DE2839459A1

DE2839459A1 - Schaltungsanordnung zur signalpegelumsetzung

Info

Publication number: DE2839459A1
Application number: DE19782839459
Authority: DE
Inventors: David Bingham
Original assignee: Intersil Inc
Current assignee: Intersil Corp
Priority date: 1978-06-01
Filing date: 1978-09-11
Publication date: 1979-12-06
Also published as: CA1109530A; FR2427735A1; JPH037910B2; IT1105446B; US4195266A; NL7809714A; DE2839459C2; GB2022951A; FR2427735B1; IT7850640A0; JPS5554457A; GB2022951B

Description

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KARL-HEINZ SCHAUMBURG * PATE NTANWALT

Intersil, Inc. sooo München so

MAUERKiRCHBssTR. 31

10900 North Tant au Avenue τ _E ι _E f ο _N ο se · »s ιθ 79

Cupertino, California 95014 telex 52201g se fat USA 11 SEP. UTg
1J3 1278

Schaltungsanordnung zur Signalpegelumsetzung

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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Signalpegelumsetzung, insbesondere für Meßverstärker, mit mindestens einem Verstärker und einer Schalter«· vorrichtung zur abwechselnden Beschaltung seines Eingangs mit einem umzusetzenden Signal und mit einer Referenzspannung.

Die Erfindung wird im folgenden für den besonderen Anwendungsfall bei Meßverstärkern beschrieben. Hierbei ist zu berücksichtigen, daß ein Meßverstärker ein Ausgangssignal liefern muß, das einen um den Faktor N vergrößerten Wert gegenüber dem Wert einer Eingangsspannungsdifferenz V_A-Vg hat, wobei N eine reelle Zahl ist. Die Ausgangsspannung eines Meßverstärkers hat normalerweise keinen Bezug auf. eine der Eingangsspannungen V_A oder Vg, die die Eingangsspannungsdifferenz bilden, sondern sie ist auf eine dritte Spannung bezogen, die beispielsweise den Wert Null oder Erdpotential haben kann. Ein Meßverstärker sollte nur auf eine Eingangsspannungsdifferenz und nicht auf die Absolutwerte der Spannungen V^ und Vg ansprechen. Der durch eine Verlagerung der Spannungen V. und Vg verursachte Fehler kann bei einer auf ca. 100 dB in guten Meßverstärkern begrenzten Gleichtaktunterdrückung beispielsweise am Verstärkerausgang 10 ^J Volt für eine Verlagerung der Absolutwerte der Spannungen V. und Vg von 1 Volt betragen. Wenn der Verstärker Eingangsspannungsdifferenzen in der Größenordnung von 10 ^J Volt verarbeiten soll, so kann also bei einer solchen Spannungsverlagerung ein beachtlicher Fehler entstehen.

Ferner müssen Meßverstärker einen hohen Eingangswiderstand besitzen, damit die ihnen vorgeordneten Schaltungen, beispielsweise eine Brückensohaltung o.a.,

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durch ihn nicht belastet werden. Ein Meßverstärker üblicher Art kann drei Operationsverstärker enthalten, die in Widerstandskopplung miteinander verbunden sind« Hierbei ist dann eine genaue Anpassung der Widerstandswerte aneinander erforderlich, um keinen zusätzlichen Gleichtaktfehler einzuführen. Bei den bekannten Meßverstärkern sind deshalb nicht nur Operationsverstärker zu verwenden, die von sich aus niedrige Offsetspannungen und eine gute Gleichtaktunterdrückung haben, sondern die verwendeten Widerstände müssen sehr genau angepaßt sein, um die Einführung größerer Fehler zu vermeiden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schaltungsanordnung zur Signalpegelumsetzung anzugeben, bei der die vorstehend aufgezeigten Forderungen insbesondere im Hinblick auf eine gute Gleichtaktunterdrückung erfüllt sind. Darüber hinaus soll die Schaltung auch in integrierter Technik verwirklicht werden können.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung werden also zwei Kapazitäten abwechselnd auf eine zu verstärkende Eingangsspannung aufgeladen. Die jeweils nicht mit der Eingangsspannung verbundene Kapazität wird dabei zwischen den Verstärkereingang und die Referenzspannung, beispielsweise Erdpotential, geschaltet. Auf diese Weise erfolgt ein abwechselndes Aufladen und Entladen der beiden Kapazitäten. Dieser Vorgang erfolgt mit einer Umschaltegeschwindigkeit, die größer als die höchste Frequenz oder Frequenzkomponente eines zu verstärkenden

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Eingangssignals ist. Auf diese Weise wird die gesamte in den Eingangssignalen enthaltene Information mit einer Verzögerung auf den Verstärkerausgang übertragen, die gleich oder kürzer als die Umschalteperiode ist, was von der relativen Umschaltedauer abhängt.

