DE3128028A1

DE3128028A1 - "integrierter verstaerker zur bearbeitung kleinster eingangsspannungen"

Info

Publication number: DE3128028A1
Application number: DE19813128028
Authority: DE
Inventors: Hartmut 7410 Reutlingen Seiler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1981-07-16
Filing date: 1981-07-16
Publication date: 1983-02-03
Also published as: US4479095A; DE3128028C2

Description

«•7152

9.6.1981 Bt/Hm

ROBERT BOSCH GMBH, 7OOO STUTTGART 1

Integrierter Verstärker zur Bearbeitung kleinster Eingangsspannungen

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem integrierten Verstärker nach der Gattung des Hauptanspruchs. Integrierte Operationsverstärker sind in einer Vielzahl von Ausführungsformen bekannt (siehe U. Tietze, Ch. Schenk, Halbleiterschaltungstechnik k. Auflage, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, Seite 93 bis 121). Bei diesen bekannten integrierten Operationsverstärkern liegen die typischen Werte für die Offsetspannug bei einigen mV. Bei einem geforderten Eingangsspannungsbereich von 10 jiV bis 10 mV sind diese Operationsverstärker nicht einsetzbar. Sollen solche Signale verarbeitet werden, müssen ehopperstabilisierte Verstärker eingesetzt werden. Diese sind teuer und als integrierte Bausteine nicht verfügbar.

Vorteile der - Erfindung

Der erfindungsgemäße integrierte Verstärker mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil,' daß der dem als Differenzverstärker geschalteten Signalverstärker nachgeschalteten Regelkreis die
Offsetspannung ausregelt. Daher ist es möglich, hochohmige Eingangssignale im Bereich·von 10 uV bis 1OmV verstärken zu können. Weiterhin ist vorteilhaft, daß der erfindungsgemäße Verstärker sehr niedrige Frequenzen, z.B. Frequenzen kleiner als 1 Hz₈ noch übertragen kann. Des weiteren läßt sich der Verstärker in integrierter Technik mit einer minimalen Außenbeschaltung und Anschlußklemmenzahl realisieren.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verstärkers ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1
das Blockschaltbild des Ausführungsbeispiels und Figur 2
die schaltungsgemäße Ausgestaltung des Signalverstärkers.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Der erfindungsgemäße integrierte Verstärker soll zur Verarbeitung für kleinste Spannungen im Bereich von 0 bis
5 mV insbesondere zur Verstärkung und Auswertung der
Signale einer Dehnungsmeßstreifen-Brücke in einem Airbag-Auslösegerät Verwendung finden.

BAD

standsabschluß - oder als Integrator - mit Kondensatorabschluß - einsetzen. Die Übertragungseigensehaft dieses Verstärkers wird durch das Verhältnis von Ausgangs strom zu Eingangsspannung beschrieben. Im Gegensatz zu den meist verwendeten Operationsverstärkern lassen sich mit Stromverstärkern Verstärker konstanter bzw. einstellbarer Verstärkung und Integratoren mit konstanter bzw. einstellbarer Integrationszeit ohne Rückkopplung auf den Eingang realisieren. Daher entfallen die mit einer Rückkopplung verbundenen Nachteile, wie Schwingungsneigung des Verstärkers bzw. niedrige Grenzfrequenz als Folge der Maßnahmen, die zur Unterdrückung des Schwingens^ wie z.B. die Phasengangkorrektur des Verstärkers notwendig sind.

In der Figur 1 ist das Blockschaltbild des erfindungsgemäßem Verstärkers dargestellt. Es zeigt einen Signalverstärker 1 mit linearer Übertragungskennlinie, d.h. der Ausgangsstrom ist proportional zur Eingangsspannung. Der Signalverstärker 1 ist mit einem Regelkreis, der aus dem Schaltverstärker 2, dem Kondensator 3 und den weiteren Verstärker k besteht, verbunden. Der Ausgang des Signalverstärkers 1 ist an den nicht invertierenden Eingang des Schaltverstärkers 2 angeschlossen, während sein invertierender Eingang auf einem festen Bezugspotential z.B. auf Massepotential liegt und sein Ausgang einerseits über den Kondensator 3 an Masse angeschlossen und andererseits mit dem invertierenden Eingang des weiteren Verstärkers k verbunden ist. Der nicht invertierende Eingang des weiteren Verstärkers h ist an den invertierenden Eingang des Schaltverstärkers 2 angeschlossen. Der Ausgang des weiteren Verstärkers h ist mit dem Ausgang des Signalverstärkers 1 verbunden. Der in weiteren in der Figur dargestellte Auskoppelverstärker 5 ist eine

vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verstärkers, er ist für dessen Funktion nicht unbedingt notwendig. Der Ausgang des Signalverstärkers 1 ist mit einem Eingang des Auskoppelverstärkers 5 verbunden, der zweite Eingang des Auskoppelverstärkers 5 ist an Masse angeschlossen.

