies kann eine konstante Verstärkung für den Eingangsverstärker 102 bereitstellen, da das differentielle Ausgangssignalpaar 124a-b für einen Differenzeingang in den rückgekoppelten Verstärker 104 verwendet wird, wobei der andere Differenzeingang in den rückgekoppelten Verstärker 104 eine Referenzspannung (Vcmo 114) ist.
Die Leistung des rückgekoppelten Verstärkers 104 kann optimiert werden, indem eine gute Anpassung zwischen dem MOS-Transistor Q32 und dem MOS-Transistor Q33 vorgesehen wird. Zusätzlich oder alternativ kann eine gute Anpassung der Differenzeingangstransistoren, MOS-Transistor Q30 an MOS-Transistor Q31, auch zur optimierten Leistung des rückgekoppelten Verstärkers 104 beitragen.
4 ist ein Diagramm, das eine beispielhafte elektrische Schaltung zeigt, die in einer zweiten Schaltung (z.B. die in 1A-B dargestellte zweite Ausgangspufferschaltung 108) eines Ausgangspuffers (z.B. der Ausgangspuffer 134, wie in 1A-B dargestellt) enthalten ist. Die zweite Ausgangspufferschaltung 108 umfasst einen Stromspiegel (MOS-Transistoren Q42-45). Das ip_buff_pa_4n-Signal 152 und das ip_buff pa-1n-Signal 154 werden dem zweiten Ausgangspuffer 108 jeweils als Eingangssignal 156 und Eingangssignal 158 zur Verfügung gestellt. Das ip_buff_pa_4n-Signal 152 liefert den Referenzstrom für den Stromspiegel (MOS-Transistoren Q42-45). Das ip_buff_pa_4n-Signal 152 und das ip_buff_pa_1n-Signal 154 steuern zusammen mit MOS-Transistor Q46 und Kondensator C40 den MOS-Transistor Q40. Der MOS-Transistor Q41 ist ein Sourcefolger mit niedriger Ausgangsimpedanz, der das Ausgangssignal Voutp 124b puffern kann. Die Auswahlwerte für das ip_buff_pa_4n-Signal 152, das ip_buff_pa_1n-Signal 154, den Kondensator C40 und Widerstand R40 können die Ausgangstreiberfähigkeit des gepufferten Ausgangssignals pout_p 132b bestimmen.
Wie beschrieben kann der Ausgangspuffer 134 als eine zweite Stufe von zwei Stufen des Verstärkers 100 betrachtet werden. In der zweiten Stufe kann die zweite Ausgangspufferschaltung 108 vorgespannt sein, derart, dass der Verstärker 100 als ein Verstärker der Klasse AB klassifiziert werden kann. Als ein Verstärker der Klasse AB führt der Verstärker 100 mehr als die Hälfte des Eingangszyklus für den Verstärker 100 aus. Die zweite Ausgabepufferschaltung 108 kann derart vorgespannt sein, dass das Absinken und das Beziehen von Strom eine geringe harmonische Gesamtverzerrung (THD) des gepufferten Ausgabesignals pout_p 132b für einen großen Eingangssignalbetrieb bereitstellt. Die Leistung der zweiten Ausgangspufferschaltung 108 kann optimiert werden, indem eine gute Anpassung zwischen dem MOS-Transistor Q44 und dem MOS-Transistor Q45 vorgesehen wird.
5 ist ein Diagramm, das eine beispielhafte elektrische Schaltung zeigt, die in einer ersten Schaltung (z.B. die in 1A-B dargestellte erste Ausgangspufferschaltung 106) eines Ausgangspuffers (z.B. der Ausgangspuffer 134, wie in 1A-B dargestellt) enthalten ist. Die erste Ausgangspufferschaltung 106 umfasst einen Stromspiegel (MOS-Transistoren Q52-55). Das ip_buff_pa_4n-Signal 152 und das ip_buff_pa-1n-Signal 154 werden dem ersten Ausgangspuffer 106 jeweils als Eingangssignal 153 und Eingangssignal 155 zur Verfügung gestellt. Das ip_buff_pa_4n-Signal 152 liefert den Referenzstrom für den Stromspiegel (MOS-Transistoren Q52-55). Das ip_buff_pa_4n-Signal 152 und das ip_buff_pa_1n-Signal 154 steuern zusammen mit MOS-Transistor Q56 und Kondensator C50 den MOS-Transistor Q50. Der MOS-Transistor Q51 ist ein Sourcefolger mit niedriger Ausgangsimpedanz, der das Ausgangssignal Voutn 124a puffern kann. Die Auswahlwerte für das ip_buff_pa_4n-Signal 152, das ip_buff_pa-1n-Signal 154, den Kondensator C50 und Widerstand R50 können die Ausgangstreiberfähigkeit des gepufferten Ausgangssignals pout_n 132a bestimmen.
Wie beschrieben kann der Ausgangspuffer 134 als eine zweite Stufe von zwei Stufen des Verstärkers 100 betrachtet werden. In der zweiten Stufe kann die erste Ausgangspufferschaltung 106 vorgespannt sein, derart, dass der Verstärker 100 als ein Verstärker der Klasse AB klassifiziert werden kann. Als ein Verstärker der Klasse AB führt der Verstärker 100 mehr als die Hälfte des Eingangszyklus für den Verstärker 100 aus. Die erste Ausgabepufferschaltung 106 kann derart vorgespannt sein, dass das Absinken und das Beziehen von Strom eine geringe harmonische Gesamtverzerrung (THD) des gepufferten Ausgabesignals pout_n 132n für einen großen Eingangssignalbetrieb bereitstellt. Die Leistung der ersten Ausgangspufferschaltung 106 kann optimiert werden, indem eine gute Anpassung zwischen dem MOS-Transistor Q54 und dem MOS-Transistor Q55 vorgesehen wird.