Als Verstärker kann ein einfacher Operationsverstärker mit hohem Eingangswiderstand verwendet werden, der einen Offsetabgleich aufweist. Dieser Verstärker wird an seinem nicht invertierenden Eingang abwechselnd mit den beiden Kapazitäten verbunden, während der invertierende Eingang über einen Widerstand mit der Referenzspannung oder Erdpotential und über einen weiteren Widerstand mit dem Verstärkerausgang verbunden ist. Der Gleichtaktfehler der Schaltungsanordnung wird nur durch diesen einen Verstärker verursacht und hängt nicht von den beiden Widerständen ab. Die Verstärkung des Gesamtsystems hängt nur von diesen beiden Widerständen ab und hat den bekannten Wert (R₁ + R₂)ZR₁.

Eine Schaltungsanordnung nach der Erfindung erweist sich als sehr vorteilhaft wegen ihrer außergewöhnlich guten Gleichtaktunterdrückung, denn die Pegelumsetzung wird mit Schalterelementen und nicht mit Analogverstärkern oder Signalumsetzern bekannter Art durchgeführt. Das Eingangssignal ist bei Anschaltung an den Verstärker immer auf Erdpotential oder eine andere definierte Referenzspannung bezogen, so daß der Einfluß eines Gleichtaktfehlers des Verstärkers minimal ist.

Zusätzlich ist eine Schaltungsanordnung nach der Erfindung sehr unempfindlich gegenüber dem Wert der Kapazitäten und der beiden genannten Widerstände. Wie bereits erwähnt, beeinflussen diese Widerstände nur die Spannungs·

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verstärkung der Schaltungsanordnung, nicht Jedoch die Gleichtaktunterdrückung. Wegen dieser geringen Abhängigkeit der Leistung der Einzelteile der Schaltungsanordnung ergibt sich insbesondere bei integriertem Aufbau ein sehr hoher Nutzen bei minimalen Herstellungskosten.

Eine Schaltungsanordnung nach der Erfindung kann leicht in CMOS-Technologie aufgebaut werden. Alle Komponenten der Schaltungsanordnung können in einer einzigen Vorrichtung integriert werden, obwohl im Hinblick auf maximale Vielseitigkeit und minimale Kosten die Verwendung externer Kapazitäten und Widerstände vorteilhaft sein kann.

Sin AusfUhrungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 die Schaltungsanordnung einer mit einem Meßverstärker verbundenen Brückenschaltung als Anwendungsbeispiel für die Erfindung,

Fig. 2 die Prinzipschaltung eines Meßverstärkers bekannter Art,

Fig. 3 eine Schaltungsanordnung nach der Erfindung,

Fig.4A und 4B unterschiedliche Schaltungszustände der in Fig. 3 gezeigten Schaltungsanordnung und

Fig. 5 die vollständige Schaltung nach der Erfindung, geeignet zur integrierten Herstellung in CMOS-Technologie .

In Fig. 1 ist ein Meßverstärker 11 dargestellt, der eine Schaltung bekannter Art oder eine Schaltungsanordnung nach der Erfindung enthalten kann. In dem hier gezeigten Anwendungsfall ist er mit einer Brückenschaltung 12 verbunden, die Widerstände 13 und 14 in Reihenschaltung

