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Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Verstärkerschaltung. Die vorliegende Offenbarung betrifft insbesondere eine Verstärkerschaltung für ein kapazitives Wandlerelement, wie es in Miniaturkondensatormikrofonen verwendet wird.
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Aus
EP 1 553 696 B1 ist eine Verstärkerschaltung bekannt, welche einen Hauptverstärker und einen Rückkopplungsverstärker umfasst. Diese Schaltung leidet jedoch unter einer erheblichen Temperaturabhängigkeit ihrer Wechselspannungskennlinie.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung besteht darin, eine verbesserte Verstärkerschaltung, beispielsweise eine Verstärkerschaltung mit einem verbesserten Weg zum Steuern des Gleichspannungs-Vorspannungspunkts der Schaltung bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird unter anderem durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Verfeinerungen sind der Gegenstand des abhängigen Anspruchs. Weitere vorteilhafte Konzepte können hier jedoch abgesehen von den beanspruchten offenbart werden.
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Ein Aspekt betrifft eine Verstärkerschaltung für einen kapazitiven Wandler. Die Verstärkerschaltung umfasst einen Vorverstärker, der dafür eingerichtet ist, ein Wandlersignal durch einen Eingangsknoten zu empfangen und ein verstärktes Signal an einem Ausgangsknoten bereitzustellen, und einen Transkonduktanzverstärker, der einen ersten Eingang und einen Ausgang umfasst. Ferner ist der erste Eingang des Transkonduktanzverstärkers mit dem Ausgangsknoten verbunden und der Ausgang des Transkonduktanzverstärkers ist mit dem Eingangsknoten verbunden.
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Demgemäß umfasst die Verstärkerschaltung eine Rückkopplungsschleife, wobei der Transkonduktanzverstärker in der Rückkopplungsschleife angeordnet ist. Dadurch wird eine Hochpassfunktion erzeugt.
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Der Transkonduktanzverstärker ist so ausgelegt, dass er den Gleichspannungs-Vorspannungspunkt des Vorverstärkers festlegt oder erzwingt. Ferner macht die Rückkopplungsschleife den Vorverstärker für parasitäre Leckströme unempfindlich, die in den Eingangsknoten des Vorverstärkers hinein oder daraus heraus fließen, weil die Rückkopplungsschleife automatisch jeden Leckstrom kompensiert und dadurch einen gültigen Gleichspannungs-Vorspannungspunkt der Verstärkerschaltung bereitstellt.
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Gemäß einer Ausführungsform kann der Transkonduktanzverstärker ein Klasse-AB-Verstärker sein. Dies ist ein Vorteil, weil die Ausgangsrauschleistung des Transkonduktanzverstärkers gewöhnlich proportional zum Vorstrom ist. Im Gegensatz zu einem Klasse-A-Verstärker ist ein Klasse-AB-Verstärker bei einem niedrigeren Strom als dem maximalen Ausgangsstrom vorgespannt, wodurch die Ausgangsrauschleistung minimiert wird.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Transkonduktanzverstärker ferner einen zweiten Eingang, der mit einer Referenzspannungsquelle verbunden ist, und ist der Transkonduktanzverstärker dafür ausgelegt, ein Signal am Ausgang bereitzustellen, welches der Differenz zwischen den an seinen ersten und seinen zweiten Eingang angelegten Signalen entspricht.
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Demgemäß entspricht der am Ausgang des Transkonduktanzverstärkers bereitgestellte Strom der Abweichung der am Ausgangsknoten des Vorverstärkers bereitgestellten Spannung von der durch die Referenzspannungsquelle bereitgestellten Spannung.
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Gemäß einer Ausführungsform ist eine Stromspiegelschaltung zwischen den Ausgang des Transkonduktanzverstärkers und den Vorverstärkereingang eingefügt. Eine Stromspiegelschaltung ist eine Schaltung, die dafür ausgelegt ist, einen Strom durch eine aktive Vorrichtung durch Steuern des Stroms in einer anderen aktiven Vorrichtung einer Schaltung zu kopieren, wobei der Ausgangsstrom unabhängig von der Last konstant gehalten wird.
