DE2224642A1

DE2224642A1 - Integrierbare driftarme Verstärkeranordnung und Verfahren zur Drift-Kompensation

Info

Publication number: DE2224642A1
Application number: DE19722224642
Authority: DE
Inventors: Robert Grenoble Poujois (Frankreich)
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1971-05-19
Filing date: 1972-05-19
Publication date: 1972-11-30
Also published as: US3810031A; FR2138234A1

Description

Integrierbare driftarme Verstärkeranordnung und Verfahren zur Drift-Kompensation

Die Erfindung betrifft eine integrierbare driftarme Verstärkeranordnung .

Eine elektronische Schaltungsanordnung wird integriert genannt, wenn alle sie bildenden Bauelemente, wie Transistoren, Widerstände und Kapazitäten, als dünne Schichten ausgeführt sind, die auf einem Substrat oder einer Unterlage, im allgemeinen aus einem Halbleiter, aufgebracht sind. Die Verbindungen zwischen den verschiedenen Bauelementen führen dann zur Realisierung der entworfenen Schaltungsanordnung. Die Transistoren sind in diesem Pail vorzugsweise alle vom selben Typ, z. B. vom MOS-Typ. Ein MOS-Transistor besteht grundsätzlich aus einem Halbleitersubstrat, einer Schicht aus einem elektrischen Isolierstoff, die auf einer Seite des Substrats aufgetragen und von einer Elektrode bedeckt ist, und aus zwei Elektroden in Form dünner Schich-

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ten, die jeweils auf einer dotierten Zone des Halbleiters aufgetragen sind, wobei diese Zonen sich an beiden Seiten der Isolierschicht befinden. Letztere ist vorzugsweise ein Oxid des Halbleiters, so daß sich die Bezeichnung MOS (Metall-Oxid-Halbleiter (Semiconductor)) ergibt. Die erfindungsgemäße Verstärkeranordnung, die von der klassischen Technik der. Mikroelektronik ausgeht, hat daher sehr kleine Abmessungen.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Kompensation der Drift einer Verstärkeranordnung.

Wenn man an Masse den Eingang eines Verstärkers anschließt, sollte sich sein Ausgang auf dem Spannungspegel Null befinden. In der Praxis beobachtet man jedoch, daß dies nicht der Fall ist: Die elektrische Spannung am Ausgang ist ungleich Null und bildet allgemein gesprochen eine sog. Drift (Nullfehler) des Verstärkers. Es ist üblich geworden, den Wert dieser Ausgangsspannung auf einen entsprechenden Wert am Eingang des Verstärkers zurückzuführen: Man dividiert also die am Ausgang beobachtete Spannung durch die Spannungsverstarkung des Verstärkers. Diese auf den Eingang des Verstärkers bezogene und in ihrem Vorzeichen geänderte Spannung wird Offset-Spannung genannt. Diese letztere ist also die Spannung, die am Eingang eines Verstärkers angelegt werden muß, damit seine Ausgangsspannung Null wird. Sie hat als Ursache die im Laufe der Zeit auftretende Verschiebung der an seinen Bauelementen angelegten Vorspannungen. Die Spannungsverschiebungen sind vor allem auf Abmessungsabweichungen der integrierten elektronischen Bauelemente zurückzuführen.

Es sind bereits Verstärker mit einer Einrichtung zur Kompensation der Offset-Spannung bekannt. In diesen Einrichtungen wird der Verstärkereingang mit Masse verbunden, die Offset-Spannung

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abgenommen und gespeichert, wonach diese Spannung mit geändertem Vorzeichen wieder in den Eingang des Verstärkers eingespeist wird, nachdem dessen Eingang von Masse getrennt'wordenist. Die Speicherfunktion wird im allgemeinen durch einen Kondensator erfüllt. Außerdem erfordern das Speichern und· das Kompensieren der Offset-Spannung die Verwendung von Schaltern, wobei die Steuerung des öffnens und Schließens der Schalter elektrische Störungen erzeugt, wie noch nachgewiesen wird, die bewirken, daß die Kompensation der Offset-Spannung für manche Anwendungen nicht zufriedenstellend.vorgenommen werden kann.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine integrierbare driftarme Verstärkeranordnung zu schaffen, die diese Nachteile der bekannten Verstärker überwindet, indem insbesondere ihre Offset-Spannung zweckmäßig in genauer Weise kompensiert werden kann.

