DE19609621C1 - Offset compensation for interval driven cascaded difference amplifiers - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltung und ein Verfahren zur Offsetkompensation eines intervallweise betriebenen Diffe renzverstärkers mit einem ersten und zweiten Differenzeingang und einem Signalausgang.The invention relates to a circuit and a method for Offset compensation of a diffeed operated at intervals limit amplifier with a first and second differential input and a signal output.
Signalverstärker bestehen zumeist aus Transistorenschaltun gen, bei denen die Transistoren durch das steuernde Signal um einen Arbeitspunkt betrieben wird. Dieser liegt bei Bipolar transistoren im Betriebsbereich. Der eingestellte Arbeits punkt muß dabei trotz Temperaturänderungen, Exemplarstreuun gen, Langzeitänderungen des Materials und Speisespannungs änderungen konstant bleiben. Wenn der Verstärker nicht auf den Arbeitspunkt angepaßt ist, treten auch bei einer fehlen den Eingangsspannung unerwünschte Änderungen des Verstärker ausgangssignals auf. Dies wird Offset genannt. Insbesondere bei Kaskadenstufenverstärkern, einer Reihenschaltung von einzelnen Verstärkerstufen zur Erzielung einer hohe Verstär kung, potenzieren sich die Offsetfehler. Vor allem aufgrund der hohen Verstärkungen bewirken dann schon kleine Aus steuerungen eine extreme Übersteuerung des Ausgangs. Daher ist eine Offsetkompensation erforderlich, die dadurch erreicht wird, daß an den Eingang eine entsprechende Gegen spannung, die Offsetspannung genannt wird, angelegt wird. Bei Kaskadenstufenverstärkern sollte der Offsetfehler vor allem in den ersten Stufen möglichst gut ausgeglichen werden, um den Arbeitspunkt des Verstärkers optimal zu stabilisieren. Hierzu muß der Kollektorruhestrom konstant gehalten werden. In mehrstufigen Verstärkern kann zusätzlich eine Gleichspan nungsgegenkopplung über mehrere Stufen realisiert werden, um den Arbeitspunkt der Verstärkerstufen zu stabilisieren.Signal amplifiers mostly consist of transistor circuits gene, in which the transistors by the controlling signal an operating point is operated. This is with Bipolar transistors in the operating range. The set work In spite of temperature changes, the point must be scattered conditions, long-term changes in the material and supply voltage changes remain constant. If the amplifier is not on the working point is adjusted, occur even with one missing the input voltage undesirable changes in the amplifier output signal on. This is called offset. Especially with cascade stage amplifiers, a series connection of individual amplifier stages to achieve a high gain kung, the offset errors increase. Mostly because the high reinforcements then cause small out controls an extreme overload of the output. Therefore offset compensation is required is achieved that at the entrance a corresponding counter voltage called offset voltage is applied. At Above all, the offset error should amplify cascade stages be balanced as well as possible in the first stages to optimally stabilize the operating point of the amplifier. For this, the collector quiescent current must be kept constant. In multi-stage amplifiers, a DC chip can also be used negative feedback can be realized over several stages in order to to stabilize the operating point of the amplifier stages.
Zur Arbeitspunktstabilisierung haben sich bei einer einzelnen Verstärkerstufe die im folgenden erläuterten Methoden be währt:To stabilize the working point have a single Amplifier stage be the methods explained below lasts:
- a) Einspeisen eines konstanten Emitterstroms mit einer Konstantstromquelle;a) feeding a constant emitter current with a Constant current source;
- b) Das Differenzverstärkerprinzip;b) The differential amplifier principle;
- c) Gegenkopplung innerhalb einer oder/und mehrerer Stufen;c) negative feedback within one or / and several stages;
- d) Nichtlineare Temperaturkompensationsschaltungen mit Dioden, Transistoren, temperaturabhängigen Widerständen u. a.d) Nonlinear temperature compensation circuits with Diodes, transistors, temperature dependent resistors u. a.