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Die Stromspiegelschaltung kann dafür ausgelegt werden, einen vom Ausgang des Transkonduktanzverstärkers bereitgestellten Ausgangsstrom herunterzuskalieren.
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Zusätzlich oder alternativ zur Stromspiegelschaltung kann eine kapazitive Abschwächerschaltung zwischen den Ausgang des Transkonduktanzverstärkers und den Eingang des Vorverstärkers geschaltet werden. Der kapazitive Abschwächer kann den erforderlichen Transkonduktanzwert auf einen praktischeren Wert erhöhen.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die kapazitive Abschwächerschaltung eine erste Kapazität, die in Reihe zwischen den Ausgang des Transkonduktanzverstärkers und den Eingang des Vorverstärkers geschaltet ist, und ein Paar antiparalleler Dioden, die parallel zur ersten Kapazität geschaltet sind. Die antiparallelen Dioden sind über Kreuz geschaltet. Die Dioden können Halbleiter-PN-Sperrschichtdioden sein. Alternativ können sie durch eine andere Schaltungsanordnung ersetzt werden, die im Fall großer Spannungsausschläge am Ausgang des Transkonduktanzverstärkers einen Gleichstromweg bereitstellt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Wechselspannungsimpedanz der antiparallelen Dioden höher als die Wechselspannungsimpedanz der ersten Kapazität. Die antiparallelen Dioden können jedoch einen Gleichstromweg bereitstellen.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die kapazitive Abschwächerschaltung eine zweite Kapazität, die in Reihe zwischen einen Referenzanschluss und einen Knoten, der in einem Weg angeordnet ist, welcher den Ausgang des Transkonduktanzverstärkers und die erste Kapazität verbindet, geschaltet ist, so dass die zweite Kapazität in einem Weg liegt, der parallel zum die erste Kapazität umfassenden Weg ist. Die zweite Kapazität kann eine größere Kapazität aufweisen als die erste Kapazität.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die anliegende Zeichnung beschrieben, wobei
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1 ein Blockdiagramm einer Verstärkerschaltung zeigt und
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2 eine Stromspiegelschaltung zeigt.
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1 zeigt ein Kondensatorwandlerelement 1 eines Miniaturmikrofons, das mit einer Verstärkerschaltung 2 gekoppelt ist, welche auf einem monolithischen integrierten Chip 3 integriert ist. Das Wandlerelement 1 umfasst eine Membran 4 und eine Rückplatte 5, wobei die Membran 4 in Bezug auf die Rückplatte 5 beweglich ist. Eine Vorspannung kann zwischen die Membran 4 und die Rückplatte 5 gelegt werden.
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Der integrierte Chip 3 umfasst einen Eingangsanschluss 6 und einen Ausgangsanschluss 7. Das Kondensatorwandlerelement 1 ist mit dem Eingangsanschluss 6 des integrierten Chips 3 verbunden.
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Die Verstärkerschaltung 2 umfasst einen Vorverstärker 8, welcher einen Eingangsknoten 9 und einen Ausgangsknoten 10 umfasst. Der Eingangsknoten 9 des Vorverstärkers 8 ist mit dem Eingangsanschluss 6 des Chips 3 verbunden. Demgemäß wird ein Signal, das vom Wandlerelement 1 ausgegeben wird, zum Eingangsknoten 9 des Vorverstärkers 8 übertragen. Der Vorverstärker 8 ist ferner dafür ausgelegt, das Signal zu verstärken und an seinem Ausgangsknoten 10 ein verstärktes Signal bereitzustellen.
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Der Vorverstärker 8 kann ein invertierender Verstärker sein. Demgemäß invertiert der Vorverstärker 8 das Eingangssignal und skaliert dieses gleichzeitig. Alternativ kann der Vorverstärker 8 ein nicht invertierender Verstärker sein, wobei in diesem Fall der Transkonduktanzverstärker invertierend sein muss.
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Ferner ist der Ausgangsknoten 10 des Vorverstärkers 8 mit dem Ausgangsanschluss 7 des monolithischen Chips 3 verbunden.
