WO1980000900A1 - Operational amplifier with compensated input shifting voltage - Google Patents

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WO1980000900A1
WO1980000900A1 PCT/CH1979/000102 CH7900102W WO8000900A1 WO 1980000900 A1 WO1980000900 A1 WO 1980000900A1 CH 7900102 W CH7900102 W CH 7900102W WO 8000900 A1 WO8000900 A1 WO 8000900A1
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switch
operational amplifier
voltage
input
amplifier
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PCT/CH1979/000102
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J Vries
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Landis & Gyr Ag
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/38—Dc amplifiers with modulator at input and demodulator at output; Modulators or demodulators specially adapted for use in such amplifiers
    • H03F3/387—Dc amplifiers with modulator at input and demodulator at output; Modulators or demodulators specially adapted for use in such amplifiers with semiconductor devices only
    • H03F3/393—Dc amplifiers with modulator at input and demodulator at output; Modulators or demodulators specially adapted for use in such amplifiers with semiconductor devices only with field-effect devices

Definitions

  • the invention relates to an operational amplifier with compensated offset voltage according to the preamble of claim 1.
  • Integrated operational amplifiers are versatile differential amplifiers, which due to their construction on a single silicon wafer have a constant, tight thermal coupling of the switching elements. They each have an inverting and a non-inverting input and output and have a high input resistance and a high gain. However, they have the disadvantage that they do not act as ideal differential amplifiers in which the magnitude of the output voltage is zero with the same input voltages. In order to achieve the ideal output voltage zero, a certain compensating voltage called offset voltage must be superimposed on one of the inputs.
  • the known compensation circuits by means of a voltage divider connected into a supply line to an input of the operational amplifier or between the emitters or collectors of an input differential amplifier act purely statically and have thermal drift.
  • FIGS. 1 and 2 require an operational amplifier with a small offset voltage, so that no improvement is achieved in operational amplifiers integrated in MOS technology.
  • a second circuit, shown in FIG. 3, of a so-called chopper-stabilized operational amplifier is described in the book "Operational Amplifiers, Design and Applications" by J.G. Graeme, G.E. Tobey and L.P. Huelsmann, pp. 152 and 153 described which resistors and capacitors with high values, which are difficult to achieve in some integrated technologies, are required.
  • the present invention is the object. based on creating a circuit with offset voltage sufficiently compensated for precision purposes, which is suitable to be implemented in integrated MOS circuit technology without large capacitance and resistance values.
  • FIG. 3 shows a diagram of a chopper-stabilized operational amplifier
  • Fig. 5 is a diagram
  • Fig. 6 shows a partial circuit according to the invention.
  • the general, known scheme of an operational amplifier with dynamic compensation of the offset voltage according to FIG. 1 consists of an operational amplifier 3 connected to an input 1 for a voltage to be amplified, with an offset voltage Uov between an inverting - and a non-inverting + input in combination with a controller 2 with two inputs, the first of which is connected to the inverting input of the operational amplifier 3 and the second to a reference potential U ref ' , preferably zero.
  • the output of controller 2 is connected to the non-inverting + input of the operational amplifier.
  • Controller 2 is designed as an integral controller. It contains a second operational amplifier 5, which is connected to the inverting input of the operational amplifier 3 by means of a resistor 4 and has a capacitor 6 connected to its inverting input, connected to the resistor 4 and to its output, and its output to the non-inverting + input of the operational amplifier 3 is connected.
  • a circuit according to FIG. 3 which differs from the circuit described above for realizing an operational amplifier with a low offset voltage uses "chopper stabilization". It is described in the book “Operational Amplifiers, Design and Application” by JG Graeme, GE Tobey and LP Huelsmann, McGraw-Hill Kogakusha, Ltd., Tokyo, Düsseldorf, ea on pages 151 to 154. Their basic circuit is shown in Fig. 3. It has two branches with filters for the amplification of higher-frequency and lower-frequency or direct voltages, which are connected to the common input 1. One is branch connected to the inverting input of an operational amplifier 7 by means of a high-pass filter consisting of a capacitor 9 and a resistor 10.
  • the second branch consists of a resistor 12 and a capacitor 13 as a low-pass filter, a further resistor 14, a switch S 1 , a capacitor 15, an inverting AC amplifier 11, a capacitor C 1 in its output, a second switch S 2 and a second Low pass from a resistor 16 and a capacitor C 2 in connection with the non-inverting + input of the operational amplifier 7.
  • the switches S 1 and S 2 are controlled synchronously by a control circuit (not shown).
  • the chopper-stabilized amplifier described is not suitable for implementation in integrated MOS technology because of the high values which the capacitors and resistors used in the low-pass filters have, which are essential to achieve a sufficient filter effect.
  • the operational amplifier of FIG. 4 compensated for its offset voltage according to the invention, which is preferably embodied in the integrated MOS technology which has the known advantages, contains an integrating control circuit 2 with a series connection of an AC voltage amplifier 11 with a switching arm of a changeover switch S. 1 on the input side, the capacitor C 1 on the output side and the switching arm of a switch S 2, which is preferably connected to the latter via a resistor 17
  • the first switch contact of the switch S 1 is connected to the inverting input of the operational amplifier 3.
  • the first switch contact of the second switch S 2 is connected to the capacitor C 2 and the non-inverting + input of the operational amplifier 3.
  • the second switch contacts of the switches S 1 and S 2 are connected to the line with the reference potential U ref .
