DE19527384A1 - Schaltungsanordnung zur Analogsignalverarbeitung - Google Patents
Schaltungsanordnung zur AnalogsignalverarbeitungInfo
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- H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
- H03F3/45—Differential amplifiers
- H03F3/45071—Differential amplifiers with semiconductor devices only
- H03F3/45076—Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier
- H03F3/45475—Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier using IC blocks as the active amplifying circuit
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Signalver
arbeitung, wobei eine das Signal repräsentierende Signalspan
nung einen auf ein Bezugspotential bezogenen positiven und
negativen, jeweils gleich großen Wertebereich einnehmen kann,
mit einem eingangsseitigen Operationsverstärker, dessen Aus
gang auf den invertierenden Eingang rückgekoppelt ist und
dessen nichtinvertierender Eingang den Eingang für die Signal
spannung darstellt, wobei ein zwischen dem invertierenden und
dem nichtinvertierenden Eingang liegender Differenzverstärker
durch Feldeffekttransistoren gebildet wird, und mit einer
Schaltungsanordnung zur Versorgung des Operationsverstärkers
mit einer Betriebsspannung.
Analogsignale stellen in der Regel bipolare Spannungen be
züglich eines Bezugspotentiales dar. Innerhalb eines Schal
tungssystemes wird gewöhnlich als Bezugspotential das Massepo
tential (0 Volt) gewählt, wobei die Versorgungsspannung des
Systems gewöhnlich als symmetrische Versorgung mit einer posi
tiven und einer negativen Betriebsspannung ausgeführt ist. Die
Spannungen dieser Analogsignale nehmen somit einen Wert ein,
der in einem bezogen auf das Bezugspotential positiven oder
einem gleich großen negativen Wertebereich liegen kann.
Um derartige Spannungen in anderen Systemen, insbesondere in
Meßsystemen, verarbeiten zu können, werden in diesen Schal
tungssystemen in der Regel ebenfalls zwei Betriebsspannungen,
nämlich eine positive und eine negative Betriebsspannung vor
gesehen. Die Bereitstellung dieser zwei Versorgungsspannungen
stellt einen zusätzlichen Aufwand dar, da diese beide zu sta
bilisieren und zu sieben sind. Im Falle der Erzeugung der
zweiten Betriebsspannung mittels eines Bootstrap-Generators
kann außerdem zusätzliche Störungen verursachen.
Eine Möglichkeit zur Vermeidung einer zweiten Betriebsspannung
besteht darin, die Bezugsspannung der Eingangsspannung so zu
erhöhen, daß keine unterhalb des Massepotentials liegenden
Eingangsspannungen mehr auftreten. Hierbei wäre es grundsätz
lich möglich, am Eingang ein intern erzeugtes Bezugspotential
bereitzustellen, auf das das Analogsignal kapazitiv eingekop
pelt wird. Allerdings ist eine derartige Lösung für den
Gleichspannungsfall oder für eine niederfrequente Anwendung
nicht einsetzbar und stellt somit in den meisten Fällen keine
Lösung des Problems dar.
Eine andere Möglichkeit bestünde darin, eine floatende Gleich
spannungsquelle in den Eingangszweig der Schaltungsanordnung
zu schalten. Würde hierfür beispielsweise ein Batterie Verwen
dung finden, so wären die Baugröße und die fehlende Langzeit
stabilität dieser Spannungsquelle erheblich nachteilige Fakto
ren.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Schal
tungsanordnung anzugeben, die unter Gewährleistung eines hoch
ohmigen und breitbandigen Einganges für die Signalspannung nur
eine auf das Bezugspotential bezogene Betriebsspannung ohne
eine zusätzliche Hilfsspannung benötigt.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der
Feldeffekttransistor an dem nichtinvertierenden Eingang des
Operationsverstärkers eine niedrigere Schwellspannung auf
weist, als der Feldeffekttransistor an dem invertierenden
Eingang. Dabei ist der Betrag der Differenz der Schwellspan
nungen mindestens gleich dem Betrag des Wertebereiches der
Signalspannung.