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Ferner umfasst die Verstärkerschaltung 2 einen Transkonduktanzverstärker 11. Der Transkonduktanzverstärker 11 umfasst einen ersten Eingang 12, einen zweiten Eingang 13 und einen Ausgang 14. Der erste Eingang 12 des Transkonduktanzverstärkers 11 ist mit dem Ausgangsknoten 10 des Vorverstärkers 8 verbunden. Der zweite Eingang 13 des Transkonduktanzverstärkers 11 ist mit einer Referenzspannungsquelle 15 verbunden. Die Referenzspannungsquelle 15 stellt eine konstante Spannung bereit. Ferner ist der Transkonduktanzverstärker 11 dafür ausgelegt, an seinem Ausgang 14 ein Signal bereitzustellen, das der Differenz zwischen den Signalen entspricht, die an seinen ersten und seinen zweiten Eingang 12, 13 angelegt sind.
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Überdies kann die Verstärkerschaltung 2 eine Stromspiegelschaltung 23 umfassen, die in Reihe mit dem Transkonduktanzverstärker 11 geschaltet sein kann und die in 1 nicht dargestellt ist.
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Die Kombination der Stromspiegelschaltung 23 und des Transkonduktanzverstärkers 11 bildet einen Klasse-AB-Transkonduktanzverstärker. Insbesondere wird der Klasse-AB-Transkonduktanzverstärker unter Verwendung eines Klasse-A-Transkonduktanzverstärkers 11 mit einer Transkonduktanz Gm1 = Gm·M und durch Einfügen der Stromspiegelschaltung 23 verwirklicht. Wie später erörtert wird, stellt die Stromspiegelschaltung 23 eine Herunterskalierung eines vom Transkonduktanzverstärker 11 bereitgestellten Signals um einen Faktor M am Ausgang des Transkonduktanzverstärkers 11 bereit. Insbesondere kann die Klasse-AB-Operation durch die Stromspiegelschaltung 23 verwirklicht werden. Durch die Kombination des Klasse-A-Transkonduktanzverstärkers 11 mit der Transkonduktanz Gm1 und der herunterskalierenden Klasse-AB-Stromspiegelschaltung 23 wird ein neuer Klasse-AB-Transkonduktanzverstärker mit einer Transkonduktanz Gm bereitgestellt. Dieser kombinierte Verstärker kann in der Verstärkerschaltung 2 an Stelle des Transkonduktanzverstärkers 11 bereitgestellt werden.
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Der Transkonduktanzverstärker 11 ist in einer Rückkopplungsschleife angeordnet. Der Ausgang 14 des Transkonduktanzverstärkers 11 ist mit dem Eingangsknoten 9 des Vorverstärkers 8 verbunden. Die Rückkopplungsschleife ermöglicht das Steuern und das Festlegen des Arbeitspunkts des Vorverstärkers 8.
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Es ist jedoch wünschenswert, das durch den Transkonduktanzverstärker 11 in der Rückkopplungsschleife bereitgestellte Rauschen zu verringern. Der Rauschstrom ist etwa durch SRausch = 4·kB·T·G gegeben, wobei kB die Boltzmann-Konstante ist, T die Temperatur ist und G die Transkonduktanz des Transkonduktanzverstärkers 11 ist. Dementsprechend ist die spektrale Leistungsdichte des Rauschstroms proportional zur Transkonduktanz des Transkonduktanzverstärkers 11.
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Insbesondere bei niedrigen Frequenzen wird das Rauschen verglichen mit dem Signal hoch. Für diesen Zweck wird ein kapazitiver Abschwächer 16 zwischen dem Ausgang 14 des Transkonduktanzverstärkers 11 und dem Eingangsknoten 9 des Vorverstärkers 8 integriert.
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Gemäß der in 1 dargestellten Ausführungsform umfasst der kapazitive Abschwächer 16 eine erste Kapazität 17, die in Reihe zwischen den Ausgang 14 des Transkonduktanzverstärkers 11 und den Eingangsknoten 9 des Vorverstärkers 8 geschaltet ist. Ferner umfasst der kapazitive Abschwächer 16 ein Paar antiparalleler Dioden 18, 19, die parallel zur ersten Kapazität 17 geschaltet sind. Die antiparallelen Dioden 18, 19 sind über Kreuz geschaltet. Die Dioden 18, 19 können Halbleiter-PN-Sperrschichtdioden sein. Alternativ können sie durch eine andere Schaltungsanordnung ersetzt werden, die im Fall großer Spannungsausschläge am Ausgang des Transkonduktanzverstärkers einen Gleichstromweg bereitstellt.
