ES2229934A1 - Circuito electronico amplificador de carga. - Google Patents
Circuito electronico amplificador de carga.Info
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Abstract
Circuito electrónico amplificador de carga. El circuito objeto de la presente invención está orientado a su uso en amplificadores de carga, proporcionando una estabilización continua de su punto de operación. La invención es especialmente apropiada para circuitos integrados en los que la realización de resistencias de alto valor es costosa en área, e introduce parásitos importantes. Mediante el circuito objeto de la presente invención se ha demostrado la posibilidad de construir resistencias de más de 100 gigaohmios. Campos específicos de aplicación son: sensores microelectromecánicos capacitivos, transductores ópticos y piezoeléctricos, y en cualquier aplicación que requiera la medida de carga acumulada o la integración de corriente eléctrica. La invención es igualmente adecuada para su realización en circuitos integrados que necesiten constantes de tiempo muy largas, como integradores o filtros analógicos.
Description
Circuito electrónico amplificador de carga.
La invención que se presenta está orientada a su
uso en amplificadores de carga, proporcionando una estabilización
continua de su punto de operación. La invención proporciona un
camino resistivo de muy alta impedancia, en paralelo con el
condensador de realimentación del amplificador de carga, permitiendo
la descarga de la corriente de fugas presente en el terminal
negativo de entrada del amplificador. La solución es más simple que
los métodos precedentes; elimina la necesidad de conmutar la
resistencia de realimentación, proporcionando una característica
invariante con el tiempo, y permite alcanzar valores más altos de
resistencia.
La invención es especialmente apropiada para
circuitos integrados, en los que la realización de resistencias de
alto valor es costosa en área, e introduce parásitos importantes.
Mediante el circuito objeto de la presente invención se ha
demostrado la posibilidad de construir resistencias de más de 100
gigaohmios. Campos específicos de aplicación son: sensores
microelectromecánicos capacitivos, transductores ópticos y
piezoeléctricos, y en cualquier aplicación que requiera la medida de
carga acumulada o la integración de corriente eléctrica. La
invención es igualmente adecuada para su realización en circuitos
integrados que necesiten constantes de tiempo muy largas, como
integradores o filtros analógicos.
La realización de circuitos electrónicos
amplificadores de carga se hace normalmente utilizando como
acumulador de carga un condensador conectado entre los terminales de
entrada y salida de un amplificador de alta ganancia y alta
impedancia de entrada. Para evitar la deriva incontrolada de la
salida del amplificador, hay que proporcionar un camino para drenar
la corriente de fugas en el nodo conectado a la entrada negativa del
amplificador. Esto se consigue normalmente colocando un camino
resistivo en paralelo con el condensador de realimentación. Una
forma de realización, evidente para circuitos discretos es usar
directamente una resistencia de alto valor; sin embargo, en el caso
de circuitos integrados, este tipo de componente es muy difícil de
realizar.
Un método precedente para solucionar este
problema utiliza un interruptor realizado con un transistor MOS,
situado en paralelo con el condensador de realimentación, activado
periódicamente para eliminar la carga acumulada debida a las
corrientes de fuga. Un inconveniente de esta solución es que
durante el intervalo en que el interruptor está cerrado, se anula
la salida del amplificador. Técnicas de condensadores conmutados
usando este método, sufren de un aumento del ruido en la salida del
amplificador.
Otro método precedente usa un transistor MOS
conectado como un diodo. Con un escalado adecuado de sus
dimensiones, utilizando transistores muy largos y estrechos, es
posible conseguir resistencias de varios megaohmios. Cambios en el
valor de la resistencia, causados por variaciones en el proceso de
fabricación y en la temperatura de operación son difíciles de
controlar. También, los valores de resistencia que se pueden
alcanzar con este método, no son suficientes para algunas
aplicaciones recientes, como microsensores capacitivos, en los que
los pequeños valores de capacidad que se deben manejar, pueden
necesitar valores de resistencia superiores al gigaohmio.
Otro método precedente (Eric M. Hildebrant,
"Charge amplifier device having fully integrated DC
stabilization", patent WO 02086795.) usa dos diodos
realizados con transistores MOS, conectados en antiparalelo. Un
lado de la pareja de diodos se conecta a la entrada negativa del
amplificador, y el otro lado se conecta a un amplificador de error
que actúa para anular la diferencia entre un voltaje de referencia y
el valor medio de la salida del amplificador. Este método puede
conseguir resistencias elevadas, pero requiere un circuito más
complejo que la solución que se propone.