  • the switches S 1 and S 2 according to this FIG. 4 are push-pull switches and the AC voltage amplifier 11 is non-inverting. They are also inte in the MOS circuit freezes.
  • the switch S 1 of the circuit according to FIG. 4 can also be replaced by a series connection of a resistor 18 and an on / off switch S 1 according to FIG. 6, the switching arm on the line with the reference potential U ref and the switching contact on Connection point of the resistor 18 with the AC voltage amplifier 11 is located.
  • the offset voltage is continuously tapped by the regulator circuit 2, amplified and applied to the non-inverting + input of the operational amplifier 3. This amplified voltage counteracts the offset voltage occurring at the inverting input of the operational amplifier 3, as a result of which this can be more or less compensated for.
  • the known regulator circuit 2 according to FIG. 2 uses the low-drift operational amplifier 5 connected as an integrator, by means of which the amplified offset voltages are summed and by which they are transmitted to the non-inverting + input of the operational amplifier 3, as a regulator. Since it is difficult or even impossible in some technologies for the production of integrated semiconductor circuits, it is possible to produce operational amplifiers with particularly low drift and low offset voltages with larger offset voltages but other operational properties with other advantageous properties on the same chip the circuit according to FIG. 2 only a limited use.
  • the voltage occurring at input 1 is distributed over two branches.
  • the input voltage U a is a high-pass filter from the capacitor 9 and transferred to the resistor 10 to the inverting input of the operational amplifier.
  • the input voltage Uei.n is sifted through the low-pass filter consisting of the resistor 12 and the capacitor 13, chopped by means of the switch S .. and the chopped voltage via the capacitor 15 blocking the DC voltage, the inverting AC voltage amplifier 11 and the Capacitor C 1 for decoupling the amplified AC voltage is tapped in synchronism with the first switch S 1 by means of the second switch S 2 and sieved through the resistor 16 and the capacitor C 2 .
  • the resistor 16 also prevents a complete discharge of the capacitor C 2 when the switch S 2 is closed.
  • the voltage across the capacitor C 2 is supplied to the non-inverting + input of the operational amplifier 7. Due to the AC voltage coupling, the offset voltage is not effective in this type of operational amplifier.
  • the simple integrated compensation circuit according to the invention according to FIG. 4 can be explained on the basis of the diagram in FIG. 5.
  • this means ⁇ ) the token signals with sections t a and t b at the output of the control circuit (not shown in FIG. 4) for the switches S 1 and S 2 ; b) the profile of the offset voltage U off to the reference voltage U ref , which preferably has the value zero; c) the voltage U 11 at the output of the inverting AC voltage amplifier 11 and d) the voltage U C1 at the output of the capacitor C 1 .
  • the switches S 1 and S 2 are controlled cyclically by the signals according to FIG. 5a.
  • the offset voltage U off chopped by the switch S 1 is connected to the non-inverting AC amplifier 11 and appears at its output as voltage U 11 according to line c of FIG. 5.
  • voltage U C1 occurs after line d 5 on.
  • the capacitor C 1 is at the voltage A. U off charged.
  • A means the gain of the AC voltage amplifier 11.
  • Constant reference voltage U ref shown on the line according to lines b of FIG. 5.
  • the offset voltage U ov of the operational amplifier 3 is reduced to a very small amount, determined by the amplification of the AC voltage amplifier 11, which practically does not limit the usability of this circuit.
  • the product of the gain A of the AC amplifier 11 should be the ratio of the capacitances of the capacitors C 1 and C 2 according to the formula:
  • the clock frequency depends on the integration technology used and the use of the operational amplifier 3 to be compensated for in FIG. 4.
  • the two switches S 1 and S 2 work synchronously. For good functioning, it can be advantageous to control the switches S 1 and S 2 in such a way that the switch S 2 is activated somewhat earlier than the switch S 1 .
  • Resistor 17 has only a current-limiting function when transferring the charge from capacitor C 1 to capacitor C 2 and when charging C 1 . It is therefore of a small size and offers no difficulty in the implementation in an integrated MOS circuit.
  • the circuit with common mode switches S 1 and S 2 and with an inverting AC voltage amplifier 11 acts in the same way as that according to FIG. 4.
  • the switch S. according to FIG. 6 operates in an analogous manner to that in FIG. 4, the control being carried out in such a way that the switch S 1 closes in the excited state.
  • the circuits according to FIGS. 4 and 6 are very simple and can be easily integrated on a chip in any technology. They work reliably and a very small offset voltage, which does not limit the applicability, can be achieved, so that one can speak of a virtually complete compensation of the offset voltage.

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Abstract

The compensation of the input shifting voltage of the operational amplifier (3) is provided by means of an adjusting circuit comprising a first switch (S1) which takes alternately the shifting voltage (Uoff) and a reference voltage (Uref). A second switch (S2) of the circuit rectifies, in step with the first switch (S1), the amplified voltage delivered through a capacitor (C1) by an alternative voltage amplifier (11) and charges an integration capacitor (C2) connected to the non-reversed input (+) of the operational amplifier. For this purpose, the MOS integration technique is used. The product of the amplification A with the ratio of the capacities of C1 and C2: A. C1/C1 + C2 is smaller than 2. The switches (S1, S2) may be push-pull switches, the alternative voltage amplifier (11) being non reversible, or switches in phase, the alternative voltage amplifier (11) being then reversible. The switches (S1, S2) have different switching duration. The first switch (S1) may be arranged so as to have the contact arm thereof set to the reference voltage (Uref), a resistance being mounted between the input (1) and the switching contact.

