DE112021004914T5

DE112021004914T5 - Differenzverstärkeranordnung und konverteranordnung

Info

Publication number: DE112021004914T5
Application number: DE112021004914.3T
Authority: DE
Inventors: Srinidhi Koushik Kanagal Ramesh; Markus Auer
Original assignee: Ams International AG
Current assignee: Ams International AG
Priority date: 2020-12-17
Filing date: 2021-11-16
Publication date: 2023-07-13
Also published as: CN116472669A; TW202230963A; TWI802143B; WO2022128289A1; US20240106400A1

Abstract

In einer Ausführungsform umfasst eine Differenzverstärkeranordnung einen ersten Eingang (10), der so konfiguriert ist, dass er ein erstes Eingangssignal (VIP) empfängt, einen zweiten Eingang (11), der so konfiguriert ist, dass er ein zweites Eingangssignal (VIN) empfängt, einen ersten Ausgang (20), der so konfiguriert ist, dass er ein erstes Ausgangssignal (VREFP) liefert, einen zweiten Ausgang (21), der so konfiguriert ist, dass er ein zweites Ausgangssignal (VREFN) liefert, eine Gleichtaktschleife (L1), die so konfiguriert ist, dass sie einen Ausgangsgleichtakt der Differenzverstärkeranordnung in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen einem Gleichtaktreferenzsignal (VCI) und einem Mittelwert (VCO) des ersten und des zweiten Ausgangssignals (VREFP, VREFN) regelt, und eine Gegentaktschleife (L2a, L2b), die konfiguriert ist, einen Ausgangsgegentakt der Differenzverstärkeranordnung in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen einer Differenz (VDREF) zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangssignal (VIP, VIN) und einer Differenz (VD) zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangssignal (VREFP, VREFN) zu regeln. Dabei ist die Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangssignal (VREFP, VREFN) im Wesentlichen konstant.

Description

Diese Offenbarung bezieht sich auf das Gebiet des Verstärkerentwurfs. Insbesondere ist die Anmeldung auf eine Differenzverstärkeranordnung und eine Konverteranordnung gerichtet.
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 102020133990.9 , deren Offenbarungsgehalt hier durch Bezugnahme aufgenommen ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Der Entwurf eines Volldifferenzverstärkers zur Ansteuerung hoher kapazitiver Lasten im Mikrofarad-Bereich, der als Referenz für Datenwandler, z. B. einen Analog-Digital-Wandler (ADC), dienen soll, muss verschiedene Anforderungen erfüllen, z. B. eine niedrige Ausgangsimpedanz und eine gute Einschwingzeit, um die Linearitätsanforderungen zu erfüllen, sowie ein gutes Rauschverhalten.
Um diese Anforderungen zu erfüllen, verlangsamt eine erste bekannte Lösung den Verstärker und verwendet einen Isolationswiderstand zur Entkopplung des externen Kondensators vom Verstärker. Der Nachteil dieser Lösung ist, dass der Isolationswiderstand die Lastregelung einschränkt.
Eine zweite bekannte Lösung verwendet eine doppelte Rückkopplungstechnik mit einem langsamen Rückkopplungspfad, der den Isolationswiderstand in der Schleife einschließt, und einer Hochfrequenzschleife durch Verbindung des Ausgangs mit dem Eingang ohne den Isolationswiderstand. Diese Lösung hat den Nachteil, dass die interne Schleife viel langsamer sein muss, als wenn der Verstärker einfach extern kompensiert würde. Die genannten Nachteile gelten auch für die erste Lösung.
Darüber hinaus sind beide oben beschriebenen Lösungen nur für die Ansteuerung von Kondensatoren anwendbar, die an Masse angeschlossen sind. Wenn beide Anschlüsse eines Kondensators angesteuert werden, ist bei beiden oben genannten Lösungen das Frequenzband, in dem die Schleifenverstärkung Null Dezibel überschreitet, groß, was eine viel schlechtere Rauschbandbreite und/oder Verstärkungsspitzen nach sich zieht.
Daher besteht eine Aufgabe darin, eine Differenzverstärkeranordnung und eine Konverteranordnung anzugeben, die zumindest einige der oben beschriebenen Mängel des Standes der Technik beseitigen.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Entwicklungen und Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Die Definition der oben genannten Begriffe gilt auch für die folgende Beschreibung, sofern nicht anders angegeben.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In einer Ausführungsform umfasst eine Differenzverstärkeranordnung einen ersten Eingang, einen zweiten Eingang, einen ersten Ausgang, einen zweiten Ausgang, eine Gleichtaktschleife und eine Gegentaktschleife. Der erste Eingang ist so konfiguriert, dass er ein erstes Eingangssignal empfängt. Der zweite Eingang ist so konfiguriert, dass er ein zweites Eingangssignal empfängt. Der erste Ausgang ist so konfiguriert, dass er ein erstes Ausgangssignal bereitstellt. Der zweite Ausgang ist so konfiguriert, dass er ein zweites Ausgangssignal bereitstellt. Die Gleichtaktschleife ist so konfiguriert, dass sie einen Ausgangsgleichtakt der Differenzverstärkeranordnung in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen einem Gleichtaktreferenzsignal und einem Mittelwert des ersten und des zweiten Ausgangssignals regelt. Die Gegentaktschleife ist so konfiguriert, dass sie einen Ausgangsgegentakt der Differenzverstärkeranordnung in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen einer Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangssignal und einer Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangssignal regelt. Dabei ist die Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangssignal im Wesentlichen konstant.
Mit Hilfe der Gleichtaktschleife, Englisch common mode loop, der Differenzverstärkeranordnung wird der Ausgangsgleichtakt, Englisch output common mode, in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem Gleichtakt-Referenzsignal und dem Mittelwert des ersten und des zweiten Ausgangssignals, d. h. der Hälfte der Summe des ersten und des zweiten Ausgangssignals, geregelt. Die Gegentaktschleife, Englisch differential mode loop, regelt den Ausgangsgegentakt, Englisch differential mode output, der Differenzverstärkeranordnung. Dazu wird die Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangssignal sowie die Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangssignal verwendet, um eine Differenz zwischen diesen Differenzen zu bilden, die zur Regelung des Ausgangsgegentakts verwendet wird. Die Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangssignal wird im Wesentlichen konstant gehalten.
