NL8100128A - Versterker. - Google Patents

Description

t *-'<* VO 1332

Titel: Versterker.

De uitvinding heeft betrekking op een verschuivingsspannings-compensatie in een versterker, bijvoorbeeld een operationele versterker waarin FET (veld-effecttransistor)-inrichtingen voor schakelfuncties worden gebruikt.

5 De ingangsverschuivingsspanning van een operationele versterker is de spanning, welke tussen de ingangsklemmen daarvan moet worden aangelegd om de uitgangsspanning op een voorafbepaald referentieniveau te brengen wanneer er geen ingangssignaal aanwezig is. Deze verschui-vingsspanning is een algemeen bekende foutkarakteristiek van operatio-10 nele versterkers, die een gevolg is van een niet regelbare onjuiste aanpassing van componenten.

Voor bepaalde toepassingen van operationele versterkers is het van bijzonder belang fouten te elimineren, die een gevolg zijn van niet-gecompenseerde ingangsverschuivingsspanningen. Dit is bijvoorbeeld het 15 geval bij operationele versterkers, welke worden gebruikt voor ladings- herverdelingcodecs in telefooncommunicaties, waar het in het algemeen gewenst is de invloed van elke inwendige foutbron op minder dan een-tiende LSB (minst significante bit) te houden. Een bepaalde ladings-herverdelingscodec is bijvoorbeeld beschreven in Suarez e.a., 20 "An A11-M0S Charge-Redistribution A/D Conversion Technique", 197^, IEEE Internat. Solid-State Circuits Conference·, pag. 19^, Verenigde Staten van Amerika.

Het is door middel van verschillende terugkoppellusstelsels mogelijk de verschuivingsspanning op een continue basis, zoals bij ana-25 loge stelsels in te stellen. Dergelijke stelsels vereisen evenwel een betrekkelijk complexe schakeling met vergelijkingsinrichtingen.

Een andere en meer eenvoudige benadering bestaat daarin, dat de verschuivingsspanning wordt gecompenseerd door middel van een spanningsbron, zoals een spanningscompensatiecondensator, die door middel 30 van elektronische schakelinrichtingen, welke uit MOSFETS (metaal-op-silicium-veldeffecttransistoren)kunEn bestaan, periodiek op de verschuivingsspanning wordt teruggesteld en daarna in serie met de signaal-ingang van de versterking wordt verbonden. Deze benadering wordt gebruikt bij de zogenaamde "chopper-stabilized" versterkers, zoals deze 81 00 12 8 * * -2- bijvoorbeeld zijn "beschreven in het Amerikaanse octrooischrift 3.617.913. Dit type stabilisatie is bijzonder geschikt voor digitale ketens aangezien zelfs bij een digitaal signaal met grote snelheid in het algemeen voldoende tijd tussen de ingangssignaalpulsen aanwezig is 5 01 de compensatiespanning van de condensator terug te stellen. Het is voorts een benadering, welke bijzonder geschikt is voor geïntegreerde ketens aangezien de vereiste condensatoren en MOSFETS op een eenvoudige wijze in dergelijke stelsels kunnen worden opgenomen en betrekkelijk weinig ruimte innemen. De schakëlinrichtingen zelf hebben evenwel een 10 inherente lekcapaciteit, welke kan leiden tot een "feed-through"-lading op de compensatiecondensator tijdens de omschakeling, waardoor een compensatie spanningsfout optreedt.

Bij bepaalde verschuivingsspanningscompensatiestelsels is een compensatiecondensator in serie met de signaalingang van de versterker 15 verbonden. Het terugstellen van de compensatiespanning van de condensator geschiedt door middel van drie MOSEET-schakelaars. Een isolatie-schakelaar verbreekt de verbinding tussen de signaalbron en de condensator, een ingangsterugstelschakelaar aardt de signaalingangsklem en een terugkoppelschakelaar verbindt de afgeschakelde zijde van de condensator 20 met de andere terugkoppelingangsklem van de versterker. Voordat de in-gangssignaalbron opnieuw met de signaalingangsklem over de compensatiecondensator kan worden verbonden, is het nodig de terugkoppelschakelaar te openen, die de condensator met de andere ingangsklem verbindt, en tevens de ingangsterugstelschakelaar te openen, die de signaalingangs-25 klem aardt. Deze schakelaars kunnen in het algemeen niet nauwkeurig gelijktijdig worden bedreven en bezitten geen identieke schakelkarakteris-· tieken, zoals inherente lekcapaciteiten.