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zwischen den Spannungen V+ und V- enthält. Der Verbindungspunkt der beiden Widerstände 13 und 14 ist mit A bezeichnet. Ferner ist eine Reihenschaltung zweier Elemente 16 und 17 vorgesehen, die beispielsweise . Wandler, Temperatursensoren, Lichtsensoren o.a. sein können und parallel an die Widerstandsreihenschaltung zwischen V+ und V- angeschaltet sind. Der Verbindungspunkt der beiden Elemente 16 und 17 ist mit B bezeichnet. Die beiden Widerstände 13 und 14 sind beispielsweise durch Einstellung so bemessen, daß an dem Knotenpunkt A ein Spannungswert V^ auftritt, der bewirkt, daß die Spannungsdifferenz der beiden Spannungen an den Knotenpunkten A und B in einen Bereich fällt, den der Verstärker 11 leicht verarbeiten kann. Der Meßverstärker verstärkt die Spannungsdifferenz V_A-V_ß mit einem Verstärkungsfaktor N und liefert ein Ausgangssignal N (V^""^

das normalerweise auf eine dritte Spannung bezogen wird, die in Fig. 1 das Erdpotential ist. Der Verstärker liefert das mit dem Faktor N verstärkte Signal an die Ausgangsanschlüsse 18 und 19. Der Anschluß 19 ist geerdet oder mit einer anderen Bezugsspannung verbunden.

Die verschiedenen Probleme der Meßverstärker wurden bereits erläutert, und in diesem Zusammenhang wird auf Fig. 2 Bezug genommen, die einen typischen Meßverstärker mit drei Operationsverstärkern 21, 22 und 23 zeigt. Der nicht invertierende Eingang des Meßverstärkers 21 ist mit einem Eingangsanschluß 26 verbunden. Die Operationsverstärker 21 und 22 werden als Differenzverstärker mit hohem Eingangswiderstand verwendet, wobei ein Widerstand R_A den invertierenden Eingang des Verstärkers 21 mit dem nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 22 verbindet. Ferner sind Gegenkopplung -

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widerstände R_ßund R« für die beiden Verstärker 21 und vorgesehen. Dieser Differenzverstärker hat die Verstärkung

Das Differenzsignal der beiden Verstärker 21 und 22 wird mit dem Operationsverstärker 23 in ein Signal umgesetzt, das auf die Bezugsspannung V^p bezogen ist. Ein Widerstand Rq verbindet den Ausgang des Verstärkers 21 mit dem nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 23. Ein Gegenkopplungswiderstand Rg ist am Verstärker vorgesehen. Ein Widerstand Rp verbindet den Ausgang des Verstärkers 22 mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 23, und ein Widerstand Rq verbindet den invertierenden Eingang des Verstärkers 23 mit der Referenzspannung Vj^p, die im dargestellten Fall Erdpotential führt. Das verstärkte Differenzsignal erscheint zwischen einem Ausgangsanschluß 27 am Ausgang des Verstärkers 23 und einem mit Erdpotential verbundenen Ausgangsanschluß

Wenn beispielsweise eine Spannung Vy an den Eingangsanschluß 24 und eine Spannung Vy an den Eingangsanschluß angeschaltet wird und somit eine Eingangsspannungsdifferenz Vjr»· vorliegt, so ist die Verstärkung dieser Stufe

1 -

^RD

+ R

^RD J

XY

Diese Beziehung gilt nur, wenn R-_D/R_E = %/% ^ist Wirkungen der Gleichtaktunterdrückung des Verstärkers vernachläßigt werden. Wenn die Gleichtaktunterdrückung nicht sehr genau bemessen ist, so tritt ein Gleichtaktfehler auf. Dies bedeutet dann, daß die Ausgangsspannung

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zwischen den Anschlüssen 27 und 28 nicht nur von der Eingangsspannungsdifferenz, sondern auch von den Absolutwerten der Spannungen ν_χ und Vy abhängt. Da die Eingangsspannungsdifferenz um viele Größenordnungen kleiner als die Werte ν_χ und Vy sein kann, entsteht hierdurch also ein beachtliches Problem. Wenn V_x ■ Vy ist, so kann gezeigt werden, daß die Ausgangsspannung durch die folgende Beziehung gegeben ist:

1 -

^VAÜSG - ^VX (°^{der V}Y>

1 +

Es ist zu erkennen, daß diese Gleichung nur dann den Wert Null annimmt, wenn Rg/Rp ■ Rq/R? ist. Ist diese Gleichheit nicht gegeben, so tritt am Ausgang ein Spannungsfehler, also eine Gleichtaktspannung auf. Es kann gezeigt werden, daß bei einem Verstärkungsfaktor mit dem Wert 1 der Fehler ca. 50 % der Fehlanpassung des Widerstandsverhältnisses beträgt und daß für einen hohen Verstärkungsfaktor der Fehler sich dieser Fehlanpassung annähert. Bei einem guten Meßverstärker sollte die Gleichtaktunterdrückung größer als 100 dB sein, wozu dann die Anpassung des Widerstandsverhältnisses besser als 0,001 % sein muß. Weitere Gleichtaktfehler treten in dem Operationsverstärker selbst und in dem die erste Stufe bildenden Differenzverstärkeijauf, der das Eingangssignal für den Operationsverstärker liefert. Somit ist zu erkennen, daß bei bekannten Meßverstärkern die Operationsverstärker selbst eine niedrige Offsetspannung und niedrige Gleichtaktwerte haben müssen und daß zusätzlich die Anpassung des Widerstandsnetzwerks sehr genau sein muß. Hierdurch werden der Aufbau und die Herstellung der Meßverstärker natürlich sehr stark beeinträchtigt. Auch andere bekannte .Meßverstärker, die nach einem anderen als in Fig· 2 gezeigten

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Prinzip arbeiten, zeigen ähnliche Probleme der Anpassung« der Gleichtaktunterdrückung und des komplizierten Aufbaus.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Schaltungsanordnung ist bei einem Meßverstärker eingesetzt und hat Eingangsanschlüsse 31 und 32, die beispielsweise mit den Knotenpunkten A und B der in Fig. 1 gezeigten Brückenschaltung 12 verbunden sein können. Die in Fig. 3 gezeigte Schaltungsanordnung enthält zwei gleiche Kondensatoren 33 und 34. Der Kondensator 33 ist an seinem einen Anschluß über einen Schalter 36 mit dem Eingangsanschluß 31 und an seinem anderen Anschluß über einen Schalter 37 mit dem Eingangsanschluß verbunden. Der Kondensator 34 ist an seinem einen Anschluß über einen Schalter 38 mit dem Eingangsanschluß 31 und an seinem anderen Anschluß über einen Schalter 39 mit dem Eingangsanschluß 32 verbunden. Ein Referenzspannungsanschluß 41 dient zur Anschaltung von Erdpotential oder einer anderen Referenzspannung und ist über einen Schalter 42 sowie den Schalter 36 mit dem Eingangsanschluß 31 und über einen Schalter 43 sowie den Schalter 38 mit dem Eingangsanschluß 31 verbunden. Ferner ist ein Verstärker 44 vorgesehen, dessen nicht invertierender Eingang mit einem Schalter 46 verbunden ist, der mit dem Schalter 37 in Reihe geschaltet und somit mit dem Eingangsanschluß 32 verbunden ist. Ferner ist der nicht invertierende Eingang mit einem Schalter 47 verbunden, der mit dem Schalter 39 in Reihe geschaltet und somit mit dem Eingangsanschluß 32 verbunden ist. Die vorstehend beschriebenen Schalter können in noch zu beschreibender Weise mit vorbestimmter Umschaltegeschwindigkeit gruppenweise betätigt werden.

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Der In Fig. 3 gezeigte Verstärker 44 ist an seinem invertierenden Eingang über einen Widerstand R₁ mit einem Referenzspannungsanschluß 48 verbunden und zwischen seinem Ausgang und seinem invertierenden Eingang mit einemGegenkopplungswiderstand R₂ beschaltet. Der Ausgang des Verstärkers 44 ist mit einem Ausgangsanschluß 51 verbunden. Ein zweiter Ausgangsanschluß 32 ist mit dem Referenzspannungsanschluß 48 verbunden. Die hier:/.zugeführte Referenzspannung Vj^₃₅, kann beispielsweise Erdpotential sein und mit der Referenzspannung V^gg, am Anschluß 41 übereinstimmen.

Die in Fig. 3 gezeigte Schaltung wird durch sukzessives öffnen und Schließen ihrer Schalter in vorbestimmten Grußpen so betrieben, daß jeder Kondensator 33 und 34 abwechselnd mit der Eingangsspannungsdifferenz aufgeladen und dann mit einem Anschluß an die Referenzspannung V^p und mit dem anderen Anschluß an einen Eingang des Verstärkers 44 angeschaltet wird. Dies erfolgt durch Schließen der Schalter 38, 39, 42 und 46, während die Schalter 36, 37, 43 und 47 geöffnet sind, und anschließendes öffnen der Schalter 38, 39, 42 und 46, während die Schalter 36, 37, 43 und 47 geschlossen sind. Dieses öffnen und Schließen der Schalter kann auf verschiedenste Weise erreicht werden, beispielsweise durch Anwendung einer Taktsteuerung in Verbindung mit elektronischen Schaltern.