Die in Figur 2 dargestellte Möglichkeit zur Realisierung des Signalverstärkers 1 zeigt einen Differenzverstärker 6 mit jeweils in den Kollektorkreisen nachgeschalteten Aufwärtsstromspiegeln 7 mit den Übersetzungsverhältnissen m., wobei m eine ganzzahlige Zahl ist. Der Eingang der Stromspiegel ist jeweils mit einem Punkt bezeichnet. Als Aufwärt sstromspiegel wird ein Stromspiegel bezeichnet, dessen Ausgangsstrom ein Vielfaches des Eingangsstroms ist. Das Verhältnis von Eingangsstrom zu Ausgangsstrom läßt sich über das Verhältnis der Emitterflächen von Eingangs- und Ausgangstransistoren einstellen. Die Steilheit der in Figur 2 dargestellten Realisierung des Signalverstärkers 1 ergibt sich aus dem Produkt der Steilheit

des Differenzverstärkers 6, wobei U„ die Temperaturspannung und I der von der Stromquelle im Emitterzweig des Differenzverstärkers 6 erzeugte Strom ist, und den Verstärkungsfaktoren der nachgeschalteten Aufwärtsstromspiegel m, ... m. zu

S =

* Uf ₁

Wird in der im Emitterzweig li.egenden Stromquelle ein Strom proportional zu U„ erzeugt, so wird die Steilheit temperaturunabhängig. Die in der Figur 2 gezeigte Stromquelle, bestehend aus den Transistoren 8_S 9, dem Widerstand 10 und dem Stromspiegel 11 ist wie folgt von der Temperaturspannung υ_φ abhängig:

^UT
I ⁼ ö— In η

•wobei η das Verhältnis der Emitterfläche des Transistors zur Emitterfläche des Transistors 1 angibt.

Der Ausgang 12 des Differenzrerstärkers 6 mit den nachgeschalteten Stromspiegeln 7 ist in vorteilhafter Ergänzung mit dem Verstärker 13 verbunden. Dieser Verstärker 13 ist zur Realisierung des Signalverstärkers 1 nicht unbedingt notwendig, durch ihn kann die Steilheit des Signalverstärkers 1 weiter erhöht werden, jedoch ohne weitere Verstärkung des Gleichstromanteils, dem der Signalstrom überlagert ist. Es ist nicht sinnvoll, den Strom durch die Aufwärtsstromspiegel 7 zu sehr hochzutransformieren, da technologische Schwierigkeiten bei der Verwirklichung der Stromspiegel auftreten, wenn der Strom durch die Stromspiegel zu groß wird. Wird jedoch eine hohe Steilheit vom Signalverstärker 1 verlangt, so wird mit Hilfe der Aufwärtsstromspiegel 7 erst eine mittlere Steilheit erlangt, die durch den Verstärker 13 weiter gesteigert wird. Dieser Verstärker 13 soll einen Eingangsstrom proportional in einen Ausgangsstrom umsetzen, d.h. er soll die Eigenschaften eines Aufwärtsstromspiegels besitzen, jedoch mit dem Unterschied, daß sowohl positive wie negative Ströme übertragen werden können. Der Verstärker 13 besteht daher im wesentlichen aus zwei Aufwärtsstromspiegeln entgegengesetzter Polarität und einer geeigneten Vorspannschaltung, die das Potential am Eingang des Verstärkers 13 festlegt.

Der Schaltverstärker 2 ist als Differenzverstärker mit nachgeschalteten Abwärtsstromspiegeln ausgebildet. Analog zu den Aufwärtsstromspiegeln wird bei den Abwärtsstromspiegeln das Verhältnis von Eingangs- zu Ausgangsstrom durch das Verhältnis der Emitterflächen von Eingangs- und Ausgangstransistoren bestimmt. Bei einem Abwärtsstromspiegel ist die maßgebliche Emitterfläche des Eingangstransistors größer als die des Ausgangstransistors und somit der Ausgangsstrom kleiner als der Eingangsstrom.