Indien de terugkoppelschakelaar eerst opent "zien" de twee schakelaars dan niet dezelfde afsluitingen tijdens het openen en zullen 30 deze derhalve verschillende "feed-through"-ladingen op de condensator brengen hetgeen leidt tot een betrekkelijk grote netto "feed-through"-fout. Indien anderzijds de ingangsterugstelschakelaar, welke de signaalingangsklem met aarde verbindt het eerst opent, zal de "feed-through"_ fout daarvan door de versterker als een stapingangssignaal worden be-35 schouwd. De responsie van de versterker op dit ingangssignaal zal via de terugkoppellus naar de andere ingangsklem en de condensator worden 8100 12 8 r. Μ -3- overgedragen tenzij de terugkoppels chakelaar veel sneller dan de res-ponsietijd van de versterker kan worden "bedreven. Voor zeer snelle versterkers zal de schakelaar niet snel genoeg zijn.

Het is "bekend, dat de ladings -,,feed-thraugh"-fout kan worden ge-5 reduceerd door voor de MOSFET-schakelaars gebruik te maken van aangepaste ladingscompensatie-inrichtingen. De ladingscompensatie-inrichtingen .kunnen evenwel zelf weer tot verdere problemen leiden. Bij een bepaalde benadering vergroten de ladingscompensatie-inrichtingen het gebruikte siliciumoppervlaktegebied en vergroten zij verder de lek bij open 10 schakelaar. Een grote condensator kan een oplossing brengen voor deze grotere lek doch het is gewenst de condensator zo klein mogelijk te maken om zowel de insteltijd daarvan als het ketensubstraat oppervlak, dat daarvoor nodig is, tot een minimum terug te brengen. Andere ladings-compensatiébenaderingen voor elektronische schakelinrichtingen hebben 15 niet tot een voldoende reductie in de verschuivingseompensatiespannings-fout geleid. *

De fig. 1, 2 en 3 van de tekening tonen een bekende operationele versterker met een verschuivingsspanningscompensatieschakeling, zoals boven is besproken, en illustreren'schematisch de keten in respectieve^ 20 lijk de terugstel-, overgangs- en overdrachtstoestand.

Volgens de uitvinding omvat de versterker een eersibe ingangsklem, een tweede ingangsklem voor verbinding met een ingangssignaalbron, een uitgangsklem, een terugkoppellus om de eerste ingangsklem met de uit-gangsklem te verbinden, en organen voor het tot stand brengen van een 25 ingangsverschuivingsspanningseompensatie teneinde de uitgangsklemspan-ning te stabiliseren, waarbij genoemde organen zijn voorzien van eerste organen om de terugkoppellus selectief te openen en te sluiten, een eerste condensator, die aan een eerste zijde tussen de eerste ingangsklem en de eerste organen is verbonden, een tweede condensator, die aan 30 een eerste zijde met de tweede ingangsklem is verbonden, tweede organen om de tweede ingangsklem selectief met een referentiespanningsbron te verbinden, en derde organen, die aan êên zijde met de tweede zijde van de eerste condensator zijn verbonden om de tweede zijde van de eerste condensator selectief met de referentiespanningsbron of de uitgangsklem 35 van de versterker te verbinden.

8100128 Λ. * -k-

Er kunnen vierde organen aanwezig zijn, die met een tweede zijde van de tweede condensator zijn verbonden om de tweede condensator selectief met de signaalbron cf mefc<fe referentiespanningsbron te verbinden.

Bij voorkeur is de verhouding van de inherente capaciteit van de 5 eerste organen en de inherente capaciteit van de tweede organen in hoofdzaak gelijk aan de verhouding van de capaciteit van de eerste condensator tot de capaciteit van de tweede condensator.

Volgens de uitvinding wordt bij een werkwijze voor het compenseren van de ingangsverschuivingsspanning van de versterker met een signaal-10 ingangsklem, een terugkoppelingangsklem, een terugkoppellus en een uit-gangsklem, een spanning in de terugkoppellus toegevoerd door middel van een terugkoppelcondensator, die tot in hoofdzaak de waarde van de verschud vings spanning van de versterker wordt geladen en een tegengestelde polariteit bezit, zodat de verschuivingsspanning van de versterker wordt 15 gecompenseerd, waarbij de condensator periodiek opnieuw tot de verschuivingsspanning wordt geladen door de terugkoppellus tussen de condensator en de uitgangsklem te sluiten, de het verst van de terugkoppellus gelegen zijde van de condensator met een referentiespanningspunt te verbinden, de signaalingangsklem met het referentiespanningspunt te verbin-20 den en de signaalzijde van de ingangscondensator met het referentiespanningspunt te verbinden.