Eine integrierbare driftarme Verstärkeranordnung ist gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch η Verstärkerstufen, die in Kaskade geschaltet sind und jeweils eine Einrichtung zum Speichern eines Werts im wesentlichen proportional der Offset-Spannung der betreffenden Verstärkerstufe und zur Kompensation dieser Offset-Spannung sowis eine Einrichtung zur Steuerung dieser Einrichtung zum Speichern und zur Kompensation haben; wobei das Speichern und die Kompensation nacheinander stufenweise so vornehmbar sind, daß eine Stufe die Ungenauigkeiten beim Speichern der vorhergehenden Stufen kompensieren kann; und wobei der Eingang der ersten Stufe, der den Eingang der Verstärkeranordnung darstellt, allein mit einer Einrichtung versehen ist, um die Eingangsspannung während des Speicherns und der Kompensation aufzuheben.

Diese Verstärker können vorzugsweise Differenzverstärker sein, wobei die Schalter MOS-Transistoren sind. Ferner ist die erfindungsgemäße Verstärkeranordnung vorteilhafterweise in MOS-Technologie ausgeführt.

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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch, einen Verstärker mit Speicherung und Kompensation der Offset-Spannung;

Fig. 2 das Ersatzschaltbild eines Schalters;

Fig. 5 schematisch ein grundlegendes Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 4 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verstärkeranordnung; und

Fig. 5 das Ausführungsbeispiel des Eingangs und der ersten Verstärkerstufe einer erfindungsgemäßen Verstärkeranordnung.

Gemäß Fig. 1, die schematisch einen Verstärker mit Speicherung und Kompensation der Offset-Spannung zeigt, wobei diese Verstärkeranordnung allgemein Speicherverstärker genannt wird, besteht die Verstärkeranordnung aus einem Verstärker 2 mit einer Verstärkung (Verstärkungsfaktor) G und einer Offset-Spannung e, einer Speichereinrichtung, die hier durch einen Kondensator 4 gebildet ist, der zwischen dem Ausgang S der Verstärkeranordnung und dem Ausgang des Verstärkers 2 liegt, und einem Schalter 6, der zwischen dem Ausgang S und Masse geschaltet ist. V/enn der Eingang E an Masse angeschlossen ist und der Schalter 6 sich in Offenstellung befindet, nimmt der Ausgang S eine Spannung mit dem Wert Ge bei Abwesenheit des Kondensators 4 an. Nach Schließen des Schalters ö lädt sich der Kondensator 4 auf eine Spannung Ge auf, die einer Speicherung eines Werts proportional zur Offset-Spannung mit einem Koeffizienten G entspricht.

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Nach Öffnen des Schalters 6 wollen die im Kondensator 4 ange-.sammelten elektrischen Ladungen, die durch eine Spannung Ge dargestellt sind, die Spannung Ge am Ausgang des Verstärkers 2 aufheben; dieser Vorgang entspricht der Kompensation der Offset-Spannung. In diesem Pail befindet sich der Ausgang S auf einer Spannung vom Wert Null bei Schwankungen in der Nähe-des Rauschens des Verstärkers.- Auf diese Weise ist ein Verstärker mit Speicherung und Kompensation der Off set-Spannung "realisiert-.

