DE3245582A1

DE3245582A1 - Dynamische verstaerkerschaltung

Info

Publication number: DE3245582A1
Application number: DE19823245582
Authority: DE
Inventors: Arthur Hermanus Maria van 5621 Eindhoven Roermund
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1981-12-31
Filing date: 1982-12-09
Publication date: 1983-07-21
Also published as: US4502019A; DE3245582C2; IE823108L; GB2113034B; FR2519487A1; CA1192277A; IT8225016A1; IT8225016A0; FR2519487B1; GB2113034A; JPH0322728B2; JPS58119221A; IE54057B1; NL8105919A; IT1153931B

Description

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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,

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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

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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-

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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

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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

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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 t_o 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

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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

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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

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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 T_Q 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. -V_T)/C· und durch die Abhängigkeit von der Schwellenspannung V_T Prozessabhängig ist. Der Zusatz des Stromquellentransistors T hat zur Folge,

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dass, was über die Schwellenspannung V_T 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 T_Q 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

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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

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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

PHN 10.226 *" " y^ 17-11-1982 PATENTANSPRÜCHE;

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,

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,

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.