Mit der Differenz dieser Schwellspannungen wird an dem Opera
tionsverstärker eine Eingangsoffsetspannung simuliert, mit der
die Signalspannung um den Betrag der Eingangsoffsetspannung
angehoben wird. Durch die Wahl des Betrages der Differenz der
Schwellspannungen wird gewährleistet, daß der Betrag dieser
Offsetspannung so groß ist, daß die Signalspannungen in einem
von dem Verstärkereingang bearbeitbaren Wertevorrat, daß heißt
über dem Bezugspotential liegen.
In einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist
vorgesehen, daß der Operationsverstärker dadurch als Elektro
meterverstärker geschaltet ist, daß sein Ausgang direkt auf
seinen invertierenden Eingang rückgekoppelt ist.
Mit dieser Schaltung wird eine künstlich Eingangsoffsetspan
nung erzeugt, welche sich aus der Differenz der Schwellspan
nungen der beiden MOSFETs ergibt.
Besonders zweckmäßig ist es, den mit dem nichtinvertierenden
Eingang verbundenen Feldeffekttransistor als Depletion-MOSFET
und den mit dem invertierenden Eingang verbundenen Feldeffekt
transistor als Enhancement-MOSFET auszubilden.
Im Falle der Verwendung von n-Kanal-MOSFETs entsteht sodann
eine Offsetspannung von
Uoffset = UtD - UtE,
wobei UtD die Schwellspannung des Depletion-Transistors und UtE
die Schwellspannung des Enhancement-Transistors ist.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbei
spieles näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt
ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Eingangsstufe
eines CMOS-Einchip-Sampling-Oszilloskops.
Diese Eingangsstufe weist einen als Elektrometerverstärker
geschalteten Operationsverstärker 1 auf. Zur Realisierung der
Elektrometerverstärkerfunktion ist der Ausgang des Operations
verstärkers 1 mit dem nichtinvertierenden Eingang direkt rück
gekoppelt. Der Eingang des Operationsverstärkers 1 ist als
Eingangsdifferenzverstärker mit zwei layout-identischen
n-Kanal-MOSFETs 2 und 3 versehen.
Der n-Kanal-MOSFET 2 an dem nichtinvertierenden Eingang des
Operationsverstärkers 1 ist als Depletion-MOSFET ausgeführt,
für den in einem Standard-CMOS-Prozeß eine Schwellspannung von
ca. - 1,8 V eingestellt wurde. Der n-Kanal-MOSFET 3 an dem
invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 1 ist als
Enhancement-MOSFET mit einer Schwellspannung von + 0,7 V aus
geführt. Der Betrag der Differenz der beiden Schwellspannung
beträgt somit 2,5 V.
Der Operationsverstärker 1 wird mit einer Betriebsspannung
VDD = 5 V betrieben, die sich auf ein Massepotential von 0 V
bezieht. Bei einer Signalspannung von 0 V am Eingang des Ope
rationsverstärkers 1 liegt damit am Ausgang des Operationsver
stärkers 1 eine Spannung von 2,5 V. Diese Ausgangsspannung
entspricht damit einer künstlichen Offsetspannung von 2,5 V.
Das Bezugspotential der Signalspannung wird gleich dem Masse
potential, daß heißt mit 0 V gewählt. Mit der eingestellten
Eingangsoffsetspannung wird es bei einer entsprechenden Dimen
sionierung der Arbeitspunkte des Eingangsdifferenzverstärker
ohne Verletzung der linearen Arbeitsbereiche möglich, eine
Aussteuerung der Signalspannung in dem Wertebereich von ± 1 V
um die Bezugsspannung von 0 V zuzulassen. Diese auf Null bezo
gene bipolare Signalspannung wird mit einer Verstärkung von 1
durch den als Elektrometer geschalteten Operationsverstärker
1 in den Bereich von 1,5 V bis 3,5 V umgesetzt und einem
Flash-A/D-Wandler 4 zugeführt.
Der sogenannte Body-Effekt, der die Schwellspannung von MOS-
Transistoren verändert, ist bei beiden n-Kanal-MOSFETs 2 und 3
identisch, da diese in Folge der Ein-Chip-Variante auf dem
gleichen Substrat realisiert sind. Somit fällt dieser Body-
Effekt bei der Differenzbildung der Schwellspannungen nicht
ins Gewicht.
