DE19931879A1 - Integrator - Google Patents
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Abstract
Bei einem Integrator, der den analogen Fotostrom einer Fotodiode (PD) integriert, ist das Verstärkungsbandbreiteprodukt wegen der parasitären Parallelkapazität (Cp) der Fotodiode (PD) verhältnismäßig klein. Bei Ausführung mit einer geschalteten Kapazität (C1) muß aber die Bandbreite und gleichzeitig auch die Gleichstromverstärkung groß sein, damit die Integratorfunktion auch bei kleinen Frequenzen gewährleistet ist. Um die beiden sich widersprechenden Forderungen nach großer Bandbreite und hoher Gleichstromverstärkung gleichzeitig zu erfüllen, liegt an einem aus einem Widerstand (R2) und einem hierzu in Reihe geschalteten Schaltungsteil (R1) sowie der Fotodiode (PD) eine Referenzspannung (V1). Der Verbindungspunkt des Spannungsteilers ist mit dem invertierenden Eingang des Transkonduktanzverstärkers (V) verbunden.
Description
Die Erfindung betrifft einen Integrator aus einem Transkon
duktanzverstärker, dessen Ausgang über eine Integrations
kapazität auf seinen invertierenden Eingang rückgekoppelt
ist, und einer ersten Stromquelle mit einer parasitären Par
allelkapazität.
Derartige Integratoren können beispielsweise in einem Ana
log-Digital-Umsetzer eingesetzt werden. In den Fig. 4 und 5
sind bekannte Analog-Digital-Umsetzer gezeigt, die im folgen
den beschrieben und erläutert werden.
Der in der Fig. 4 abgebildete Integrator ist aus einem Tran
skonduktanzverstärker V aufgebaut, dessen Ausgang über eine
Integrationskapazität Ci auf seinen invertierenden Eingang
rückgekoppelt ist und an dessen nichtinvertierendem Eingang
eine Referenzspannung V2 anliegt. An einer Reihenschaltung
aus einem verstellbaren Widerstand R1 und einer Stromquelle
Q1 mit einer parasitären Parallelkapazität Cp liegt eine Ref
erenzspannung V1. Der gemeinsame Verbindungspunkt des ein
stellbaren Widerstandes R1 und der Stromquelle Q1 ist mit dem
invertierenden Eingang des Transkonduktanzverstärkers V ver
bunden.
In der Fig. 5 ist ein Integrator gezeigt, bei dem der ein
stellbare Widerstand als geschaltete Kapazität C1 realisiert
ist. Dieser Integrator ist daher platzsparend integrierbar.
Die in den Fig. 4 und 5 dargestellten Integratoren werden
beispielsweise als Analog-Digital-Umsetzer eingesetzt. Der
einstellbare Widerstand R1 bzw. die geschaltete Kapazität C1
werden in Abhängigkeit der Spannung Vo am Ausgang des Tran
skonduktanzverstärkers so eingestellt, daß der den ein
stellbaren Widerstand durchfließende Strom den Eingangsstrom
aus der Stromquelle aufnimmt.
Wenn der Analog-Digital-Umsetzer zum Beispiel den analogen
Strom einer integrierten Fotodiode PD in digitale Werte um
setzen soll, so tritt der ungünstige Fall auf, daß sich in
Folge der großen parasitären Parallelkapazität Cp der Fotodi
ode und in Folge des niederen Eingangsstromes ein ungünstiges
Verhältnis von parasitärer Parallelkapazität Cp zu Integra
tionskapazität Ci von Cp/Ci von etwa 100 ergibt, wodurch das
Verstärkungsbandbreitenprodukt um etwa diesen Faktor - also
um etwa zwei Zehner-Potenzen - vermindert wird. Jedoch sollte
insbesondere bei Einsatz einer geschalteten Kapazität als
steuerbarer Widerstand die Bandbreite groß genug sein,
während gleichzeitig die Gleichstromverstärkung ebenfalls
groß sein sollte, um die Integratorfunktion auch bei kleinen
Frequenzen zu gewährleisten. Weil diese beiden Forderungen
aber gegenläufig sind, ist ein Kompromiß zwischen den beiden
Forderungen nötig, um sowohl eine akzeptable Bandbreite als
auch eine tolerable Gleichstromverstärkung zu erzielen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Integrator mit
einem Transkonduktanzverstärker und einer Integration
skapazität so zu gestalten, daß die Forderungen nach großer
Bandbreite und hoher Gleichstromverstärkung gleichzeitig
möglichst optimal erfüllt werden.