In einer Ausgestaltung ist die Gleichtaktschleife außerdem so konfiguriert, dass mindestens ein Niederfrequenzpol implementiert wird, durch den die Gleichtaktschleife verlangsamt wird.
Die vorgeschlagene Differenzverstärkeranordnung ermöglicht eine Kompensation der Gleichtaktschleife, ohne die verschiedenen Parameter der Gegentaktschleife zu beeinflussen. Dies verbessert die Stabilität der Differenzverstärkeranordnung. Außerdem wird eine hohe Gleichstromgenauigkeit erreicht.
Bei einer Entwicklung ist die Einheitsverstärkungsfrequenz der Gleichtaktschleife höher als die Einheitsverstärkungsfrequenz der Gegentaktschleife.
In einer Ausgestaltung ist eine Gesamt-Gleichtaktschleife der Verstärkeranordnung ferner so konfiguriert, dass sie mindestens zwei Pole und Nullstellen implementiert, durch die eine Verstärkung der Gesamt-Gleichtaktschleife einen Nulldurchgang von 20 Dezibel pro Dekade aufweist.
Auf diese Weise wird die Gesamt-Gleichtaktschleife trotz des Fehlens eines externen Pols für dieselbe stabilisiert. Da die Beschränkungen für die Gleichtaktschleife auch lockerer sind, ist die Verwendung von Polen und Nullstellen für die Stabilität des Gleichtakts nicht so problematisch für das Einschwingverhalten.
In einer Ausbaustufe umfasst die Differenzverstärkeranordnung mindestens eine erste und eine zweite Verstärkerstufe. Die erste Verstärkungsstufe umfasst einen ersten Differenzverstärker mit einem ersten Paar von Differenzeingangsanschlüssen, einem ersten Paar von Differenzausgangsanschlüssen und einem Steueranschluss. Das erste Paar von Differenzeingangsanschlüssen ist mit dem ersten und dem zweiten Eingang der Differenzverstärkeranordnung verbunden. Die zweite Verstärkungsstufe umfasst einen zweiten Differenzverstärker mit einem zweiten Paar von Differenzeingangsanschlüssen und einem zweiten Paar von Differenzausgangsanschlüssen. Das zweite Paar von Differenzeingangsanschlüssen ist mit dem ersten Paar von Differenzausgangsanschlüssen des ersten Verstärkers verbunden. Das zweite Paar von Differenzausgangsanschlüssen ist mit dem ersten und dem zweiten Ausgang der Differenzverstärkeranordnung verbunden.
In einer optionalen Ausbaustufe kann die Differenzverstärkeranordnung auch eine dritte Verstärkerstufe umfassen, die der zweiten Verstärkerstufe nachgeschaltet ist, d.h. zwischen dem zweiten Differenzausgangspaar und dem ersten und zweiten Ausgang.
In einer weiteren optionalen Ausbaustufe kann die Differenzverstärkeranordnung auch mehr als drei Stufen haben.
In einer Ausbaustufe umfasst die Gleichtaktschleife mindestens die erste und die zweite Verstärkerstufe, einen Gleichtakt-Rückkopplungsverstärker und ein Filterelement. Der Gleichtakt-Rückkopplungsverstärker hat einen ersten und einen zweiten Rückkopplungseingangsanschluss und einen Rückkopplungsausgangsanschluss. Der erste Rückkopplungseingangsanschluss ist so ausgestaltet, dass er den Durchschnitt des ersten und des zweiten Eingangssignals empfängt. Der Rückkopplungsausgangsanschluss ist mit einem Steueranschluss des ersten Differenzverstärkers verbunden. Das Filterelement umfasst einen Filterkondensator und einen Filterwiderstand. Der Filterkondensator ist mit dem zweiten Rückkopplungseingangsanschluss und mit einem Bezugspotentialanschluss verbunden. Der Filterwiderstand ist mit einem Anschluss an den zweiten Rückkopplungseingangsanschluss angeschlossen. Ein weiterer Anschluss des Filterwiderstandes ist so ausgestaltet, dass er den Mittelwert des ersten und des zweiten Ausgangssignals empfängt.
Der Gleichtakt-Rückkopplungsverstärker regelt einen Teil einer Stromquelle des ersten Verstärkers über seinen Steueranschluss in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem Mittelwert des ersten und des zweiten Eingangssignals und dem Mittelwert des ersten und des zweiten Ausgangssignals. Das Filterelement realisiert einen niederfrequenten Pol, der die Stabilität der Gleichtaktschleife verbessert. Dieser spezielle Niederfrequenzpol wird absichtlich in die Gleichtaktschleife eingeführt, die ansonsten nur auf interne parasitäre Kapazitäten angewiesen wäre.
In einer Ausbaustufe umfasst die Gegenschleife die erste und die zweite Verstärkerstufe sowie ein erstes und ein zweites Transimpedanzelement. Das erste Transimpedanzelement ist in einer Rückkopplungsschleife zwischen einem ersten Anschluss des zweiten Paars von Differenzeingangsanschlüssen und einem ersten Anschluss des zweiten Paars von Differenzausgangsanschlüssen des zweiten Differenzverstärkers angeschlossen, wodurch ein erster Zweig der Gegentaktschleife gebildet ist. Das zweite Transimpedanzelement ist in einer Rückkopplungsschleife zwischen einem zweiten Anschluss des zweiten Paars von Differenzeingangsanschlüssen und einem zweiten Anschluss des zweiten Paars von Differenzausgangsanschlüssen des zweiten Differenzverstärkers angeschlossen, wodurch ein zweiter Zweig der Gegentaktschleife gebildet ist.
