DE3245582A1 - Dynamische verstaerkerschaltung - Google Patents
Dynamische verstaerkerschaltungInfo
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Description
t ft ·
PHN 10.226 "" Λ 17-11-1982.
"Dynamische Verstärkerschaltung".
Die Erfindung betrifft eine dynamische Verstärkerschaltung zum Verstärken eines Signals bei einem Befehl
eines Taktsignals in einem ersten Zeitintervall, mit einer Ruhestrom-Einstellschaltung zum Durchfliessen der Verstärleerschaltung
mit einem Ruhestrom mit einer von einem An— fangswert abfallenden Stärke in diesem ersten Zeitintervall.
Derartige dynamische Verstärkerschaltungen werden u.a. in Schaltungen mit geschalteten Kondensatoren zum Erhalten
einer Filterwirkung benutzt (in englischer Sprache: "Switched capacitor filters") und sind als Ersatz von Operationsverstärkern
in derartigen Schaltungen u.a. vorgeschlagen in:
Copeland, M.A. and Rabacy, J.M.: "Dynamic aplifier for
M.O.S. technology", Electronics Letters, 1979, Vol. 15,
No. 10, S. 301 und 302;
Hosticka, B.J.: "Dynamic amplifiers in CM.0.S. technology",
Electronics Letters", 1979, Vol. 15, No. 25, S. 8I9 und 820,
und
Hosticka, B.J.: "Dynamic CM.O.S, amplifiers", IEE Journal
of Solid-State Circuits, Vol. SC-5, No. 5, S. 887 ... 894.
Der Vorteil einer derartigen dynamischen Verstärkerschaltung besteht darin, dass am Anfang der Verstärkurigsdauer,
im erwähnten ersten Zeitintervall, der Ruhestrom der Verstärkerschaltung hoch ist, was eine hohe Geschwindigkeit
der Verstärkerschaltung am Anfang der Verstärkungsdauer
bedeutet, dass am Ende der Verstärkungsdauer der Ruhestrom
gering ist, was eine hohe Verstärkung und somit eine hohe Genauigkeit am Ende der Verstärkungsperiode bedeutet.
Bei der Verwendung derartiger dynamischer Ver-Stärkerschaltungen
zeigt es sich, dass eine damit aufgebaute Schaltung mit geschalteten Kondensatoren ausserordentlich
störempfindlich ist, insbesondere am Ende des ersten
Zeitintervalls, in dem der Ruhestrom sehr klein sein kann,
α λ
• · ■
• · ■
PHN 10.226 ." ^3 17-11-1982
und in einem möglicherweise nachfolgenden Zeitintervall, in dem der Verstärker abgeschaltet ist. Weiter zeigt es SiCh9
dass derartige Verstärkerschaltungen problematisch sind, wenn eine Kapazität, beispielsweise eine Eingangskapazität
einer folgenden Stufe zwischen die Ausgänge zweier derartiger dynamischer Verstärkerschaltungen aufgenommen wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine dynamische Verstärkerschaltung eingangs erwähnter Art anzu
£·, eben, die die erwähnten Nachteile nicht hat.
Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass die erwähnten Probleme dadurch entstehen, dass der
Endvert des Ruhestroms Undefiniert ist und dadurch die Verstärkereigenschaften
oder sogar der Ruhestrom auf nahezu Null absinkt, der Verstärker nicht mehr arbeitet und dass
dies im ersten Zeitintervall der Fall ist, wenn nicht die Anfangsstärke des absinkenden Ruhestroms im Zusammenhang
mit den verschiedenen Parameterstreuungen und dem Zusammenhang zwischen Anfangsstärke und Endstärke extrem hoch gewählt
wird, was oft unerwünscht ist.
Die erfindungsgemässe Lösung ist dementsprechend dadurch gekennzeichnet, dass die Ruhestrom-Einsteilsehaltung
eine zusätzliche Quelle zum DurchfHessen der Verstärkerschaltung mit einem in bezug auf den erwähnten Ruhestrom im
wesentlichen konstanten Strom mit einer Stärke, die in bezug auf den erwähnten Anfangswert relativ gering ist, um
den minimalen Ruhestrom in der Verstärkerschaltung am Ende dieses Zeitintervalls zu definieren.
Hinsichtlich einer dynamischen Verstärkerschaltung, in der die Ruhestrom-Eirstellschaltung einen geschalteten
Kondensator, der derart geschaltet wird, dass er in einem
dem ersten Zeitintervall vorangehenden Zeitintervall aufgeladen und im ersten Zeitintervall entladen wird, zum Verwirklichen
des erwähnten Verlaufs enthält, kann die Erfindung näher dadurch gekennzeichnet werden, dass eine Stromquelle
in einem Kreis angeordnet ist, der parallel zum Kreis verläuft, in der der geschaltete Kondensator angeordnet ist.
AusfUhrungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
BAD
nachträglich geändert
PHN 10.226
y 17-11-1982
Fig. 1a eine erste Ausführungsforra einer dynamischen er-
findungsgemäss angewandten Verstärkerschaltung,
Fig. 1b einige Diagramme zur Erläuterung der Schaltungswirkung nach Fig. 1a,
Fig. 1c einen abgewandelten Teil der Schaltung nach Fig. la,
Fig. 2a eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäss
angewandten dynamischen Verstärkerschaltung, Fig. 2b einige Diagramme zur Erläuterung der Wirkung der
Verstärkerschaltung nach Fig. 2^.,
Fig. 3^ eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäss
angewandten dynamischen Verstärkerschaltung/. «nd
Fi g- 3-b—ii-g ggläuterunrg der ¥irkung -d-err- -
g* Ja, -
Die Ausführungsform nach Fig. 1a basiert auf den dynamischen Verstärkerschaltungen, wie sie u.a. in der erwähnten
Veröffentlichung von B.J. Hosticka in Electronics
Letters 1979, Vol. 15, S. 8I9 und 820 beschrieben werden,
und enthält eine Verstärkerschaltung mit als Differenzpaar
geschalteten Eingangstransistoren T und T„, deren Gateelektroden
mit Eingangsanschlüssen 1 und 2 verbunden sind. Ein Ausgangssignalstrom wird an einem Ausgang 3 mit Hilfe
eines Stromspiegels ausgekoppelt, der aus den Transistoren T und T. besteht. Die Sourceströme werden den Sourceelektroden
der Transistoren T und T„ Über einen Transistor T
zugeführt, der zusammen mit einem Transistor T/, dessen
Drainelektrode mit der Gateelektrode verbunden ist, als Stromspiegel geschaltet ist. Für die Ruhestromversorgung
des Verstärkers ist die Drainelektrode des Transistors T^
über einen Kondensator C1 mit der positiven Speiseleitung
verbunden. Parallel zu diesem Kondensator ist ein Schalter 5 angeordnet, der durch ein Signal Q geschaltet wird, und
zwischen dem Kondensator C und der Drainelektrode des Transistors T,- ist ein Schalter 6 angeordnet, der durch ein
Signal Q geschaltet wird.
In Fig. 1b sind die Signale Q und Q dargestellt. Vor dem Zeitpunkt t ist der Schalter 6 geöffnet und der
Schalter 5 geschlossen. Der Kondensator C1 ist dabei ent-
PHN 10.226 " " ^P 17-11-1982
laden. Zum Zeitpunkt t schliesst sich der Schalter 6 und
öffnet der Schalter 5· Der Kondensator C1 lädt sich dabei
über den Transistor TV auf, wodurch ein exponentiell absinkender
Ladestrom ausgelöst wird, der Gesamt-Sourceströme I des Differenzpaares zur Folge hat, die als Strom X in
EL
Fig. 1b dargestellt sind. Nach einiger Zeit ist dieser
Strom I so weit abgesunken, dass das Differenzpaar T , T0
a \ ei.
nicht mehr als Verstärker wirksam sein kann. Von diesem Zeitpunkt ist die Schaltung, in die ein derartiger dynamischer
Verstärker aufgenommen ist, besonders empfindlich für Störungen wie Taktübersprechen und kapazitive Signalweiterkopplung.
Wird eine Ausgangsschaltung, beispielsweise die Eingangskapzität einer folgenden Stufe zwischen zwei
Ausgänge 3 zweier dynamischer Verstärker nach Fig. Ta schwebend aufgenommen, wird dies problematisch, weil beide Verstärker
nicht gleichzeitig aufhören. Die Erhöhung des An-
fangsstroms· I (zum Zeitpunkt t ) ist keine Lösung, weil
a ι
unter Berücksichtigung des exponentiellen Zusammenhangs zwischen der Anfangsstärke und der Endstärke und mit verschiedenen
Parameterstreuungen wie der Kapazität des Kondensators C und der Impedanz des Transistors T^ und unter Berücksichtigung
der Mindesttaktfrequenz, also der Maximaldauer
des Zeitraums t1-t„, diese Anfangsstromstärke extrem
hoch sein müsste, der Endwert des Stroms Undefiniert und in vielen Fällen höher als erwünscht ist.