In integrierten Schaltungen wird die Stabilisierung des Kollektorstroms häufig mit Konstantstromquellen bewirkt. Es werden sogenannte Stromspiegelschaltungen eingesetzt, die aus zwei gleichartigen Transistoren bestehen, deren Basisan schlüsse zusammengeschaltet und mit dem Kollektor des ersten Transistors verbunden sind. Der Kollektorstrom Ic2 des zwei ten Transistors wird durch den Kollektorstrom Ic1 des ersten Transistors konstant gehalten. Durch einen Gegenkopplungs widerstand am Emitter des zweiten Transistors ist der Konstantstrom Ic2 erheblich kleiner, als Ic1. Der Widerstand muß dabei, im Gegensatz zu einem Kollektorwiderstand am ersten Transistor nicht hochohmig sein. Derartige Schaltungen benötigen wenig Chipfläche und sind gut herstellbar.In integrated circuits, the stabilization of the collector current is often brought about with constant current sources. So-called current mirror circuits are used, which consist of two transistors of the same type, the basis connections of which are connected together and connected to the collector of the first transistor. The collector current I c2 of the second transistor is kept constant by the collector current I c1 of the first transistor. Through a negative feedback resistor at the emitter of the second transistor, the constant current I c2 is considerably smaller than I c1 . In contrast to a collector resistor on the first transistor, the resistance does not have to be high-resistance. Such circuits require little chip area and are easy to manufacture.
Differenzverstärker sind linear verstärkende Gleichspannungs verstärker, deren Ausgangsspannung der Differenz der beiden Eingangsspannungen proportional ist. Die Grundschaltung eines Differenzverstärkers besteht aus zwei Transistoren, deren Emitteranschlüsse zusammengeschaltet sind. Eine Gleichstrom quelle am Emitter sorgt für einen konstanten Strom der Summe der Emitterströme IE1 + IE2. Die Kollektoren werden über Lastwiderstände an eine Gleichspannungsquelle gelegt. Die zwischen beiden Basisanschlüssen liegende Spannungsdifferenz wird verstärkt und kann an den Lastwiderständen abgenommen werden. Die Differenzspannung erzeugt dabei gegenläufige Wirkungen an den Lastwiderständen. Bei gleichen Eingangsspan nungen UB1 und UB2 ergeben sich gleiche Ausgangsspannungen Uc1 = Uc2 = U₀ - Rc I₀ / 2. Die Spannungsverstärkung ist dann um gekehrt proportional zu der Differenz der Eingangsspannungen.Differential amplifiers are linear amplifying direct voltage amplifiers, the output voltage of which is proportional to the difference between the two input voltages. The basic circuit of a differential amplifier consists of two transistors, whose emitter connections are connected together. A direct current source at the emitter ensures a constant current of the sum of the emitter currents I E1 + I E2 . The collectors are connected to a DC voltage source via load resistors. The voltage difference between the two base connections is amplified and can be taken from the load resistors. The differential voltage creates opposing effects on the load resistors. With the same input voltages U B1 and U B2 , the same output voltages U c1 = U c2 = U₀ - R c I₀ / 2 result. The voltage gain is then inversely proportional to the difference in the input voltages.
Differenzverstärker werden zumeist für integrierte Schaltun gen eingesetzt, da durch seinen symmetrischen Aufbau eine gute Ausgewogenheit der Komponenten erzielt werden kann. Dabei werden vor allem Transistoren, Dioden und Widerstände und nur sehr selten Kondensatoren benötigt. Da die Spannungs verstärkung von dem Verhältnis der Widerstände und nicht von ihrer ohmschen Größe abhängt, müssen hohe Widerstände sehr selten verwendet werden. Die Verlustleistung von Differenz verstärkern ist dadurch relativ gering. Weitere Vorteile eines Differenzverstärkers sind die gute Trennung zwischen Eingangs- und Ausgangskreis, eine geringe Temperaturabhängig keit und eine hohe Bandbreite.Differential amplifiers are mostly used for integrated circuits gene used because of its symmetrical structure good balance of the components can be achieved. In particular, transistors, diodes and resistors and very rarely needed capacitors. Because the tension reinforcement of the ratio of resistances and not of depends on their ohmic size, high resistances must be very rarely used. The power loss of difference amplify is relatively low. Other advantages a differential amplifier are the good separation between Input and output circuit, a low temperature dependent speed and a wide range.
Das Prinzip der Gegenkopplung ist für die Verstärkertechnik von sehr großer Bedeutung. Durch Rückführung eines definier ten Anteils des Ausgangssignals zum Eingang wird das Ein gangssignal derart überlagert, daß die Abweichungen des Ver stärkers vom idealen Verhalten weitgehend kompensiert. Wenn das rückgeführte Signal das Eingangssignal schwächt, spricht man von Gegenkopplung, wenn das Eingangssignal verstärkt wird, von Mitkopplung.The principle of negative feedback is for amplifier technology of great importance. By returning a defin th portion of the output signal to the input becomes the on overlay signal such that the deviations of Ver largely compensated for by ideal behavior. If the returned signal weakens the input signal, speaks one of negative feedback when the input signal is amplified of positive feedback.
