NL8105919A - Dynamische versterkerschakeling. - Google Patents

Description

f l EHN 10.226 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

Dynamische versterkerschakeling.

De uitvinding heeft betrekking op een dynamische versterkerschakeling voor het op koimando van een kloksignaal in een eerste tijdsinterval versterken van een signaal, omvattende een ruststrocm-instelschakeling voor het tijdens dat eerste tijdsinterval doen 5 vloeien van een rusts troon in de versterkerschakeling met een vanaf een beginwaarde exponentieel afnemende sterkte. Dergelijke dynamische versterkerschakelingen worden onder andere toegepast in circuits met geschakelde kapaciteiten cm filterwerking te verkrijgen (in het Engels: "Switched capacitor filters"), en zijn voorgesteld 10 ter vervanging van operationele versterkers in dergelijke circuits in onder andere:

Copeland, M.A. and Rabacy, J.M.: "Dynamic amplifier for M.O.S. technology", Electronics Letters, 1979, Vol. 15, No. 10, pagina's 301-302, 15 Hosticka, B.J.: "Dynamic amplifiers in C.M.O.S. technology",

Electronics Letters, 1979, Vol. 15, No. 25, pagina's 819-820, en

Hosticka, B.J.: "Dynamic C.M.O.S. amplifiers", IEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. SC-5, No. 5, pagina's 887-894; welke publikaties in hun geheel hierin geacht worden opgencmen te 20 zijn als referentie.

Het voordeel van zo een dynamische versterkerschakeling is, dat aan het begin van de versterkingspericde, zijnde het genoemde eerste tijdsinterval, de ruststrocm van de versterkerschakeling hoog is, wat een hoge snelheid van de versterkerschakeling aan het 25 begin van de versterkingsperiode betekent, en dat aan het einde van de versterkingsperiode de rusts troon klein is, wat een hoge versterking en dus een hoge nauwkeurigheid aan het eind van de versterkingsperiode betekent.

Bij het gebruik van dergelijke dynamische versterker-30 schakelingen blijkt een daarmede opgebouwd circuit met geschakelde kapaciteiten erg stoorgevoelig, met name aan het einde van het eerste tijdsinterval, waar de rusts trocm erg klein kan zijn en gedurende een eventueel daaropvolgend tijdsinterval, waarin de 8105919 i PHN 10.226 2 versterker uitgeschakeld is. Verder blijken dergelijke versterker-schakelingen problematisch te zijn wanneer een kapaciteit, bijvoorbeeld een ingangskapaciteit van een volgende trap wordt opgencmen tussen de uitgangen van twee van dergelijke dynamische versterkerschakelingen.

5 De uitvinding beoogt een dynamische versterkerschakeling van het in de aanhef genoemde type, waaraan voomoemde bezwaren niet kleven. De uitvinding berust daarbij op het inzicht, dat genoemde problemen ontstaan doordat de eindwaarde van de ruststroom ongedefinieerd is en daardoor de versterkereigenschappen, of dat zelfs de 10 ruststrocm tot vrijwel nul afneemt en de versterker niet meer werkt en dat dit het geval is binnen het eerste tijdsinterval, tenzij de aanvangssterkte van de exponentieel afnemende ruststroom in verband met de diverse parameterspreidingen en het exponentiële verband tussen aanvangssterkte en eindsterkte extreem hoog gekozen wordt wat vaak niet 15 gewenst is, en wordt gekenmerkt, doordat de ruststrocm-instelschakeling een additionele bron omvat voor het doen vloeien van een ten opzichte van de genoemde ruststroom in hoofdzaak konstante stroom met een sterkte die relatief gering is ten opzichte van genoemde beginwaarde in de versterkerschakeling ter definitie van de minimale ruststroom 20 in de versterkerschakeling aan het eind van dat tijdsinterval.

Voor wat betreft een dynamische versterkerschakeling waarin de rusts trocm-instelschakeling een geschakelde kapaciteit, die zodanig geschakeld wordt dat die kapaciteit gedurende een aan het eerste tijdsinterval voorafgaand tijdsinterval geladen wordt 25 en gedurende het eerste tijdsinterval ontladen wordt, omvat voor het realiseren van genoemd exponentieel verloop, kan de uitvinding nader worden gekenmerkt doordat, een stroombron in een keten is aangebracht die parallel is aan de keten, waarin de geschakelde kapaciteit is aangebracht.