Description

Operationsverstärker mit kompensierter Offset-SpannungOperational amplifier with compensated offset voltage
Die Erfindung bezieht sich auf einen Operationsverstärker mit kompensierter Offset-Spannung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to an operational amplifier with compensated offset voltage according to the preamble of claim 1.
Integrierte Operationsverstärker sind vielseitig verwendbare Differenzverstärker, die durch ihren Aufbau auf einer einzigen Siliziumscheibe eine gleichbleibende, enge thermische Kopplung der Schaltelemente aufweisen. Sie besitzen je einen invertierenden und einen nichtinvertierenden Eingang und Ausgang und weisen einen hohen Eingangswiderstand und eine hohe Verstärkung auf. Sie haben jedoch den Nachteil, dass sie nicht als ideale Differenzverstärker wirken, bei welchen bei gleichen Eingangs-Spannungen die Grosse der Ausgangs-Spannung Null ist. Um die ideale Ausgangs-Spannung Null zu erreichen muss daher einem der Eingänge eine gewisse, Offset-Spannung genannte kompensierende Spannung überlagert werden.Integrated operational amplifiers are versatile differential amplifiers, which due to their construction on a single silicon wafer have a constant, tight thermal coupling of the switching elements. They each have an inverting and a non-inverting input and output and have a high input resistance and a high gain. However, they have the disadvantage that they do not act as ideal differential amplifiers in which the magnitude of the output voltage is zero with the same input voltages. In order to achieve the ideal output voltage zero, a certain compensating voltage called offset voltage must be superimposed on one of the inputs.
Die bekannten Kompensationsschaltungen mittels eines in die eine Zuleitung zu einem Eingang des Operationsverstärkers oder zwischen die Emitter oder Kollektoren eines Eingangs-Differenzverstärkers geschalteten Spannungsteilers wirken rein statisch und besitzen Wärmedrift.The known compensation circuits by means of a voltage divider connected into a supply line to an input of the operational amplifier or between the emitters or collectors of an input differential amplifier act purely statically and have thermal drift.
Für viele Verwendungen, insbesondere für Bestandteile von Präzisionsmessgeräten oder -Zählern in rein elektronischer Ausführung sind Operationsverstärker mit dynamischer und/oder stetiger Offsetspannungs-Kompensation notwendig. Dies trifft besonders zu bei integrierten Schaltungen, deren Technologie, beispielsweise MOS-Technologie, nur Operationsverstärker mit erheblicher Offsetspannung erlaubt.For many uses, in particular for components of precision measuring devices or counters in a purely electronic version, operational amplifiers with dynamic and / or continuous offset voltage compensation are necessary. This applies in particular to integrated circuits whose technology, for example MOS technology, only allows operational amplifiers with a considerable offset voltage.
Es sind bereits verschiedene solcher Offsetkompensations-Schaltungen für Operationsverstärker bekannt, die dynamische Kompensation der Offsetspannung erlauben. Beispiele sind in Fig. 1 bis 3 der Zeichnung angegeben und bei der Beschreibung dieser Figuren erklärt. Eine in Fig. 1 und 2 dargestellte bekannte Schaltung braucht einen Operationsverstärker mit kleiner Offset-Spannung, so dass bei in MOS-Technologie integrierten Operationsverstärkern keine Verbesserung erreicht wird.Various such offset compensation circuits for operational amplifiers are already known, which allow dynamic compensation of the offset voltage. Examples are given in Fig. 1 to 3 of the drawing and explained in the description of these figures. A known circuit shown in FIGS. 1 and 2 requires an operational amplifier with a small offset voltage, so that no improvement is achieved in operational amplifiers integrated in MOS technology.
Eine zweite, in Fig. 3 dargestellte Schaltung eines sogenannten chopperstabilisierten Operationsverstärkers ist in dem Buch "Operational Amplifiers, Design and Applications" von J.G. Graeme, G.E. Tobey und L.P. Huelsmann, S. 152 und 153 beschrieben, welche Widerstände und Kondensatoren mit hohen, in einigen Integriertechniken nur schwierig zu realisierenden Werten benötigt.A second circuit, shown in FIG. 3, of a so-called chopper-stabilized operational amplifier is described in the book "Operational Amplifiers, Design and Applications" by J.G. Graeme, G.E. Tobey and L.P. Huelsmann, pp. 152 and 153 described which resistors and capacitors with high values, which are difficult to achieve in some integrated technologies, are required.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgäbe. zugrunde, eine Schaltung mit für Präzisionszwecke genügend kompensierter Offsetspannung zu schaffen, die geeignet ist in integrierter MOS-Schaltungstechnologie ohne grosse Kapazitäts- und Widerstandswerte ausgeführt zu werden.The present invention is the object. based on creating a circuit with offset voltage sufficiently compensated for precision purposes, which is suitable to be implemented in integrated MOS circuit technology without large capacitance and resistance values.
Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 definiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den weiteren Patentansprüchen angegeben.The invention is defined in claim 1. Advantageous refinements are specified in the further claims.
Sie wird nachstehend anhand einer Zeichnung beispielsweise erläutert.It is explained below using a drawing, for example.