Mit Hilfe des ersten und des zweiten Transimpedanz-Elements wird eine Nacheilungskompensation realisiert, die den ersten und den zweiten Zweig der Gegentaktschleife stabilisiert. Dadurch wird ein Kompromiss zwischen der DC-Verstärkung und der Einschwingzeit vermieden, wie es beim Stand der Technik der Fall ist. Darüber hinaus hilft die Verwendung der Transimpedanz-Elemente, eine konstante Lastregelung über Prozess, Spannung und Temperatur zu erreichen.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst jedes der ersten und zweiten Transimpedanzelemente einen ersten und einen zweiten Widerstand sowie einen ersten und einen zweiten Kondensator. Darin sind der erste Widerstand und der erste Kondensator parallel geschaltet und bilden eine Parallelschaltung. Der zweite Widerstand ist mit der Parallelschaltung in Reihe geschaltet, so dass eine Reihenschaltung entsteht. Der zweite Kondensator ist parallel zu der Reihenschaltung geschaltet.
In einer Verfeinerung ist die Kapazität des ersten Kondensators größer dimensioniert, beispielsweise zehnmal größer als die Kapazität des zweiten Kondensators.
In einer Verfeinerung sind die jeweiligen Widerstände des ersten und des zweiten Widerstands im Wesentlichen gleich dimensioniert.
Jedes Transimpedanzelement realisiert einen Pol, der einen Nulldurchgang der Schleifenverstärkung der Gleichtaktschleife von 20 Dezibel pro Dekade bewirkt. Der erste und der zweite Widerstand stellen den Verstärkungswert der Differenzverstärkeranordnung ein. Zusammen mit dem ersten Kondensator erzeugen der erste und der zweite Widerstand einen Pol und eine Nullstelle zur Stabilisierung der Gegentaktschleife. Der zweite Kondensator fügt einen Pol hinzu, der hauptsächlich zur weiteren Stabilisierung der Gleichtaktschleife dient.
In einer Ausbaustufe wird das Gleichtakt-Referenzsignal durch einen Mittelwert aus dem ersten und dem zweiten Eingangssignal dargestellt.
In einer alternativen Implementierung kann das Gleichtakt-Referenzsignal extern erzeugt werden.
In einer Ausgestaltung ist der erste Ausgang der Differenzverstärkeranordnung zum Verbinden mit einem ersten Anschluss eines anschließbaren Lastkondensators konfiguriert. Der zweite Ausgang der Differenzverstärkeranordnung ist zum Verbinden mit einem zweiten Anschluss des anschließbaren Lastkondensators konfiguriert.
Die vorgeschlagene Verstärkeranordnung bildet damit einen extern, d.h. durch den verbindbaren Lastkondensator, kompensierten mehrstufigen volldifferenziellen Verstärker. Der Lastkondensator kann eine beträchtliche Last aufweisen, z.B. im Bereich von mehreren Mikrofarad. Durch die oben beschriebene Ausgestaltung der Verstärkeranordnung wird die Ansteuerung der hochkapazitiven Last, wie sie der Lastkondensator darstellt, ermöglicht.
In einer Ausführungsform umfasst eine Konverteranordnung die direkt oben beschriebene Differenzverstärkeranordnung, den Lastkondensator, der zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgang der Differenzverstärkeranordnung angeschlossen ist, und einen Analog-Digital-Wandler. Der Analog-Digital-Wandler ist zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgang der Differenzverstärkeranordnung angeschlossen.
Die Konverteranordnung, die auf der oben definierten Differenzverstärkeranordnung basiert, erreicht eine gute Linearität und eine niedrige Ausgangsimpedanz, zum Beispiel unter einem Ohm. Zudem sind die Einschwingzeit und das Rauschverhalten im Vergleich zu den eingangs beschriebenen Lösungen des Standes der Technik verbessert. Außerdem wird zum Betrieb der Konverteranordnung nur ein Kondensator benötigt, der außerhalb der Differenzverstärkeranordnung liegt. Dieser externe Kondensator wird durch den Lastkondensator repräsentiert. Der Lastkondensator ist differentiell geschaltet. Im Vergleich zu den eingangs beschriebenen Lösungen des Standes der Technik kann so ein zweiter, normalerweise benötigter externer Kondensator eingespart werden.
Dies ermöglicht die Entwicklung eines Verstärkers, der tatsächlich durch eine Gegentaktschleifenzeitkonstante begrenzt ist, die zusammen mit dem externen Kondensator gebildet wird, und somit durch Linearitätsbeschränkungen und nicht durch eine Gleichtaktschleife, die viel weniger Beschränkungen unterliegt.
Figurenliste
Im Folgenden wird die vorgeschlagene Differenzverstärker- und Konverteranordnung anhand von beispielhaften Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Bauelemente und Schaltungsteile, die funktions- oder wirkungsgleich sind, tragen identische Bezugszeichen. Soweit Schaltungsteile oder Bauelemente in ihrer Funktion übereinstimmen, wird deren Beschreibung in den folgenden Figuren nicht wiederholt. Darin zeigt:

1 eine beispielhafte Ausführungsform einer Differenzverstärkeranordnung und einer Konverteranordnung, wie vorgeschlagen,
2 beispielhafte Diagramme für die Ausführungsform von 1,
3 beispielhafte Diagramme für die Ausführungsform von 1.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Differenzverstärkeranordnung und einer Konverteranordnung, wie vorgeschlagen. Die Verstärkeranordnung hat einen ersten Eingang 10, einen zweiten Eingang 11, einen ersten Ausgang 20, einen zweiten Ausgang 21, eine Gleichtaktschleife L1 und eine Gegentaktschleife L2a, L2b. Der erste Eingang 10 ist so gestaltet, dass er ein erstes Eingangssignal VIP empfängt.