In Fig. 4a und 4B sind Schaltungszustände der in Flg. 3 gezeigten Schaltung für eine erste Periode η und eine darauf folgende Periode n+1 dargestellt. Aus Fig. 4A geht hervor, daß die Schalter 38 und 39 geschlossen sind und somit den Kondensator 34 an die Eingangsanschlüsse 31 und 32 gleichzeitig anschalten. Die Schalter 42 und 46 sind geschlossen und verbinden den Kondensator 33 mit

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Referenzspannung, im vorliegenden Falle mit Erdpotential, und mit dem nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 44. Die anderen Schalter sind während der Periode η geöffnet und deshalb in Fig, 4A nicht dargestellt. In der nachfolgenden Periode n+1 werden diese übrigen Schalter geschlossen, und somit ist der während der Periode η aufgeladene Kondensator 34 dann von den Eingangsanschlüssen 31 und 32 abgetrennt und über die Schalter 43 und 47 zwischen Erdpotential und den nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 44 geschaltet. Der andere Kondensator 33 ist über die Schalter 36 und 37 an die Eingangsanschlüsse 31 und 32 angeschaltet. Auf diese Weise bewirkt die Schal· tungsanordnung eine abwechselnde Aufladung eines Jeden Kondensators 33 und 34 auf die Eingangsspannungsdifferenz und in der jeweils nächst-folgenden Periode die Anschaltung des geladenen Kondensators an die Referenzspannung, beispielsweise Erdpotential, und an einen Eingang des Verstärkers 44. Auf diese Weise erhält der Verstärker 44 dann die tatsächlich zu verstärkende Eingangsspannungsdifferenz, ohne daß ein Widerstandsnetzwerk oder zusätzliche Verstärker o.a. erforderlich sind. Die Schalter werden mit einer endlichen Geschwindigkeit zur Umschal-, tung der beiden Kondensatoren 33 und 34 in beschriebener Weise betätigt. Die Umschaltegeschwindigkeit ist dabei größer als die höchste Frequenz oder Frequenzkomponente der Eingangsspannungsdifferenz, so daß deren gesamte Informationen auf den Ausgang des Verstärkers 44 übertragen werden. Hierbei tritt eine Verzögerung auf, die gleich oder kürzer als die Umschalteperiode ist, was von der Umschaltedauer abhängt. Die Umschaltegeschwindigkeit ist normalerweise ziemlich hoch, so daß dem Verstärker 44 praktisch Augenblickswerte der Spannung in sehr schneller Folge zugeführt werden können. Die Umschaltegeschwindigkeit muß Jedoch nicht unbedingt höher als die höchste Frequenzkomponente der Eingangsspannungsdifferenz sein,

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die zu messen oder umzusetzen ist.

Während der laufenden Umschaltung wiederholen sich die Vorgänge, die anhand der Figuren 4A und 4B für die Perioden η und n+1 beschrieben wurden. Somit stimmt der Vorgang während der Periode n+2 mit demjenigen der Periode η überein, und der Vorgang der Periode n+3 entspricht demjenigen der Periode n+1. Die Verstärkung der in Fig. 3 gezeigten Schaltungsanordnung ist (R.* + Rg)/R-. Hierbei ergibt sich eine außergewöhnlich gute Gleichtaktunterdrückung, und das umgesetzte Signal ist immer auf Erdpotential oder eine andere bestimmte Referenzspannung bezogen, so daß ein eventueller Gleichtaktfehler des Verstärkers 44 minimale Auswirkungen hat. Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung 1st auch sehr unempfindlich gegenüber einer Änderung der Werte der Kondensatoren und der Widerstände. Die Widerstände R^ und R₂ beeinflussen nur die Spannungsverstärkung des Systems, jedoch in keiner Weise die Gleichtaktunterdrückung. Diese Unempfindlichkeit gegenüber den Einzelelementen der Schaltung erweist sich als vorteilhaft im Hinblick auf die Herstellung und die Ausbeute einer Schaltungsanordnung in integrierter Technik.· Wie bereits ausgeführt, kann die Schaltungsanordnung leicht in CMOS^Technologie verwirklicht werden, jedoch ist auch eine andere Herstellung in integrierter Technik möglich.