Mit der Gegenkopplung kann der Verstärker stabilisiert und eingestellt, die Ein- und Ausgangsimpedanz verändert, der Frequenzgang und die Bandbreite verbessert und der Aussteuer bereich vergrößert werden. Nachteilig ist jedoch, daß der Verstärkungsfaktor verringert wird. Außerdem kann, vor allem bei hochverstärkenden Verstärkern, eine dynamische Instabili tät auftreten. Die dynamische Stabilität hängt dabei allein vom Frequenzgang der Schleifenverstärkung, dem Produkt aus Übertragungsfunktion des Vorwärts- und Rückwärtsgliedes des Verstärkerkreises, ab. With the negative feedback, the amplifier can be stabilized and set, the input and output impedance changed, the Frequency response and bandwidth improved and the ditch area can be enlarged. The disadvantage, however, is that the Gain is reduced. Besides, above all with high-gain amplifiers, a dynamic instability occur. The dynamic stability depends on it alone from the frequency response of the loop gain, the product Transfer function of the forward and reverse link of the Amplifier circuit, from.
Temperaturschwankungen der Transistoren und Instabilitäten durch Alterung der Bauteile können mittels nichtlinearer Schaltungen z. B. unter Verwendung von Dioden, Transistoren, temperaturabhängigen Widerständen oder Sensoren kompensiert werden. Diese Schaltungen sind jedoch nicht dazu geeignet, den Arbeitspunkt einzustellen und eine Übersteuerung zu ver hindern. Hierzu muß auf die Stabilisierungsverfahren nach a) bis c) zurückgegriffen werden.Temperature fluctuations of the transistors and instabilities due to aging of the components can be done using nonlinear Circuits z. B. using diodes, transistors, temperature-dependent resistors or sensors compensated will. However, these circuits are not suitable set the operating point and ver oversteer prevent. For this purpose, the stabilization procedure according to a) to c) are used.
Zur Erzielung einer hohen Verstärkung wird in der Regel eine Verstärkerschaltung verwendet, bei der die Kompensationsver fahren nach a) bis c) miteinander kombiniert werden. Die Bandbreite des Verstärkers wird jedoch durch herkömmliche Kompensationsschaltungen begrenzt. Außerdem ist die Kompensa tion bei Verstärkern mit einstellbarem Verstärkungsfaktor sehr problematisch, da die Kompensationsschaltung bei jeder Änderung des Verstärkungsfaktors neu justiert werden muß.To achieve a high gain, one is usually used Amplifier circuit used in which the compensation ver drive according to a) to c) can be combined. The Bandwidth of the amplifier is however conventional Compensation circuits limited. In addition, the Kompensa tion for amplifiers with adjustable amplification factor very problematic because the compensation circuit with everyone Change in the gain factor must be readjusted.
In BiCMOS Technology and Applications, Chapter 8, "Analog Design" von H.S. Lee, Kluwer Academic Publishers, Boston, Dordrecht, London, 1990, werden auf den Seiten 301 ff. Grund schaltungen für Operationsverstärker und deren Kompensation beschrieben. Insbesondere wird auf den Seiten 302 bis 304 ein Kaskadenstufendifferenzverstärker in "Folded-Cascode"-Struk tur vorgestellt. Die Frequenzkompensation wird hierbei durch eine feste Ladekapazität der Schaltung erreicht. Ein im Schaltungseingang befindliches Transistorpaar wirkt als Differenzverstärker. Über einen BIAS-Transistor wird der gemeinsame Drainanschluß mit einstellbarem konstantem Strom versorgt. Die Sources der Differenzverstärkerstufe sind jeweils an miteinander verbundene Drain- und Sources zweier kaskadierter BIAS-Transistorpaare geschaltet. Aufgrund des einfach zu realisierenden Aufbaus und der gut steuerbaren Stabilisierung der "Folded-Cascode-Structur" wird diese Grundschaltung auch in den Schaltungen verwendet, die in den weiteren Artikeln beschrieben sind. In BiCMOS Technology and Applications, Chapter 8, "Analog Design "by H.S. Lee, Kluwer Academic Publishers, Boston, Dordrecht, London, 1990, on pages 301 ff. Grund circuits for operational amplifiers and their compensation described. In particular, on pages 302 to 304 Cascade level difference amplifier in "folded cascode" structure presented. The frequency compensation is here reached a fixed loading capacity of the circuit. An im Circuit input located transistor pair acts as Differential amplifier. The via a BIAS transistor common drain connection with adjustable constant current provided. The sources of the differential amplifier stage are each with connected drain and sources of two cascaded BIAS transistor pairs switched. Because of the easy to implement and easy to control Stabilization of the "Folded Cascode Structure" will do this Basic circuit also used in the circuits used in the other articles are described.