30 De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van de tekening, waarin figuur 1a een eerste uitvoeringsvorm van een dynamische versterkerschakeling waarbij de uitvinding is toegepast, figuur 1b enkele diagrammen ter verklaring van de werking 35 van de schakeling volgens figuur 1a, figuur 1c een gemodificeerd deel van de schakeling volgens figuur 1a, figuur 2a een tweede uitvoeringsvorm van een dynamische 8105919 PHN 10.226 3 versterkerschakeling, waarbij de uitvinding is toegepast, figuur 2b enkele diagrammen ter verklaring van de werking van de versterkerschakeling volgens figuur 2a, figuur 3a een derde uitvoeringsvorm van een dynamische 5 versterkerschakeling, waarbij de uitvinding is toegepast, en figuur 3b enkele diagranmen ter verklaring van de werking van de schakeling volgens figuur 3a toont.

De uitvoeringsvorm volgens figuur 1a is gebaseerd op de dynamische versterkerschakelingen, zoals onder andere beschreven to zijn in de genoemde publikatie van B.J. Hosticka in Electronics Letters 1979, Vol. 15, pagina*s 819-820 en omvat een versterkerschakeling met als verschilpaar geschakelde ingangstransistoren en T2, waarvan de poortelektroden met ingangsaansluitingen 1 en 2 verbonden zijn. Een uitgangssignaalstrocm wordt naar een uitgang 3 uitgékoppeld 15 met behulp van een stroomspiegel bestaande uit de trans is toren Tg en T^. Een staartstroom wordt aan de hronelektroden van de transistoren T.j en Tg toegevoerd met behulp van een transistor Tg die tezamen met een transistor Tg, waarvan de af voer elektrode met de poorteléktrode is verbonden, als stroomspiegel is geschakeld. Ten behoeve van de 20 ruststroanvoorziening van de versterker is de afvoerelektrode van transistor Tg via een kapaciteit met de positieve voedingsleiding 4 verbonden. Parallel aan deze kapaciteit is een schakelaar 5 aangebracht, die in overeenstemming met een signaal Q geschakeld wordt, en tussen de kapaciteit en de afvoerelektrode van 25 transistor Tg is een schakelaar 6 aangebracht, die in overeenstemming met een signaal Q geschakeld wordt.

Figuur 1b toont de signalen Q en Q, Voorafgaande aan het moment t^ is schakelaar 6 geopend en schakelaar 5 gesloten.

Kapaciteit is daarbij ontladen. Op het moment t^ sluit schakelaar 30 6 en opent schakelaar 5. Kapaciteit laadt dan op via transistor Tg, hetgeen een exponentieel afnemende laadstroon tot gevolg heeft, welke een staartstrocm I van het verschilpaar tot gevolg heeft die als stroom I in figuur 1b weergegeven is. Na verloop van enige tijd is die strocm I& zoveel af genomen, dat het verschilpaar T^, 35 T2 niet meer als versterker werkzaam kan zijn. Vanaf dat moment is de schakeling waarin zo een dynamische versterker is opgenomen bijzonder gevoelig voor storingen zoals klokoverspraak en kapaci-tieve signaaldoorkcppeling. Wordt een uitgangsschakeling, bijvoorbeeld 8105919 ·*· EHN 10.226 4 de ingangskapaciteit van een volgende trap, zwevend opgenomen tassen twee uitgangen 3 van twee dynamische versterkers volgens figuur 1a, dan geeft dit problemen omdat beide versterkers niet gelijktijdig zullen ophouden. Het verhogen van de aanvangsstroom I (op manent t1) 5 is geen remedie, omdat rekening houdend met het exponentiële verband tussen de aanvangssterkte en de eindsterkte en met diverse parameter-spreidingen, zoals de kapaciteitswaarde van kapaciteit en de iirpedantiewaarde van transistor Tg en rekening houdend met de minimale klokfrequentie, dus de maximale duur van de periode t^ -t^, dan deze 10 aanvangsstroomsterkte extreem hoog zou moeten zijn, en de eindwaarde van de stroom ongedefinieerd is en in veel gevallen hoger zal zijn dan gewenst is.