Die Erfindung löst diese Aufgabe gemäß Anspruch 1 dadurch,
daß an einem Spannungsteiler aus einem ersten und einem
zweiten Widerstand und der Stromquelle mit der parasitären
Parallelkapazität eine zweite Referenzspannung liegt und daß
der Verbindungspunkt des ersten und des zweiten Widerstandes
mit dem invertierenden Eingang des Transkonduktanzverstärkers
verbunden ist.
Der zweite nicht beim Stand der Technik vorgesehene Wider
stand ist so dimensioniert, daß die Verhältnisse des Rückkop
pelnetzwerkes jωCi/(R2 + jωCp) so geändert sind, daß ein we
sentlich höheres Verstärkungsbandbreiteprodukt erzielt wird.
Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 3 den Einsatz der Erfindung in einem Meßumsetzer,
Fig. 4 ein erstes Ausführungsbeispiel eines bekannten
Integrators und
Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiels eines bekannten
Integrators.
Der Ausgang eines Transkonduktanzverstärkers V, an dem eine
Ausgangsspannung Vo abnehmbar ist, ist gemäß dem Aus
führungsbeispiel von Fig. 1 über eine Integrationskapazität
Ci mit seinem invertierenden Eingang verbunden. Der gemein
same Verbindungspunkt zweier Widerstände R1 und R2, die
zusammen mit einer in Reihe geschalteten Stromquelle Q1 mit
einer parasitären Parallelkapazität Cp einen Spannungsteiler
bilden, ist ebenfalls mit dem invertierenden Eingang des
Transkonduktanzverstärkers V verbunden. An den Enden des als
Reihenschaltung aus den Widerständen R1 und R2 sowie der
Stromquelle Q1 gebildeten Spannungsteilers liegt eine Refer
enzspannung V1. Am nichtinvertierenden Eingang des Transkon
duktanzverstärkers V liegt eine Referenzspannung V2.
Wie bereits erwähnt, ist es durch den zusätzlichen Widerstand
R2 möglich, ein wesentlich höheres Verstärkungsbandbreitepro
dukt zu erzielen, wenn der Widerstand R2 entsprechend dimen
sioniert wird. Der zusätzliche Widerstand R2 wirkt als
Entkopplungswiderstand.
Der Widerstand R2 wird mindestens so groß dimensioniert, wie
das Verstärkungsbandbreitenprodukt multipliziert mit dem
Kapazitätswert des Integrationskondensators Ci ist. Die For
mel hierfür lautet:
R2 ≧ 2.π.f.Ci
wobei
Ci = Kapazitätswert der Integrationskapazität,
f = Bandbreite (z. B. 10 MHz).
Ci = Kapazitätswert der Integrationskapazität,
f = Bandbreite (z. B. 10 MHz).
Bei einem Kapazitätswert des Integrationskondensators Ci von
etwa 30.10-15 F ergibt sich für den Widerstand R2 ein Wert von
etwa 450 KΩ, wenn 10 MHz Bandbreite angenommen wird. Zweck
mäßigerweise wird R2 etwas größer dimensioniert.
In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung
gezeigt, das sich vom ersten in der Fig. 1 abgebildeten Aus
führungbeispiel dadurch unterscheidet, daß der zusätzliche
Widerstand R2 durch einen MOS-Transistor ersetzt ist, der im
Bereich schwacher Inversion arbeitet. Hierzu wird eine Span
nung an die Gate-Elektrode des MOS-Transistors T1 gelegt, die
niedriger als die Referenzspannung V2 gemäß
VG < V2 + VTH
gewählt ist, wobei VG. die Gatespannung an dem Transistor T1
und VTH die Schwellspannung des Transistors T1 ist.
Sowohl bei dem ersten in der Fig. 1 gezeigten als auch bei
dem zweiten in der Fig. 2 abgebildeten Ausführungsbeispiel
der Erfindung kann der Widerstand R1 durch eine schaltbare
Kapazität ersetzt sein.