Der zweite Eingang 11 ist so konfiguriert, dass er ein zweites Eingangssignal VIN empfängt. Der erste Ausgang 20 ist so konfiguriert, dass er ein erstes Ausgangssignal VREFP liefert. Der zweite Ausgang 21 ist so konfiguriert, dass er ein zweites Ausgangssignal VREFN bereitstellt. Die Gleichtaktschleife L1 ist dazu eingerichtet, einen Ausgangsgleichtakt der Differenzverstärkeranordnung in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen einem Gleichtaktreferenzsignal VCI und einem Mittelwert aus dem ersten und dem zweiten Ausgangssignal VREFP, VREFN zu regeln. Die Gegentaktschleife L2a, L2b ist dazu eingerichtet, einen Ausgangsgegentakt der Differenzverstärkeranordnung in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen einer Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangssignal VIP, VIN und einer Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangssignal VREFP, VREFN zu regeln. Dabei ist die Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangssignal VREFP, VREFN im Wesentlichen konstant.
Die Differenzverstärkeranordnung erzeugt ein differenzielles Ausgangssignal in Form des ersten Ausgangssignals VREFP und des zweiten Ausgangssignals VREFN in Abhängigkeit von einem differenziellen Eingangssignal, repräsentiert durch das erste Eingangssignal VIP und das zweite Eingangssignal VIN.
Die ersten und zweiten Eingangssignale VIP, VIN sowie die ersten und zweiten Ausgangssignale VREFP, VREFN können jeweils ein Spannungssignal oder eine Spannung umfassen. In einer beispielhaften Implementierung kann ein Spannungswert des ersten Eingangssignals VIP bei 0 V liegen, ein Spannungswert des zweiten Eingangssignals VIN kann bei 1,8 V liegen, ein Spannungswert des ersten Ausgangssignals VREFP kann 1350 mV betragen, ein Spannungswert des zweiten Ausgangssignals VREFN kann 450 mV betragen.
In der dargestellten beispielhaften Ausführungsform ist die Differenzverstärkeranordnung aus drei Verstärkerstufen aufgebaut. Eine erste Verstärkerstufe umfasst einen ersten Differenzverstärker A1, eine zweite Verstärkerstufe umfasst einen zweiten Differenzverstärker A2 und eine dritte Verstärkerstufe umfasst einen vierten Differenzverstärker A4. Es sei darauf hingewiesen, dass die dritte Verstärkungsstufe, d. h. der vierte Differenzverstärker A4, optional ist.
Der erste Differenzverstärker A1 hat einen ersten und einen zweiten Eingang A11, A12, die ein erstes Paar von Differenzeingangsanschlüssen bilden. Außerdem hat der erste Differenzverstärker A1 einen ersten und einen zweiten Ausgangsanschluss A14, A15, die ein erstes Paar von Differenzausgangsanschlüssen bilden. Der erste Verstärker A1 weist ferner einen Steueranschluss A13 auf, der zur Steuerung einer internen Stromquelle des ersten Verstärkers A1 eingerichtet ist. Der erste Eingangsanschluss A11 des ersten Verstärkers A1 ist mit dem ersten Eingang 10 verbunden, zum Beispiel über eine Widerstand R3. Der zweite Eingangsanschluss A12 des ersten Verstärkers A1 ist mit dem zweiten Eingang 11 verbunden, beispielsweise über einen Widerstand R4.
Der zweite Differenzverstärker A2 hat einen ersten Eingangsanschluss A21 und einen zweiten Eingangsanschluss A22, die zusammen ein zweites Paar von Differenzeingangsanschlüssen bilden. Der zweite Differenzverstärker A2 hat auch einen ersten Ausgangsanschluss A23 und einen zweiten Ausgangsanschluss A24, die zusammen ein zweites Paar von Differenzausgangsanschlüssen darstellen. Der erste Eingangsanschluss A21 des zweiten Verstärkers A2 ist z. B. direkt mit dem ersten Ausgangsanschluss A14 des ersten Verstärkers verbunden. Der zweite Eingangsanschluss A22 des zweiten Verstärkers A2 ist z.B. direkt mit dem zweiten Ausgangsanschluss A15 des ersten Verstärkers A1 verbunden.
Der vierte Differenzverstärker A4 hat einen ersten Eingangsanschluss A41 und einen zweiten Eingangsanschluss A42, die ein drittes Paar von Differenzeingangsanschlüssen darstellen. Der vierte Verstärker A4 hat auch einen ersten Ausgangsanschluss A43 und einen zweiten Ausgangsanschluss A44, die zusammen ein drittes Paar von Differenzausgangsanschlüssen darstellen. Im dargestellten Beispiel ist der erste Ausgang A43 des vierten Verstärkers A4 z. B. direkt mit dem ersten Ausgang 20 verbunden. Der zweite Ausgangsanschluss A44 des vierten Verstärkers A4 ist z.B. direkt mit dem zweiten Ausgang 21 verbunden. In einer Ausführung ohne den optionalen vierten Verstärker A4 ist der erste Ausgang A23 des zweiten Verstärkers mit dem ersten Ausgang 20 verbunden, während der zweite Ausgangsanschluss A24 des zweiten Verstärkers A2 mit dem zweiten Ausgang 21 verbunden ist.
Die Differenzverstärkeranordnung umfasst auch ein erstes Transimpedanzelement Z1 und ein zweites Transimpedanzelement Z2. Das erste Transimpedanzelement 21 ist in einer Rückkopplungsschleife zwischen dem ersten Eingangsanschluss A21 des zweiten Differenzverstärkers A2 und dem ersten Ausgangsanschluss A23 des zweiten Differenzverstärkers A2 angeschlossen. Das zweite Transimpedanz-Element Z2 ist in einer weiteren Rückkopplungsschleife zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss A24 und dem zweiten Eingangsanschluss A22 des zweiten Differenzverstärkers A2 angeschlossen. Jedes der ersten und zweiten Transimpedanzelemente 21, Z2 umfasst im Wesentlichen einen ersten Widerstand R9, einen zweiten Widerstand R10, einen ersten Kondensator C1 und einen zweiten Kondensator C2. Der erste Widerstand R9 und der erste Kondensator C1 sind parallel geschaltet und bilden eine Parallelschaltung. Der zweite Widerstand R10 ist mit der Parallelschaltung in Reihe geschaltet, so dass eine Reihenschaltung entsteht. Der zweite Kondensator C2 ist parallel zu der genannten Reihenschaltung geschaltet. Dabei sind der erste und der zweite Widerstand R9, R10 im Wesentlichen gleich dimensioniert, während der erste Kondensator C1 so dimensioniert ist, dass er einen viel höheren Kapazitätswert hat als die Kapazität des zweiten Kondensators C2.