Die Erfindung wurde vorstehend für einen bestimmten Anwendungsfall beschrieben, bei dem eine Eingangsspannungsdifferenz umgesetzt oder auf eine bestimmte Referenzspannung bezogen wird. Es sei bemerkt, daß die Erfindung auf diesen Anwendungsfall nicht beschränkt ist, da zahlreiche weitere Einsatzmöglichkeiten gegeben sind. Beispielsweise kann die Schaltungsanordnung sehr vorteilhaft zur Umsetzung eines auf ein System A bezogenen

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Signals in ein auf ein System B bezogenenes Signal verwendet werden. Ein System A kann beispielsweise ein negatives oder Erdpotential als Bezugspotential haben« Das System B kann dann eine Referenzspannung von beispielsweise + 5 Volt haben, und beide Systeme können über eine Schaltungsanordnung nach der Erfindung miteinander verbunden sein. Bei dem vorstehend beschriebenen Beispiel wird die Referenzspannung V^gp mit + 5 Volt an die Anschlüsse 41 und 49 der Schaltung nach Fig. 3 angeschaltet. Ferner ist es möglich, verschiedene Werte der Referenzspannung an den Anschlüssen 41 und 48 vorzusehen. In diesem Falle wird das Ausgangssignal an den Anschlüssen 51 und 52 um einen Betrag verlagert, der gleich der Verstärkung (R₁ + R₂)ZR₁ multipliziert mit der Referenzspannungsdifferenz V^p ^₁- V^p ^₈ ist. Bei einer solchen Anordnung wird also absichtlich eine Offset-Gleichspannung am Ausgang eingeführt, was für bestimmte Anwendungsfälle besonders vorteilhaft sein kann. Es'sei ferner bemerkt, daß die beiden Eingänge des Verstärkers 44 in Fig. 3 auch miteinander vertauscht sein können. Dem Fachmann werden zahlreiche weitere Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung erkennbar.

Fig. 5 zeigt die Schaltung eines vollständigen Meßverstärkers, wie sie in integrierter CMOS-Technologie hergestellt werden kann. Die CMOS-Schalterelemente und andere Schaltelemente sind mit denselben Bezugszeichen wie in Fig. 3 versehen. Jeder Schalter besteht aus zwei komplementären Schalterelementen, d.h. aus zwei N-Kanal- bzw. P-Kanal-Transistoren, die einander parallelgeschaltet sind. Diese Parallelschaltung bildet einen geschlossenen Schaltkontakt, wenn die Gate-Elektrode des P-Kanal-Transistors mit negativem Betriebsspannungspotential und die Gate-Elektrode des N-Kanal-Transistors mit positivem Betriebsspannungspotential verbunden ist. Der Schalt-

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kontakt ist geöffnet, wenn die Gate-Elektrode des P-Kanal-Transistors mit positivem Betriebsspannungspotential und die Gate-Elektrode des N-Kanal-Transistors mit negativem Betriebsspannungspotential verbunden ist. Die Schalter sind mit den Kondensatoren 33 und 34 in der bereits in Fig. 3 gezeigten Weise verbunden. Ähnlich sind die Anschlüsse 311 32 und 41 beschaltet-., Es ist ferner ein Takteingangsanschluß 61 vorgesehen, der die Umschaltesignale über eine Leitung 62 den Gate-Elektroden jeweils der einen Hälfte der MOS-Transistoren zuführt, die Schalterelemente bilden. Ferner werden die Signale über einen MOS·¹·Inverter 63 auf eine Leitung 64 geführt, die mit den Gate-Elektroden der anderen Hälften der Transistoren verbunden ist, die die Schalterelemente bilden. Mit Anschaltung des positiven Takt- oder Umschaltesignals an die Leitung 62 und eines entsprechenden negativen Signals an die Leitung 64 werden also die Schalter 37, 47, 36 und 43 geschlossen und die Schalter 46, 39ι 42 und 38 geöffnet. Dieser Schaltzustand entspricht dann dem in Fig. 4B gezeigten Zustand, in dem der Kondensator 34 an die Referenzspannung und an den Eingang 66 des Verstärkers über die Schalter 43 und 47 angeschaltet ist. Gleichzeitig ist der Kondensator 33 an die Eingangsanschlüsse 31 und 32 über die Schalter 37 und 36 angeschaltet. Die Polarität des Taktsignals am Anschluß 61 kehrt sich dann um, und es wird ein negatives Signal auf die Leitung 62 und ein positives Signal auf die Leitung 64 gegeben, so daß die Schalter 46, 39, 42 und 38 geschlossen-und die Schalter 37 _f 47, 36 und 43 geöffnet werden. Der Kondensator 33 ist dann zwischen die Referenzspannung und den Verstärkereingang 66 geschaltet, während der Kondensator 34 an die Eingangsanschlüsse 31 und 32 angeschaltet ist. Dieser Schaltzustand entspricht dann dem in Fig. 4A gezeigten Zustand.