6 ist ein Diagramm, das eine beispielhafte elektrische Schaltung darstellt, die in einem DC-Vorspannungsmodul enthalten ist (z.B. das DC-Vorspannungsmodul 112, wie in 1A-B dargestellt). Die MOS-Transistoren Q60-62 können selektiv ein- und ausgeschaltet werden, indem jeweils ein Gate 602, ein Gate 604 und ein Gate 606 jedes MOS-Transistors Q60-62 gesteuert wird. Die MOS-Transistoren Q60-62 können selektiv ausgeschaltet werden, was dazu führt, dass das Schalten jeweils von Widerständen R61, R62 und R63 in Reihe mit Widerstand R60 und Widerstand R64 integriert wird. Die MOS-Transistoren Q60-62 können selektiv eingeschaltet werden, was dazu führt, dass die Widerstände R61, R62 und R63 nicht in Reihe mit Widerstand R60 und Widerstand R64 integriert werden. Jede Kombination des Ein- und Ausschaltens der MOS-Transistoren Q60-62 ist erlaubt. Die Einstellung des Gesamtwiderstands bestimmt den Wert der Spannung DCbias_n 138a.
MOS-Transistoren Q63-65 können selektiv ein- und ausgeschaltet werden, indem jeweils ein Gate 608, ein Gate 610 und ein Gate 612 jedes MOS-Transistors Q63-65 gesteuert wird, wobei jeweils ein erster Invertereingang 608, ein zweiter Invertereingang 610 und ein dritter Invertereingang 610 gesteuert wird. Die MOS-Transistoren Q63-65 können selektiv ausgeschaltet werden, was dazu führt, dass das Schalten jeweils von Widerständen R66, R67 und R68 in Reihe mit Widerstand R65 und Widerstand R69 integriert wird. Die MOS-Transistoren Q63-65 können selektiv eingeschaltet werden, was dazu führt, dass die Widerstände R66, R67 und R68 nicht in Reihe mit Widerstand R65 und Widerstand R69 integriert werden. Jede Kombination des Ein- und Ausschaltens der MOS-Transistoren Q63-65 ist erlaubt. Die Einstellung des Gesamtwiderstandes bestimmt den Wert der Hochpassfrequenzecke in Verbindung mit einem externen Kondensator.
Das DC-Vorspannungsmodul 112 gibt das DC-Vorspannungsdifferenzspannungssignal 138a-b zur Verwendung beim Steuern der DC-Vorspannung des differentiellen Eingangssignalpaares 120a-b aus. Die erste Gleichtaktreferenzspannung Vcmi 116 ist die Eingangsreferenzspannung an das DC-Vorspannungsmodul 112, die eine Referenzspannung für das DC-Vorspannungsdifferenzspannungssignal 138a-b bereitstellt.
Die Verwendung von zwei getrennten Gleichtakt-Eingangsreferenzspannungen (z.B. Vcmi 116 und Vcmo 114) kann die Verwendung von zwei getrennten Spannungen ermöglichen, um teilweise unterschiedliche elektrische Eigenschaften des Verstärkers 100 zu bestimmen. Die Einstellung der zwei getrennten Gleichtakt-Eingangsreferenzspannungen (z.B. Vcmi 116 und Vcmo 114) kann in geeigneter Weise eine insgesamt optimale Implementierung des Verstärkers 100 ermöglichen. Die Verwendung der zwei separaten Gleichtakt-Eingangsreferenzspannungen (z.B. Vcmi 116 und Vcmo 114) kann eine unabhängige Steuerung und Optimierung der hierin mit Bezug auf Gleichungen 1, 2A-B, 3A-B und 4A-B beschriebenen Parameter ermöglichen, wenn die insgesamt optimale Implementierung des Verstärkers 100 erreicht wird.
Ein Eingangsgleichtaktbereich für den Verstärker 100 kann basierend auf der Auswahl des Spannungswertes für die erste Gleichtaktreferenzspannung Vcmi 116 gesteuert und/oder maximiert werden. Beispielsweise kann bei Niederspannungsimplementierungen des Verstärkers 100 der Wert der Spannung Vcmi 116 in der Gestaltungsphase des Verstärkers 100 oder beim Messen des Verstärkers 100 optimiert werden.
Große Gleichtaktsignale können in elektronischen medizinischen Vorrichtungen vorhanden sein, die von einer Person getragen und/oder ihr implantiert werden können. Das große Gleichtaktsignal kann, wenn es innerhalb des Eingangsgleichtaktbereichs für den Verstärker 100 liegt, durch den Verstärker 100 gedämpft werden und insbesondere durch die hierin beschriebene Gleichtakt-Rückkopplungsschaltung, die die Kombinationsschaltung 140, den rückgekoppelten Verstärker 104, den Eingangsverstärker 102, das Eingangsruhestrommodul 110 und das DC-Vorspannungsmodul 112 umfasst. Zum Beispiel kann ein differentielles Signal von Interesse (z.B. das differentielle Eingangssignalpaar 120a-b) einen Wert im Bereich von einigen zehn Mikrovolt haben, während das Gleichtaktsignal, das unterdrückt werden muss, mehrere Größenordnungen höher als die einigen zehn Mikrovolt sein kann. Daher ist es wünschenswert, dass der Verstärker 100 wenig Rauschen aufweist und auf Differenzsignalen (z.B. Differenzsignale in der Größenordnung von einigen zehn Mikrovolt) verarbeitet (z.B. Verstärkungsanwendung), während er gleichzeitig ein viel höheres Gleichtaktsignal unterdrücken kann.
Ein Wert für eine Ausgangsgleichtaktspannung (z.B. die zweite Gleichtaktreferenzspannung Vcmo 114) kann durch einen Prozess ähnlich dem Prozess, der zum Bestimmen oder Einstellen eines Spannungswerts für die erste Gleichtaktreferenzspannung Vcmi 116 verwendet wird, bestimmt oder eingestellt werden. Der Spannungswert für die Ausgangsgleichtaktspannung (z.B. die zweite Gleichtaktreferenzspannung Vcmo 114) kann basierend auf dem Erreichen einer Zielverstärkung für den Verstärker 100 und basierend auf der Optimierung oder Maximierung des Signalhubs des differentiellen Ausgangssignalpaares 124a-b bestimmt oder eingestellt werden. Die Einstellung der ersten Gleichtaktreferenzspannung Vcmi 116 und der zweiten Gleichtaktreferenzspannung Vcmo 114, wie hierin beschrieben, kann ein voneinander abhängiger und iterativer Prozess sein, um eine optimale Implementierung des Verstärkers 100 zu bieten.