Der Schaltverstärker 2 soll möglichst unabhängig von der Größe des Ausgangssignals am Signalverstärker 1 nur in Abhängigkeit von dessen Polarität an seinem Ausgang einen konstanten Strom entweder heraus- oder hineinfließen lassen. Sein linearer Eingangsbereich sollte daher so klein wie möglich sein, sein Ausgangsstrom, der den Kondensator 3 auf- bzw. entlädt, wird entsprechend der gewünschten Regelzeitkonstanten des Systems dimensioniert. In den meisten Fällen wird man diesen Strom so klein wie möglich machen, um den Kondensator ebenfalls klein halten zu können. Es lassen sich mit der erfindungsgemäßen Anordnung Verstärker dimensionieren, die Signale im Bereich von 100 juV bis 10 mV mit einer unteren Grenzfrequenz kleiner 1 Hz bei einem Kondensator 3 von wenigen pF und einer Gesamtsteilheit von "τττο übertragen.

Der dem Schaltverstärker 2 nachgeschaltete weitere Verstärker k vergleicht die Spannung am Kondensator 3 mit einem Referenzpotential z.B. Massepotential und liefert an seinem Ausgang ein dieser Spannungsdifferenz proportionalen Strom, welcher gegenphasig zum Signalstrom des Signalverstärkers 1 ist. Einem konstanten Ausgangsstrom des Signelverstärkers 1 wird vom Verstärker k solange ein gegenphasiger Strom hinzugefügt, bis die Summe beider Ströme verschwindet. Die Zeit T , die vergeht, bis ein Signal des Signalverstärkers 1 ausgeregelt ist, ist proportional zur Signalgröße, zur Größe des Kondensators 3, zum Ausgangsstrom des Schaltverstärkers 2 und umgekehrt proportional zur Steilheit des Verstärkers k. Es gilt:
φ - ^C3 · ¹

° ^Sh I

' Aus 2

oder bezogen auf die Eingangsspannung des Signalverstärkers

BAD ORIGINAL

^Το ■ ^UEin1 ' ^C3 * Βζ

Es ist zu erkennen, daß kleine Eingangsgleichsignale schneller ausgeregelt werden als große Eingangsgleichsignale und daß Wechselsignale mit einer Frequenz größer als — um so weniger verändert werden, je größer die Signalfreqjienz im

Vergleich zu =— ist.
ο

Bei einem -realisierbaren Verstärker mit folgenden Daten:

^S1 ⁼ TöxT / ^stl· ⁼ TöJsh i^XAus2 = ^{1o a}

C₃ = 10 /IF, U_Ein1 = 100
ergibt sich

T = 1 see
ο

Der Verstärker k ist ebenfalls ein Differenzverstärker. Um jedoch einen möglichst großen Spannungshub am Kondensator 3 zur Verfugung zu haben, ist es notwendig, den linearen Eingangsbereich des Verstärkers k so groß wie möglich zu machen. Dies geschieht z.B. durch Einfügen von Gegenkopplungswiderständen in den Emitterzweigen des Differenztransistorpaares.

Zur Auskopplung des Signals am Ausgang des Signalverstärkers 1 ist es von Vorteil^einen weiteren speziellen Auskoppelverstärker 5 vom Typ des Verstärkers 13 zu verwenden. Der Auskoppelverstärker 5 soll die Eigenschaft haben, einen positiven wie negativen Eingangsstrom proportional zu übertragen. Darüber hinaus darf der Auskoppelverstärker 5 den

3128023

Schaltverstärker 2 in seiner Funktion nicht behindern, d.h. er darf einerseits in der Umgebung des linearen Eingangsspannungsbereiches des Schaltverstärkers 2 den sehr hohen Innenwiderstand der Gegentakt Stromquellen am Ausgang der Verstärker 1 und k nicht wesentlich herabsetzen, andererseits muß er nach Überschreiten des linearen Bereiches des Schaltverstärkers 2 die Spannung am Ausgang des Verstärkers 1 je nach Polarität des Signals oberhalb oder unterhalb des festen Bezugspotentials, mit dem der invertierende Eingang des Schaltverstärkers 2 verbunden ist, begrenzen, denn nur so ist eine proportionale Stromübertragung vom Eingang des Auskoppelverstärkers 5 auf seinen Ausgang möglich. Realisieren läßt sich der Auskoppelverstärker 5 durch zwei nicht oder nur gering vorgespannte Stromspiegel entgegengesetzter Polarität, welche auf das feste Potential bezogen sind, mit dem der invertierende Eingang des Schaltverstärkers 2 und der nicht invertierende Eingang des Verstärkers k verbunden sind.