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Überdies umfasst der kapazitive Abschwächer 16 eine zweite Kapazität 20, die in Reihe zwischen einen Referenzanschluss 21 und einen Knoten 22 geschaltet ist, der in einem Weg angeordnet ist, welcher den Ausgang 14 des Transkonduktanzverstärkers 11 und die erste Kapazität 17 verbindet. Der Referenzanschluss 21 kann Masse sein. Dementsprechend ist der Weg, der die zweite Kapazität 20 umfasst, parallel zum Weg geschaltet, der die erste Kapazität 17 umfasst. Der Weg, der die zweite Kapazität 20 umfasst, zieht Strom vom Weg ab, der die erste Kapazität 17 umfasst.
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Die erste Kapazität 17 ist so gewählt, dass ihre Kapazität kleiner ist als die Summe der Kapazität zwischen der rückseitigen Platte 5 und der Membran 4 des Wandlerelements 1 und der Eingangskapazität des Vorverstärkers B. Ferner kann die zweite Kapazität 20 eine größere Kapazität aufweisen als die erste Kapazität 17. Beispielsweise kann die zweite Kapazität 20 200 Mal so groß sein wie die erste Kapazität 17. In diesem Fall verringert der kapazitive Abschwächer 16 das Signal um 46 dB.
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Wenn die erste Kapazität 17 mit einer Kapazität C1 so viel kleiner ist als die Summe aus der Kapazität zwischen der Rückplatte 5 und der Membran 4 des Wandlerelements 1 und der Eingangskapazität des Vorverstärkers 8, ist die von C1 gesehene Kapazität in etwa gleich Cser = ~C1. Der vom Transkonduktanzverstärker 11 in Cser fließende Strom ist auch der Ausgangsstrom des kapazitiven Abschwächers. Der Eingangsstrom des kapazitiven Abschwächers weist auch den Strom auf, der durch den zweiten Kondensator 20 mit einer Kapazität Cpar = C2 fließt. Dies bedeutet, dass das Stromübertragungsverhältnis Cser/(Cser + Cpar) ~ C1/(C1 + C2) gleicht. Weil C2 viel kleiner als C1 ist, beispielsweise um einen Faktor 200, ist die Abschwächung ~20·log10(C2/C1) = 20·log10(200) = 46 dB.
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Um das gleiche Dynamikverhalten zu bekommen, wird die Transkonduktanz des Transkonduktanzverstärkers 11 um einen Faktor erhöht, welcher dem Verhältnis zwischen der ersten und der zweiten Kapazität entspricht, beispielweise um einen Faktor 200. Weil das Rauschen SRausch proportional zur Transkonduktanz ist, wird auch die Rauschleistung um diesen Faktor erhöht. Dementsprechend ist der Rauschstrom am Transkonduktanzverstärker 11 um 23 dB höher. Infolge der Abschwächung des kapazitiven Abschwächers ist er jedoch am Vorverstärker 8 um 23 dB niedriger.
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Ferner ist die Wechselspannungsimpedanz der antiparallelen Dioden 18, 19 höher als die Wechselspannungsimpedanz der ersten Kapazität 17. Der Gleichstrom kann jedoch durch die antiparallelen Dioden 18, 19 fließen. Demgemäß stellen sie einen Gleichstromweg bereit. Im Allgemeinen skaliert der kapazitive Abschwächer 16 das Ausgangssignal des Transkonduktanzverstärkers 11 herunter. Dadurch wird das Rauschen durch den kapazitiven Abschwächer 16 in einem höheren Maße als das Signal abgeschwächt.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf den kapazitiven Abschwächer 16 beschränkt, der antiparallele Dioden 18, 19 umfasst. Ein kapazitiver Abschwächer 16 kann auch eine Transistoren, beispielsweise einen PMOS- und einen NMOS-Transistor, umfassende Schaltung umfassen.