Diese bekannte Verstärkeranordnung hat aber verschiedene Nachteile, wozu insbesondere das Vorhandensein des Schalters 6 gehört, da die Steuerung von dessen öffnen und Schließen elektrische St'örimpulse am Ausgang S erzeugt, so daß die Off set-Spannung des Verstärkers nicht mehr wirksam kompensiert werden kann. Ideale Schalter gibt es nicht, Pig. 2 zeigt das tatsächliche Schaltbild eines Schalters. Dieser hat einen eigentlichen Schalter 8, eine Steuereinrichtung 10 und in Parallelschaltung zum Schalter 8 zwei Stör- oder Streukapazitäten C gleichen Werts. Wenn der Schalter in seiner Schließstellung ist, hat er einen Widerstandswert H_on· Wenn die Offset-Spannung kompensiert ;\rerden soll, nachdem sie an der Kapazität 4 gespeichert worden ist, steuert man den Schalter 6 so, daß er in seine Offenstellung gelangt. Das bei 10 zugeführte Steuersignal gelangt in die Störkapazität C und erzeugt am Ausgang S eine Spannung des Werts £. Die Offset-Spannung e ist also nicht mehr genau kompensiert, da der Ausgang S sich auf einer Spannung mit dem Wert t befindet. In der Praxis ist £ nicht vernachläsaigbar. Wenn z. B. angenommen wird, daß das Steuersignal 20 V beträgt und έ < 1 mV sein soll, muß das Steuersignal um einen Faktor 20 000 geschwächt werden. Die Kapazität 4 und die Streukapazität C liegen in Reihe, weshalb es im erwähnten Beispiel notwendig ist, daß die Kapazität 4 einen Wert hat, der 20 000-farih größer als der von C ist. In einer integrierten Schaltung,

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ζ. B. in MOS-Technologie, betragen die Kapazitätswerte, die man leicht erreichen kann, etwa 5 pF: Es müßte daher gelten

C = 5/20 000 pF. Die Realisierung von Schaltern mit so klei-P

nen Streukapazitäten C ist gegenwärtig unmöglich, weil man bestenfalls C S^ 0,05 pP erreicht.. Wenn der Verstärker z. B. aus diskreten Bauelementen aufgebaut ist, kann man'selbstverständlich für die Kapazität 4 bedeutend höhere Werte als vorstehend wiedergegeben wählen. Die Ladezeit der Kapazität ist jedoch bedeutend langer, und die Zeiten.für das Speichern und die Kompensation der Offset-Spannung steigen sehr an., was insoweit die Gebrauchs- oder Nutzzeit des Verstärkers verringert.

Die erfindungsgemäße Verstärkeranordnung, die schematisch in Pig. 3 abgebildet ist, kann eine sehr hohe Verstärkung haben, die praktisch unbegrenzt ist, und ermöglicht, die mit den Schaltern verbundenen Störprobleme zu überwinden. Die Verstärkeranordnung hat zwei in Kaskade geschaltete Verstärkerstufen, nämlich eine erste Stufe 12 und eine zweite Stufe l4, 16. Die erste Verstärkerstufe 12 und der Teil 14 der zweiten Verstärkerstufe haben jeweils einen Verstärker mit einer Verstärkung G, bzw. G₂, einer Offset-Spannung e^^ bzw. e₂ und einer Kapazität C, bzw. Co· Die erste Stufe 12 hat einen Schalter 18. Der Teil Ib der zweiten Verstärkerstufe hat nur einen Verstärker der Verstärkung G^ und der Off set-Spannung e-,, wobei dieser Verstärker in vollständige Gegenkopplung über einen Schalter 20 schaltbar ist und nur während des Speicherns die Verstärkung der Stufe 16 in diesem Zeitpunkt gleich Eins is1?. Die erfindungsgemäße Verstärkeranordnung kann selbstverständlich η Stufen haben, wobei n-1 erste Stufen einen Aufbau identisch der Verstärkerstufe 12 haben, während die letzte Stufe η einen Aufbau identisch einer aus den beiden Teilen 14 und 16 zusammengesetzten Stufe hat. Der Eingang E der Verstärkeranordnung kann über einen Schalter 24 an den Eingang der ersten Stufe und

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an Masse über einen Schalter 22 angeschlossen sein. Die Eingangsimpedanz der Verstärkerstufen ist groß.