Een oplossing volgens de uitvinding is het aanbrengen van een stroombron parallel aan kondensator , in de schakeling volgens 15 figuur 1a in de vorm van een transistor T^ met doorverbonden af voeren poorteléktrode. De in dat geval resulterende staartstroom I is als 1^ in figuur 1b weergegeven, waarbij transistor dan de minimale waarde van de stroom op het moment 12 vastlegt. Op dit moment t^ opent schakelaar 6 en stopt de stroom I. In diverse toepassingen, 20 zoals bij de variant volgens figuur 1c of wanneer de schakeling na moment t2 nog storingsgevoelig blijft, kan het wenselijk zijn om de versterker ook na het moment t2 (en voor het moment t^) aktief te laten zijn door een minimale ruststroom te laten vloeien.

Dit kan onder andere bereikt worden door de bronelektrode van transis-25 tor met de andere zijde van schakelaar 6, dan die waaraan deze bronelektrode in figuur 1a is getékend, te verbinden, welke mogelijkheid gestippeld is weergegeven. De door transistor T-, geleverde stroom I blijft dan ook na moment t2 vloeien, zoals in figuur 1b met I is weergegeven.

30 In plaats van de stroombron (T^) in de ingangsketen van de stroomspiegel Tg, Tg op te nemen kan deze ook op andere plaatsen aangebracht worden, zoals tussen de bronelektroden van hetveischilpaar T^, T2 en de negatieve voedingslijn 10, wat in figuur 1a met bron 7 is aangeduid.

35 Bij de schakeling volgens figuur 1a wordt gedurende de fase Q de versterker geaktiveerd door bijvoorbeeld het uitlezen van een kapacitieve signaalbron in bijvoorbeeld geschakelde kapaciteitsfilters. Gedurende de fase Q is de versterker non-aktief, 8105919 EHN 10.226 5 eventueel op een minimale rusts troon I ingesteld. In bepaalde toepassingen kan het voorkomen dat, bijvoorbeeld door het alternerend verbinden met verschillende ingangssignaalbronnen, de versterker in beide fasen Q en Q aktief moet zijn. De exponentieel afnemende 5 ruststroom dient dan in beide fasen op te treden. Dit kan bereikt worden door de ingangsketen van de stroonspiegel T,-, Tg volgens figuur 1c uit te breiden. Bij die uitbreiding is een tweede kapaciteit C2 in serie met een schakelaar 8, die in overeenstemming met het signaal Q geschakeld wordt, opgenanen tussen de afvoerelektroden 10 van transistor Tg en de positieve voedingslijn 4. Parallel aan kapaciteit C2 is een schakelaar 9, die in overeenstemming met het signaal . Q geschakeld wordt, opgenanen. Gedurende de fase Q, (tussen tijdstippen tj en t2 in figuur 1b), waarin kapaciteit de ruststroom in het verschilpaar , T2 verzorgt, is kondensator C2 15 door schakelaar 9 kortgesloten. Cp moment t2 opent schakelaar 9 en sluit schakelaar 8, terwijl schakelaar 6 opent. Gedurende fase Q verzorgt kapaciteit c2 dus de ruststroom door het verschilpaar , T2 en vloeit er ook gedurende die fase Q een exponentieel afnemende ruststroom. Dit ruststroanverlocp is in figuur 1b met de karakteris-20 tiék Ij weergegeven. De konstante ruststroom. I wordt hierbij gedurende beide fasen Q en Q door transistor Tj geleverd doordat transistor T_ met de afvoerelektrode van transistor T-. is verbonden.

7 6

Figuur 2a toont een uitvoeringsvorm van een dynamische versterkerschakeling volgens de uitvinding, welke uitvoeringsvorm 25 is gebaseerd qp de dynamische versterkerschakeling, zoals die door de heren m.a. Copeland en J.M. Rabacy is beschreven in Electronics Letters, 10-5-1979, Vol. 15, No. 10, pagina's 301-302, waarbij figuur 2b enkele signaalvormen ter verklaring van de werking van die dynamische versterkerschakeling geeft.