Die Widerstände R60-64 können in Verbindung mit Kondensator 16 eine Hochpassfilterfrequenz für das Eingangssignal in_n 120a für den Eingangsverstärker 102 einstellen. Der Wert der Hochpassfilterfrequenz kann durch jede Kombination des selektiven Ein- und Ausschaltens der MOS-Transistoren Q60-62 eingestellt (geändert, bewegt) werden, was dazu führt, dass Widerstände R61-63 selektiv beim Integrieren in Reihe mit Widerstand R60 und Widerstand R64 eingeschlossen oder weggelassen werden. Die Widerstände R65-69 können in Verbindung mit Kondensator 18 eine Hochpassfilterfrequenz für das Eingangssignal in_p 120b für den Eingangsverstärker 102 einstellen. Der Wert der Hochpassfilterfrequenz kann durch jede Kombination des selektiven Ein- und Ausschaltens der MOS-Transistoren Q63-65 eingestellt (geändert, bewegt) werden, was dazu führt, dass Widerstände R66-68 selektiv beim Integrieren in Reihe mit Widerstand R65 und Widerstand R69 eingeschlossen oder weggelassen werden.
7 ist ein Diagramm, das eine beispielhafte elektrische Schaltung darstellt, die in einem Eingangsruhestrommodul enthalten ist (z.B. das Eingangsruhestrommodul 110, wie in 1A-B dargestellt). Die Eingangssignalspannung Vbias_set 128 wird in das Gate von MOS-Transistor Q70 eingegeben und in das Gate von MOS-Transistor Q71 eingegeben. Der dem MOS-Transistor Q70 und dem MOS-Transistor Q71 durch die Vbias_set 128-Eingangssignalspannung gelieferte Antrieb bestimmt den Wert des I_bias 130-Ausgangs, der den Ruhestrom für den Eingangsverstärker 102 steuert.
8 ist ein Diagramm, das eine beispielhafte elektrische Schaltung darstellt, die in einer Kombinationsschaltung enthalten ist (z.B. die Kombinationsschaltung 140, wie in 1A-B dargestellt). Die Kombinationsschaltung 140 umfasst einen Widerstand R10 und einen Kondensator C10, die parallel geschaltet sind. Das Ausgangssignal Voutn 124a ist mit einer ersten Seite 10a der Parallelschaltung von Widerstand R10 und Kondensator C10 verbunden.
Die Kombinationsschaltung 140 umfasst ferner einen Widerstand R12 und einen Kondensator C12, die parallel geschaltet sind. Das Ausgangssignal Voutp 124b ist mit einer ersten Seite 12a der Parallelschaltung von Widerstand R12 und Kondensator C12 verbunden.
Eine zweite Seite 10b der Parallelschaltung von Widerstand R10 und Kondensator C10 ist mit einer zweiten Seite 12b der Parallelschaltung von Widerstand R12 und Kondensator C12 verbunden, um die Kombination, den Mittelwert oder den Mittelpunkt des Ausgangssignals Voutn 124a und des Ausgangssignals Voutp 124b als das Eingangssignal 136 zu erzeugen.
9 ist ein Diagramm, das eine beispielhafte elektrische Schaltung 900 für einen Eingangsverstärker darstellt (z.B. der rückgekoppelte Verstärker 102, wie in 1A-B dargestellt). Das differentielle Eingangssignalpaar 120a-b, das als Eingangssignal in_n 120a und Eingangssignal in_p 120b dargestellt ist, wird in den Eingangsverstärker 102 eingegeben. Das differentielle Ausgangssignalpaar 124a-b, das als das Ausgangssignal Voutn 124a und das Ausgangssignal Voutp 124b dargestellt ist, wird vom Eingangsverstärker 102 ausgegeben.
Der Ausgang I_bias 130 vom Eingangsruhestrommodul 110 steuert den Ruhestrom von der Stufe der Differenzeingabe des Eingangsverstärkers 102. Zum Beispiel kann ein Gestaltungsziel für den Eingangsverstärker 102 sein, dass ein Spannungswert für das Ausgangssignal Voutn 124a und das Ausgangssignal Voutp 124b ungefähr gleich einer Hälfte der geregelten Versorgungsspannung VDDA 148 ist. Die Verstärkung des Verstärkers 100 kann daher proportional zur geregelten Versorgungsspannung VDDA 148 sein und kann eine feste Verstärkung sein, da die Spannung VDAA 148 eine geregelte Spannung ist. Das Konstanthalten einer Spannung über die Widerstände R90-92 und das Konstanthalten einer Spannung über die Widerstände R93-95 kann eine Abhängigkeit von einer Versorgungsspannung beseitigen. Das Verwenden einer geregelten Versorgungsspannung als Eingangsspannung an das Widerstandsnetzwerk jeder Reihe (Widerstände R90-02, die in Reihe geschaltet sind, und R93-95, die in Reihe geschaltet sind) kann zu einer festen Verstärkungsausgabe für den Verstärker 100 führen. Jeder MOS-Transistor Q90-92 kann einen jeweiligen Widerstand R90-92 in die und aus der Reihe von Widerständen R90-92 schalten, wobei der Stromfluss durch die Reihe von Widerständen R90-92 durch einen Widerstand R96 und in den MOS-Transistor Q97 gesteuert wird. Jeder MOS-Transistor Q93-95 kann einen jeweiligen Widerstand R93-95 in die und aus der Reihe von Widerständen R93-95 schalten, wobei der Stromfluss durch die Reihe von Widerständen R93-95 durch einen Widerstand R97 und in den MOS-Transistor Q96 gesteuert wird.
Die MOS-Transistoren Q90-92 können selektiv ein- und ausgeschaltet werden, indem jeweils ein Gate 902, ein Gate 904 und ein Gate 906 jedes MOS-Transistors Q90-92 gesteuert wird. Die MOS-Transistoren Q90-92 können selektiv ausgeschaltet werden, was dazu führt, dass das jeweilige Schalten von Widerständen R90, R91 und R92 in Reihe mit Widerstand R96 integriert wird. Die MOS-Transistoren Q90-92 können selektiv eingeschaltet werden, was dazu führt, dass die Widerstände R90, R91 und R92 nicht in Reihe mit Widerstand R96 integriert werden. Jede Kombination des Ein- und Ausschaltens der MOS-Transistoren Q90-92 ist erlaubt. Die Einstellung des Gesamtwiderstands bestimmt den Wert eines Stroms I_Dn 914 in die Entnahme des MOS-Transistors Q97.