In IEEE, Journal of Solid-State Circuits, Vol. 28, No. 12, Dezember 1993, S. 1314-1320, wird ein hochverstärkender Kaskadenstufen- Differenzverstärker in MOS-Technik beschrieben. Die Gleichtaktunterdrückung rangiert zwischen 40 bis 100 dB.In IEEE, Journal of Solid-State Circuits, Vol. 28, No. 12, December 1993, pp. 1314-1320, a high-gain cascade step Differential amplifier described in MOS technology. The Common mode rejection ranges from 40 to 100 dB.
Der Verstärker besteht aus einer Kaskade von Verstärkerstufen mit variabel einstellbarem Verstärkungsfaktor. Das kritische Problem der Offsetkompensation wird durch eine kontinuier liche Rückkopplung des Ausgangs der letzten Stufe auf den Eingang der ersten Stufe gelöst. Die beiden vom Signalpfad entkoppelten Ausgangssignale werden dabei über Widerstände zurückgeführt, so daß eine für diese Art der Rückkopplung maximale Bandbreite erzielt wird. Damit der Verstärker ent koppelt werden kann, besteht die erste Stufe aus zwei Diffe renzverstärkern in "Foulded-Cascade-Structure". Das rückge koppelte Signal gelangt, nachdem es über einen Kondensator entkoppelt wurde, in die zweite Verstärkerstufe. Der Ausgang der zweiten Stufe ist an den Ausgang des ersten Differenzver stärkers, an dem gleichzeitig das Ausgangssignal der ersten Stufe anliegt, angeschlossen. Zusätzlich zu der Rückkopplung des gesamten Verstärkers ist jede Kaskadenstufe rückgekop pelt. Die Widerstände am Ausgang der Differenzverstärker werden durch zwei Transistoren implementiert, die über ein BIAS-Netzwerk einstellbar sind. Damit kann eine korrekte Aus gangsgleichspannung erzielt werden.The amplifier consists of a cascade of amplifier stages with variably adjustable gain factor. The critical The problem of offset compensation is caused by a continuous feedback of the output of the last stage to the Entrance to the first stage solved. The two of the signal path decoupled output signals are via resistors returned so that one for this type of feedback maximum bandwidth is achieved. So that the amplifier ent can be coupled, the first stage consists of two differences limit amplifiers in "molded cascade structure". The return coupled signal arrives after it passes through a capacitor was decoupled into the second amplifier stage. The exit the second stage is at the output of the first difference ver amplifier, on which the output signal of the first Stage is present, connected. In addition to the feedback of the entire amplifier, each cascade stage is fed back pelt. The resistors at the output of the differential amplifier are implemented by two transistors that are connected via a BIAS network can be set. This can be a correct off DC voltage can be achieved.
Für die Anwendung, die in diesem Artikel vorgestellt wird, wurde durch die Rückkoppelung von der letzten auf die erste Kaskadenstufe zwar eine maximal erreichbare Bandbreite erzielt. Bei einer hochverstärkenden Ausführung wirkt sich die Rückkopplung jedoch nachteilig aus, da die Dämpfung der Rückkoppelung aufgrund der Verwendung sehr vieler Kaskaden stufen zu groß ist. Auch die Bandbreite ist dann nicht für alle Anwendungen ausreichend.For the application presented in this article was through the feedback from the last to the first Cascade level a maximum achievable bandwidth achieved. In the case of a high-gain version, this has an effect the feedback, however, disadvantageous because the damping of the Feedback due to the use of a large number of cascades steps is too large. The bandwidth is then not for either all applications sufficient.
In "Understanding Wide-band MOS Transistors" von John M. Steininger in Circuit and Devices, Mai 1990, S. 26-31, werden optimierte Differenzverstärker in MOS-Technik beschrieben. In "Understanding Wide-band MOS Transistors" by John M. Steininger in Circuit and Devices, May 1990, pp. 26-31 optimized differential amplifier described in MOS technology.
Die US 4,789,777 zeigt einen zweipoligen Differenzverstärker mit einem einzigen Differenzeingangspaar. Der Verstärkerausgang kann wahlweise direkt an einen Eingang oder ggf. mit einem Vorwiderstand über einen Kondensator bzw. einen Widerstand an beide Eingänge des Differenzverstärkers rückgekoppelt werden. Direkt an den Ausgang des Differenzverstärkers ist ein weiterer Differenzverstärker geschaltet. Dadurch ist der erste Verstärker offsetkompensiert, jedoch nicht eine vollständige Verstärkerkaskade.The US 4,789,777 shows a two-pole differential amplifier with a single differential input pair. The amplifier output can either be directly to an input or possibly with a Series resistor via a capacitor or a resistor both inputs of the differential amplifier are fed back. Another is directly to the output of the differential amplifier Differential amplifier switched. This is the first Amplifier offset compensated, but not a complete one Amplifier cascade.