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Der in Fig. 5 gezeigte Operationsverstärker 44 enthält ein N-Kanal-Eingangstransistorpaar 71 und 72 in Differenzverstärkerschaltung, die über einen Widerstand 73 rait V- am Anschluß 74 verbunden sind. Der nicht invertierende Eingang 66 des Verstärkers 44 liegt an der Gate-Elektrode des Transistors 71, der invertierende Eingang 76 an der Gate-Elektrode des Transistors 72. Der invertierende Eingang 76 ist mit Erdpotential als Referenzspannung über den Widerstand R* verbunden. Die Transistoren 71 und 72 sind mit Stromspiegeln 77 und 78 verbunden, die jeweils durch einen P-Kanal-Transistor gebildet sind. Die Transistoren 77 und 78 sind mit V+ am Anschluß 83 verbunden, und ein Ausgangstransistor 84 ist einerseits mit V+, andererseits über einen Widerstand 86 mit V- verbunden. Der Ausgangstransistor 84 wird dadurch gesteuert, daß seine Gate-Elektrode mit der Verbindung der Transistoren 71 und 77 verbunden ist und daß ein Kompensationskondensator 80 zwischen seine Gate- und seine Drain-Elektrode geschaltet ist. Der Ausgangsanschluß 51 ist mit dem negativen Anschluß des Ausgangstransistors 84 und über einen Gegenkopplungswiderstand Rp mit den invertierenden Verstärkereingang 76 verbunden. Zum Nullabgleich der Offsetspannung dieses Verstärkers ist ein variabler Widerstand 88 an die beiden Transistoren 77 und 78 angeschaltet. Dieser Widerstand 88 kann extern vorgesehen sein. In diesem Falle sind in dargestellter Weise Offsetanschlüsse als Teil der integrierten Schaltung vorgesehen. Es sei ferner bemerkt, daß die Kondensatoren 33 und 34 gleichfalls als externe Elemente vorgesehen sein können, so daß dann auch Kondensatoranschlüsse als Teil der integrierten Schaltung vorzusehen sind.

Der in Fig. 5 gezeigte Operationsverstärker stellt lediglich ein Beispiel eines verwendbaren Verstärkers dar. Beispielsweise kann auch ein Verstärker mit automatischem

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Nullabgleich oder jeder andere geeignete Verstärker vorgesehen sein.

Die in Fig. 5 gezeigte Schaltungsanordnung stellt einen möglichen Anwendungsfall der Erfindung dar, bei dem zwei Speicherkondensatoren 33 und 34 abwechselnd umgeschaltet werden. Dies erfolgt durch elektrische Signale, die den CMOS-Schalterelementen zugeführt werden. In einer ersten Schalterstellung wird ein erster Kondensator auf die Eingangsspannungsdifferenz aufgeladen, und dieser Kondensator wird in einer zweiten Schalterstellung dann zwischen die Referenzspannung und den nicht invertierenden Eingang des Verstärkers geschaltet. Wie bereits ausgeführt, erweist sich die Schaltungsanordnung nach der Erfindung als sehr vorteilhaft im Hinblick auf minimale Gleichtaktfehler und minimale Unempfindlichkeit gegenüber der Leistung der Einzelelemente wie z.B. Widerstände und Kondensatoren. Probleme bekannter Schaltungen insbesondere in Verbindung mit der Widerstandsverhältnisanpassung werden durch die Erfindung vermieden.