Bei dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel handelt es sich um einen
Sigma-Delta-Analog-Digital-Umsetzer erster Ordnung, der als
MeßUmsetzer mit einem Fotodiodeneingang analoge optische Sig
nale in digitale elektrische Signale umsetzt.
Der Ausgang des Transkonduktanzverstärkers V, an dem die Aus
gangsspannung Vo abgreifbar ist, ist über die Integration
skapazität Ci mit seinem invertierenden Eingang verbunden. Am
nichtinvertierenden Eingang des Transkonduktanzverstärkers V
liegt eine Referenzspannung V2. An den beiden Enden eines
Spannungsteilers, der als Reihenschaltung aus einer geschal
teten Kapazität C1, der Source-Drain-Strecke eines MOS-
Transistors T1 und einer Fotodiode PD aufgebaut ist, liegt
eine Referenzspannung V1. Die Source des MOS-Transistors T1
ist mit dem invertierenden Eingang des Transkonduktanzver
stärkes V verbunden, dessen Ausgang mit dem Eingang eines
Schwellwertdetektors D verbunden ist. Die Gate-Elektrode des
MOS-Transistors T1 ist mit der Gate-Elektrode und der Drain-
Elektrode eines MOS-Transistors T2 verbunden. An der Source
des MOS-Transistors T2 liegt die Referenzspannung V2, während
der Kollektor des MOS-Transistors T2 über eine Stromquelle Q2
an ein Bezugspotential angeschlossen ist. Der Ausgang des
Schwellwertdetektors D ist mit dem Eingang einer Steuerschal
tung S verbunden, deren erster Ausgang mit dem Eingang eines
Zählers Z und deren zweiter Ausgang mit dem Schalteingang der
geschalteten Kapazität C1 verbunden ist. Die Fotodiode PD ist
durch ihr Ersatzschaltbild dargestellt, das als Stromquelle
Q1 mit einer parasitären Parallelkapazität Cp gezeichnet ist,
deren Kapazitätswert in der Größenordnung von 3.10-12 F liegt.
Des weiteren ist es zweckmässig, für die Integration
skapazität CI einen Wert von beipielsweise etwa 30.10-15 F zu
wählen. Dieser Wert hängt vom Kapazitätswert des Kondensators
C1 und dieser wiederum vom Photostrom und der Auflösung des
A/D-Umsetzers ab.
Die Steuerschaltung S steuert in Abhängigkeit von der Span
nung Vo am Ausgang des Transkonduktanzverstärkers V die
geschaltete Kapazität C1 sowie den Zählerstand des Zählers Z.
Wenngleich im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel von
Fig. 3 der als ohmscher Widerstand R2 wirkende Transistor T1
in Reihe zu einer geschalteten Kapazität C1 geschaltet
gezeigt ist, so ist die Erfindung hierauf nicht beschränkt.
Vielmehr kann die geschaltete Kapazität C1 auch durch eine
geschaltete Stromquelle, einen geschalteten Widerstand oder
einen Widerstand selbst realisiert sein. Mit "ohmscher Ein
richtung" ist im Sinne der oben beschriebenen Erfindung immer
die Reihenschaltung eines ohmschen Widerstandes (R2 oder T1)
mit einem weiteren Schaltungsteil gemeint, wobei der Schal
tungsteil ein ohmscher Widerstand R2, eine geschaltete
Kapazität C1 oder eine geschaltete Stromquelle sein kann.
Die Erfindung ist für Integratoren geeignet, die ihr Ein
gangssignal von einer analogen Signalquelle mit einer
verhältnismässig hohen parasitären Parallelkapazität erhal
ten. Sie ist daher insbesondere für Sigma-Delta-Analog-
Digital-Umsetzer geeignet, die häufig auch als Delta-Sigma-
Analog-Digital-Umsetzer bezeichnet werden und deren Ein
gangssignale von einer Fotodiode geliefert werden.
Sigma-Delta-Analog-Digital-Umsetzer sind beispielsweise in
Herbert Bernstein, "Analoge Schaltungstechnik mit diskreten
und integrierten Bauelementen", Hüthig Verlag, Heidelberg 1997
(ISBN 3-7785-2296-5) auf Seite 480 bis 485 und in David A.