Otro método precedente más reciente (J. A. Geen,
S. J. Sherman, J. F. Chang, "Single-Chip
Surface-Micromachined Integrated Gyroscope with
50°/hour Root Allan Variance", ISSC'2002) utiliza una
solución más sencilla, en la que un transistor MOS conectado como
un diodo, es alimentado por su terminal de drenador con una
corriente constante de valor muy pequeño, para generar en su
terminal de puerta un voltaje muy próximo a su voltaje de umbral.
Este voltaje es aplicado a otro transistor MOS, muy largo, del
mismo tipo, conectado en paralelo con el condensador de
realimentación del amplificador de carga, dando resistencia de
canal del orden de decenas de megaohmios.
El terminal de fuente de ambos transistores están
conectados al terminal de salida del amplificador. Para incrementar
adicionalmente el valor de la resistencia hasta unos dos
gigaohmios, se conmuta el transistor con un porcentaje de activación
muy bajo. Esto produce un circuito con una característica que no es
invariante con el tiempo, lo que puede ser un inconveniente en
algunas aplicaciones.
El método que se propone mejora el descrito en el
apartado anterior, aplicando al transistor conectado en paralelo
con la capacidad de realimentación, una fracción del voltaje de
puerta del transistor conectado como diodo. Este método elimina la
necesidad de conmutar periódicamente el transistor, y ha demostrado
la capacidad para generar resistencias de más de 100 gigaohmios en
un amplio rango de temperatura. El método propuesto también
proporciona una forma para controlar el valor de la resistencia, si
se utiliza un divisor de voltaje programable, con varias salidas
para seleccionar la atenuación del voltaje que se aplica al
transistor.
El objeto de la presente invención es un circuito
electrónico amplificador de carga constituido por un amplificador
con un nodo de entrada de alta impedancia, y un condensador de
realimentación conectado entre los terminales de entrada y salida
del amplificador, un primer dispositivo transconductor, al que se
le suministra una pequeña corriente, con su terminal de fuente
conectado a la salida de dicho amplificador, y con sus terminales
de puerta y drenador conectados juntos, para fijar el voltaje en su
terminal de puerta a un valor próximo a su tensión de umbral, un
segundo dispositivo transconductor conectado entre los terminales
de entrada y salida de dicho amplificador.
El elemento que caracteriza al circuito de la
invención respecto al estado de la técnica anterior es un divisor
de voltaje que produce una versión escalada del voltaje puerta-
fuente del primer transconductor, que es aplicada al terminal de
puerta del segundo transconductor.
El divisor de voltaje está constituido por
cualquier combinación de elementos de impedancia fija o variable ó
por un número de elementos conectados en serie, con un selector
para conectar la puerta del segundo transconductor a uno de los
escalones de la cadena del divisor de voltaje. Puede estar
realizado con resistencias, transistores MOSFET de cualquier tipo,
transistores JFET de cualquier tipo, o cualquier combinación de
ellos.
El primer y segundo elementos transconductores
están realizados con transistores MOSFET de cualquier tipo, con
transistores JFET de cualquier tipo ó con transistores bipolares de
cualquier tipo.
El amplificador incluido en el circuito objeto de
la presente invención es un amplificador de voltaje ó un
amplificador de transconductancia.
El circuito puede realizarse como parte de un
circuito integrado y puede incluir además de los elementos
referidos anteriormente un circuito que mide el voltaje medio en el
terminal de salida del amplificador y ajusta la relación de
atenuación del divisor de voltaje, y así variar la resistencia del
canal del segundo transconductor, para mantener dicho voltaje medio
de salida dentro de límites especificados.
Constitutye igualmente objeto de la presente
invención el uso del circuito como un amplificador de carga ó como
parte de un integrador o filtro con constante de tiempo muy
larga.
La invención (ver figura 1) incluye un
amplificador (1) con un terminal de entrada (3) y otro de salida
(4), y un condensador (2) conectado entre la entrada y salida del
amplificador. Un primer elemento transconductor (5) normalmente un
transistor JFET o MOSFET, configurado como un diodo, y con su
terminal de fuente conectado a la salida del amplificador (4), es
alimentado con una corriente pequeña (6) para producir un voltaje
en su terminal de puerta muy cercano a su voltaje de umbral. Un
segundo elemento transconductor (7), del mismo tipo que el primero,
tiene su terminal de fuente conectado al terminal de salida del
amplificador (4) y su terminal de drenador conectado a la entrada
negativa del amplificador (3), proporcionando así un canal conductor
en paralelo con la capacidad de realimentación (2). La puerta de
este segundo elemento transconductor se conecta a un voltaje que es
una fracción del presente en la puerta del primer transconductor,
generado con un divisor de voltaje (8, 9) de cualquier tipo. La
puerta del segundo transconductor estará por debajo de su voltaje de
umbral y su canal presentará una resistencia muy alta. La
conductividad del canal se puede controlar modificando la
atenuación del divisor de voltaje.