In der US-PS 5,136,255 ist ein Differenzverstärker mit zwei Differenzeingangspaaren dargestellt, dessen Signalausgang über Kondensatoren auf die Eingangspaare rückkoppelbar ist. Weitere Kondensatoren am Verstärkereingang können in einem Kompensationsintervall, in dem der Verstärker vom Signaleingang getrennt ist, auf eine Offsetspannung VBN bzw. VBP vorgeladen werden. Die Schaltungsanordnung weist keine Elemente zur Anpassung der durch die Offsetkompensation verringerte Bandbreite auf. Außerdem werden durch die Schaltung keine kaskadierten Differenzverstärker offsetkompensiert. US Pat. No. 5,136,255 shows a differential amplifier with two differential input pairs, the signal output of which can be fed back to the input pairs via capacitors. Additional capacitors at the amplifier input can be precharged to an offset voltage V BN or V BP in a compensation interval in which the amplifier is separated from the signal input. The circuit arrangement has no elements for adapting the bandwidth reduced by the offset compensation. In addition, the circuit does not offset-compensate cascaded differential amplifiers.
All diese bekannten Verstärker haben jedoch eine verringerte Bandbreite, wenn sie offsetkompensiert werden.However, all of these known amplifiers have a reduced one Bandwidth if they are offset compensated.
Aufgabe der Erfindung war es, eine Schaltung zur Offsetkom pensation eines intervallweise betriebenen Differenzverstär kers anzugeben. Die Schaltung sollte die Bandbreite des Ver stärkers nicht beeinflussen. Eine Ausführung der Schaltung sollte zur Offsetkompensation eines hochverstärkenden, -aus mehreren Stufen bestehenden Differenzverstärkers geeignet sein. Eine weitere Ausgestaltung sollte während der Betriebs intervalls, in dem der Verstärker ein Eingangssignal ver stärkt, eine einfache Nachregelung der Offsetkompensation ermöglichen, wenn der Verstärkungsfaktors einer Stufe verän dert wird.The object of the invention was to provide a circuit for Offsetkom compensation of a differential amplifier operated at intervals kers. The circuit should cover the bandwidth of the ver do not influence stronger. An execution of the circuit should be used for offset compensation of a high-gain, -off several stages existing differential amplifier suitable be. Another configuration should be during operation intervals in which the amplifier ver an input signal strengthens, a simple readjustment of the offset compensation enable when the gain factor of a stage changes is changed.
Die Aufgabe wird durch die Schaltung nach Anspruch 1 und das Verfahren nach Anspruch 7 gelöst.The object is achieved by the circuit according to claim 1 and that Method according to claim 7 solved.
Ein Kondensator wird in dem Kompensationsintervall, wenn das Eingangssignal nicht von dem Differenzverstärker verstärkt und die Schaltung zur Offsetkompensation vorbereitet wird, auf genau die Spannung geladen, die zur Offsetkompensation bei einem festgelegten Verstärkungsfaktor erforderlich ist. Diese Spannung wird Offsetspannung genannt.A capacitor will be in the compensation interval if that Input signal not amplified by the differential amplifier and the circuit for offset compensation is prepared, charged to exactly the voltage required for offset compensation is required at a fixed gain factor. This voltage is called the offset voltage.
Der Differenzverstärker wird während des Betriebsintervalls, wenn ein Eingangssignal durch den Differenzverstärker ver stärkt wird, mit der Offsetspannung kompensiert, die auf dem Kondensator geladen ist. Dann ist der Schalter geöffnet, so daß keine Rückkoppelung des Ausgangs zu dem Differenzeingang besteht.The differential amplifier is switched on during the operating when an input signal through the differential amplifier ver is compensated with the offset voltage on the Capacitor is charged. Then the switch is open that no feedback from the output to the differential input consists.
Die Offsetkompensation kann vorteilhaft durchgeführt werden, wenn in dem Kompensationsintervall das Eingangssignal einer Verstärkerstufe mit einem Schalter von dem zweiten Differenz eingang getrennt wird. Außerdem ist es angebracht, den ersten Differenzeingang auf ein festgelegtes Spannungspotential (Ruhepotential) zu legen.The offset compensation can advantageously be carried out if the input signal is one in the compensation interval Amplifier stage with a switch from the second difference input is separated. It is also appropriate to be the first Differential input to a fixed voltage potential (Resting potential).