Jons, Ken Martin, Analog Integrated Circuit Design, John
Wiley and Sons, New York, Toronto 1997 (ISBN 0-471-14448-7)
auf Seite 531 bis 551 beschrieben. Zum Zwecke der Offenbarung
wird auf diese Veröffentlichung vollinhaltlich Bezug genom
men.
R1 Widerstand
R2 Widerstand
Ci Integrationskapazität
C1 geschaltete Kapazität
Cp parasitäre Parallelkapazität
V Transkonduktanzverstärker
V1 Referenzspannung
V2 Referenzspannung
Vo Ausgangsspannung
Q1 Stromquelle
Q2 Stromquelle
PD Fotodiode
D Schwellwertdetektor
S Steuerschaltung
Z Zähler
T1 Transistor
T2 Transistor
R2 Widerstand
Ci Integrationskapazität
C1 geschaltete Kapazität
Cp parasitäre Parallelkapazität
V Transkonduktanzverstärker
V1 Referenzspannung
V2 Referenzspannung
Vo Ausgangsspannung
Q1 Stromquelle
Q2 Stromquelle
PD Fotodiode
D Schwellwertdetektor
S Steuerschaltung
Z Zähler
T1 Transistor
T2 Transistor
Claims (6)
1. Integrator mit einem Transkonduktanzverstärker (V), dessen
Ausgang über eine Integrationskapazität (Ci) auf seinen in
vertierenden Eingang rückgekoppelt ist und an dessen nichtin
vertierendem Eingang eine erste Referenzspannung (V2) anleg
bar ist, und mit einer eine parasitäre Parallelkapazität (Cp)
aufweisenden ersten Stromquelle (Q1), die mit einer Klemme an
Bezugspotential und mit einer anderen Klemme über eine
ohmsche Einrichtung an eine zweite Referenzspannung (V1)
geschaltet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die ohmsche Einrichtung ein Spannungsteiler mit einem
Widerstand (R2) und einem weiteren Schaltungsteil (R1) ist,
und daß der Verbindungspunkt des Widerstandes (R2) und des
Schaltungsteils (R1) mit dem invertierenden Eingang des Tran
skonduktanzverstärkers (V) verbunden ist.
2. Integrator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Stromquelle (Q1) mit der parasitären Parallel
kapazität (Cp) eine Fotodiode (PD) ist.
3. Integrator nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß für der Widerstand (R2) ein erster MOS-Transistor (T1)
vorgesehen ist, der im Bereich schwacher Inversion betrieben
wird.
4. Integrator nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schaltungsteil (R1) als geschaltete Kapazität (C1),
als geschaltete Stromquelle oder als steuerbarer Widerstand
ausgeführt ist.
5. Integrator nach Anspruch 3 und 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Gate-Elektrode des ersten MOS-Transistors (T1) mit
der Gate-Elektrode und der Drain-Elektrode eines zweiten MOS-
Transistors (T2) verbunden ist, an dessen Source die erste
Referenzspannung (V2) liegt und dessen Drain über eine zweite
Stromquelle (Q2) an ein Bezugspotential angeschlossen ist,
daß der Ausgang des Transkonduktanzverstärkers (V) mit dem
Eingang eines Schwellwertdetektors (D) verbunden ist, dessen
Ausgang mit dem Eingang einer Steuerschaltung (S) verbunden
ist, deren erster Ausgang mit dem Eingang eines Zählers (Z)
und deren zweiter Ausgang mit dem Steuereingang der geschal
teten Kapazität (C1) oder dem steuerbaren Widerstand verbun
den ist.
6. Integrator nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Widerstand (R2) mindestens annähernd so groß
dimensioniert wird, wie das 2π-fache des Verstärkungsband
breitenprodukt multipliziert mit dem Kapazitätswert der In
tegrationskapazität (Ci) ist.
Priority Applications (3)
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EP00107682A EP1067473B1 (de) | 1999-07-09 | 2000-04-10 | Integrator |
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DE19931879A DE19931879A1 (de) | 1999-07-09 | 1999-07-09 | Integrator |
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