Eij de werkwijze kan de opnieuw geladen condensator weer in de terugkoppellus worden opgenomen door de terugkoppellus tussen de condensator en de uitgangsklem te openen en daarna de verbinding tussen de 25 het verst van de terugkoppellus gelegen zijde van de condensator en het referentiespanningspunt te verbreken en bedoelde zijde met de uitgangsklem te verbinden, en de verbinding tussen de ingangsklem en het referent iespanningspunt te verbreken en daarna de ingangsklem via de ingangscondensator met een ingangssignaalbron te verbinden.

30 Bij een later meer gedetailleerd.te beschrijven uitvoeringsvorm wordt voorzien in een operationele versterker met twee condensatoren voor het compenseren van de verschuivingsspanning. De ene is een.ingangscondensator in serie met de signaalingangsklem van de versterker en de signaalbron. De andere is een terugkoppelcondensator in de terugkoppel-35 lus tussen de terugkoppelingangsklem en de versterkeruitgangsklem.

8100128 * Μ -5-

Ingangsterugst elorganen maken het mogelijk, dat de signaalingangsklem met een referentiespanningspunt of aarde wordt verhouden. Terugkoppel-shuntorganen voor het openen van de terugkoppellus tussen de ingangs-zijde van de terugkoppelcondensator en terugkoppelterugstelorganen om de 5 uitgangszijde van de terugkoppelcondensator tussen de uitgang van de versterker en het referent ie spanningspunt om te schakelen maken het mogelijk de terugkoppelcondensator opnieuw tot de verschuivingsspanning te laden. Bij een dergelijke schakeling is het mogelijk "feed-through"-fouten in hoofdzaak op te heffen.

10 De uitvinding zal thans nader worden toegelicht onder verwijzing naar de fig. 4S 5 en 6 van de tekening, waarin een operationele versterker volgens de uitvinding in respectievelijk cfe terugstel-, overgangs-en overdrachtstoestand is weergegeven.

Zoals uit fig. 4, 5 en 6 "blijkt, omvat een voorkeursuitvoerings-15 vorm 10, welke bijvoorbeeld als een subketen in een grotere en meer complexe geïntegreerde keten kan worden gebruikt, een operationele versterker 12 met een signaalingangsklem 14, een terugkoppelingangsklem 16, een enkele uitgangsklem 18 en een terugkoppellus 20 tussen de terugkoppelingangsklem 16 en de uitgangsklem 18. In de terugkoppellus 20 is 20 een terugkoppelshuntschakelaar 22 aanwezig om het mogelijk te maken, dat de lus 20 wordt geopend. Een terugkoppelcondensator 24 waarvan een zijde tussen de terugkoppelshuntschakelaar 22 en de terugkoppelingangsklem 16 is verbonden, is aan de andere zijde daarvan verbonden met een terugkoppelterugstelomschakelaar 26, die selectief kan omschakelen naar 25 een referentiespanningspunt 28, zoals aarde, of naar de uitgangsklem 18. Tussen de signaalingangsklem l4 en een signaaBxoncmschakelaar 31 bevindt zich een ingangseondensator 30. De schakelaar 31 kan de ingangscondensa-tor 30 selectief met het referentiespanningspunt of met de signaal-ingangsbron 32 verbinden. Tussen de signaalingangsklem 14 en het referen-30 tiespanningspunt 28 bevindt zich een ingangsterugstelschakelaar 3¾.

De schakelaars 22, 26, 31 en 34 zijn alle FET-ïnrichtingen, zoals M0S-transistorschakelaars.

In de terugsteltoestand van de keten 10, zoals aangegeven in fig. 4, wordt de terugkoppelcondensator 24 tot de ingangsverschuivings-35 spanning geladen, terwijl de ingangsklem 14 is geaard en de ingangscondensator 30 is ontladen.

8100 12 8 -6- A · 'De overgangstoestand van de keten 10 is weergegeven in fig. 5.