Es sei angenommen, daß anfangs der Schalter 24 offen und die Schalter 22, 18 und 20 geschlossen sind, was dem Speichern der Offset-Spannungen entspricht. Zu einem ersten Zeitpunkt werde der Schalter 18 geöffnet. Die Kompensation der Offset-Spannung der ersten Verstärkerstufe 12 vollzieht sich so in der vorher angegebenen Weise. Die Spannung G-^e₁ wird kompensiert durch die Ladung des Kondensators C-, . Das öffnen des Schalters 18 ruft jedoch eine Störspannung mit' dem Wert f. am Ausgang der ersten Verstärkerstufe 12 hervor. Der Kondensator Cg der Verstärkerstufe 14 speichert nun nicht nur die Spannung ^G2^e2* ^sondern eine Spannung gleich G₂(e₂ + ) + e-,1. Diese letztere Spannung wird also genau kompensiert durch den Kondensator C₂J der so die Wirkung der Störspannung ε beseitigt, die durch öffnen des Schalters 18 entsteht. Zu einem zweiten Zeitpunkt werde der Schalter 20 geöffnet, was wie vorher eine Störspannung £ am Ausgang des Verstärkerteils 14 erzeugt. Am Eingang des Verstärkerteils 16 ist die Spannung nicht Null, sondern hat einen Wert £ . Die Spannung am Ausgang S der erfindungsgemäßen Vers.tärkeranordnung ist also, wenn ihr Eingang E durch Schließen des Schalters 22 an Masse liegt, gleich einer Spannung e-,, der Eigenoff set-Spannung des Verstärkers der Stufe 16, wozu die Spannung G^ £ kommt, die vom öffnen des Schalters der vorhergehenden Stufe herrührt. Die Offset-Spannung der Verstärkungsanordnung, d. h. die Spannung, die immer auf den Eingang der Verstärkungsanordnung rückgeführt ist, beträgt also:

e-4- (- · Ci

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Für eine Verstärkeranordnung mit η Verstärkerstufen, die aufeinanderfolgende Verstärkungen G-, , Gp ·.., G , und G haben, wobei die Offset-Spannung der letzten Stufen e beträgt , ist die Offset-Spannung der gesamten Verstärkeranordnung gleich:

^en ⁺ * ^Gn

G₂-,

Es ist also möglich, einerseits eine Gesamtverstärkung für die Verstärkeranordnung vorzusehen, die praktisch unbegrenzt ist, und andererseits die Offset-Spannung so klein wie gewünscht zu machen. Es sei darauf hingewiesen, daß die Kompensation der Offset-Spannungen der verschiedenen Verstärkerstufen sich nacheinander durch aufeinanderfolgendes Öffnen der Schalter vollzieht, und zwar zuerst von 18 und dann von 20.

In der Praxis ist es unmöglich, daß der Ausgang S der Verstärkeranordnung eine Kapazität beaufschlagt, die in Reihe mit dem Verstärker der letzten Stufe liegt. Das Speichern und die Kompensation der Offset-Spannung dieser Stufe ist also nicht durchführbar, weshalb es vorteilhaft ist, jedoch nicht notwendig, den Ausgang des Verstärkers der letzten Stufe in vollständige Gegenkopplung mit seinem Eingang während des Speicherns zu bringen, um so·die Offset-Spannung an dieser Stufe zu verringern. Wenn z. B. im Fall von Fig. 3 die letzte Stufe sich nicht in vollständiger Gegenkopplung befinden würde, wäre die

Ce-z, + 6 G-x) (e^, + £ )

Offset-Spannung nicht mehr ., — , sondern gleich ,2. . ,. ^J

G, 'Gp 'G-T G₁ · Gp

also viel größer. ^l ^ ■> ¹^

Wenn das Speichern und die Kompensation der Offset-Spannungen der verschiedenen aufeinanderfolgenden Stufen vorgenommen ist, gebraucht man die Verstärkeranordnung, indem man den Schalter

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22 öffnet und den Schalter 24 schließt. Dieses Öffnen und die-.ses Schließen erzeugen Störspannungen, die sich teilweise kompensieren. Die Gebrauchszeit der Verstärkeranordnung muß selbstverständlich sehr groß gegenüber der Zeit sein, die für das Speichern und die Kompensation notwendig ist. Letztere Vorgänge werden durch die gesamte Anordnung periodisch vorgenommen. Da die Werte der Kapazitäten C-, und. Cp sehr klein sind, sind ihre Ladezeiten sehr kurz, weshalb das Speichern nur sehr wenig Zeit in Anspruch nimmt. Beispielsweise können das Speichern und das Kompensieren jeweils eine Zeit von 1 /us erfordern und mit einer Frequenz von 1 kHz durchgeführt werden, was eine Gebrauchszeit der Verstärkeranordnung von 1 ms übrigläßt.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Verstärkeranordnung, der von der Periodizität des Speicherns und der Kompensation herrührt, ist die Unterdrückung eines Teils des Untergrundrauschens der Verstärkeranordnung durch Eliminierung der Frequenzen, die unter der Betriebsfrequenz des Speicherns und der Kompensation liegen. Wenn die Frequenz des Speicherns und der Kompensation z. B. 1 kHz beträgt, überträgt die Verstärkeranordnung insgesamt nicht die Frequenzen unterhalb 1 kHz.