El escalado de la tensión de puerta se puede
hacer con un divisor de voltaje construido con resistencias o
elementos transconductores. El divisor puede estar formado por un
número de elementos colocados en serie, formando una cadena, de
manera que la resistencia del canal del segundo transconductor se
pueda controlar variando el voltaje aplicado a su puerta, mediante
la selección del escalón de la cadena que se conecta a su
puerta.
El escalado y dimensiones relativas del primer y
segundo transconductor proporcionan una forma adicional de
controlar la resistividad del canal. El primer transconductor debe
tener preferentemente un canal ancho y corto, mientras que el
segundo debe tener un canal largo y estrecho.
La corriente de fugas resultante del diodo de
drenador del segundo transconductor se sumará a la corriente de
fugas presente en la entrada del amplificador, y producirá una
desviación en la tensión de salida del amplificador, proporcional al
producto de la corriente de fugas y a la resistencia del canal del
segundo transconductor. Como la corriente de fugas del diodo
aumenta con la temperatura, las restricciones de máxima desviación
de la tensión de salida del amplificador impondrá un límite a la
resistencia máxima del canal. Un dispositivo que mida la desviación
promedio del voltaje en la salida del amplificador y que modifique
el escalón del divisor resistivo descrito en [11] puede ajustar la
resistencia del canal al máximo valor compatible con la máxima
desviación en la salida del amplificador. Como el segundo
transconductor será normalmente largo y estrecho, el área de su
diodo de drenador y consecuentemente la corriente de fugas
asociada, será muy pequeña.
La corriente total que pasa a través del primer
transconductor y del divisor de voltaje tiene que ser suministrada
por la salida del amplificador. Si se utiliza un amplificador de
transconductancia, para generar dicha corriente, se debe producir un
desplazamiento en el voltaje en la entrada negativa del
amplificador igual a dicha corriente, dividida por la
transconductancia del amplificador. Al ser la corriente muy baja
(del orden de algunos microamperios), este efecto es despreciable
en la mayoría de las aplicaciones.
El circuito descrito es especialmente aplicable y
está bien adaptado para una realización completamente integrada, ya
que resuelve el problema de construir resistencias de muy alto
valor en circuitos integrados.
La figura 1 muestra la realización básica de la
invención. La carga entra por el nodo (3) conectado al terminal
negativo de entrada del amplificador (1) y es almacenada en el
condensador (2). El voltaje en el terminal de salida del
amplificador es proporcional a la carga almacenada en (2). La
fuente de corriente (6) proporciona la corriente de polarización
para el primer transconductor (5) y divisor de voltaje, formado por
las impedancias (8) y (9). El voltaje de puerta del transconductor
(5) estará muy próximo a su valor de umbral si el dispositivo se ha
diseñado con una transconductancia alta.
Dicho voltaje de puerta es atenuado por el
divisor de voltaje (8, 9), antes de ser aplicado a la puerta del
segundo transconductor (7). Este segundo transconductor, diseñado
para tener una transconductancia muy baja, funcionará en su región
subumbral, y su canal presentará una resistencia muy alta en
paralelo con el condensador de realimentación (2). El voltaje medio
a la salida del amplificador sufrirá un desplazamiento igual al
producto de la corriente de fugas total que fluye en el nodo (3) y
la resistencia de canal del transconductor (7). La conductividad
del canal del segundo transconductor (7) se puede ajustar variando
la atenuación del divisor de voltaje.
La figura 2 muestra un ejemplo de una realización
alternativa, en la que el voltaje aplicado a la puerta del
transconductor (7) se puede ajustar usando un divisor de voltaje
variable (10), usando por ejemplo un circuito translinear o un
potenciómetro controlado digitalmente.
La figura 3 muestra un ejemplo de una realización
alternativa en la que el divisor de voltaje se realiza con
dispositivos transconductores (11, 12). La resistividad del canal
del transconductor (7) se puede ajustar con un dimensionamiento
adecuado de la relación de transconductancias de los dispositivos
11 y 12.