Eine erfindungsgetnässe Lösung ist das Anordnen
einer Stromquelle parallel zum Kondensator C in der Schaltung
nach Fig. 1a in Form eines Transistors T_ mit verbundenen Drain- und Gateelektioden. Die in diesem Fall entstehenden
Source-Summenströme I sind als I, in Fig. 1b dargestellt, wobei der Transistor T den Mindestwert des Stroms I, zum
Zeitpunkt t„ festlegt. Zu diesem Zeitpunkt t„ öffnet sich
der Schalter 6 und hört der Strom I auf. In verschiedenen Anwendungen wie bei der Abwandlung nach Fig„ 1c oder wenn
die Schaltung nach dem Zeitpunkt t„ immernoch störempfindlioh
bleibt, kann es wünschenswert sein, den Verstärker auch nach dem Zeitpunkt t_ (und vor dem Zeitpunkt t ) mittels eines
Mindestruhestroms durch den Verstärker aktiv sein zu lassen.
BAD ORIGINAL
PHN 10.226 ■· -- V£ I7III82
Dies lässt sich u.a. durch die Verbindung der Sourceelektrode des Transistors T_ mit der anderen Seite des Schalters
6 als der erreicht werden, an die diese Quellenelektrode in Fig. 1a angeschlossen ist, wie gestrichelt dargestellt.
Der vom Transistor T gelieferte Strom I fliesst daher
auch nach dem Zeitpunkt to wie in Fig. 1b mit I dargestellt.
Statt der Stromquelle (T_) im Eingangskreis des
Stromspiegels T , Ty- kann sie auch an anderen Stellen angeordnet
werden, zum Beispiel zwischen den Quellenelektroden des Differenzpaares T.. , T„ und der negativen Speiseleitung
10, was in Fig. 1a mit Quelle 7 angegeben ist.
Bei der Schaltung nach Fig. 1a wird in der Phase Q der Verstärker beispielsweise durch Lesen einer kapazitiven
Signalquelle beispielsweise in geschalteten Kapazitäts-T5
filtern aktiviert. In der Phase Q ist der Verstärker unwirksam, gegebenenfalls auf einen Mindestruhestrom I eingestellt.
In bestimmten Anwendungen soll beispielsweise durch alternierende Verbindung mit verschiedenen Eingangssignal—
quellen, der Verstärker in beiden Phasen Q und Q aktiv sein. Der exponentiell absinkende Ruhestrom muss dabei in beiden
Phasen auftreten. Dies lässt sich durch Ausdehnen des Eingangskreises des Stromspiegels T , Ty- nach Fig. 1c erreichen.
Bei dieser Erweiterung ist ein zweiter Kondensator C? in
Serie mit einem Schalter 8, der durch das Signal Q geschaltet wird, zwischen die Drainelektroden des Transistors Ty-
und die positive Speiseleitung 4 aufgenommen. Parallel zum Kondensator C2 ist ein Schalter 9 aufgenommen, der durch das
Signal Q geschaltet wird. In der Phase Q (zwischen den Zeitpunkten t. und tp in Fig. 1b), in der der Kondensator C
den Ruhestrom im Differenzpaar T , T? liefert, ist der Kondensator
C„ vom Schalter 9 kurzgeschlossen. Zum Zeitpunkt
tp öffnet sich der Schalter 9 und schliesst sich der Schalter
8, während sich der Schalter 6 öffnet. In der Phase Q liefert der Kondensator C also den Ruhestrom durch das
Differenzpaar T , Tp, und es fliesst auch in dieser Phase Q
ein exponentiell absinkender Ruhestrom. Dieser Ruhestromverlauf
ist in Fig. Ib mit der Kennlinie I dargestellt. Der konstante Ruhestrom I wird dabei in den beiden Phasen Q
PHN 10.226 " '" J?" i. 17-11-1982
und Q vom Transistor T_ dadurch geliefert, dass der Transistor
T_ mit der Drainelektrode des Transistors T^ ver-7
ο
bunden ist.
In Fig. 2a ist eine Ausführungaform einer erflndungsgemässen
dynamischen Verstärkerschaltung dargestellt, die auf der dynamischen Verstärkerschaltung basiert, wie
sie von M.A. Copeland und J.M. Rabacy in Electronics Letters,
IO-5-I979, Vol. 15, No. 10, S. 301 und 302 beschrieben ist,
wobei in Fig. 2b einige Signalformen zur Erläuterung der Wirkung dieser dynamischen Verstärkerschaltung dargestellt
sind.