De terugkoppelshuntschakelaar 22 opent de terugkoppellus 20. Deze injecteert een schakelladings-,,feed-through,,-fout in de terugkoppelcondensa-tor 2k. Onmiddellijk daarna, als aangegeven in fig. 6, opent de ingangs-5 terugstelschakelaar 3*i en deze injecteert een gelijke ladings- 'ïeed-through"-fout in de ingangscondensator 30. Wanneer de terugkoppel-yr lus 20 is geopend, ‘beïnvloed* deze werking de lading op de terugkoppel- condensator 2k niet mits de verhouding van het oppervlak van de inherente capaciteit van de terugkoppelshuntschakelaar 22 tot die van de ingangs-10 terugstelschakelaar 3*1 gelijk is aan de verhouding van de capaciteit van de terugkoppelcondensator 2*1 tot die van de ingangscondensator 30.

De lekfout van deze vier componenten zal eveneens worden opgeheven. Aangezien de lekcapaciteiten van de terugkoppelcondensator 2k en de terugkoppelshuntschakelaar 22 en die van de ingangscondensator 30 en de 15 ingangsterugstelschakelaar 3*1 in wezen in dezelfde verhouding staan als de capaciteitsverhouding van de condensatoren 2k en 30, worden eventuele lekverliezen hij de ingangsklem 1b door de versterking in de versterker gecompenseerd.

De terugkoppelterugstelschakelaar 26 brengt nu de terugkoppel— 20 condensator 2b weer in de terugkoppellus 20 en de signaalhronschakelaar 31 verbindt de ingangscondensator 30 met de signaalbron 32. De lading, welke op de terugkoppelcondensator 2b en de ingangscondensator 30 is opgeslagen, zal op dit moment niet worden beïnvloed door de nfeed-throughn-fout aangezien de terugkoppelterugstelschakelaar 26 en de ingangssignaal-25 bronschakëlaar 31 tussen twee punten met lage impedantie omschakelen.

De enige eis voor de terugkoppelterugstelschakelaar 26 is, dat deze pas moet werken nadat de terugkoppelshuntschakelaar 22 is geopend, zodat de opgeslagen verschuivïngsspanning op de terugkoppelcondensator 2b niet wordt afgevoerd. De enige eis voor de ingangssignaalbronschakelaar 31 is, 30 dat deze pas moet werken nadat de ingangsterugstelschakelaar 3*1 is geopend, zodat geen foutlading op de ingangscondensator 30 wordt gebracht.

In de praktijk is gebleken, dat met de huidige MOSFET-schakelinrichtingen de terugstelschakelaar 3*t, de terugkoppelterugstelschakelaar 26 en de ingangsbronschakëlaar 31 slechts met enige tienden nanosec behoeven te wor-35 den vertraagd nadat de .tèrügkoppelshuntschakelaar 22 opent om een juiste werking te verkrijgen. Zij behoeven niet gelijktijdig te werken.

8100 12 8 Γ » -7- Ορ een soortgelijke wijze behoeft de ingangssignaalbronschakelaar 31 slechts met enige tienden nanosecte wordaivertraagd nadat de ingangs-terugstelschakelaar 3^ wordt geopend. De hoeveelheid oppervlak, welke nodig is voor het onderbrengen van de condensatoren 2k, 30 in een ge-5 integreerde keten vormt geen belangrijke factor aangezien het de verhouding van het condensator-tot-schakelaaroppervlak is, welke van belang is. Zo kan de ingangsterugstelschakelaar 3¼ een drievoudig minimaal oppervlak en de terugkoppelshuntschakelaar 22 een eenmalig minimaal χ oppervlak bezitten. De terugkoppeleondensator 2k bezit dan een-derde*1 10 van het oppervlak van de ingangscondensator 30. Aangezien de verschui-vingsspanning wordt gecompenseerd, zodat geen grote schakelfout wordt geïntroduceerd, wordt de werking slechts door aanpassingsproblemen beperkt.

Wanneer het is te verwachten dat de signaalbron steeds naar de 15 referentie spanning terugkeert, kan de ingangsbronschakelaar worden geëlimineerd indien de terugsteltijd voor .de operationele versterker 10 kan worden gesynchroniseerd met deze terugkeer van de signaalbron tot de referentiespanning.