La figura 4 muestra un ejemplo de una realización
usando una cadena de impedancias (13, 14, 15) proporcionando un
número de escalones de voltaje uno de los cuales puede ser
conectado a la puerta del transconductor 7.
La figura 5 muestra un ejemplo adecuado para su
realización en un circuito integrado, en el que la corriente de
polarización (6) se refleja usando los transistores 19 y 20, y
donde la cadena del divisor de voltaje se realiza usando
transistores MOS (21 a 24), con interruptores (puertas de
transmisión) (25 a 28) para seleccionar el escalón de voltaje que
se conecta a la puerta del transistor 7.
La figura 6 muestra un ejemplo de una realización
en la que un circuito (29) detecta el nivel medio de la salida del
amplificador (1) y ajusta el divisor de tensión (10) para mantener
dicho valor medio dentro de unos límites especificados.
Claims (13)
1. Circuito electrónico amplificador de carga
constituido por:
- un amplificador con un nodo de entrada de alta
impedancia, y un condensador de realimentación conectado entre los
terminales de entrada y salida del amplificador,
- un primer dispositivo transconductor, al que se
le suministra una pequeña corriente, con su terminal de fuente
conectado a la salida de dicho amplificador, y con sus terminales
de puerta y drenador conectados juntos, para fijar el voltaje en su
terminal de puerta a un valor próximo a su tensión de umbral,
- un segundo dispositivo transconductor conectado
entre los terminales de entrada y salida de dicho amplificador,
caracterizado porque el circuito
incorpora:
- un divisor de voltaje que produce una versión
escalada del voltaje puerta-fuente del primer
transconductor, que es aplicada al terminal de puerta del segundo
transconductor.
2. Circuito electrónico amplificador de carga
según la reivindicación 1, caracterizado porque el divisor
de voltaje está constituido por cualquier combinación de elementos
de impedancia fija o variable.
3. Circuito electrónico amplificador de carga
según la reivindicación 1, caracterizado porque el divisor
de voltaje está formado por un número de elementos conectados en
serie, con un selector para conectar la puerta del segundo
transconductor a uno de los escalones de la cadena del divisor de
voltaje.
4. Circuito electrónico amplificador de carga
según la reivindicación 1, 2 ó 3, caracterizado porque el
divisor de voltaje está realizado con resistencias, transistores
MOSFET de cualquier tipo, transistores JFET de cualquier tipo, o
cualquier combinación de ellos.
5. Circuito electrónico amplificador de carga
según la reivindicación 1, caracterizado porque el primer y
segundo elementos transconductores están realizados con
transistores MOSFET de cualquier tipo.
6. Circuito electrónico amplificador de carga
según la reivindicación 1, caracterizado porque el primer y
segundo elementos transconductores están realizados con
transistores JFET de cualquier tipo.
7. Circuito electrónico amplificador de carga
según la reivindicación 1, caracterizado porque el primer y
segundo elementos transconductores están realizados con
transistores bipolares de cualquier tipo.
8. Circuito electrónico amplificador de carga
según la reivindicación 1 caracterizado porque el
amplificador es un amplificador de voltage.
9. Circuito electrónico amplificador de carga
según la reivindicación 1 caracterizado porque el
amplificador es un amplificador de transconductancia.
10. Circuito electrónico amplificador de carga
según la reivindicación 1, realizado como parte de un circuito
integrado.
11. Circuito electrónico amplificador de carga
según la reivindicación 1, caracterizado porque incluye un
circuito que mide el voltaje medio en el terminal de salida del
amplificador y ajusta la relación de atenuación del divisor de
voltaje, y así varia la resistencia del canal del segundo
transconductor, para mantener dicho voltaje medio de salida dentro
de límites especificados.
12. Utilización del circuito electrónico
amplificador de carga según las reivindicaciones 1 a 11 como un
amplificador de carga.
13. Utilización del circuito electrónico
amplificador de carga según las reivindicaciones 1 a 11 como parte
de un integrador o filtro con constante de tiempo muy larga.
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| ES200302363A ES2229934B1 (es) | 2003-10-10 | 2003-10-10 | Circuito electronico amplificador de carga. |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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- 2003-10-10 ES ES200302363A patent/ES2229934B1/es not_active Expired - Fee Related
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- 2004-09-21 WO PCT/ES2004/070072 patent/WO2005036738A1/es active Application Filing
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2005036738A1 (es) | 2005-04-21 |
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