Die Figuren der Zeichnung bedeuten:The figures in the drawing mean:
Fig. 1 allgemeines Schema eines Operationsverstärkers mit Offsetspannungs-Kompensation;1 general scheme of an operational amplifier with offset voltage compensation;
Fig. 2 ein Schema einer bekannten Schaltung,2 is a schematic of a known circuit,
Fig. 3 ein Schema eines chopperstabilisierten Operationsverstärkers;3 shows a diagram of a chopper-stabilized operational amplifier;
Fig. 4 eine Schaltung gemäss der Erfindung; Fig. 5 ein Diagramm und4 shows a circuit according to the invention; Fig. 5 is a diagram and
Fig. 6 eine Teil-Schaltung gemäss der Erfindung.Fig. 6 shows a partial circuit according to the invention.
Das allgemeine, bekannte Schema eines Operationsverstärkers mit dynamischer Kompensation der Offsetspannung gemäss Fig. 1 besteht aus einem an einem Eingang 1 für eine zu verstärkende Spannung angeschlossenen Operationsverstärker 3 mit einer Offsetspannung Uov zwischen einem invertierenden - und einem nichtinvertierenden +Eingang in Kombination mit einem Regler 2 mit zwei Eingängen, von denen der erste an den invertierenden -Eingang des Operationsverstärkers 3 und der zweite an ein Bezugspotential Uref', vorzugsweise Null, angeschlossen ist. Der Ausgang des Reglers 2 ist mit dem nichtinvertierenden +Eingang des Operationsverstärkers verbunden.The general, known scheme of an operational amplifier with dynamic compensation of the offset voltage according to FIG. 1 consists of an operational amplifier 3 connected to an input 1 for a voltage to be amplified, with an offset voltage Uov between an inverting - and a non-inverting + input in combination with a controller 2 with two inputs, the first of which is connected to the inverting input of the operational amplifier 3 and the second to a reference potential U ref ' , preferably zero. The output of controller 2 is connected to the non-inverting + input of the operational amplifier.
Eine weitere bekannte Ausführung ist in der Fig. 2 dargestellt. Der Regler 2 ist -als Integralregler ausgeführt. Er enthält einen mittels eines Widerstandes 4 mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 3 verbundenen zweiten Operationsverstärker 5, der einen an seinen invertierenden -, mit dem Widerstand 4 verbundenen Eingang und an seinen Ausgang angeschlossenen Kondensator 6 besitzt und seinerseits mit seinem Ausgang mit dem nichtinvertierenden +Eingang des Operationsverstärkers 3 verbunden ist.Another known embodiment is shown in FIG. 2. Controller 2 is designed as an integral controller. It contains a second operational amplifier 5, which is connected to the inverting input of the operational amplifier 3 by means of a resistor 4 and has a capacitor 6 connected to its inverting input, connected to the resistor 4 and to its output, and its output to the non-inverting + input of the operational amplifier 3 is connected.
Eine von den vorhergehend beschriebenen Schaltung verschiedene Schaltung nach der Fig. 3 zur Realisierung eines Operationsverstärkers mit geringer Offsetspannung bedient sich der "Chopperstabilisierung". Sie ist im Buch "Operational Amplifiers, Design and Application" von J.G. Graeme, G.E. Tobey und L.P. Huelsmann, McGraw-Hill Kogakusha, Ltd., Tokyo, Düsseldorf, e.a. auf Seite 151 bis 154 beschrieben. Ihre Grundschaltung ist in Fig. 3 dargestellt. Sie besitzt zwei Zweige mit Filtern für die Verstärkung von höherfrequenten und tieferfrequenten oder Gleich-Spannungen, die an den gemeinsamen Eingang 1 angeschlossen sind. Der eine Zweig ist mittels eines aus einem Kondensator 9 und einem Widerstand 10 bestehenden Hochpass-Filters an den invertierenden -Eingang eines Operationsverstärkers 7 angeschlossen. Der zweite Zweig besteht aus einem Widerstand 12 und einem Kondensator 13 als Tiefpassfilter, einem weiteren Widerstand 14, einem Schalter S1 , einem Kondensator 15, einem invertierenden WechselstromVerstärker 11, einem Kondensator C1 in dessen Ausgang, ein zweiten Schalter S2 und einem zweiten Tiefpass aus einem Widerstand 16 und einem Kondensator C2 in Verbindung mit dem nichtinvertierenden +Eingang des Operstiσnsverstärkers 7. Die Schalter S1 und S2 werden von einer nichtgezeichneten Steuerschaltung synchron gesteuert.A circuit according to FIG. 3 which differs from the circuit described above for realizing an operational amplifier with a low offset voltage uses "chopper stabilization". It is described in the book "Operational Amplifiers, Design and Application" by JG Graeme, GE Tobey and LP Huelsmann, McGraw-Hill Kogakusha, Ltd., Tokyo, Düsseldorf, ea on pages 151 to 154. Their basic circuit is shown in Fig. 3. It has two branches with filters for the amplification of higher-frequency and lower-frequency or direct voltages, which are connected to the common input 1. One is branch connected to the inverting input of an operational amplifier 7 by means of a high-pass filter consisting of a capacitor 9 and a resistor 10. The second branch consists of a resistor 12 and a capacitor 13 as a low-pass filter, a further resistor 14, a switch S 1 , a capacitor 15, an inverting AC amplifier 11, a capacitor C 1 in its output, a second switch S 2 and a second Low pass from a resistor 16 and a capacitor C 2 in connection with the non-inverting + input of the operational amplifier 7. The switches S 1 and S 2 are controlled synchronously by a control circuit (not shown).