Für die Offsetkompensation eines Kaskadenstufen-Differenzver stärkers werden die Verstärkerstufen über Kondensatoren und Schaltnetzwerke miteinander verbunden. Dadurch ist es möglich, die Kondensatoren in dem Kompensationsintervall mit den Restoffsetspannungen zu laden, die jeweils zu einem ent sprechenden Verstärkungsfaktor passen. In dem Betriebsinter vall wird ein zu einem jeweiligen Verstärkungsfaktor gehöri ger Kondensator jeweils an den ersten Differenzeingang der Verstärkerstufen geschaltet.For the offset compensation of a cascade level difference ver the amplifier stages are strengthened via capacitors and Switching networks connected to each other. That’s it possible to use the capacitors in the compensation interval to load the residual offset voltages, each of which ent speaking gain factor. In the company interior vall becomes a part of a respective gain factor ger capacitor to the first differential input of the Amplifier stages switched.
Die Erfindung ist anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail with reference to the drawings. It demonstrate:
Fig. 1: Schaltung zur Offsetkompensation einer Differenz verstärkerstufe; Fig. 1: Circuit for offset compensation of a differential amplifier stage;
Fig. 2: Offsetkompensierbarer Differenzverstärker; Fig. 2: Offset compensatable differential amplifier;
Fig. 3 Schaltung zur Offsetkompensation eines hochverstär kenden, intervallweise betriebenen Kaskadenstufen- Differenzverstärkers mit drei offsetkompensierbaren Differenzverstärkerstufen; Fig. 3 circuit for offset compensation of a highly amplified, intermittently operated cascade stage differential amplifier with three offset compensatable differential amplifier stages;
Fig. 1 zeigt eine Schaltung zur Offsetkompensation einer Differenzverstärkerstufe mit einem offsetkompensierbaren Differenzverstärker Vi. Die Verstärkerstufe wird intervall weise betrieben. Hierbei sind die zwei Betriebszustände "Kompensationsintervall" und "Betriebsintervall" zu unter scheiden. In dem Kompensationsintervall wird die Schaltung zur Offsetkompensation vorbereitet. Hierzu werden Kondensato ren auf jeweilige Offsetspannungen aufgeladen. In dem Betriebsintervall liegt das Eingangssignal am Verstärker und wird durch den Differenzverstärker verstärkt. Der vorher auf geladene Kondensator hat genau die Offsetgegenspannung, die notwendig ist, um den Offset des Differenzverstärkers zu neu tralisieren. Fig. 1 shows a circuit for offset compensation of a differential amplifier stage having a differential amplifier offsetkompensierbaren V i. The amplifier stage is operated intermittently. The two operating states "compensation interval" and "operating interval" are to be distinguished. The circuit for offset compensation is prepared in the compensation interval. For this purpose, capacitors are charged to the respective offset voltages. In the operating interval, the input signal is at the amplifier and is amplified by the differential amplifier. The previously charged capacitor has exactly the offset counter voltage that is necessary to neutralize the offset of the differential amplifier.
Es wird also zunächst in dem Kompensationsintervall eine lokale Offsetkompensation durchgeführt, indem das Ausgangs signal über die Schalter Si3 und Si4, sowie einen Ladekonden sator Ci auf den zweiten Differenzeingang bzw. Kompensations eingang des Verstärkers rückgekoppelt wird. Das Eingangs signal (IN) wird während der lokalen Offsetkompensation mittels der Schalter Si3 und Si4 von dem Signalpfad des Ver stärkers abgekoppelt. Das Potential des Signaleingangs kann mit einer Gleichspannungsquelle Ui3 verschoben werden, die über die Schalter Si5 und Si6 mit dem Signaleingang des Ver stärkers verbunden ist. Für eine maximale Leerlaufverstärkung ist der Widerstand abschaltbar.A local offset compensation is therefore initially carried out in the compensation interval, in that the output signal is fed back via the switches S i3 and S i4 and a charging capacitor C i to the second differential input or compensation input of the amplifier. The input signal (IN) is decoupled from the signal path of the amplifier during the local offset compensation by means of the switches S i3 and S i4 . The potential of the signal input can be shifted with a DC voltage source U i3 , which is connected to the signal input of the amplifier via switches S i5 and S i6 . The resistor can be switched off for maximum no-load gain.