Um weitere technologisch bedingte Streuungen der künstlichen
Offsetspannung aufzufangen, wird in dem gezeigten Beispiel ein
zweiter identischer Spannungsfolger 5 eingesetzt, dessen Ein
gang auf Null liegt. Demzufolge stellt dessen Ausgang die
interne Bezugsspannung von 2,5 V bereit, die mit dem gleichen
Fehler behaftet ist, wie die Ausgangsspannung des Operations
verstärkers 1. Bezogen auf diese Spannung werden dann die
Referenzspannungen des A/D-Wandlers Ubottom und Utop bereitge
stellt. Damit wird eine nullsymmetrische Signalspannung tech
nologiabhängig immer in die Mitte des Eingangsspannungsberei
ches des A/D-Wandlers 4 projiziert.
Durch diese Schaltungsanordnung kann das CMOS-Einchip-
Sampling-Oszilloskop mit einer erheblichen Verringerung des
Schaltungsaufwandes realisiert werden, da die Bereitstellung
einer zweiten Betriebsspannung vermieden wird, die Genauigkeit
der Messung jedoch gewährleistet bleibt.
Bezugszeichenliste
1 Operationsverstärker
2 n-Kanal-MOSFET (Depletion-MOSFET)
3 n-Kanal-MOSFET (Enhancement-MOSFET)
4 Flash-A/D-Wandler
5 Spannungsfolger
VDD Betriebsspannung
Ubottom Referenzspannung des A/D-Wandlers
Utop Referenzspannung des A/D-Wandlers
2 n-Kanal-MOSFET (Depletion-MOSFET)
3 n-Kanal-MOSFET (Enhancement-MOSFET)
4 Flash-A/D-Wandler
5 Spannungsfolger
VDD Betriebsspannung
Ubottom Referenzspannung des A/D-Wandlers
Utop Referenzspannung des A/D-Wandlers
Claims (3)
1. Schaltungsanordnung zur Analogsignalverarbeitung, wobei
eine das Analogsignal repräsentierende Signalspannung
einen auf ein Bezugspotential bezogenen positiven und
negativen, jeweils gleich großen Wertbereich einnehmen
kann, mit einem eingangsseitigen Operationsverstärker,
dessen Ausgang auf den invertierenden Eingang rückgekop
pelt ist und dessen nichtinvertierender Eingang den Ein
gang für die Signalspannung darstellt, wobei ein zwischen
dem invertierenden und dem nichtinvertierenden Eingang
liegender Differenzverstärker durch Feldeffekttransistoren
gebildet wird, und mit einer Schaltungsanordnung zur Ver
sorgung des Operationsverstärkers mit einer Betriebsspan
nung, dadurch gekennzeichnet, daß der
Feldeffekttransistor (2) an dem nichtinvertierenden Ein
gang des Operationsverstärkers (1) eine niedrigere
Schwellspannung (UtD) aufweist, als der Feldeffekttransi
stor (3) an dem invertierenden Eingang und daß der Betrag
der Differenz der Schwellspannungen (UtD - UtE) mindestens
gleich dem Betrag des Wertebereiches der Signalspannung
ist.
2. Schaltungsanordnung zur Analogsignalverarbeitung nach
Anspruch I, dadurch gekennzeichnet,
daß der Operationsverstärker (1) dadurch als Elektrometer
verstärker geschaltet ist, daß sein Ausgang direkt auf
seinen invertierenden Eingang rückgekoppelt ist.
3. Schaltungsanordnung zur Analogsignalverarbeitung nach
Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß der mit dem nichtinvertierenden Eingang verbun
dene Feldeffekttransistor (2) als Depletion-MOSFET und der
mit dem invertierenden Eingang verbundene Feldeffektransi
stor (3) als Enhancement-MOSFET ausgebildet ist.
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Owner name: ZENTRUM MIKROELEKTRONIK DRESDEN AG, 01109 DRESDEN, |
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