In der dargestellten beispielhaften Ausführungsform weist die Differenzverstärkeranordnung ferner einen ersten Spannungsteiler R1, R2 und einen zweiten Spannungsteiler R7, R8 auf. Der erste Spannungsteiler weist eine Reihenschaltung der Widerstände R1 und R2 auf. Diese Reihenschaltung ist zwischen den ersten Eingang 10 und den zweiten Eingang 11 der Verstärkeranordnung geschaltet. Die Widerstände R1 und R2 sind im Wesentlichen gleich dimensioniert. Eine Anschlussstelle zwischen den Widerständen R1 und R2 bildet einen Knoten 13, an dem ein Gleichtakt-Referenzsignal VCI bereitgestellt wird. In dieser beispielhaften Ausführungsform wird das Gleichtakt-Referenzsignal VCI durch ein mittleres Eingangssignal VCI realisiert, das die Hälfte der Summe aus dem ersten und dem zweiten Eingangssignal VIP, VIN beträgt. Im Einzelnen beträgt das mittlere Eingangssignal VCI: $V C I = (V I P + V I N) / 2$
Darin steht VCI für das durchschnittliche Eingangssignal VCI, VIP für das erste Eingangssignal VIP, VIN für das zweite Eingangssignal VIN.
Der erste Spannungsteiler R1, R2 stellt eine Implementierungsmöglichkeit zur Erzeugung des Gleichtakt-Referenzsignals VCI dar.
Der zweite Spannungsteiler R7, R8 ist zwischen dem ersten Ausgang 20 und dem zweiten Ausgang 21 angeschlossen. Er umfasst eine Reihenschaltung des Widerstandes R7 und des Widerstandes R8. Die Widerstände R8 und R9 sind im Wesentlichen gleich dimensioniert. Eine Anschlussstelle zwischen dem Widerstand R7 und dem Widerstand R8 bildet einen Knoten 14, an dem ein mittleres Ausgangssignal VCO bereitgestellt wird. Das mittlere Ausgangssignal VCO beträgt die Hälfte der Summe aus dem ersten Ausgangssignal VREFP und dem zweiten Ausgangssignal VREFN. Im Einzelnen beträgt das mittlere Ausgangssignal VCO: $V C O = (V R E F P + V R E F N) / 2$
Darin steht VCO für das mittlere Ausgangssignal VCO, VREFP für das erste Ausgangssignal VREFP und VREFN für das zweite Ausgangssignal VREFN.
Die Differenzverstärkeranordnung in der dargestellten Ausführungsform umfasst ferner ein erstes Rückkopplungsfilter F1 und ein zweites Rückkopplungsfilter F2. Das erste Rückkopplungsfilter F1 ist zwischen dem ersten Ausgang 20 und dem ersten Eingang 10 angeschlossen. Das zweite Rückkopplungsfilter F2 ist mit dem zweiten Ausgang 21 und dem zweiten Eingang 11 verbunden. Jeder der ersten und zweiten Rückkopplungsfilter F1, F2 umfasst eine Parallelschaltung eines Kondensators C4 und eines Widerstands R5.
Die Differenzverstärkeranordnung umfasst ferner einen Gleichtakt-Rückkopplungsverstärker A3 und ein Filterelement R11, C3. Der Gleichtakt-Rückkopplungsverstärker A3 hat einen ersten Rückkopplungseingangsanschluss A31, einen zweiten Rückkopplungseingangsanschluss A32 und einen Rückkopplungsausgangsanschluss A33. Der erste Rückkopplungseingangsanschluss A33 ist z. B. direkt mit dem Knoten 13 verbunden und empfängt somit das mittlere Eingangssignal VCI. Der zweite Rückkopplungseingangsanschluss A32 ist über das Filterelement C3, R11 mit dem Knoten 14 verbunden. Er empfängt folglich das mittlere Ausgangssignal VCO, das durch das Filterelement C3, R11 gefiltert wird. Der Rückkopplungsausgangsanschluss A33 ist z. B. direkt mit dem Steueranschluss A13 des ersten Differenzverstärkers A1 verbunden. Das Filterelement umfasst einen Filterkondensator C3 und einen Filterwiderstand R11. Der Filterkondensator C3 ist beispielsweise direkt mit dem zweiten Rückkopplungseingangsanschluss A32 und mit einem Bezugspotentialanschluss 100 verbunden. Der Filterwiderstand R11 ist mit einem Anschluss an den zweiten Rückkopplungseingangsanschluss A32 und mit seinem anderen Anschluss z. B. direkt an den Knoten 14 angeschlossen.
Die Gleichtaktschleife L1 umfasst die erste und die zweite Verstärkerstufe, optional auch ddi dritte Verstärkerstufe, sowie den Gleichtaktrückkopplungsverstärker A3 und das Filterelement R11, C3. Ein Ersatzschaltbild der Gleichtaktschleife L1 ist auf der linken Seite unterhalb des Schaltbildes der Verstärkeranordnung dargestellt. Ein Verstärker A stellt die drei oben beschriebenen Verstärkerstufen dar. Das mittlere Ausgangssignal VCO wird vom mittleren Eingangssignal VCI subtrahiert und die resultierende Differenz in die Gleichtaktschleife eingekoppelt.
Der Gleichtaktrückkopplungsverstärker A3 regelt zumindest einen Teil der Stromquelle des ersten Verstärkers A1 in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem Mittelwert des ersten und des zweiten Eingangssignals, d.h. dem mittleren Eingangssignal VCI, und dem Mittelwert des ersten und des zweiten Ausgangssignals, d.h. dem mittleren Ausgangssignal VCO. Das Filterelement R11, C3 fügt einen niederfrequenten Pol hinzu, der die Stabilität der Gleichtaktrückkopplungsschleife L1 verbessert. Der dargestellte dreistufige Verstärker muss nicht intern Millerkompensiert werden, wie es beim Stand der Technik der Fall ist, da der durch das Filterelement R11 und C3 realisierte Niederfrequenzpol diese Aufgabe übernimmt.