Die dynamische Verstärkerschaltung nach Fig. 2a
enthält einen Transistor To in geerdeter Sourceelektrodensehaltung,
dessen Gateelektrode den Eingangsanschluss 11
darstellt, Die Drainelektrode ist über einen Schalter 12, der durch ein Signal Q, geschaltet wird, mit einem Ausgangsanschluss
13 verbunden, der über einen Schalter 1^, der
durch ein Signal Q geschaltet wird, mit einer positiven Speiseleitung 15 und über einen Kondensator C, mit der
Gateelektrode des Transistors T„ verbunden ist. Eine Eingangsschaltung
enthält einen Kondensator Gl1 dessen einer
Anschluss geerdet ist und dessen anderer Anschluss über einen Schalter 16, der durch ein Signal Q geschaltet wird,
mit der Gateelektrode des Transistors T0 und Über einen
Schalter 17» der durch ein Signal Q geschaltet wird, mit
einem Signaleingang 18 verbunden ist.
In der Zeit vor dem Zeitpunkt t (Fig. 2b) sind
durch die Signale Q, Q, Q und Q, die Schalter 12, 14 und
a D
geöffnet und der Schalter 17 geschlossen. Der Kondensator C. wird dabei durch eine Signalspannung am Eingang 18 geladen.
Zum Zeitpunkt t öffnet sich der Schalter 17 und schliessen sich die Schalter 14 und 16. Über den Schalter
wird dabei die Serienschaltung aus den Kondensatoren G und
C. auf die Speisespannung aufgeladen, wobei die Ladungsverteilung
auf die Kondensatoren C' und CY von der Ladungsmenge
bestimmt wird, die vor dem Zeitpunkt t dem Kondensatoren C, zugeführt wurde. Zum Zeitpunkt t öffnet sich
der Schalter 14 und schliesst sich der Schalter 12. Die
PHN 10.226 ·' ·* "^A 17-11-1982
Kondensatoren C_ und C. entladen sich dabei über die Drainelektrode-Source-Strecke
vom Transistor Tq und dienen dabei als Ladungsquelle für den Strom durch, diesen Transistor.
Diese Entladung stoppt, wenn die Spannung an die Gateelektrode des Transistors Tg die Schwellenspannung dieses Transistors
erreicht hat. Die Restladung an dem Kondensator C_ ist dabei von der erwähnten Anfangsladungsverteilung, also
vom Signal am Eingang 18 abhängig und bestimmt die Ausgangsspannung am Ausgang 13· Der Zeitpunkt, zu dem der Transistor
Tq gesperrt ist, ist von mehreren Parametern abhängig, wodurch
diese Parameter derart zu wählen sind, dass die Entladung während der Phase Q erfolgt. Die Folge davon ist,
dass ein Verlauf des Stroms I durch den Transistor T„ gegeben
ist, wie in Fig, 2b mit I angegeben ist: Ein exponen-
tiell absinkender Strom, der in der Phase Q auf Null absinkt,
wodurch die verschiedenen bereits erwähnten Probleme auftreten. Erfindungsgemäss wird daher eine Stromquelle in
dieser Ausführungsform in Form eines Transistors T mit
miteinander verbundenen Gate- und Drainelektroden zwischen den Ausgang 13 und die positive Speiseleitung 15 aufgenommen.
Führt diese Stromquelle einen Strom I , stoppt der Entladungsvorgang, wenn der Strom I (i, in Fig. 2b) durch den
Transistor T0 den Wert I erreicht hat. ο ο
Damit auch in der Phase Q ein Strom I durch den
Transistor Tg fliesst, kann die Stromquelle T zwischen die
Drainelektrode des Transistors T„ und die positive Speiseleitung
15 statt zwischen den Ausgang 13 und die positive
Speiseleitung 15 aufgenommen werden. Der in diesem Fall den
Transistor TQ durchfliessende Strom I ist mit I in Fig. 2b
ο c
bezeichnet.
In Fig. 3 ist eine Abwandlung der erfindungsgemässen
Schaltung nach Fig. 2ä dargestellt. Bei der Schaltung nach
Fig. 2a wird in der Phase Q der Kondensator C· auf die Eingangsspannung
V. aufgeladen und in der Phase Q, auf die Schwellenspannung V_ des Transistors T0 entladen, so dass
1 ο
der Ladungstransport gleich (V. -VT)/C· und durch die Abhängigkeit
von der Schwellenspannung VT Prozessabhängig ist.
Der Zusatz des Stromquellentransistors T hat zur Folge,
PHN 10.226 \.* .- ^K-* " ·— 17-11-
dass, was über die Schwellenspannung VT gestellt wurde,
in diesem Fall über die Quellensteuerelektrode Spannung des Transistors T0 beim Strom I gestellt werden muss.