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Zusätzlich oder alternativ zum kapazitiven Abschwächer 16 kann eine Klasse-AB-Stromspiegelschaltung 23 zwischen den Ausgang 14 des Transkonduktanzverstärkers 11 und den Eingangsknoten 9 des Vorverstärkers 8 eingefügt werden. 2 zeigt ein Schaltungsdiagramm der Stromspiegelschaltung 23. Die Stromspiegelschaltung 23 ist dafür ausgelegt, ein vom Ausgang 14 des Transkonduktanzverstärkers 11 bereitgestelltes Signal herunterzuskalieren. Das herunterskalierte Signal wird in den Eingangsknoten 9 des Vorverstärkers 8 eingegeben. Falls auch ein kapazitiver Abschwächer verwendet wird, wird der herunterskalierte Strom in den Eingang 22 des kapazitiven Abschwächers eingegeben.
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Die Stromspiegelschaltung 23 umfasst Transistoren. Insbesondere umfasst die Stromspiegelschaltung 23 sieben Transistoren. Die Stromspiegelschaltung 23 umfasst fünf PMOS-Transistoren P1a, P1b, P2a, P2b, P1c und zwei NMOS-Transistoren N1a, N1b. Jeder der NMOS- und PMOS-Transistoren umfasst ein Gate G und einen Source-Drain-Kanal mit einem ersten Port A und einem zweiten Port B. Der erste Port A kann die Drainelektrode sein, und der zweite Port B kann die Sourceelektrode des jeweiligen Transistors sein, oder umgekehrt.
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Ferner umfasst die Stromspiegelschaltung 23 einen Vorstromgenerator 29, der dafür ausgelegt ist, einen konstanten Vorstrom IB bereitzustellen.
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Ferner ist ein Eingangsport 24 der Stromspiegelschaltung 23 mit dem Ausgang 14 des Transkonduktanzverstärkers 11 verbunden. Der Eingangsport 24 ist elektrisch mit einem ersten Knoten 26 verbunden, der mit den Gates der PMOS-Transistoren P1b, P1c verbunden ist. Ferner ist der erste Knoten 26 mit dem ersten Port A des Source-Drain-Kanals des PMOS-Transistors P1b verbunden. Ferner ist der erste Knoten 26 mit einem zweiten Port B des Source-Drain-Kanals des PMOS-Transistors P2b verbunden.
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Der zweite Port B des Source-Drain-Kanals des PMOS-Transistors P1b ist mit einem zweiten Knoten 27 verbunden. Der zweite Knoten 27 ist mit dem zweiten Port B des Source-Drain-Kanals des PMOS-Transistors P1c verbunden. Ferner ist der erste Port A des Source-Drain-Kanals des PMOS-Transistors P1c mit einem Ausgangsport 25 der Stromspiegelschaltung 23 verbunden.
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Ferner ist der zweite Knoten 27 mit dem zweiten Port B des Source-Drain-Kanals des PMOS-Transistors P1a verbunden, wobei der erste Port A des PMOS-Transistors P1a ferner mit dem Gate G des PMOS-Transistors P1a verbunden ist. Überdies ist der erste Port A des PMOS-Transistors P1a mit dem zweiten Port B des Source-Drain-Kanals des PMOS-Transistors P2a verbunden. Ferner ist der erste Port A des PMOS-Transistors P2a mit den Gates G von jedem der PMOS-Transistoren P2a und P2b verbunden. Ferner ist der erste Port A des PMOS-Transistors P2a mit dem Vorstromgenerator 29 verbunden, der dafür ausgelegt ist, einen konstanten Vorstrom IB bereitzustellen.
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Überdies ist der erste Port A des PMOS-Transistors P2a mit einem dritten Knoten 28 verbunden. Der dritte Knoten 28 ist mit dem zweiten Port B des Source-Drain-Kanals des NMOS-Transistors N1a verbunden. Überdies ist der erste Port A des NMOS-Transistors N1a mit dem ersten Port A des Source-Drain-Kanals des PMOS-Transistors P2b verbunden. Ferner ist der erste Port A des NMOS-Transistors N1a mit den Gates G von jedem der NMOS-Transistoren N1a und N1b verbunden. Überdies ist der dritte Knoten 28 mit dem zweiten Port B des Source-Drain-Kanals des NMOS-Transistors N1b verbunden. Der erste Port A des Source-Drain-Kanals des NMOS-Transistors N1b ist mit dem Ausgangsport 25 der Stromspiegelschaltung 23 verbunden.