Die MOS-Transistoren Q93-95 können selektiv ein- und ausgeschaltet werden, indem jeweils ein Gate 908, ein Gate 910 und ein Gate 912 jedes MOS-Transistors Q93-95 gesteuert wird. Die MOS-Transistoren Q93-95 können selektiv ausgeschaltet werden, was dazu führt, dass das jeweilige Schalten von Widerständen R93, R94 und R95 in Reihe mit Widerstand R97 integriert wird. Die MOS-Transistoren Q93-95 können selektiv eingeschaltet werden, was dazu führt, dass die Widerstände R93, R94 und R95 nicht in Reihe mit Widerstand R97 integriert werden. Jede Kombination des Ein- und Ausschaltens der MOS-Transistoren Q93-95 ist erlaubt. Die Einstellung des Gesamtwiderstands bestimmt den Wert eines Drain-Stroms I_Dp 916 in die Entnahme des MOS-Transistors Q96. Die Gleichtaktunterdrückung des Eingangsverstärkers 102 kann durch enges Anpassen des Widerstands R97 und des Widerstands R96 begrenzt werden.
Der Eingangsverstärker 102 kann in einem Unterschwellenbetriebsbereich vorgespannt sein, wenn der MOS-Transistor Q97 und der MOS-Transistor Q96 in einem schwachen Inversions- oder Unterschwellenbereich arbeiten. Damit der MOS-Transistor Q97 und der MOS-Transistor Q96 in einem schwachen Inversions- oder Unterschwellenbereich arbeiten können, wird die Gate-Source-Spannung für den MOS-Transistor Q97 und für den MOS-Transistor Q96 unterhalb einer Schwellenspannung gehalten. Daher kann die jeweilige Transkonduktanz (gm) für den MOS-Transistor Q97 und für den MOS-Transistor Q96 eine Funktion eines Drain-Stroms des jeweiligen MOS-Transistors Q97 und des MOS-Transistors Q96, des Drain-Stroms I_Dn 914 und des Drain-Stroms I_Dp 916 sein.
Im Allgemeinen ist die Transkonduktanz für einen MOS-Transistor ein Ausdruck der Leistung des MOS-Transistors und wird bei Siemens gemessen. Zum Beispiel gilt, je größer die Transkonduktanz ist, desto größer ist die Verstärkung, die ein MOS-Transistor liefern kann.
Gleichungen 1, 2A-B, 3A-B und 4A-B zeigen Beispiele von Beziehungen, die verwendet werden können, um die Verstärkung des Eingangsverstärkers 102 für das differentielle Ausgangssignalpaar 124a-b zu bestimmen (zu berechnen). Die Gleichungen 1, 2A-B, 3A-B und 4A-B zeigen die Verstärkung für das Ausgangssignal Voutn 124a und das Ausgangssignal Voutp 124b hängt von der geregelten Versorgungsspannung VDDA 148, dem jeweiligen Ausgangssignal und einer MOS-Transistor-Gate-Spannung ab.
Gleichung 1 stellt eine Beziehung zum Bestimmen der Transkonduktanz (GM(n,p)) für den MOS-Transistor Q96 und für den MOS-Transistor Q97 dar. $G M (n, p) = \frac{I_{D n}}{n V t}$
Für den MOS-Transistor Q97 ist I_Dn der Drain-Strom I_Dn 914, n ist der Unterschwellenneigungsparameter und Vt ist die thermische Spannung (kT/q), die beispielsweise gleich etwa 25,8 mV sein kann.
Für den MOS-Transistor Q96 ist I_Dn der Drain-Strom I_Dn 916, n ist der Unterschwellenneigungsparameter und Vt ist die thermische Spannung (kT/q), die beispielsweise gleich etwa 25,8 mV sein kann.
Gleichung 2A stellt eine Beziehung zum Berechnen des Drain-Stroms I_Dn 914 dar. $I_{D n} = \frac{V D D A - V o u t n}{R n}$
wobei VDDA die geregelte Versorgungsspannung VDDA 148 ist, Voutn das Ausgangssignal Voutn 124a ist und Rn = R96 + die Summe von R90 bis R92 ist, die davon abhängig ist, welcher der Widerstände R90-92 mit R96 in Reihe geschaltet ist.
Gleichung 2B stellt eine Beziehung zum Berechnen des Drain-Stroms I_Dp 916 dar. $I_{D p} = \frac{V D D A - V o u t p}{R p}$
wobei VDDA die geregelte Versorgungsspannung VDDA 148 ist, Voutp das Ausgangssignal Voutp 124b ist und Rp = R97 + die Summe von R93 bis R95 ist, die davon abhängig ist, welcher der Widerstände R93-95 mit R97 in Reihe geschaltet ist.
Gleichung 3A stellt eine Beziehung zum Berechnen der Verstärkung des Eingangsverstärkers 102 für das Ausgangssignal Voutn 124a dar. $V e r s t ä r k u n g (V o u t n) = G M (n) \times R n$
wobei die GM(n)-Transkonduktanz (GM(n)) für den MOS-Transistor Q97 ist und Rn = R96 + die Summe von R90 bis R92 ist, die davon abhängig ist, welcher der Widerstände R90-92 mit R96 in Reihe geschaltet ist.
Gleichung 3B stellt eine Beziehung zum Berechnen der Verstärkung des Eingangsverstärkers 102 für das Ausgangssignal Voutp 124b dar. $V e r s t ä r k u n g (V o u t p) = G M (p) \times R p$
wobei die GM(p)-Transkonduktanz (GM (p)) für den MOS-Transistor Q96 ist und Rp = R97 + die Summe von R93 bis R95 ist, die davon abhängig ist, welcher der Widerstände R93-95 mit R97 in Reihe geschaltet ist.