ο ο
In der Ausrührungsform nach Fig. 3 ist hinsiehtlieh
der Ausführungsform nach Fig. 2a ein Kondensator C-zwischen den Schaltanschlusspunkt 11 und die Gateelektrode
des Transistors Tq aufgenommen. Der Anschlusspunkt 11 ist
ausserdem über einen Schalter 19 mit einer Referenzspannungsquelle
V „ verbunden; der Schalter wird durch das Signal Q geschaltet. Die Gateelektrode des Transistors T0 ist über
einen Schalter 20, der von einem Signal Q gesteuert wird, mit der Drainelektrode des Transistors T0 und über einen
Schalter 21, der von einem Signal Q, gesteuert wird, mit der positiven Speiseleitung 15 verbunden. Der Stromquellentransistor
TQ ist zwischen die positive Speiseleitung 15
und die Drainelektrode des Transistors T0 aufgenommen.
In der Phase Q, in der der Kondensator C. sich auf die Eingangsspannung V. auflädt, ist der Kondensator
C_ an seinem einen Anschluss über den Schalter 19 mxt der
Referenzspannung V _ verbunden. In dieser Phase Q wird
durch das Signal Q,zunächst der Schalter 21 geschlossen^
wodurch der Transistor T0 leitend wird, wonach der Schalter
20 sich schliesst und der Schalter 21 sich öffnet. Dadurch wird der mit der Gateelektrode des Transistors T0 verbundene
Anschluss des Kondensators C_ durch die Entladung dieses
Kondensators über den Transistor T0 auf eine Spannung V
ο ο
gebracht, die die Steuerelektroden-Quellenelektrodenspannung des Transistors T beim Strom I ist. Am Anfang der Phase Q
führt die Kapazität C-_ eine Spannung V „ - V . In der
Phase Q ist die Situation weiter wie bei der Schaltung nach Fig. 2a in dem Sinne, dass zwischen dem Kondensator
Cn und der Steuerelektrode des Transistors T0 ein auf eine
Spannung (V _ - V ) geladener Kondensator vorhanden ist. Die Entladung des Kondensators C. in der Phase Q geht weiter,
bis die Steuerelektrode des Transistors T0 die zum Strom I
ο ρ
gehörende Spannung V führt, bei welcher Spannung die Spannung an dem Kondensator C. gleich der Referenzspannung V
ist. Hierdurch ist der Ladungstransport über den Kondensator
PHN 10.226 jK 17-11-1982
/0"
ft ·
Ci von der prozessabhängigen Spannung V unabhängig geworden.
Die Referenzspannung V „ kann gegebenenfalls auch
eine Signalspannung sein. In diesem Fall kann die Schaltung
5 als ein Differentialintegrator ausgeführt werden.
-/14-
Leerseite
Claims (2)
1. Dynamische Verstärkerschaltung für die Verstärkung
eines Signals beim Befehl eines Taktsignals in einem ersten Zeitintervall, mit einer Ruliestrom-Einstellschaltung zum
DurchfHessen der Verstärkerschaltung mit einem Ruhestrom in diesem ersten Zeitintervall, mit einer vom Anfangsvert absinkenden Stärke,
DurchfHessen der Verstärkerschaltung mit einem Ruhestrom in diesem ersten Zeitintervall, mit einer vom Anfangsvert absinkenden Stärke,
dadurch gekennzeichnet, dass die Ruhestrom-Einstellschaltung
eine zusätzliche Quelle zum Speisen der Verstärkerschaltung
mit einem in bezug auf den erwähnten Ruhestrom im wesent-
Ό liehen konstanten Strom mit einer Stärke umfasst, die in
bezug auf den Anfangswert relativ gering ist, um den minimalen Ruhestrom in der Verstärkerschaltung am Ende dieses Zeitintervalls zu definieren,
bezug auf den Anfangswert relativ gering ist, um den minimalen Ruhestrom in der Verstärkerschaltung am Ende dieses Zeitintervalls zu definieren,
2. Dynamische Verstärkerschaltung, in der die Ruhestrom-Einstellschaltung
einen geschalteten Kondensator, der derart geschaltet wird, dass er in einem dem ersten Zeit--Intervall
vorangehenden Zeitintervall geladen wird und im ersten Zeitintervall entladen wird, zum Verwirklichen des
Verlaufs enthält,
2" dadurch gekennzeichnet. dass eine Stromquelle in einem Kreis
angeordnet ist, der parallel zum Kreis verläuft, in dem
der geschaltete Kondensator angeordnet ist.
der geschaltete Kondensator angeordnet ist.
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Also Published As
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