Bekanntlich haben die Verstärker mit einem einzigen Eingang und einem einzigen Ausgang eine große Empfindlichkeit gegenüber äußeren elektrischen Störungen, weshalb es in der Praxis vorteilhaft ist, Differenzverstärker zu verwenden, d. h. Verstärker mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen entgegengesetzten Vorzeichens, wobei ein Eingang vorbestimmter Polarität einem Ausgang derselben Polarität entspricht. Eine gleichzeitig an den beiden Eingängen auftretende Störung wird also wegen der entgegengesetzten Polarität dieser Eingänge kompensiert und damit eliminiert,

Das in Fig. 4 abgebildete Ausführungsbeispiel der Erfindung hat n-1 Verstärkerstufen 28 desselben Aufbaus und jeweils einen Dif-

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- IO -

ferenzverstärker JO mit der Verstärkung G und der Eigenoffset-Spannung e, wobei die beiden Kanäle des Verstärkers an eine Kapazität 32 bzw. 34 gleichen Werts für die n-1 ersten Stufen angeschlossen sind. Der Ausgang von jedem der beiden Kanäle dieser n-1 ersten Stufen kann angeschlossen sein an.Masse über einen Schalter 36 bzw. 38, der durch eine Einrichtung 40 bzw. 42 steuerbar ist. Da die Kapazitäten 32 und 34 identisch sind, sind ihre Leckströme im wesentlichen gleich. Diese Eigenschaft ist sehr vorteilhaft, da diese gleichen Leckströme gleiche Spannungsabfälle an den Anschlüssen der Kapazitäten 32 u-nd 34 erzeugen, .so daß die Offset-Spannung besser kompensiert werden kann, indem diese Spannungsabfälle mit entgegengesetzten Vorzeichen sich gegenseitig aufheben. Die letzte Stufe η besteht im wesentlichen aus einem ersten Teil in Form einer Stufe 28 und einem zweiten Teil mit einem einzelnen Verstärker 3Oj der einen einzigen Ausgang hat, der in vollständige Gegenkopplung zu einem der beiden Eingänge des Verstärkers 30 gebracht wird. Die beiden Eingänge E₁ und E_P des Verstärkers können direkt jeweils an

J. C-,

einen der beiden Eingänge der ersten Verstärkerstufe 28 über Schalter 44 und 46 und an Masse über Sehalter 48 und 50 mit Steuereinrichtung 52 bzw. 54 angeschlossen werden. Die beiden Eingangsschalter 48 und 50 sowie die Schalter 36 und 38 ein und derselben Stufe werden synchron paarweise (Stufe nach Stufe) gesteuert. Zu diesem Zweck ist ein Eingang H, der eine Signalfolge sowie Taktsignale von den Steuereinrichtungen zum öffnen und Schließen der Schalter empfängt, parallel zu jeder Gruppe der beiden Schalter 48, 50 und 36, 38 geschaltet. Außerdem sind, um nacheinander das Speichern und die Kompensation der verschiedenen Verstärkerstufen vorzunehmen, die beiden Gruppen, die jeweils aus zwei Schaltern 36 und 38 bestehen, die zu zwei aufeinanderfolgenden Stufen 28 gehören, über eine Verzögerungsschaltung 56 verbunden, die eine zeitliche Verschiebung des öffnens und des Schließens der Gruppen der Schalter 36 und 38 be-

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- Il -

wirkt. Eine Verzögerungsleitung $8, die in Reihe mit der Verzögerungsleitung 56 der Stufe n-1 liegt, gestattet die Steuerung, der Einrichtungen 52 und 54 zum öffnen und Schließen der beiden Eingangsschalter 48 und 50. Die beiden Eingänge E₁ und E₂ der Verstärkeranordnung können gleichzeitig in Betrieb genommen werden, indem die Schalter 44 und 46 mittels elektrischer Signalfolgen gesteuert werden, die am Eingang U eingespeist werden.