Gleichung 4A stellt eine Beziehung zum Berechnen der Verstärkung des Eingangsverstärkers 102 für das Ausgangssignal Voutn 124a unter Verwendung von Gleichung 1A, Gleichung 2A und Gleichung 3A dar. $V e r s t ä r k u n g (V o u t n) = (\frac{V D D A - V o u t n}{n V t \times R n}) \times R n = \frac{V D D A - V o u t n}{n V t}$
wobei VDDA die geregelte Versorgungsspannung VDDA 148 ist, Voutn das Ausgangssignal Voutn 124a ist, n der Unterschwellenneigungsparameter ist, Vt die thermische Spannung (kT/q) ist und Rn Rn = R96 + die Summe von R90 bis R92 ist, die davon abhängig ist, welcher der Widerstände R90-92 mit R96 in Reihe geschaltet ist.
Gleichung 4B stellt eine Beziehung zum Berechnen der Verstärkung des Eingangsverstärkers 102 für das Ausgangssignal Voutp 124b unter Verwendung von Gleichung 1B, Gleichung 2B und Gleichung 3B dar. $V e r s t ä r k u n g (V o u t p) = (\frac{V D D A - V o u t p}{n V t \times R P}) \times R n = \frac{V D D A - V o u t p}{p V t}$
wobei VDDA die geregelte Versorgungsspannung VDDA 148 ist, Voutp das Ausgangssignal Voutp 124b ist, n der Unterschwellenneigungsparameter ist, Vt die thermische Spannung (kT/q) ist und Rp = R97 + die Summe von R93 bis R95 ist, die davon abhängig ist, welcher der Widerstände R93-95 mit R97 in Reihe geschaltet ist.
Wie durch Gleichung 4A und Gleichung 4B gezeigt, kann die Verstärkung für den Eingangsverstärker 102 von der geregelten Versorgungsspannung VDDA 148, dem Pegel des Ausgangssignals Voutn 124a und dem Pegel des Ausgangssignals Voutp 124b abhängig sein. Die Verwendung einer Gleichtakt-Rückkopplungsschaltung (z.B. der rückgekoppelte Verstärker 104, die Kombinationsschaltung 140 und das Eingangsruhestrommodul 110) kann sicherstellen, dass das Ausgangssignal Voutn 124a und das Ausgangssignal Voutp 124b auf einem konstanten Pegel gehalten werden. Die Kombination der konstanten Pegel für das Ausgangssignal Voutn 124a und das Ausgangssignal Voutp 124b zusammen mit der Verwendung einer geregelten Leistungsversorgung, die die geregelte Versorgungsspannung VDDA 148 bereitstellt, ermöglicht es dem Eingangsverstärker 102, eine konstante Verstärkung bereitzustellen.
In einigen Fällen kann es einen Ausgleich zwischen Strom und Rauschen geben, wenn Werte für den Drain-Strom I_Dn 914 und den Drain-Strom I_Dp 916 bestimmt werden. Je größer beispielsweise der Drain-Strom ist, desto mehr Rauschen kann in die Ausgangssignale (das Ausgangssignal Voutn 124a und das Ausgangssignal Voutp 124b) des Eingangsverstärkers 102 eingeführt werden. Wenn der Drain-Strom beispielsweise hunderte Nanoampere beträgt, kann das integrierte eingangsbezogene Rauschen weniger als ein uVrms in einer Bandbreite in der Größenordnung von weniger als 100 Hertz über Prozess- und Temperatureigenschaften des Verstärkers betragen. In diesem Beispiel kann die Verstärkung des Verstärkers 100 unter Bezugnahme auf 9 über einen vollen Bereich von drei Steuerbits für die Eingänge jeweils zum Gate 908, zum Gate 910 und zum Gate 912 jedes MOS-Transistors Q93-95 und für drei Steuerbits jeweils für das Gate 902, das Gate 904 und das Gate 906 jedes MOS-Transistors Q90-92 unter 1 dB variieren.
10 ist eine beispielhafte Grafik 1000, die eine Ausgangsspannung (in dB) gegen eine Frequenz (in Hz) darstellt. Die Frequenz ist eine Hochpassfilterfrequenz, die durch einen Hochpassfilter unter Verwendung eines Kondensators (z.B. der Kondensator C16, der Kondensator C18) außerhalb eines DC-Vorspannungsmoduls (z.B. das DC-Vorspannungsmodul 112) gesteuert wird.
11 ist eine beispielhafte Grafik 1100, die eine DC-Vorspannung im Zeitverlauf bei einer bestimmten Hochpassfilterfrequenz darstellt.
12 ist ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren 1200 zum Bereitstellen einer rauscharmen Differenzverstärkung für Signale darstellt, die in körpergetragener Elektronik verwendet werden. Bei einigen Umsetzungsformen können die hierin beschriebenen Schaltungen, Vorrichtungen, Systeme und Prozesse das Verfahren 1200 implementieren. Beispielsweise kann das Verfahren 1200 mit Bezug auf 1A-B und 2-9 beschrieben werden.
Ein differentielles Eingangssignalpaar und ein Ruhestrom werden von einer in einem Verstärker (Block 1202) enthaltenen Eingangsverstärkerschaltung empfangen. Unter Bezugnahme auf 1B empfängt der Eingangsverstärker 102 beispielsweise das differentielle Eingangssignalpaar 120a-b, das als das Eingangssignal in_n 120a und das Eingangssignal in_p 120b dargestellt ist. Der Eingangsverstärker 102 empfängt den Ausgang (z.B. I_bias 130) des Eingangsruhestrommoduls 110, das den Ruhestrom für den Eingangsverstärker 102 steuert.
Ein differentielles Ausgangssignalpaar wird durch die Eingangsverstärkerschaltung basierend auf dem empfangenen differentiellen Eingangssignalpaar und dem empfangenen Ruhestrom (Block 1204) ausgegeben. Beispielsweise gibt der Eingangsverstärker das differentielle Ausgangssignalpaar 124a-b, das als das Ausgangssignal Voutn 124a und das Ausgangssignal Voutp 124b dargestellt ist, aus.
Ein Mittelwert, eine Kombination oder ein Mittelpunkt der Signale des differentiellen Ausgangssignalpaares wird durch eine im Verstärker (Block 1206) enthaltene rückgekoppelte Verstärkerschaltung empfangen. Zum Beispiel liefert die Kombinationsschaltung 140 das Eingangssignal 136 an den rückgekoppelten Verstärker 104 als ein Mittelwert des Ausgangssignals Voutn 124a und des Ausgangssignals Voutp 124b.