Die Gegentaktschleife umfasst einen ersten Zweig L2a und einen zweiten Zweig L2b. Der erste Zweig L2a der Gegentaktschleife wird durch die erste, zweite und optional die dritte Verstärkerstufe, das erste Rückkopplungsfilter F1 und das erste Transimpedanzelement 21 gebildet. Der zweite Zweig L2b der Gegentaktschleife wird durch die erste, zweite und optional die dritte Verstärkerstufe, das zweite Rückkopplungsfilter F2 und das zweite Transimpedanzelement Z2 gebildet. Auf der linken Seite über dem Differenzverstärker ist ein Ersatzschaltbild der Gegentaktschleife abgebildet. Die Differenz zwischen dem ersten Ausgangssignal VREFP und dem zweiten Ausgangssignal VREFN, bezeichnet als Signal VD, wird über einen Rückkopplungsfaktor F, der durch das erste Rückkopplungsfilter F1 zusammen mit dem Widerstand R3 und das zweite Rückkopplungsfilter F2 zusammen mit dem Widerstand R4 realisiert wird, auf eine Eingangsseite des Verstärkers A zurückgekoppelt. An der Eingangsseite liegt eine Differenz des ersten Eingangssignals VIP und des zweiten Eingangssignals VIN, bezeichnet als Signal VDREF, vor. Von diesem Differenzsignal VDREF wird das vom Filter F gefilterte Differenzsignal VD subtrahiert und das resultierende Signal dem Eingang des Verstärkers A zugeführt. Ein Lastkondensator Cload ist in der Ersatzschaltung mit dem Differenzausgang verbunden.
Die Gleichtaktschleife wird mit Hilfe eines ersten Pols kompensiert, der durch den Widerstand R11 und den Kondensator C3 gebildet wird. Mit Hilfe der langsamen Gleichtaktschleife L1 mit hoher Verstärkung und der schnellen Gegentaktschleife L2a, b mit niedriger Verstärkung wird durch eine niederfrequente Nullstelle und einen zweiten Pol mit Hilfe des ersten Widerstands R9 und des ersten Kondensators C1 eine Nachlaufkompensation geschaffen. Außerdem wird eine zweite Nacheilungskompensation durch eine Nullstelle durch die Kombination des ersten und des zweiten Widerstands R9, R10 und des ersten Kondensators C1 und einen Pol durch die Kombination des ersten und des zweiten Widerstands R9, R10 und des zweiten Kondensators C2 geschaffen. Die Gegentaktschleife wird hauptsächlich durch den verbindbaren Lastkondensator Cload kompensiert. Um die Gleichstromverstärkung nicht gegen die Stabilität aufzuwiegen, werden das erste und das zweite Transimpedanz-Element Z1, Z2 eingeführt, um eine Nachlaufkompensation zur weiteren Stabilisierung des Verstärkers zu schaffen.
Bei einer alternativen Realisierung des Filterelements R11, C3 in der Gleichtaktschleife L1 kann der Filterwiderstand R11 durch eine Transkonduktanz ersetzt werden, die das mittlere Ausgangssignal VCO empfängt, wie es dem Fachmann bekannt ist.
In einer alternativen Ausführung können andere Schleifenformen und andere Pol-/Nullstellenformen angewandt werden, so dass die Gesamtverstärkung der Gleichtaktschleife eine Überkreuzung von 20 dB/dec aufweist.
In einer anderen Variante wird das Gegentaktverhalten der Verstärkeranordnung breitbandig gemacht und ist somit nur durch den externen Lastkondensator begrenzt.
Eine Konverteranordnung umfasst die oben beschriebene Differenzverstärkeranordnung, den Lastkondensator Cload, sowie einen Analog-Digital-Wandler 50. Der Lastkondensator Cload ist zwischen dem ersten Ausgang 20 und dem zweiten Ausgang 21 der Differenzverstärkeranordnung angeschlossen. Der Analog-Digital-Wandler, ADC, 50 ist ebenfalls zwischen dem ersten Ausgang 20 und dem zweiten Ausgang 21 der Differenzverstärkeranordnung angeschlossen. Der Lastkondensator Cload kann dabei eine Kapazität im Bereich von Mikrofarad, zum Beispiel vier Mikrofarad, haben. Die vorgeschlagene Differenzverstärkeranordnung ist in der Lage, den ADC 50 und den Lastkondensator Cload der Konverteranordnung zu treiben. Sie erreicht dabei eine gute Linearität, eine gute Einschwingzeit und ein gutes Rauschverhalten im Vergleich zu Lösungen nach dem Stand der Technik.
2 zeigt beispielhafte Diagramme für die Ausführungsform von 1. Im oberen Teil von 2 zeigt den Graphen G1 die Schleifenverstärkung der Gleichtaktschleife L1 und den Graphen G2 die Gleichtakt der Schleifen L2a, b in Abhängigkeit von der Frequenz f in einer separaten Form. Im unteren Teil von 2 zeigt den Graphen G3 die resultierende Gesamtverstärkung der Gleichtaktschleife in Abhängigkeit von der Frequenz f.
Es ist zu erkennen, dass der Graph G1 einen ersten Pol 1 aufweist, der sich aus dem Filterelement R11, C3 ergibt, wie in 2 dargestellt. Er hat außerdem eine Nullstelle 2, die sich aus dem ersten Widerstand R9, dem zweiten Widerstand R10 und dem ersten Kondensator C1 des ersten und zweiten Transimpedanzelements Z1, Z2 ergibt. Außerdem hat er einen zweiten Pol 3, der sich aus dem ersten Widerstand R9, dem zweiten Widerstand R10 und dem zweiten Kondensator C2 des ersten und des zweiten Transimpedanzelements Z1, Z2 ergibt.