Die Verstarkeranordnung von Fig. 4 arbeitet wie folgt. Es sei angenommen, daß die beiden Eingänge E-, und Eg benutzt werden (Gebrauch der Verstärkeranordnung), d. h. daß die beiden Schalter 44 und 46 in Schließstellung sind (Durchlaßstellung) und daß alle anderen Schalter 48, 50, 36 und 38 offen sind. Unter diesen Bedingungen befindet sich die Verstarkeranordnung in ihrer Gebrauchsphase, d. h. sie rückgewinnt nach Verstärkung die Signale, die gleichzeitig an den beiden Eingängen E₁ und E₂ angelegt werden. Nach einer bestimmten Betriebszeit, die Gebrauchszeit genannt sei, wird es notwendig, ein Speichern und eine Kompensation der Offset-Spannungen der verschiedenen Verstärkerstufen vorzunehmen.

Es wird zunächst einerseits ein elektrisches Signal auf den Eingang U gegeben, wodurch die Schalter 44 und 46 in Offenstellung gebracht werden, und andererseits ein Signal auf den Eingang H, so daß die beiden Eingangsschalter 48 und 50 sowie die verschiedenen Schalter 36 und 38 der folgenden Verstärkerstufen in Sehließstellung gebracht werden. Dieser Schritt entspricht dem Einspeichern in die Kapazitäten 32 und 34 eines Werts proportional zur Offset-Spannung von jeder der Verstärkerstufen 28. Das Anlegen eines zweiten elektrischen Signals am Eingang H bewirkt, daß in Offenstellung die Schalter 36 und der verschiedenen Verstärkerstufen 28 gebracht werden, und dies

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Stufe für Stufe infolge der Verzögerungsschaltungen 56, danach über die Verzögerungsschaltung 58 die beiden Schalter 48 und 50. Dieser Schritt entspricht der Kompensation der Offset-Spannung der verschiedenen Verstärkerstufen 28. Die Verstärkeranordnung kann anschließend benutzt werden zur Einspeisung eines elektrischen Signals in den Eingang U, wodurch die beiden Schalter 44 und 46 in Schließstellung gebracht werden.

Bei einem praktisch erprobten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verstärkeranordnung nach Pig. 4 mit drei Verstärkerstufen betrugen die Verstärkungen der aufeinanderfolgenden Verstärker 30 100, 50 bzw. 50 (der letztere Verstärker befand sich in vollständiger Gegenkopplung), während die Werte der Kapazitäten 32 und 34 identisch bei 5 pF lagen, das Speichern und Kompensieren etwa 0,20 /us erforderte und die Gebrauchszeit der Verstärkungsanordnung bei etwa 50 ms lag. Diese Gebrauchszeit ist mehr als ausreichend, weil das Vorhandensein von Untergrundrauschen tiefer Frequenz dazu führt, die Verstärkeranordnung während weniger als 1 ms zu gebrauchen, um das Rauschen tiefer Frequenz zu verringern.

Fig. 5 zeigt als Ausführungsbeispiel den Eingang und die erste ■Verstärkerstufe einer integrierten Verstärkeranordnung gemäß der Erfindung, die in MOS-Technologie ausgeführt ist. Die Eingangssignale mit entgegengesetzter Vorzeichen werden in die beiden Eingänge E₁ und E₂ eingespeist. Letztere sind angeschlossen oder nicht mittels Transistoren 70 und 72. Die Gatter der Transistoren stellen den Eingang U der Schaltung von Fig. 4 dar. Die beiden Eingänge der Verstärkerstufe sind durch Gatter 74 und 76 von zwei Transistoren 78 und 80 gebildet. Diese Verstärkerstufe ist im wesentlichen eine verdoppelte Differenzstufe üblichen Typs. Vier Transistoren 82, 84, 86 und 88 sind die Lasttransistoren dieser Doppelstufe. Sie werden mit elektrischer Hochspannung über einen Anschluß -HT für negative Hochspannung gespeist. Zwei Transistoren 90 und 92 bilden Strom-