In Fig. 2 ist ein offsetkompensierbarer Differenzverstärker dargestellt. Das Eingangssignal In2- und In2+ und das rückge koppelte Signal In1- und In1+ werden jeweils auf die Gates eines als Differenzverstärker geschalteten Transistorpaares T₁, T₂ und T₃, T₄ gegeben. Die Sources der Transistoren werden in einen Endverstärker Ve geführt. Die Sourceströme beider Differenzverstärker werden dabei mit einer BIAS-Strom spiegelschaltung, bestehend aus den Transistoren T₅ und T₆, gesteuert. Auch die Drainströme werden mit zwei BIAS-Strom spiegelschaltungen, bestehend aus den Transistoren T₇, T₈ und T₁₀, T₁₁, gesteuert.In FIG. 2, a offsetkompensierbarer differential amplifier is shown. The input signal I n2- and I n2 + and the feedback signal I n1- and In 1+ are each given to the gates of a transistor pair connected as a differential amplifier T₁, T₂ and T₃, T₄. The sources of the transistors are fed into a power amplifier V e . The source currents of both differential amplifiers are controlled with a BIAS current mirror circuit consisting of the transistors T₅ and T₆. The drain currents are controlled with two BIAS current mirror circuits consisting of the transistors T₇, T₈ and T₁₀, T₁₁.
Der Verstärkungsfaktor wird durch einen Widerstand R₁ bzw. R₂ und einen Transisor T₉ bzw. T₁₂, der zwischen die Drain anschlüsse eines als Differenzverstärker wirkenden Tran sistorpaares T₁, T₂ bzw. T₃, T₄ geschaltet ist, über die Gate-Anschlüsse der Transistoren T₉ bzw. T₁₂ und den Eingang VF eingestellt. In Verbindung mit der BIAS-Stromspiegel schaltung, bestehend aus den Transistoren T₇, T₈ und T₁₀, T₁₁, ist es nunmehr möglich, die Offsetkompensation mit der Ver stärkung nachzuführen.The gain factor is a resistor R₁ or R₂ and a transistor T₉ or T₁₂, which is between the drain connections of a train acting as a differential amplifier sistorpaares T₁, T₂ or T₃, T₄ is switched on Gate connections of the transistors T₉ and T₁₂ and the input VF set. In connection with the BIAS current mirror circuit consisting of the transistors T₇, T₈ and T₁₀, T₁₁, it is now possible to use offset compensation with Ver follow up strengthening.
In Fig. 3 ist die erfindungsgemäße Stabilisierungsschaltung für einen hochverstärkenden, intervallweise betriebenen, breitbandigen Kaskadenstufen-Differenzverstärker dargestellt. Der Verstärker besteht hierbei aus drei Stufen. Zusätzlich zu der in Fig. 1 dargestellten Stabilisierungsschaltung weist die letzte Stufe parallel zu den Schaltern S₃₃ und S₃₄ eine Reihe jeweils parallel geschalteter Koppelkondensatoren Cai und Cbi auf. Diese dienen der Kompensation des Restoffsets und können je nach Verstärkungsfaktor mit Hilfe der Schalter S3a1 und S3bi in den Signalpfad gelegt werden.In Fig. 3, the stabilization circuit of the invention for a high-gain, intermittently operated, broadband cascade stage differential amplifier is shown. The amplifier consists of three stages. In addition to the stabilization circuit shown in Fig. 1, the last stage in parallel to the switches S₃₃ and S₃₄ a series of coupling capacitors C ai and C bi each connected in parallel. These serve to compensate for the residual offset and, depending on the amplification factor, can be placed in the signal path using switches S 3a1 and S 3bi .
Die Kompensationsphase besteht aus der lokalen Offsetkompen sation jedes einzelnen Differenzverstärkers und der globalen Offsetkompensation, bei der alle möglichen Verstärkungsfakto ren der Reihe nach eingestellt werden und die entsprechenden Kondensatoren Cai und Cbi auf die jeweilige Offsetspannung aufgeladen werden.The compensation phase consists of the local offset compensation of each individual differential amplifier and the global offset compensation, in which all possible amplification factors are set in order and the corresponding capacitors C ai and C bi are charged to the respective offset voltage.
In der Betriebsphase werden je nach Verstärkungsfaktor ent sprechende Offsetspannungen durch Einkoppeln der jeweiligen Kondensatoren angelegt. Da sich die Kondensatoren mit der Zeit entladen muß die Kompensationsphase von Zeit zu Zeit neu durchgeführt werden.In the operating phase, depending on the gain factor speaking offset voltages by coupling the respective Capacitors. Since the capacitors match the The compensation phase must be discharged from time to time be performed.