Der beschriebene, chopperstabilisierte Verstärker eignet sich nicht für die Ausführung in integrierter MOS-Technik wegen der hohen Werte, die die in den Tiefpässen verwendeten Kondensatoren und Widerstände aufweisen, die unentbehrlich sind, um eine genügende Filterwirkung zu erreichen.The chopper-stabilized amplifier described is not suitable for implementation in integrated MOS technology because of the high values which the capacitors and resistors used in the low-pass filters have, which are essential to achieve a sufficient filter effect.
Der in Bezug auf seine Offsetspannung kompensierte Operationsverstärker der Fig. 4 gemäss der Erfindung, der vorzugsweise in der die bekannten Vorteile aufweisenden integrierten MOS-Technologie ausgeführt ist, enthält eine integrierende Regelschaltung 2 mit einer Reihenschaltung eines Wechselspannungs-Verstärkers 11 mit einem Schaltarm eines Umschalters S1 auf der Eingangsseite, dem Kondensator C1 an der Ausgangsseite und dem mit diesem vorzugsweise über einen Widerstand 17 verbundenen Schaltarm eines Umschaters S2. Der erste Schaltkontakt des Schalters S1 ist an den invertierenden -Eingang des Operationsverstärkers 3 angeschlossen. Der erste Schaltkontakt des zweiten Schalters S2 ist mit dem Kondensator C2 und dem nichtinvertierenden +Eingang des Operationsverstärkers 3 verbunden. Die zweiten Schaltkontakte der Schalter S1 und S2 sind an die Leitung mit dem Bezugspotential Uref gelegat.The operational amplifier of FIG. 4 compensated for its offset voltage according to the invention, which is preferably embodied in the integrated MOS technology which has the known advantages, contains an integrating control circuit 2 with a series connection of an AC voltage amplifier 11 with a switching arm of a changeover switch S. 1 on the input side, the capacitor C 1 on the output side and the switching arm of a switch S 2, which is preferably connected to the latter via a resistor 17 The first switch contact of the switch S 1 is connected to the inverting input of the operational amplifier 3. The first switch contact of the second switch S 2 is connected to the capacitor C 2 and the non-inverting + input of the operational amplifier 3. The second switch contacts of the switches S 1 and S 2 are connected to the line with the reference potential U ref .
Die Schalter S1 und S2 gemäss dieser Fig. 4 sind Gegentaktschalter und der Wechselspannungsverstärker 11 ist nichtinvertierend. Sie sind ebenfalls in der MOS-Schaltung inte griert .The switches S 1 and S 2 according to this FIG. 4 are push-pull switches and the AC voltage amplifier 11 is non-inverting. They are also inte in the MOS circuit freezes.
Bei einer zweiten Acisführungsαrt eines Operationsverstärkers gemäss der Erfindung, welche im Prinzip gleich ist wie diejenige der Fig. 4, sind die Schalter S1 und S2 jedoch Gleichtakt-Umschalter und der Wechselspannungs-Verstärker 11 ist invertierend.In a second Acisführungαrt of an operational amplifier according to the invention, which is in principle the same as that of FIG. 4, the switches S 1 and S 2 are, however, common mode switch and the AC amplifier 11 is inverting.
Der Umschalter S1 der Schaltung gemäss Fig. 4 kann auch durch eine Reihenschaltung eines Widerstandes 18 und eines Ein/Aus-Schalters S1 gemäss Fig. 6 ersetzt werden, wobei der Schaltarm an der Leitung mit dem Bezugspotential Uref, und der Schaltkontakt am Verbindungspunkt des Widerstands 18 mit dem Wechselspannungsverstärker 11 liegt.The switch S 1 of the circuit according to FIG. 4 can also be replaced by a series connection of a resistor 18 and an on / off switch S 1 according to FIG. 6, the switching arm on the line with the reference potential U ref and the switching contact on Connection point of the resistor 18 with the AC voltage amplifier 11 is located.
Die Wirkungsweise der allgemeinen Schaltung eines für die Offsetspannung kompensierten Operationsverstärkers 3 ist folgende:The general circuit of an operational amplifier 3 compensated for the offset voltage works as follows:
Die Offsetspannung wird durch die Reglerschaltung 2 kontinuierlich abgegriffen, verstärkt und auf den nichtinvertierenden +Eingang des Operationsverstärkers 3 gegeben. Diese verstärkte Spannung wirkt der auf dem invertierenden -Eingang des Operationsverstärkers 3 auftretenden Offsetspannung entgegen, wodurch diese mehr oder weniger kompensiert werden kann.The offset voltage is continuously tapped by the regulator circuit 2, amplified and applied to the non-inverting + input of the operational amplifier 3. This amplified voltage counteracts the offset voltage occurring at the inverting input of the operational amplifier 3, as a result of which this can be more or less compensated for.
Die bekannte Reglerschaltung 2 gemäss der Fig. 2 benutzt den als Integrator geschalteten driftarmen Operationsverstärker 5, mittels welchem die verstärkten Offsetspannungen summiert werden und durch welchen diese auf den nichtinvertierenden +Eingang des Operationsverstärkers 3 übertragen werden, als Regler. Da es in einigen Technologien der Herstellung integrieter Halbleiterschaltungen schwierig oder sogar unmöglich ist, besonders driftarme und geringe Offsetspannungen aufweisende Operationsverstärker mit grösseren Offsetspannungen aber dafür andere vorteilhafte Eigenschaften aufweisenden Operationsverstärkern auf dem gleichen Chip herzustellen, erlaubt die Schaltung gemäss der Fig. 2 nur eine beschränkte Verwendung.The known regulator circuit 2 according to FIG. 2 uses the low-drift operational amplifier 5 connected as an integrator, by means of which the amplified offset voltages are summed and by which they are transmitted to the non-inverting + input of the operational amplifier 3, as a regulator. Since it is difficult or even impossible in some technologies for the production of integrated semiconductor circuits, it is possible to produce operational amplifiers with particularly low drift and low offset voltages with larger offset voltages but other operational properties with other advantageous properties on the same chip the circuit according to FIG. 2 only a limited use.