Der Graph G2 zeigt den Gleichtakt der Schleifen L2a, b. Er hat einen ersten Pol 4, der sich aus dem ersten Widerstand R9 und dem ersten Kondensator C1 des ersten und des zweiten Transimpedanzelements Z1, Z2 ergibt. Er hat außerdem eine Nullstelle 5, die sich aus dem ersten Widerstand R9, dem zweiten Widerstand R10 und dem ersten Kondensator C1 des ersten und des zweiten Transimpedanzelements Z1, Z2 ergibt. Außerdem hat er einen zweiten Pol 6, der sich aus dem ersten Widerstand R9, dem zweiten Widerstand R10 und dem zweiten Kondensator C2 des ersten und des zweiten Transimpedanzelements Z1, Z2 ergibt.
Bei all dem wird die Gleichtaktschleife vollständig durch interne Pole und Nullstellen stabilisiert, so dass keine externe Kompensation erforderlich ist.
3 zeigt beispielhafte Diagramme für die Ausführungsform von 1. Dargestellt ist jeweils die Gegentaktschleifenverstärkung der Schleifen L2a, b in Abhängigkeit von der Frequenz f. Im oberen Teil ist eine erste Alternative in Form des Graphen G4 dargestellt. Das Diagramm G4 hat einen ersten Abfall 7, der sich aus dem Ausgangspol ergibt, der durch den Lastkondensator Cload und einen Ersatzwiderstand der Verstärkeranordnung von 1 gebildet wird. Ein Pol 8 ergibt sich aus dem ersten Widerstand R1 und dem ersten Kondensator C9. Eine Nullstelle 9 ergibt sich aus dem zweiten Widerstand R10, dem ersten Widerstand R9 und dem ersten Kondensator C1, wie in 3 dargestellt. Auf diese Weise wird die Stabilität der Verstärkeranordnung unabhängig von der Lastregelung.
Im unteren Teil von 3 ist der Graph G5 dargestellt, der eine alternative Gegentaktschleifenverstärkung der Schleifen L2a, b in Abhängigkeit von der Frequenz f zeigt. Der erste Abfall 7 ergibt sich aus dem Ausgangspol, der durch den Lastkondensator Cload und den Ersatzwiderstand der Anordnung von 1 gebildet wird.
Es wird deutlich, dass die Offenbarung nicht auf die offengelegten Ausführungsformen und auf das, was hier besonders gezeigt und beschrieben wurde, beschränkt ist. Vielmehr können Merkmale, die in einzelnen abhängigen Ansprüchen oder in der Beschreibung aufgeführt sind, vorteilhaft kombiniert werden. Darüber hinaus schließt der Umfang der Offenbarung jene Variationen und Modifikationen ein, die für den Fachmann offensichtlich sind. Der Begriff „umfassend“, soweit er in den Ansprüchen oder in der Beschreibung verwendet wurde, schließt andere Elemente oder Schritte eines entsprechenden Merkmals oder Verfahrens nicht aus. Falls die Begriffe „ein“ oder „eine“ in Verbindung mit Merkmalen verwendet wurden, schließen sie eine Vielzahl solcher Merkmale nicht aus. Darüber hinaus sind alle Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als Einschränkung des Schutzbereichs zu verstehen.
Bezugszeichenliste

1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9: Pol bzw. Nullstelle
10, 11: Eingang
20, 21: Ausgang
13, 14: Knoten
VIP, VIN, VREFP, VREFN: Signal
VCI, VCO, VD, VDREF: Signal
L1, L2a, L2b: Schleife
A, A1, A2, A3, A4: Verstärker
Z1, Z2: Transimpedanzelement
R1, R2, R3, R4, R5, R7, R8,: Widerstand
R9, R10, R11: Widerstand
C1, C2, C3, C4, Cload: Kondensator
A11, A12, A31, A32, A21, A22: Anschluss
A13, A14, A15, A22, A24, AA33: Anschluss
A41, A42, A43, A44: Anschluss
F1, F2: Filter
G1, G2, G3, G4, G5: Graph
50: ADC
100: Bezugspotentialanschluss

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 1020201339909 [0002]

Claims

Differenzverstärkeranordnung aufweisend einen ersten Eingang (10), der zum Empfangen eines ersten Eingangssignals (VIP) konfiguriert ist, einen zweiten Eingang (11), der zum Empfangen eines zweiten Eingangssignals (VIN) konfiguriert ist, einen ersten Ausgang (20), der zum Bereitstellen eines ersten Ausgangssignals (VREFP) konfiguriert ist, einen zweiten Ausgang (21), der zum Bereitstellen eines zweiten Ausgangssignals (VREFN) konfiguriert ist, eine Gleichtaktschleife (L1), die so ausgestaltet ist, dass sie einen Ausgangsgleichtakt der Differenzverstärkeranordnung in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen einem Gleichtaktreferenzsignal (VCI) und einem Mittelwert (VCO) des ersten und des zweiten Ausgangssignals (VREFP, VREFN) regelt, und eine Gegentaktschleife (L2a, L2b), die konfiguriert ist, einen Ausgangsgegentakt der Differenzverstärkeranordnung in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen einer Differenz (VDREF) zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangssignal (VIP, VIN) und einer Differenz (VD) zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangssignal (VREFP, VREFN) zu regeln, wobei die Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangssignal (VREFP, VREFN) im Wesentlichen konstant ist.
Differenzverstärkeranordnung nach Anspruch 1, wobei die Gleichtaktschleife (L1) ferner so ausgestaltet ist, dass sie mindestens einen Niederfrequenzpol implementiert, durch den die Gleichtaktschleife (L1) verlangsamt wird.
Die Differenzverstärkeranordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Einheitsverstärkungsfrequenz der Gleichtaktschleife (L1) höher ist als eine Einheitsverstärkungsfrequenz der Gegentaktschleife (L2a, L2b) .
Differenzverstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Gesamt-Gleichtaktschleife der Anordnung so konfiguriert ist, dass sie mindestens zwei Sätze von Polen und Nullstellen implementiert, durch die eine Verstärkung der Gesamt-Gleichtaktschleife einen Nulldurchgang von 20 Dezibel pro Dekade aufweist.
Differenzverstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Differenzverstärkeranordnung mindestens eine erste und eine zweite Verstärkerstufe umfasst, wobei die erste Verstärkungsstufe einen ersten Differenzverstärker (A1) mit einem ersten Paar von Differenzeingangsanschlüssen (A11, A12), einem ersten Paar von Differenzausgangsanschlüssen (A14, A15) und einem Steueranschluss (A13) umfasst, wobei das erste Paar von Differenzeingangsanschlüssen (A11, A12) mit dem ersten und dem zweiten Eingang (10, 11) verbunden ist, und wobei die zweite Verstärkungsstufe einen zweiten Differenzverstärker (A2) mit einem zweiten Paar von Differenzeingangsanschlüssen (A21, A22) und einem zweiten Paar von Differenzausgangsanschlüssen (A23, A24) umfasst, wobei das zweite Paar von Differenzeingangsanschlüssen (A21, A22) mit dem ersten Paar von Differenzausgangsanschlüssen (A14, A15) des ersten Verstärkers (A1) verbunden ist und das zweite Paar von Differenzausgangsanschlüssen mit dem ersten und dem zweiten Ausgang (20, 21) verbunden ist.
Differenzverstärkeranordnung nach Anspruch 5, wobei die Gleichtaktschleife (L1) mindestens die erste und die zweite Verstärkerstufe, einen Gleichtaktrückkopplungsverstärker (A3) und ein Filterelement (R11, C3) umfasst, wobei der Gleichtakt-Rückkopplungsverstärker (A3) einen ersten und einen zweiten Rückkopplungseingangsanschluss (A31, A32) und einen Rückkopplungsausgangsanschluss (A33) aufweist, wobei der erste Rückkopplungseingangsanschluss (A31) so konfiguriert ist, dass er das Gleichtaktreferenzsignal (VCI) empfängt, und der Rückkopplungsausgangsanschluss (A33) mit dem Steueranschluss (A13) des ersten Differenzverstärkers (A1) verbunden ist, wobei das Filterelement (R11, C3) einen Filterkondensator (C3) und einen Filterwiderstand (R11) umfasst, wobei der Filterkondensator (C3) mit dem zweiten Rückkopplungseingangsanschluss (A32) und mit einem Bezugspotentialanschluss (100) verbunden ist und wobei der Filterwiderstand (R11) mit einem Anschluss mit dem zweiten Rückkopplungseingangsanschluss (A32) verbunden ist, wobei ein anderer Anschluss des Filterwiderstands (R11) so gestaltet ist, dass er den Mittelwert des ersten und des zweiten Ausgangssignals (VREFP, VREFN) empfängt.
Differenzverstärkeranordnung nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Gegentaktschleife (L2a, L2b) mindestens die erste und die zweite Verstärkerstufe, ein erstes und ein zweites Transimpedanzelement (Z1, Z2) umfasst, wobei das erste Transimpedanzelement (Z1) in einer Rückkopplungsschleife zwischen einem ersten Anschluss (A21) des zweiten Paares von Differenzeingangsanschlüssen (A21, A22) und einem ersten Anschluss (A23) des zweiten Paares von Differenzausgangsanschlüssen (A23, A24) des zweiten Differenzverstärkers (A2) angeschlossen ist, wodurch ein erster Zweig (L2a) der Gegentaktschleife (L2a, L2b) gebildet ist, und wobei das zweite Transimpedanzelement (Z2) in einer Rückkopplungsschleife zwischen einem zweiten Anschluss (A22) des zweiten Paares von Differenzeingangsanschlüssen (A21, A22) und einem zweiten Anschluss (A24) des zweiten Paares von Differenzausgangsanschlüssen (A23, A24) des zweiten Differenzverstärkers (A2) angeschlossen ist, wodurch ein zweiter Zweig (L2b) der Gegentaktschleife (L2a, L2b) gebildet ist.
Differenzverstärkeranordnung nach Anspruch 7, wobei jedes der ersten und zweiten Transimpedanzelemente (Z1, Z2) einen ersten und einen zweiten Widerstand (R9, R10) und einen ersten und einen zweiten Kondensator (C1, C2) umfasst, wobei der erste Widerstand (R9) und der erste Kondensator (C1) parallel geschaltet sind und eine Parallelschaltung bilden, der zweite Widerstand (R10) in Reihe zu der Parallelschaltung geschaltet ist und dadurch eine Reihenschaltung bildet, und der zweite Kondensator (C2) parallel zu der Reihenschaltung geschaltet ist.
Differenzverstärkeranordnung nach Anspruch 8, wobei eine Kapazität des ersten Kondensators (C1) größer als eine Kapazität des zweiten Kondensators (C2) dimensioniert ist.
Differenzverstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Gleichtakt-Referenzsignal (VCI) durch einen Mittelwert aus dem ersten und dem zweiten Eingangssignal (VIP, VIN) dargestellt ist.
Differenzverstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der erste Ausgang (20) der Differenzverstärkeranordnung zum Verbinden mit einem ersten Anschluss eines anschließbaren Lastkondensators (Cload) konfiguriert ist, und der zweite Ausgang (21) der Differenzverstärkeranordnung zum Verbinden mit einem zweiten Anschluss des anschließbaren Lastkondensators (Cload) konfiguriert ist, und wobei der anschließbare Lastkondensator (Cload) eine Kapazität im Mikrofarad-Bereich aufweist.
Konverteranordnung aufweisend die Differenzverstärkeranordnung nach Anspruch 10, den Lastkondensator (Cload), der zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgang (20, 21) der Differenzverstärkeranordnung angeschlossen ist, und einen Analog-Digital-Wandler (50), der zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgang (20, 21) der Differenzverstärkeranordnung angeschlossen ist.