30 De dynamische versterkerschakeling volgens figuur 2a omvat een transistor Tg in geaarde-bronelektrodeschakeling, waarvan de stuurelektrode de ingangsaansluiting 11 vormt. De afvoerelektrode is via een schakelaar 12, die overeenkomstig een signaal Qb geschakeld wordt, met een uitgangsaansluitpunt 13 verbonden, welk 35 aansluitpunt via een schakelaar 14, die overeenkomstig een signaal Qa geschakeld wordt, met een positieve voedingsleiding 15 is verbonden en via een kapaciteit net de stuurelektrode van transistor Tg. Een ingangsschakeling omvat een kapaciteit die 8105019 PHN 10.226 6 _______enerzijds geaard is, en anderzijds via een schakelaar 16, die overeenkomstig een signaal Q geschakeld wordt, met de stuureléktrode van transistor Tg en via een schakelaar 17, die overeenkomstig een signaal Q geschakeld wordt met .een .signaalingang 18 verbonden is.

5 In de periode voorafgaand aan tijdstip tQ (figuur 2b) zijn overeenkomstig de signalen Q, Q, Q en Q, schakelaars 12, 14 en 16 geopend en is schakelaar 17 gesloten. Kapaciteit wordt dan overeenkomstig een signaalspanning aan ingang 18 geladen.

Op moment t opent schakelaar 17 en sluiten schakelaars 14 en 16.

IQ Via schakelaar 14 wordt dan de serie schakeling van kapaciteiten

Cg en C4 tot aan voedingsspanning geladen, waarbij de ladingsverdeling over kapaciteiten Cg en C4 bepaald wordt door de hoeveelheid lading die voorafgaand aan het tijdstip t aan kapaciteit was toegevoerd.

Op narent t^ opent schakelaar 14 en sluit schakelaar 12. Kapaciteiten 15 Cg en C4 gaan dan ontladen via de afvoerelektrode-bronelektrode weg van transistor Tg, welke kapaciteiten daarbij als ladingsbron voor de stroom door die transistor dienen. Deze ontlading stbptrop het moment dat de spanning op de stuureléktrode van transistor Tg de drempelspanning van die transistor bereikt heeft. De restlading 20 over kapaciteit Cg is daarbij afhankelijk van genoemde aanvangsladings-verdeling en dus van het signaal aan ingang 18 en bepaalt de uitgangsspanning aan uitgang 13. Het moment waarop transistor Tg spert is afhankelijk van diverse parameters, waardoor deze parameters zodanig gekozen dienen te warden dat de ontlading plaatsvindt binnen 25 de periode Q. Dit heeft tot gevolg een verloop van de stroom I door transistor TQ, zoals in figuur 2b met I is aangegeven: een exponentieel af netlende stroom die binnen de fase Q tot nul af neemt, wat de diverse eerder genoemde problemen geeft. Volgens de uitvinding wordt daarom een stroombron in deze uitvoeringsvorm in de vorm van een transistor 30 T9 met onderling verbonden stuur- en afvoerelektrode, tussen uitgang 13 en de positieve voedingsleiding 15 opgenomen. Voert deze stroombron een stroom IQ, dan stopt het ontladingsproces, wanneer de stroom I (1^ in figuur 2b) door transistor Tg een waarde gelijk aan I heeft bereikt.

35 Om ook tijdens de fase Q een stroom IQ door transistor Tg te doen vloeien, kan de stroombron Tg tussen de afvoerelektrode van transistor Tg en de positieve voedingsleiding 15 worden opgenomen in plaats van tussen uitgang 13 en de positieve voedingsleiding 15.

8105919 PHN 10.226 7

De in dat geval door transistor T0 vloeiende stroom I is als I in ö c figuur 2b weergegeven.

Figuur 3 toont een variant van de schakeling volgens figuur 2a, waarbij eveneens de maatregel volgens de uitvinding is toegepast.

5 Bij de schakeling volgens figuur 2a wordt tijdens fase Q de kapaciteit C4 geladen tot de ingangsspanning en tijdens fase Qb ontladen tot aan de drenpelspanning ^ van de transistor Tg, zodat het ladings-transport gelijk is aan welk. ladingstransport ten gevolge van de afhankelijkheid van de drempelspanning VT procesafhankelijk is.