Die Erfindung ermöglicht eine echte Entkopplung des Verstärkereingangs z.B. gegenüber einer Brückenschaltung und vermeidet gleichzeitig die bisherigen Probleme des Bezugs einer Spannungsdifferenz auf eine dritte Referenzspannung unabhängig von den tatsächlichen Spannungswerten, zwischen denen die Differenz auftritt. Es sei ferner bemerkt, daß die Erfindung nicht auf die Verwendung zweier Kondensatoren beschränkt ist, denn es können auch mehr als zwei Kondensatoren jeweils umgeschaltet werden. Durch die Erfindung werden die Herstellungskosten einer Signalpegelumsetzungsschaltung wesentlich verringert und die Leistung derartiger Schaltungen verbessert, so daß sie sich besonders für Meßverstärker eignen.

Die vorstehend beschriebenen Merkmale der Erfindung können einzeln oder in beliebiger Zusammenfassung erfindungswesentlich sein. 909849/0493

-to-

Leerseite

Claims

Patentansprüche ,

Schaltungsanordnung zur Signalpegelumsetzung, insbesondere für Meßverstärker, mit mindestens einem Verstärker und einer Schaltervorrichtung zur abwechselnden Beschaltung seines Eingangs mit einem umzusetzenden Signal und mit einer Referenzspannung, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Kapazitäten (33, 34) vorgesehen sind, die mittels der Schaltervorrichtung (36, 37, 38, 39, 42, 43, 46, 47) abwechselnd zwischen den Verstärkereingang und die Referenzspannung (41) sowie an das umzusetzende Signal angeschaltet werden.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der Umschaltung der beiden Kapazitäten (33, 34) größer als die höchstmögliche Frequenz oder Frequenzkomponente des umzusetzenden Signals ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltervorrichtung (36, 37» 38, 39, 42, 43, 46, 47) zwei Gruppen (38, 39, 42, 46; 36, 37, 43, 47) elektrisch steuerbarer Schalterelemente enthält, die abwechselnd geschlossen und geöffnet werden und die Kapazitäten (33, 34) umschalten.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalterelemente (38, 39, 42, 46j 36, 37, 43, 47) CMOS-Transistorelemente sind, die durch Taktimpulse (61, 62) gruppenweise leitend bzw· nichtleitend gesteuert werden.

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ORIGINAL INSPECTED
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch .gekennzeichnet, daß der Verstärker (44) einen zweiten Eingang aufweist, der über einen Widerstand (R₁) mit der Referenzspannung (48) verbunden ist, und daß dieser Eingang über einen weiteren Widerstand (R₂) mit dem Verstärkerausgang (51) verbunden ist.
6· Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß acht Schalterelemente vorgesehen sind, die gruppenweise abwechselnd geschlossen und geöffnet werden und im jeweils geschlossenen Zustand mit der einen Gruppe (33, 39, 42, 46) eine erste Kapazität (34) an zwei mit dem umzusetzenden Signal gespeiste Eingangsanschlüsse (31, 32) und eine weitere Kapazität (33) zwischen den Verstärkereingang und die Referenzspannung (41) schalten und mit der anderen Gruppe (36, 37, 43, 47) die weitere Kapazität (33) an die Eingangsanschlüsse (31, 32) und die erste Kapazität (34) zwischen den Verstärkereingang und die Referenzspannung (41) schalten.
7* Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der einen Gruppe von Scheiterelementen (38, 39, 42, 46) ein erstes Schalterelement (38) den ersten Anschluß der ersten Kapazität (34) mit dem ersten Eingangsanschluß (31), ein zweites Schalterelement (39) den zweiten Anschluß der ersten Kapazität (34) mit dem zweiten Eingangsanschluß (32), ein drittes Schalterelement (42) den ersten Anschluß der weiteren Kapazität (33) mit der Referenzspannung (41) und ein viertes Schalterelement (46) den zweiten Anschluß der weiteren Kapazität (33) mit dem Verstärkereingang verbindet und daß in der anderen Gruppe von Schalter-

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elementen (36, 37, 43, 47) ein fünftes Schalterelement (36) den ersten Anschluß der weiteren Kapazität (33) mit dem ersten Eingangsanschluß (31), ein sechstes Schalterelement (37) den zweiten Anschluß der weiteren Kapazität (33) mit dem zweiten Eingangsanschluß (32), ein siebentes Schalterelement (43) den ersten Anschluß der ersten Kapazität (34) mit der Referenzspannung (41) und ein achtes Schalterelement (47) den zweiten Anschluß der ersten Kapazität mit dem Verstärkereingang verbindet.
8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Verstärkereingang ein nicht invertierender und der zweite Verstärkereingang ein invertierender Eingang ist.
9· Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannung Erdpotential führt.

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