Bei der Schaltung des chopperstabilisierten Operationsverstärkers nach der Fig. 3 wird die am Eingang 1 auftretende Spannung auf zwei Zweige verteilt. Im ersten Zweig wird die Eingangsspannung Uein über ein Hochpassfilter aus dem Kondensator 9 und dem Widerstand 10 auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 7 übertragen. Im zweiten Zweig wird die Eingangsspannung Uei.n über das aus dem Widerstand 12 und dem Kondensator 13 bestehende Tiefpassfilter gesiebt, mittels des Schalters S.. zerhackt und die zerhackte Spannung über den die Gleichspannung sperrenden Kondensator 15, den invertierenden Wechselspannungs-Verstärker 11 und dem Kondensator C1 zur Auskopplung der verstärkten Wechselspannung synchron zum ersten Schalter S1 mittels des zweiten Schalters S2 abgegriffen und über den Widerstand 16 und dem Kondensator C2 gesiebt. Dabei verhindert der Widerstand 16 zugleich eine vollständige Entladung des Kondensators C2 bei geschlossenem Schalter S2. Die Spannung am Kondensator C2 wird dem nichtinvertierenden +Eingang des Operationsverstärkers 7 zugeführt. Durch die Wechselspannungs-Kopplung wird bei dieser Art von Operationsverstärkern die Offsetspannung nicht wirksam.When switching the chopper-stabilized operational amplifier according to FIG. 3, the voltage occurring at input 1 is distributed over two branches. In the first branch, the input voltage U a is a high-pass filter from the capacitor 9 and transferred to the resistor 10 to the inverting input of the operational amplifier. 7 In the second branch, the input voltage Uei.n is sifted through the low-pass filter consisting of the resistor 12 and the capacitor 13, chopped by means of the switch S .. and the chopped voltage via the capacitor 15 blocking the DC voltage, the inverting AC voltage amplifier 11 and the Capacitor C 1 for decoupling the amplified AC voltage is tapped in synchronism with the first switch S 1 by means of the second switch S 2 and sieved through the resistor 16 and the capacitor C 2 . The resistor 16 also prevents a complete discharge of the capacitor C 2 when the switch S 2 is closed. The voltage across the capacitor C 2 is supplied to the non-inverting + input of the operational amplifier 7. Due to the AC voltage coupling, the offset voltage is not effective in this type of operational amplifier.
Die jedoch bei dieser Schaltung notwendigen Kondensatoren und Widerstände sind ebenfalls bei modernen Integrations-Technologien nur mit erheblichem Aufwand realisierbar. Zudem sind zur Vermeidung von Unregelmässigkeiten der Verstärkung und Nichtlinearitäten weitere Korrekturmassnahmen mit Hilfe starker Rückkopplung des Operationsverstärkers 7 notwendig. Alle diese Massnahmen schränken die Verwendbarkeit dieser Schaltung erheblich ein.However, the capacitors and resistors required for this circuit can also be implemented only with considerable effort in modern integration technologies. In addition, in order to avoid irregularities in the amplification and non-linearities, further corrective measures with the strong feedback of the operational amplifier 7 are necessary. All of these measures restrict the usability of this circuit considerably.
Die einfache integrierte Kompensationsschaltung gemäss der Erfindung nach der Fig. 4 lässt sich anhand des Diagramms der Fig. 5 erklären. In diesem bedeutet: α) die Toktsignale mit Abschnitten ta und tb am Ausgang der in der Fig. 4 nichtgezeichneten Steuerschaltung für die Schalter S1 und S2; b) den Verlauf der Offsetspannung Uoff zu der Bezugsspannung Uref, welche vorzugsweise den Wert Null aufweist; c) die Spannung U11 am Ausgang des invertierenden Wechslespannungs-Verstärkers 11 und d) die Spannung UC1 am Ausgang des Kondensators C1.The simple integrated compensation circuit according to the invention according to FIG. 4 can be explained on the basis of the diagram in FIG. 5. In this means: α) the token signals with sections t a and t b at the output of the control circuit (not shown in FIG. 4) for the switches S 1 and S 2 ; b) the profile of the offset voltage U off to the reference voltage U ref , which preferably has the value zero; c) the voltage U 11 at the output of the inverting AC voltage amplifier 11 and d) the voltage U C1 at the output of the capacitor C 1 .