10 De toevoeging van stroombrontransistor Tg heeft tot gevolg, dat hetgeen ten aanzien van de drempelspanning VT gesteld is in dat geval gesteld moet warden ten aanzien van de bronstuurelektrode spanning van transistor TQ bij de stroom I .

In de uitvoeringsvorm volgens figuur 3 is ten opzichte van 15 de uitvoeringsvorm volgens figuur 2a een kapaciteit Cg opgenomen tussen schakelaansluitpunt 11 en de stuurelektrode van transistor Tg. Aansluitpunt 11 is bovendien via een schakelaar 19 met een bron op referentiespanning verbonden, welke schakelaar is overeenstarming met het signaal Q geschakeld wordt. De stuurelektrode van transistor Tg 20 is via een schakelaar 20, die door een signaal Q gestuurd wordt, met de afvoerelektrode van transistor Tg en via een schakelaar 21 die door een signaal gestuurd wordt, met de positieve voedingsleiding 15 verbonden* De stroombrontransistor Tg is opgenomen tussen de positieve voedingsleiding 15 en de afvoerelektrode van transistor Tg.

25 In de fase Q waarin kapaciteit opgeladen wordt tot de ingangsspanning is kapaciteit Cg enerzijds via schakelaar 19 vierbonden met de referentiespanning V^. Tijdens die fase Q wordt via signaal eerst schakelaar 21 gesloten, waardoor transistor Tg geleidend gestuurd wordt, en daarna wordt schakelaar 20 gesloten 30 en schakelaar 21 geopend, waardoor de met de stuurelektrode van transistor Tg verbonden zijde van kapaciteit Cg door ontlading van die kapaciteit via transistor Tg wordt gebracht op een spanning VQ, zijnde de stuurelektrode-boneléktrodespanning van transistor T^ bij de stroom. IQ. Aan het begin van de fase Q voert kapaciteit Cg 35 dan een spanning vref”v0* Gedurende fase Q is de situatie verder zoals bij de schakeling volgens figuur 2a met dien verstande dat tussen kapaciteit C4 en de stuurelektrode van transistor Tg een tot een spanning (vref-v0) geladen kapaciteit aanwezig is.

8105919 PHN 10.226 8 . . De ontlading van kapaciteit gedurende de fase Q gaat door tot dat de stuur elektrode van transistor TQ de bij de stroom I behorende spanning VQ voert, bij welke spanning de spanning over kapaciteit gelijk is aan de referentiespanning V.ef. Hierdoor is 5 het ladings transport via kapaciteit onafhankelijk geworden van de procesafhankelijke spanning VQ.

De referentiespanning kan eventueel ook een signaal-spanning zijn, In dat geval kan de schakeling als een differentiële integrator uitgevoerd worden.

10 15 20 25 30 35 8105919

Claims (2)

1. Dynamische versterkerschakeling voor het op konmando van een kloksignaal in een eerste tijdsinterval versterken van een signaal, omvattende een ruststrocnrinstelschakeling voor het tijdens dat eerste tijdsinterval doen vloeien van een ruststrocm in de ver- 5 sterkerschakeling, met een vanaf een beginwaarde exponentieel afnemende sterkte, met het kenmerk, dat de ruststrocm-instelschakeling een additionele hron omvat, voor het doen vloeien van een ten opzichte van de genoemde ruststrocm in hoofdzaak konstante stroom met een sterkte die relatief gering is ten opzichte van genoemde beginwaarde 10 in de versterker schakeling ter definitie van de minimale ruststrocm in de versterkerschakeling aan het einde van dat tijdsinterval.

2. Dynamische versterkerschakeling, waarin de ruststroomr instelschakeling een geschakelde kapaciteit, die zodanig geschakeld wordt, dat die kapaciteit gedurende een aan het eerste tijdsinterval 15 voorafgaande tijdsinterval geladen wordt en gedurende het eerste tijdsinterval ontladen wordt, omvat voor het realiseren van genoemd exponentieel verloop, met het kenmerk, dat een stroombron in een keten is aangebracht die parallel is aan de keten waarin de geschakelde kapaciteit is aangebracht. 20 25 30 35 S 1 0 5 9 1 9