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generatoren für diese Stufe, wobei das Gatter 94 des Transistors 90 auf einem zweckmäßigen Vorspannungspegel liegt, während seine Quellenelektrode auf eine positive Spannung +HT vorgespannt ist. Die vier Transistoren 78 und 80, 96 und 98 gewährleisten eine Verstärkung der an den Eingängen E^ und E₂ angelegten Signale. Kapazitäten 100 und. 102 realisieren das Speichern und die Kompensation der Offset-Spannung dieser Doppeldifferenzstufe. Zwei Eingangstransistoren 104 und IO6 bilden zwei Sehalter, durch die die beiden Eingänge 74 ^und der Doppeldifferenzstufe während des Speicherns und der Kompensation anschließbar sind. Zwei Transistoren IO8 und 110, die ähnlich den beiden Schaltern 36 und 38 der Schaltung von Pig. sind, gestatten diese letztere Operation durch Anschließen an Masse oder nicht von einem der beiden Anschlüsse jeder Kapazität 100 und 102. Der Ausgang dieser ersten Verstärkerstufe ist durch Anschlüsse 112 und 114 dargestellt, die an zwei Eingänge der nicht gezeigten zweiten Verstärkerstufe angeschlossen sind. Die Signalfolge, die die aufeinanderfolgenden Vorgänge des Speicherns und der Kompensation gestattet, wird in einen Eingang H eingespeist.

Ein praktisch erprobtes Ausführungsbeispiel dieser integrierten Verstärkungsanordnung konnte eine Offset-Spannung von etwa 50 /uV und eine Eingangsimpedanz von mehr als 10 XI aufweisen. In diesem Wertebereich gibt es gegenwärtig nur modulare Schaltungen, die entweder über Frequenzmodulation mittels Kapazitätsdioden oder mit einem optischen Modulator (Chopper) arbeiten, wobei dieser Verstärker teuer und aufwendig sind. Man kann insbesondere abschätzen, daß bei gleichen Betriebseigenschaften eine Verstärkeranordnung gemäß der Erfindung etwa 20 - 40mal weniger als ein Verstärker nach dem bekannten Stand der Technik kostet. Außerdem haben die arfindungsgemäßen Verstärkeranordnungen zahlreiche Vorteile, da sie sehr leicht in Form integrierter Schaltungen, insbesondere in· MOS-Technologie, ausführbar sind.

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Die notwendige Zeit zum Speichern und Kompensieren der Offset-Spannung, die sehr kurz ist im Vergleich zur Gebrauchszeit der Verstärkeranordnung, ist im allgemeinen nicht vom Benutzer feststellbar. Wenn jedoch das Zeitintervall des Nichtgebrauchs der Verstärkeranordnung unangenehm werden sollte, kann die Aus-

gangsspannung der Verstärkeranordnung während des zweiten Teils der Gebrauchsphase gespeichert und während dieses sehr kurzen Zeitintervalls zurückgewonnen werden, was das Auftreten einer Spannung Null am Ausgang verhindert.

Es sei noch einmal betont, daß in der Zeichnung nur Ausführungsbeispiele dargestellt sindj insbesondere können die für die Schaltungen von Pig. 4 und 5 angegebenen speziellen Werte anders gewählt werden.