Die Schalter S1 und S2 werden durch die Signale nach der Fig. 5a taktweise gesteuert. Die durch den Schalter S1 zerhackte Offsetspannung Uoff liegt am nichtinvertierenden Wechselspannungs-Verstärker 11 und erscheint an dessen Ausgang als Spannung U 11 gemäss der Zeile c der Fig. 5. Am Ausgang des Kondensators C. tritt die Spannung UC1 nach der Zeile d der Fig. 5 auf. Während der ersten Phase ta des Taktes wird der Kondensator C 1 auf die Spannung A . Uoff aufgeladen.The switches S 1 and S 2 are controlled cyclically by the signals according to FIG. 5a. The offset voltage U off chopped by the switch S 1 is connected to the non-inverting AC amplifier 11 and appears at its output as voltage U 11 according to line c of FIG. 5. At the output of capacitor C., voltage U C1 occurs after line d 5 on. During the first phase t a of the clock, the capacitor C 1 is at the voltage A. U off charged.
A bedeutet dabei die Verstärkung des Wechselspannungs-Verstärkers 11. Während jeweils der zweiten Phase tb wird dieA means the gain of the AC voltage amplifier 11. During the second phase t b , the
Ladung des Kondensators C1 auf den Kondensator C2 übertragen.Transfer charge of the capacitor C 1 to the capacitor C 2 .
Dadurch ergibt sich eine Erniedrigung der in der oberen Zeile gezeichneten Offsetspannung Uoff gegenüber der in der unterenThis results in a lowering of the offset voltage U off drawn in the upper line compared to that in the lower line
Zeile dargestellten konstanten Referenzspannung Uref gemäss den Zeilen b der Fig. 5. Dadurch wird die Offsetspannung Uo v des Operationsverstärkers 3 auf einen sehr kleinen, durch die Verstärkung des Wechselspannungs-Verstärkers 11 bestimmten Betrag vermindert, der die Verwendbarkeit dieser Schaltung praktisch nicht beschränkt. Damit die Regelschaltung stabil ist, soll das Produkt der Verstärkung A des WechselspannungsVerstärkers 11 mit dem Verhältnis der Kapazitäten der Kondensatoren C1 und C2 gemäss der Formel:Constant reference voltage U ref shown on the line according to lines b of FIG. 5. As a result, the offset voltage U ov of the operational amplifier 3 is reduced to a very small amount, determined by the amplification of the AC voltage amplifier 11, which practically does not limit the usability of this circuit. In order for the control circuit to be stable, the product of the gain A of the AC amplifier 11 should be the ratio of the capacitances of the capacitors C 1 and C 2 according to the formula:
C
Figure imgf000009_0001
 C.
Figure imgf000009_0001
Die Taktfrequenz richtet sich nach der verwendeten Integrations-Technologie und der Verwendung des zu kompensierenden Operationsverstärkers 3 der Fig. 4. Die beiden Schalter S1 und S2 arbeiten synchron. Für gute Funktion kann es vorteilhaft sein, die Steuerung der Schalter S1 und S2 so auszuführen, dass der Schalter S2 etwas früher als der Schalter S1 angesteuert wird. Der Widerstand 17 hat nur strombegrenzende Funktion beim Uebertragen der Ladung vom Kondensator C1, zum Kondensator C2 und beim Laden von C1. Er hat daher nur eine geringe Grosse und bietet keine Schwierigkeit bei der Ausführung in integrierter MOS-Schaltung.The clock frequency depends on the integration technology used and the use of the operational amplifier 3 to be compensated for in FIG. 4. The two switches S 1 and S 2 work synchronously. For good functioning, it can be advantageous to control the switches S 1 and S 2 in such a way that the switch S 2 is activated somewhat earlier than the switch S 1 . Resistor 17 has only a current-limiting function when transferring the charge from capacitor C 1 to capacitor C 2 and when charging C 1 . It is therefore of a small size and offers no difficulty in the implementation in an integrated MOS circuit.
Die Schaltung mit Gleichtakt-Schaltern S1 und S2 und mit einem invertierenden Wechselspannungs-Verstärker 11 wirkt in gleicher Weise wie diejenige nach der Fig. 4.The circuit with common mode switches S 1 and S 2 and with an inverting AC voltage amplifier 11 acts in the same way as that according to FIG. 4.
Der Schalter S. nach der Fig. 6 arbeitet auf analoge Weise wie derjenige in Fig. 4, wobei die Ansteuerung so ausgeführt wird, dass der Schalter S1 in erregtem Zustand schliesst.The switch S. according to FIG. 6 operates in an analogous manner to that in FIG. 4, the control being carried out in such a way that the switch S 1 closes in the excited state.
Die Schaltungen nach den Fig. 4 und 6 sind sehr einfach und sie lassen sich in jeder Technologie leicht auf einen Chip integrieren. Sie arbeiten zuverlässig und es lässt sich eine sehr kleine, die Anwendbarkeit nicht einschränkende Offsetspannung erreichen, so dass von einer praktisch vollständigen Kompensation der Offsetspannung gesprochen werden kann. The circuits according to FIGS. 4 and 6 are very simple and can be easily integrated on a chip in any technology. They work reliably and a very small offset voltage, which does not limit the applicability, can be achieved, so that one can speak of a virtually complete compensation of the offset voltage.