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Nachfolgend wird der Betriebsmodus der Stromspiegelschaltung 23 erörtert.
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Es sei zuerst die Ruhesituation betrachtet, bei der ein Eingangsstrom von Null vom Transkonduktanzverstärker am Eingangsport 24 fließt. In diesem Fall fließt der Vorstrom IB durch die Transistoren P1a und P2a. Wenn die Transistoren P1a und P1b mit dem gleichen Breite-zu-Länge-Verhältnis ausgelegt wurden und die Transistoren P2a und P2b mit dem gleichen Breite-zu-Länge-Verhältnis ausgelegt wurden, bedeutet dies, dass der durch die Transistoren P1b, P2b und N1a fließende Strom auch gleich IB ist. Wenn der Transistor P1c mit einem Breite-zu-Länge-Verhältnis ausgelegt wurde, das M Mal kleiner ist als jenes des Transistors P1b, und der Transistor N1b mit einem Breite-zu-Lange-Verhältnis ausgelegt wurde, das M Mal kleiner ist als jenes des Transistors N1a, bedeutet dies, dass ein Strom IB/M durch beide Transistoren N1b und P1c fließt. Daher fließt ein Strom von Null aus dem Stromspiegel bei 25 heraus.
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Als nächstes sei die Situation betrachtet, in der ein kleiner Strom in den Stromspiegeleingang bei 24 fließt. Dies führt dazu, dass ein etwas größerer Strom durch die Transistoren P2b, N1a und N1b fließt und dass ein etwas kleinerer Strom durch die Transistoren P1b und P1c fließt. Daher wird ein kleiner Ausgangsstrom, der gleich dem durch M dividierten Eingangsstrom ist, am Stromausgang 25 zugeführt. Dies ist ein Klasse-A-Betrieb des Stromspiegels.
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Schließlich sei die Situation betrachtet, in der ein großer Strom, insbesondere ein Strom, der größer als IB ist, in den Stromspiegeleingang bei 24 fließt. In diesem Fall fließt praktisch der gesamte Eingangsstrom durch die Transistoren P2b und N1a, und der Strom durch den Transistor P1b nähert sich null. Der durch den Transistor N1b fließende Strom ist in etwa gleich dem durch M dividierten Eingangsstrom, und der durch den Transistor P1c fließende Strom ist in etwa null. Daher wird ein Ausgangsstrom, der gleich dem durch M dividierten Eingangsstrom ist, am Stromspiegelausgang 25 zugeführt. Dies ist ein Klasse-B-Betrieb des Stromspiegels. Eine entsprechende Situation tritt auf, wenn ein großer Eingangsstrom aus dem Stromspiegeleingang bei 24 herausfließt, in diesem Fall sind es jedoch die Transistoren P1b und P1c, die Strom ziehen, und die Transistoren N1a und N1b, die in etwa einen Strom von Null ziehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wandlerelement
- 2
- Verstärkerschaltung
- 3
- Chip
- 4
- Membran
- 5
- Rückplatte
- 6
- Eingangsanschluss
- 7
- Ausgangsanschluss
- 8
- Vorverstärker
- 9
- Eingangsknoten
- 10
- Ausgangsknoten
- 11
- Transkonduktanzverstärker
- 12
- erster Eingang
- 13
- zweiter Eingang
- 14
- Ausgang
- 15
- Referenzspannungsquelle
- 16
- kapazitiver Abschwächer
- 17
- erste Kapazität
- 18
- Diode
- 19
- Diode
- 20
- zweite Kapazität
- 21
- Referenzanschluss
- 22
- Knoten
- 23
- Stromspiegelschaltung
- 24
- Eingangsport
- 25
- Ausgangsport
- 26
- erster Knoten
- 27
- zweiter Knoten
- 28
- dritter Knoten
- 29
- Vorstromgenerator
- P1a, P1b, P2a, P2b, P2c
- PMOS-Transistor
- N1a, N1b
- NMOS-Transistor
- G
- Gate
- A
- erster Port
- B
- zweiter Port