Ein Signal zum Steuern der Erzeugung des Ruhestroms wird von der rückgekoppelten Verstärkerschaltung (Block 1208) ausgegeben. Der Ausgang 146 des rückgekoppelten Verstärkers 104 steuert beispielsweise einen Eingang zum Eingangsruhestrommodul 110 (z.B. Vbias_set 128).
In einem allgemeinen Aspekt umfasst eine Verstärkerschaltung eine rückgekoppelte Verstärkerschaltung, die konfiguriert ist, um einen Ausgangsspannungshub eines differentiellen Signalpaares in Bezug auf einen Ruhestrom zu steuern, indem eine konstante Ausgangsspannungssignalverstärkung für das differentielle Ausgangssignalpaar vorgesehen wird. Die Verstärkerschaltung umfasst auch eine Eingangsverstärkerschaltung, die konfiguriert ist, um den Ruhestrom zu empfangen, und ferner konfiguriert ist, um als ein Eingang ein Signalpaar zu empfangen, das mit der Eingangsverstärkerschaltung über einen Sperrkondensator differentiell verbunden ist. Die Eingangsverstärkerschaltung ist ferner konfiguriert, um das differentielle Ausgangssignalpaar basierend auf dem differentiellen Eingangssignalpaar und dem Ruhestrom auszugeben. Die Verstärkerschaltung umfasst ferner einen Ausgangspuffer. Der Ausgangspuffer umfasst eine erste Pufferschaltung und eine zweite Pufferschaltung. Die erste Pufferschaltung ist konfiguriert, um ein erstes Ausgangssignal des differentiellen Ausgangssignalpaares zu verstärken, damit ein erstes gepuffertes Ausgangssignal erzeugt wird, das konfiguriert ist, um eine erste ohmsche Last anzusteuern. Die zweite Pufferschaltung ist konfiguriert, um ein zweites Ausgangssignal des differentiellen Ausgangssignalpaares zu verstärken, damit ein zweites gepuffertes Ausgangssignal erzeugt wird, das konfiguriert ist, um eine zweite ohmsche Last anzusteuern.
In einigen Umsetzungsformen umfasst die Verstärkerschaltung ferner ein DC-Vorspannungsmodul. Das DC-Vorspannungsmodul ist konfiguriert, um eine Hochpassfilterfrequenz für den Verstärker einzustellen, und in einigen Umsetzungsformen kann die Hochpassfilterfrequenz ferner auf einem Wert des Sperrkondensators basieren.
In einigen Umsetzungsformen ist die rückgekoppelte Verstärkerschaltung der Verstärkerschaltung eine Gleichtakt-Rückkopplungsschaltung. Die Gleichtakt-Rückkopplungsschaltung weist eine Eingangsspannung auf, die eine zweite Gleichtaktreferenzspannung ist, und das DC-Vorspannungsmodul der Verstärkerschaltung weist eine Eingangsspannung auf, die eine erste Gleichtaktreferenzspannung ist. In einigen Umsetzungsformen werden ein Wert der Gleichtaktreferenzspannung und ein Wert der zweiten Gleichtaktreferenzspannung eingestellt, um einen Eingangsgleichtaktbereich für den Verstärker zu steuern.
In einigen Umsetzungsformen ist der Verstärker ein Vorverstärker, der eine erste Stufe aufweist, die die rückgekoppelte Verstärkerschaltung und die Eingangsverstärkerschaltung umfasst. Der Verstärker weist auch eine zweite Stufe auf, die den Ausgangspuffer umfasst, und die ersten und zweiten ohmschen Lasten sind in einem Verstärkungsmodul enthalten.
In einigen Umsetzungsformen weist der Verstärker eine Mehrzahl von Metalloxidhalbleiter (MOS)-Transistoren auf, die ein Schalten von Ausgangslastwiderständen zur Eingangsverstärkerschaltung steuern. Die Ausgangslastwiderstände haben einen Wert, der eine Stromstärke für den Verbrauch durch die Eingangsverstärkerschaltung bestimmt. Diese Stärke des verbrauchten Stroms bestimmt einen Rauschpegel im Verstärker. Ferner wird in einigen Umsetzungsformen eine Gleichtaktverstärkung des Verstärkers basierend auf der Anpassung der Ausgangslastwiderstände bestimmt.
In einem anderen allgemeinen Aspekt umfasst eine Verstärkerschaltung eine Eingangsverstärkerschaltung, eine rückgekoppelte Verstärkerschaltung und eine Ausgangspufferschaltung. Die Eingangsverstärkerschaltung ist konfiguriert, um einen Ruhestrom zu empfangen und als ein Eingang ein Signalpaar zu empfangen, das mit der Eingangsverstärkerschaltung differentiell verbunden ist. Die Eingangsverstärkerschaltung ist ferner derart konfiguriert, dass sie ein differentielles Ausgangssignalpaar ausgibt, das auf dem empfangenen differentiellen Eingangssignalpaar basiert. Die rückgekoppelte Verstärkerschaltung ist konfiguriert, um einen Mittelwert des differentiellen Ausgangssignalpaares zu empfangen, und ist auch konfiguriert, um einen Vorspannungseinstellausgang zum Steuern des Ruhestroms bereitzustellen. Die Ausgangspufferschaltung ist konfiguriert, um das differentielle Ausgangssignalpaar zu puffern, wobei die Pufferung zu einem gepufferten differentiellen Ausgangssignalpaar führt, das eine ohmsche Last ansteuern kann.
In einigen Umsetzungsformen umfasst die Verstärkerschaltung ferner eine Kombinationsschaltung, die konfiguriert ist, um das differentielle Ausgangssignalpaar zu empfangen, und konfiguriert ist, um den Mittelwert des differentiellen Ausgangssignalpaares zur Eingabe in den rückgekoppelten Verstärker auszugeben.