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Claims

Patentansprüche

il) Integrierbare driftarme Verstärkeranordnung, gekennzeichnet durch η Verstärkerstufen, die in Kaskade geschaltet sind und jeweils eine Einrichtung zum Speichern eines Werts im wesentlichen proportional der Offset-Spannung der betreffenden Verstärkerstufe und zur Kompensation dieser Offset-Spannung sowie eine Einrichtung zur Steuerung dieser Einrichtung zum Speichern und zur Kompensation haben; wobei das Speichern und die Kompensation nacheinander stufenweise so vornehmbar sind, daß eine Stufe die Ungenauigkeiten beim Speichern der vorhergehenden Stufen kompensieren kann; und wobei der Eingang der ersten Stufe, der den Eingang der Verstärkeranordnung darstellt, allein mit einer Einrichtung versehen ist, um die Eingangsspannung während des Speicherns und der Kompensation aufzuheben.
2. Verstärkeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtungen Schalter (36, 38) haben, die zueinander parallel über-Verzögerungsschaltungen (56) geschaltet sind, um so eine zeitliche Verschiebung zwischen dem öffnen und dem Schließen der zu aufeinanderfolgenden Stufen (28) gehörenden Schalter (36, 38) zu bewirken, und daß die Steuerschaltung (H) des ersten Schalters (36) eine elektrische Signalfolge empfängt.
3· Verstärkeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jede der n-1 ersten Stufen (12) die Einrichtung zum Spei ehern und zur Kompensation aus einem das Speichern vornehmenden Kondensator (C₁) besteht, von dem ein.Anschluß mit dem Ausgang des Verstärkers der betreffenden Stufe verbunden ist und der andere Anschluß den Ausgang dieser Stufe bildet, und daß die

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Steuereinrichtungen einen Schalter (18) zwischen dem Ausgang dieser Stufe und Masse haben.
4. Verstärkeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die n-te Stufe (14, 16) die Einrichtung zum Speichern und zur Kompensation durch einen Kondensator (C₂) gebildet ist und die Steuereinrichtung einen Schalter (20) hat, durch den der Ausgang eines zweiten Verstärkers der η-ten Stufe in vollständige Gegenkopplung mit seinem Eingang bringbar ist, wobei die vollständige Gegenkopplung nur während des Speicherns allein erfolgt.
5· Verstärkeranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärker der η Stufen (28) Differenzverstärker (30) mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen entgegengesetzten Vorzeichens sind, daß jeder der beiden Eingänge der η Verstärker über einen Schalter (36, 38) an Masse anschließbar ist, daß jeder der_ beiden Kanäle jedes Differenzverstärkers (30) mit einer Schaltung (32; 34) zum Speichern versehen ist, daß die Schaltungen zur Steuerung des öffnens und Schließens der Schalter liegen einerseits parallel zueinander für die aufeinanderfolgenden verschiedenen Stufen über Verzögerungsschaltungen (56) zur Herstellung einer zeitlichen Verschiebung zwischen dem öffnen und dem Schließen der zu aufeinanderfolgenden Stufen gehörenden Schalter und andererseits parallel direkt zueinander für zwei Schalter derselben Stufe, wobei die beiden Steuerschaltungen der beiden Schalter am Ausgang der ersten Stufe gleichzeitig eine elektrische Signalfolge empfangen, und daß zwei Schalter (48, 50), die jeweils an einem der beiden Eingänge des Verstärkers der ersten Stufe angeschlossen sind, die beiden Eingänge während des Speicherns und der Kompensation an Masse legen.
6. Verstärkeranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ausgang der n-1 ersten Verstärker (28) über einen Kondensator (32; 34) an den Eingang des nachfolgenden Verstärkers angeschlossen ist.

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7· Verstärkeranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Schalter ein MOS-Transistor (z. B. 108, 110) ist.
8. Verstärkeranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie in MOS-Technologie ausgeführt sind. ,
/9y Verfahren zur Kompensation der Offset-Spannung einer Verstärkeranordnung, die aus mehreren Verstärkerstufen zur Spei- ' cherung eines Werts proportional der Offset-Spannung besteht, dadurch gekennzeichnet, daß diese Verstärkerstufen in Kaskade geschaltet werden, und daß für jede dieser Stufen nacheinander dieser Wert gespeichert und die Offset-Spannung der betreffenden Stufe kompensiert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9> dadurch gekennzeichnet, daß das Speichern und das Kompensieren für die Gesamtheit der Stufen periodisch mit einer Frequenz vorgenommen werden,die höher als die Frequenzen ist, die das Rauschfrequenzband dieser Verstärkerstufen bilden.
11. Verfahren zur Kompensation der Offset-Spannung einer Differenzverstärkeranordnung zur Speicherung eines Werts proportional der Offset-Spannung, dadurch gekennzeichnet , daß an die beiden Kanäle der Verstärkeranordnung eine Schaltung zum Speichern und zur Kompensation angeschlossen wird, wobei die Kompensationsspannung so durch die Differenz der beiden gespeicherten Spannungen dargestellt wird.

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