Ofschoon de componenten van de voorkeursuitvoeringsvorm van de 20 keten, welke worden gebruikt voor schakelfuncties, uit M0SFET-inrichtingen bestaan, evenals de componenten Van de operationele versterker zelf, is de uitvinding ook van toepassing op bipolaire schakelinrich-tingen en andere typen operationele versterkers. Het is bijzonder gun-. stig, dat de inrichting geen complexe schakelingen vereist, waarvan de 25 vervaardiging duur is en welke een groot extra oppervlak van een geïntegreerde ketensubstraat zouden innemen. Hierdoor wordt de inrichting bijzonder geschikt voor zogenaamde "large scale"-geïntegreerde ketens.

81 00 12 8

Claims (4)

1. Versterker voorzien van een eerste ingangsklem, een tweede ingangsklem voor verbinding met een ingangssignaalbron, een uitgangsklem, een terugkoppellus om de eerste ingangsklem met de uitgangsklem te verbinden en organen voor het tot stand brengen van een ingangsverschui- 5 vingsspanningscompensatie teneinde de uitgangsklemspanning te stabiliseren, met het kenmerk, dat de genoemde organen zijn voorzien van eerste organen (22) voor het selectief openen en sluiten van de terugkoppellus (20), een eerste condensator (2*0, welke bij een eerste zijde tussen de eerste ingangsklem (16) en de eerste organen is verbonden, een tweede 10 condensator (30), die bij een eerste zijde met de tweede ingangsklem (1*0 is verbonden, tweede organen (3*0 om de tweede ingangsklem selectief met een referentiespanningsbron (28)' te verbinden, en derde organen (26), die aan een zijde met de tweede zijde van de eerste condensator zijn verbonden om de tweede zijde van de eerste condensator selectief 15 met de referentiespanningsbron of met de uitgangsklem (18) van de versterker (12) te verbinden.

2. Versterker volgens conclusie 1 gekenmerkt door vierde organen (31), welke met een tweede zijde van de tweede condensator zijn verbonden om de tweede condensator selectief met de signaalbron (32) of met de referentie- 20 ‘spanningsbron te verbinden.

3· Versterker volgens conclusie 1 of 2 met het kenmerk, dat de verhouding van de inherente capaciteit van de eerste organen tot de inherente capaciteit van de tweede organen in hoofdzaak gelijk is aan de verhouding tussen de capaciteit van de eerste condensator en de capaciteit 25 van de tweede condensator. *l·. Versterker volgens één der voorgaande conclusies met het kenmerk, dat elk van de genoemde, organen, die in de organen voor het tot stand brengen van de compensatie aanwezig zijn, uit een elektronische schakel-inrichting bestaan. 30 5· Werkwijze voor het compenseren van de ingangsverschuivings- spanning van een versterker met een signaalingangsklem, een terugkbppel-ingangsklem, een terugkoppellus en een uitgangsklem met het kenmerk, dat een spanning aan de terugkoppellus (20) wordt toegevoerd door middel van een terugkoppelcondensator (2k), die tot in hoofdzaak de waarde van 8100 12 8 -9- — jf de verschuivingsspanning van de versterker (12) wordt geladen en de tegengestelde polariteit "bezit, zodat de verschuivingsspanning van de versterker (12) wordt gecompenseerd, en de condensator (24) periodiek opnieuw tot de verschuivingsspanning wordt geladen door de terugkoppel-5 lus (20) tussen de condensator (24) en de uitgangsklem (18) te sluiten, de het verst van de terugkoppellus (20) gelegen zijde van de condensator (24) met een referentiespanningstron (28) te verbinden, de signaal-ingangsklem (14) met de referentiespanningsbron (28) te verbinden, en de signaalzijde van een ingangscondensator (30) op de referentiespan-10 ning (28) te brengen.

6. Werkwijze volgens conclusie 5 met het kenmerk, dat de opnieuw geladen condensator (24) weer in de terugkoppellus wordt opgenomen door de terugkoppellus (20) tussen de condensator (24) en de uitgangsklem (18) te openen en daarna de zijde van de condensator (24), welke het 15 vest van de terugkoppellus (20) is gelegen, van de referentiespanningsbron (28) af te schakelen en met de uitgangsklem (18) te verbinden, en de verbinding tussen de ingangsklem (14) met de referentiespanningsbron (28) te verbreken en daarna de ingangsklem via de ingangscondensator (30) met een ingangssignaalbron (32) te verbinden. ! 8100128