In einigen Umsetzungsformen der Verstärkerschaltung basiert der Vorspannungseinstellausgang auf einem Wert, der für eine zweite Gleichtaktreferenzspannung eingestellt ist. Ferner steuert die rückgekoppelte Verstärkerschaltung einen Spannungshub des differentiellen Ausgangssignalpaares basierend auf dem Vorspannungseinstellausgang und wird basierend auf dem Einstellen eines Werts für eine erste Gleichtaktreferenzspannung gesteuert. Der Verstärker stellt basierend auf dem Steuern des Spannungshubs durch die rückgekoppelte Verstärkerschaltung eine konstante Verstärkung bereit.
In einigen Umsetzungsformen ist die Verstärkerschaltung ein Vorverstärker, der eine erste Stufe und eine zweite Stufe umfasst. Die erste Stufe umfasst die rückgekoppelte Verstärkerschaltung und die Eingangsverstärkerschaltung, während die zweite Stufe den Ausgangspuffer umfasst. Die ohmsche Last ist in einem Verstärkungsmodul enthalten.
Die hierin beschriebenen Metalloxidhalbleiter (MOS)-Transistoren können als P-Kanal- oder N-Kanal-Vorrichtungen implementiert werden. Die hierin beschriebenen MOS-Transistoren können als Verarmungs- oder Verstärkungsmodusvorrichtungen implementiert sein. Die hierin beschriebenen MOS-Transistoren können als Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (JFETs) oder Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) implementiert sein.
Es versteht sich, dass in der vorstehenden Beschreibung, wenn ein Element als eingeschaltet, verbunden, elektrisch verbunden, gekoppelt mit oder elektrisch gekoppelt mit einem anderen Element bezeichnet wird, dieses direkt auf dem anderen Element angeordnet, verbunden oder gekoppelt sein kann oder ein oder mehrere dazwischen liegende Elemente vorhanden sein können. Im Gegensatz dazu sind keine dazwischen liegenden Elemente vorhanden, wenn ein Element als direkt auf, direkt verbunden mit oder direkt gekoppelt mit einem anderen Element bezeichnet wird. Obwohl die Ausdrücke direkt auf, direkt verbunden mit oder direkt gekoppelt in der detaillierten Beschreibung möglicherweise nicht verwendet werden, können Elemente, die als direkt auf, direkt verbunden oder direkt gekoppelt gezeigt sind, als solche bezeichnet werden. Die Ansprüche der Anmeldung können gegebenenfalls geändert werden, um beispielhafte Beziehungen zu kennzeichnen, die in der Patentschrift beschrieben oder in den Figuren gezeigt sind.
Wie in dieser Patentschrift verwendet, kann eine Singularform, sofern nicht definitiv ein bestimmter Fall in Bezug auf den Kontext angegeben ist, eine Pluralform einschließen. Raumbezogene Ausdrücke (z. B. über, oberhalb, oberes, unter, unterhalb, darunter, unteres und so weiter) sollen verschiedene Ausrichtungen der Vorrichtung im Gebrauch oder Betrieb zusätzlich zu der in den Figuren abgebildeten Ausrichtung einbeziehen. In manchen Implementierungen können die relativen Ausdrücke „über“ und „unter“ jeweils vertikal oberhalb und vertikal darunter einschließen. In einigen Umsetzungsformen kann der Begriff benachbart „seitlich benachbart zu“ oder „horizontal benachbart zu“ einschließen.
Umsetzungsformen der verschiedenen hierin beschriebenen Techniken können in digitalen Elektronikschaltungen oder in Computerhardware, Firmware, Software oder in Kombinationen davon implementiert werden. Verfahrensschritte können auch durch eine zweckbestimmte Logikschaltung, z. B. eine FPGA (Field Programmable Gate Array) oder eine ASIC (Application-Specific Integrated Circuit), ausgeführt werden und eine Einrichtung kann in dieser Form implementiert werden.
Einige Umsetzungsformen können unter Verwendung verschiedener Halbleiterverarbeitungs- bzw. -verpackungstechniken implementiert werden. Manche Ausführungsformen können unter Verwendung von verschiedenen Arten von Halbleiterverarbeitungstechniken in Verbindung mit Halbleitersubstraten implementiert werden, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf zum Beispiel Silizium (Si), Galliumarsenid (GaAs), Galliumnitrid (GaN), Siliziumcarbid (SiC) und/oder so weiter.
Während bestimmte Merkmale der beschriebenen Implementierungen veranschaulicht wurden, wie in diesem Schriftstück beschrieben, sind zahlreiche Modifikationen, Substitutionen, Änderungen und Äquivalente nun für Fachleute ersichtlich. Es versteht sich daher, dass die angehängten Ansprüche alle derartigen Modifikationen und Änderungen abdecken sollen, die in den Umfang der Ausführungsformen fallen. Es versteht sich, dass sie nur in Form von Beispielen vorgestellt wurden, ohne einschränkend zu sein, und es können verschiedene Änderungen in Form und Detail vorgenommen werden. Jeder Abschnitt der in diesem Schriftstück beschriebenen Vorrichtung und/oder Verfahren kann in jeder Kombination kombiniert werden, ausgenommen sich gegenseitig ausschließende Kombinationen. Die in diesem Schriftstück beschriebenen Patentansprüche können verschiedene Kombinationen bzw. Unterkombinationen der Funktionen, Komponenten bzw. Merkmale der verschiedenen beschriebenen Ausführungsformen einschließen.

Claims

Verstärkerschaltung, umfassend: eine rückgekoppelte Verstärkerschaltung, die konfiguriert ist, um einen Ausgangsspannungshub eines differentiellen Ausgangssignalpaares in Bezug auf einen Ruhestrom zu steuern, indem eine konstante Ausgangsspannungssignalverstärkung für das differentielle Ausgangssignalpaar vorgesehen wird; eine Eingangsverstärkerschaltung, die konfiguriert ist, um den Ruhestrom zu empfangen, und konfiguriert ist, um als ein Eingang ein Signalpaar zu empfangen, das mit der Eingangsverstärkerschaltung durch einen Sperrkondensator differentiell verbunden ist, wobei die Eingangsverstärkerschaltung konfiguriert ist, um das differentielle Ausgangssignalpaar basierend auf dem differentiellen Eingangssignalpaar und dem Ruhestrom auszugeben; und einen Ausgangspuffer mit einer ersten Pufferschaltung und einer zweiten Pufferschaltung, wobei die erste Pufferschaltung konfiguriert ist, um ein erstes Ausgangssignal des differentiellen Ausgangssignalpaares zu verstärken, damit ein erstes gepuffertes Ausgangssignal erzeugt wird, das konfiguriert ist, um eine erste ohmsche Last anzusteuern, und wobei die zweite Pufferschaltung konfiguriert ist, um ein zweites Ausgangssignal des differentiellen Ausgangssignalpaares zu verstärken, damit ein zweites gepuffertes Ausgangssignal erzeugt wird, das konfiguriert ist, um eine zweite ohmsche Last anzusteuern.
Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, ferner umfassend ein DC-Vorspannungsmodul, das konfiguriert ist, um eine Hochpassfilterfrequenz für den Verstärker einzustellen.
Verstärkerschaltung nach Anspruch 2, wobei das DC-Vorspannungsmodul eine Mehrzahl von Widerständen und eine Mehrzahl von Metalloxidhalbleiter (MOS)-Transistoren aufweist, die die Mehrzahl von Widerständen zum Einstellen einer DC-Vorspannung für das differentielle Eingangssignalpaar steuern.
Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, wobei eine Mehrzahl von Metalloxidhalbleiter (MOS)-Transistoren ein Schalten von Ausgangslastwiderständen zur Eingangsverstärkerschaltung steuern, wobei die Ausgangslastwiderstände einen Wert haben, der eine Stromstärke für den Verbrauch durch die Eingangsverstärkerschaltung bestimmt, und wobei die Stärke des verbrauchten Stroms den Rauschpegel im Verstärker bestimmt.
Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, wobei der rückgekoppelte Verstärker einen Eingang aufweist, der eine Kombination aus einer ersten Ausgangssignalspannung des differentiellen Ausgangssignalpaares und einer zweiten Ausgangssignalspannung des differentiellen Ausgangssignalpaares ist; und ferner umfassend ein Eingangsruhestrommodul, das konfiguriert ist, um den Ruhestrom zu erzeugen und den Eingangsverstärker mit dem Ruhestrom zu versorgen, wobei der rückgekoppelte Verstärker einen Ausgang aufweist, der das Erzeugen des Ruhestroms durch das Eingangsruhestrommodul steuert.
Verfahren zur Verstärkung, Folgendes umfassend: Empfangen eines differentiellen Eingangssignalpaares und eines Ruhestroms durch eine in einem Verstärker enthaltene Eingangsverstärkerschaltung; Ausgeben eines differentiellen Ausgangssignalpaares durch die Eingangsverstärkerschaltung basierend auf dem empfangenen differentiellen Eingangssignalpaar und dem empfangenen Ruhestrom; Empfangen einer Kombination der Signale des differentiellen Ausgangssignalpaares durch eine im Verstärker enthaltene rückgekoppelte Verstärkerschaltung; und Ausgeben eines Signals durch die rückgekoppelte Verstärkerschaltung zum Steuern des Ruhestroms.
Verfahren zur Verstärkung nach Anspruch 6, ferner umfassend: Steuern eines Hinzuschaltens von Ausgangslastwiderständen zur Eingangsverstärkerschaltung durch eine Mehrzahl von Metalloxidhalbleiter (MOS)-Transistoren; Bestimmen eines Werts der Ausgangslastwiderstände basierend auf dem Hinzuschalten; Bestimmen einer Strommenge zum Verbrauch durch die Eingangsverstärkerschaltung basierend auf dem bestimmten Wert der Ausgangslastwiderstände; und Bestimmen eines Rauschpegels im Verstärker basierend auf der bestimmten Strommenge, die vom Verstärker verbraucht wird.
Verfahren zur Verstärkung nach Anspruch 7, ferner umfassend: Bestimmen einer Gleichtaktverstärkung des Verstärkers basierend auf einer Anpassung der Ausgangslastwiderstände.
Verfahren zur Verstärkung nach Anspruch 6, ferner umfassend: Empfangen des Signals durch ein im Verstärker enthaltenes Eingangsruhestrommodul zum Steuern der Erzeugung des Ruhestroms von der rückgekoppelten Verstärkerschaltung; Erzeugen des Ruhestroms durch das Eingangsruhestrommodul basierend auf dem empfangenen Signal; und Ausgeben des Ruhestroms durch das Eingangsruhestrommodul zum Eingeben in die Eingangsverstärkerschaltung.
Verfahren zur Verstärkung nach Anspruch 6, wobei der Ruhestrom basierend auf einem Wert bestimmt wird, der für eine zweite Gleichtaktreferenzspannung eingestellt ist, und wobei das Verfahren ferner das Bestimmen eines Wertes für eine erste Gleichtaktreferenzspannung zur Verwendung beim Steuern eines Signalhubs des differentiellen Ausgangssignalpaares umfasst.
Verstärkerschaltung, umfassend: eine Eingangsverstärkerschaltung, die konfiguriert ist, um einen Ruhestrom zu empfangen und als ein Eingang ein Signalpaar zu empfangen, das mit der Eingangsverstärkerschaltung differentiell verbunden ist, wobei die Eingangsverstärkerschaltung konfiguriert ist, um ein differentielles Ausgangssignalpaar basierend auf dem empfangenen differentiellen Eingangssignalpaar auszugeben; eine rückgekoppelte Verstärkerschaltung, die konfiguriert ist, um einen Mittelwert des differentiellen Ausgangssignalpaares zu empfangen, und konfiguriert ist, um einen Vorspannungseinstellausgang zum Steuern des Ruhestroms vorzusehen; und eine Ausgangspufferschaltung, die konfiguriert ist, um das differentielle Ausgangssignalpaar zu puffern, wobei die Pufferung zu einem gepufferten differentiellen Ausgangssignalpaar führt, das eine ohmsche Last ansteuern kann.
Verstärkerschaltung nach Anspruch 11, wobei der Verstärker ein Vorverstärker ist, wobei der Vorverstärker eine erste Stufe aufweist, die die rückgekoppelte Verstärkerschaltung und die Eingangsverstärkerschaltung umfasst, und wobei der Vorverstärker eine zweite Stufe aufweist, die den Ausgangspuffer umfasst, und wobei die Widerstandslast in einem Verstärkungsmodul enthalten ist.