Die Wirkungsweise des in Figur 1 dargestellten erfindungsgemäßen Breitbandverstärker wird imjfolgenden näher erläutert: Die statischen Offsetspannungen und die langsamen Offsetspannungsdriften (Frequenz < 1/T ), die als statisches Ausgangssignal am Signalverstärker anliegen, werden auf den Eingang des Schaltverstärkers 2 geleitet. Dieser Schaltverstärker ist so konstruiert, daß er durch minimale Spannungen an seinem Eingang sofort übersteuert wird. Er wirkt wie ein Schalter, der in Abhängigkeit vom Vorzeichen des Signals den Kondensator 3 mit konstantem Strom lädt bzw. entlädt. Der weitere Verstärker h setzt die Spannung am Kondensator 3 linear in einen Ausgangsstrom um, der gegenphasig zum Ausgangssignal des Signalverstärkers 1 ist und solange zunimmt, bis das Ausgangssignal des Signalverstärri kers 1 verschwindet. Der Auskoppelverstärker 5 unterstützt

BAD ORIGINAL

den Schaltverstärker 2 in seiner Schaltfunktion, da "beim Vorzeichenwechsel des Ausgangssignals des Signalverstärkers 1 die Eingangsspannung springt und somit der Schaltverstärker 2 stets übersteuert wird. Daher wird trotz, eines gewissen Proportionalbereiches der Übertragungskennlinie des Schaltverstärkers 2 dieser schon durch kleinste Signale am Ausgang des Signalverstärkers 1 übersteuert.

Claims

9.6.1981 Bt/Hm

ROBERT BOSCH GMBH, 7OOO STUTTGART 1

Ansprüche

fly Integrierter Verstärker zur Verarbeitung kleinster Eingangsspannungen mit einem als Differenzverstärker geschalteten Signalverstärker, dadurch gekennzeichnet, daß der
Ausgang des Signalverstärkers (1) mit dem Eingang eines
Schaltverstärkers (2) und dem Ausgang eines weiteren Verstärkers (U) verbunden ist und daß der Ausgang des Schaltverstärkers über einen Kondensator (3) an Masse geschaltet ist und mit dem Eingang des weiteren Verstärkers· (h) verbunden ist.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalverstärker (1) und der weitere Verstärker (k) eine lineare Übertragungskennlinie (Ausgangsstrom ist proportional zur Eingangsspannung) aufweisen.

3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltverstärker (2) schon durch kleinste Signale an seinem Eingang übersteuert wird.

k. Verstärker nach Anspruch 3, dadurch' gekennzeichnet, daß der Schaltverstärker (2) ein Differenzverstärker ist und zur Verringerung des Ausgansstroms dem Differenzverstärker Abwärtsstromspiegel nachgeschaltet sind.

5. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis k, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Steilheit des Signalverstärkers (1) dessen Differenzverstärker (6) Aufwärtsstromspiegel (T) nachgeschaltet sind.

6. Verstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom der Konstantstromq.uelle (8, 9, 10, 11) in der gemeinsamen Emitterleitung des Differenzverstärkers proportional zur Temperaturspannung (U_) ist.

7. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Signalverstärker (1) ein Auskoppelverstärker (5) nachgeschaltet ist, dessen Eingangskennlinie derart gebildet ist, daß die Eingangs spannung beim Vorzeichenwechsel des Eingangsstromes springt und dann nahezu konstant bleibt.

8. Verstärker nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsstrom des Auskoppelverstärkers (5) proportional zu seinem Eingangsstrom ist.

9· Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Verstärker (U) als Differenzverstärker geschaltet ist, wobei in den Emitterzweigen der Eingangstransistoren jeweils ein Gegenkopplungswiderstand geschaltet ist.

10. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 "bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalverstärker (1), der Schaltverstärker (2), der weitere Verstärker (k) und der Auskoppelverstärker (5) an ihren Ausgängen eine Gegentaktstromquelle aufweisen.