Claims (7)
zwei jeweils- als ein Differenzverstärker ausgebildete Transistorpaare (T₁, T₂) bzw. (T₃, T₄), wobei die Source des ersten Transistors (T₁) des ersten Differenzverstärkers und die Source des ersten Transistors (T₃) des zweiten Differenzverstärkers an einen ersten Eingang eines End verstärkers und die Source des zweiten Transistors (T₂) des ersten Differenzverstärkers und die Source des zweiten Transistors (T₄) des zweiten Differenzverstärkers an einen zweiten Eingang eines Endverstärkers geschaltet ist und die Gates des ersten Transistorpaares (T₁, T₂) das erste Diffe renzeingangspaar und die Gates des zweiten Transistorpaares (T₃, T₄) das zweite Differenzeingangspaar bilden;
eine BIAS-Stromspiegelschaltung, die aus zwei Transistoren (T₅ und T₆) gebildet ist, deren Gates zu einem BIAS- Signaleingang zusammengeschaltet und deren Sources an eine Versorgungsspannung gelegt sind und jeweils ein Drain eines Transistors (T₅, T₆) an die Sources der ersten Transistoren (T₁, T₃) des ersten und zweiten Differenzverstärkers ange schlossen ist;
eine zweite BIAS-Stromspiegelschaltung mit vier Transi storen (T₇, T₈, T₁₀, T₁₁), deren Gates zu einem BIAS- Signaleingang zusammengeschaltet und deren Drain an eine Versorgungsspannung gelegt sind und die Sources jeweils eines Transistorpaares (T₇, T₈) und (T₁₀, T₁₁) über jeweils einen Widerstand (R₁ bzw. R₂) miteinander verbunden sind und jeweils eine Source an jeweils einen Drain des Differenzverstärkers angeschlossen ist;
einen ersten Transistor (T₉) mit Drain und Source parallel über den ersten Widerstand (R₁) und einen zweiten Transi stor (T₉) mit Drain und Source parallel über den zweiten Widerstand (R₁) geschaltet ist, wobei die Gates des ersten und zweiten Transistors einen gemeinsamen Eingang für ein Signal bilden, das proportional zu dem Verstärkungsfaktor ist.3. Circuit according to one of the preceding claims, characterized in that the differential amplifier has:
two each formed as a differential amplifier transistor pairs (T₁, T₂) and (T₃, T₄), the source of the first transistor (T₁) of the first differential amplifier and the source of the first transistor (T₃) of the second differential amplifier at a first input of a End amplifier and the source of the second transistor (T₂) of the first differential amplifier and the source of the second transistor (T₄) of the second differential amplifier is connected to a second input of a power amplifier and the gates of the first pair of transistors (T₁, T₂) the first Diff renzeingangspaar and the gates of the second pair of transistors (T₃, T₄) form the second differential input pair;
a BIAS current mirror circuit, which is formed from two transistors (T₅ and T₆), the gates of which are connected to form a BIAS signal input and whose sources are connected to a supply voltage and a drain of a transistor (T₅, T₆) to the sources of the first transistors (T₁, T₃) of the first and second differential amplifiers is connected;
a second BIAS current mirror circuit with four transistors (T₇, T₈, T₁₀, T₁₁), the gates of which are connected to form a BIAS signal input and whose drain is connected to a supply voltage and the sources of a pair of transistors (T₇, T₈) and (T₁₀, T₁₁) are connected to each other via a resistor (R₁ or R₂) and a source is connected to a drain of the differential amplifier;
a first transistor (T₉) with drain and source is connected in parallel across the first resistor (R₁) and a second transistor (T₉) with drain and source is connected in parallel across the second resistor (R₁), the gates of the first and second transistors being one form a common input for a signal that is proportional to the gain factor.
in dem Kompensationsintervall Kondensatoren (Cai, Cbi) auf verschiedene Restoffsetspannungen für festgelegte Verstär kungsfaktoren des vorhergehenden Differenzverstärkers aufgeladen werden und
in dem Betriebsintervall der zu dem jeweiligen Verstär kungsfaktor gehörige Kondensator (Cai, Cbi) zwischen den Signalausgang des vorhergehenden Differenzverstärkers und dem ersten Differenzeingangspaar des nachfolgenden Differenzverstärkers geschaltet wird.7. A method for offset compensation of an intermittently operated cascade stage differential amplifier with series-connected, preceding and subsequent differential amplifiers according to one of claims 4 to 6, characterized in that
in the compensation interval, capacitors (C ai , C bi ) are charged to different residual offset voltages for defined amplification factors of the previous differential amplifier and
in the operating interval the capacitor (C ai , C bi ) belonging to the respective amplification factor is switched between the signal output of the preceding differential amplifier and the first differential input pair of the subsequent differential amplifier.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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