Claims

P A T E N T A N S P R U E C H E PATENT CLAIMS
1. Operationsverstärker mit Offsetspannungs-Kompensat ion mit Hilfe einer zwischen den invertierenden und den nichtinvertierenden Eingang geschalteten Regelschaltung, dadurch gekennzeichnet, dass a.) ein Wechselspannungs-Verstärker (11 ) vorgesehen ist, dessen Eingang über einen ersten Schalter (S. ) abwechselnd an den invertierenden Eingang (-) des Operationsverstärkers (3) oder an eine Bezugsspannung ( Ur ef) anschliessbar ist und dass b) der Ausgang des Wechselspannungs-Verstärkers (11) über einen ersten Kondensator (C1) und einen zweiten gleichrichtenden, mit dem ersten Schalter (S1 ) synchron schaltbaren1. operational amplifier with offset voltage compensation by means of a control circuit connected between the inverting and the non-inverting input, characterized in that a.) An AC voltage amplifier (11) is provided, the input of which is alternately switched on via a first switch (p.) the inverting input (-) of the operational amplifier (3) or to a reference voltage (U r ef ) can be connected and that b) the output of the AC amplifier (11) via a first capacitor (C 1 ) and a second rectifying, with the first switch (S 1 ) switchable synchronously
Schalter (S2) an den Kondensator (C2) und an den nichtinvertierenden Eingang (+) des Operationsverstärkers (3) einerseits oder an die Bezugsspannung ( Uref) anschliessbar ist .Switch (S 2 ) to the capacitor (C 2 ) and to the non-inverting input (+) of the operational amplifier (3) on the one hand or to the reference voltage (U ref ) can be connected.
2. Operationsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er in integrierter MOS-Technik ausgeführt ist.2. Operational amplifier according to claim 1, characterized in that it is designed in integrated MOS technology.
3. Operationsverstärker nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt des Verhältnisses
Figure imgf000011_0001
der Kapazitäten der Kondensatoren C1 und C2 mit dem Verstärkungsfaktor A des Wechselspannungs-Verstärkers (11 ) kleiner als 2 ist.3. operational amplifier according to claim 1 and 2, characterized in that the product of the ratio
Figure imgf000011_0001
the capacitances of the capacitors C 1 and C 2 with the gain A of the AC amplifier (11) is less than 2.
4. Operationsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Schalter (S1 , S2) Umschalter sind, dass4. operational amplifier according to claim 1, characterized in that a) the switches (S 1 , S 2 ) are switches that
b) ein erster Schaltkontkat des ersten Schalters (S1) mit dem invertierenden Eingang (-) des Operstionsverstärkers (3) und ein zweiter Schaltkontakt mit der Bezugsspannung ( Uref) verbunden ist und der Schαltαrm des ersten Schalters (S1 ) mit dem Eingang des Wechselspannungs-Verstärkers (11) verbunden ist und dass c) der Schaltarm des zweiten Schalters (S2) mit dem erstenb) a first switching contact of the first switch (S 1 ) with the inverting input (-) of the operational amplifier (3) and a second switching contact with the reference voltage (U ref ) is connected and the switch of the first switch (S 1 ) is connected to the input of the AC voltage amplifier (11) and that c) the switching arm of the second switch (S 2 ) is connected to the first
Kondensator (C1 ) verbunden ist, dass ein erster Schaltkontakt des zweiten Schalters (S2) mit dem Verbindungspunkt des zweiten Kondensators (C1) mit dem nichtinvertierenden Eingang (+) des Operationsverstärkers und der zweite Schaltkontakt mit der Bezugsspannung (Uref) verbunden sind.Capacitor (C 1 ) is connected so that a first switch contact of the second switch (S 2 ) is connected to the connection point of the second capacitor (C 1 ) to the non-inverting input (+) of the operational amplifier and the second switch contact is connected to the reference voltage (U ref ) are.
5. Operationsverstärker nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Kondensator C1 und den Schaltarm des zweiten Schalters (S„) ein Widerstand (17) geschaltet ist.5. operational amplifier according to claim 1 and 4, characterized in that between the capacitor C 1 and the switching arm of the second switch (S "), a resistor (17) is connected.
6. Operationsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingang des Wechselspannungs-Verstärkers (11 ) über einen Widerstand (18) an den invertierenden (-) Eingang des Operationsverstärkers (3) angeschlossen und über einen Ein/Aus-Schalter (S. ) an das Bezugspotential (Uref) ananschliessbar ist.6. Operational amplifier according to claim 1, characterized in that the input of the AC amplifier (11) is connected via a resistor (18) to the inverting (-) input of the operational amplifier (3) and via an on / off switch (S. ) can be connected to the reference potential (U ref ).
7. Operationsverstärker nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (S1 , S2) Gleichtakt-Schalter und der Wechselspannungs-Verstärker (11 ) invertierend ist.7. operational amplifier according to claim 1 and 4, characterized in that the switch (S 1 , S 2 ) common mode switch and the AC amplifier (11) is inverting.
8. Operationsverstärker nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (S1 , S2) Gegentakt-Schalter und der Wechselspannungs-Verstärker (11) nichtinvertierend ist.8. operational amplifier according to claim 1 and 4, characterized in that the switch (S 1 , S 2 ) push-pull switch and the AC voltage amplifier (11) is non-inverting.
9. Operationsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (S1 , S2) voneinander verschiedene Schaltzeiten besitzen. 9. operational amplifier according to claim 1, characterized in that the switches (S 1 , S 2 ) have different switching times.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4210212A1 (en) * 2022-01-11 2023-07-12 Mediatek Inc. Apparatus and method for controlling transient boost circuit of voltage regulator through feedback signals obtained by differential sensing applied to output capacitor

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1357832A (en) * 1963-03-01 1964-04-10 Device stabilizing the zero and canceling the drift of continuous signal amplifiers
DE2239277A1 (en) * 1971-08-10 1973-02-22 Gen Motors Corp DC VOLTAGE AMPLIFIER

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1357832A (en) * 1963-03-01 1964-04-10 Device stabilizing the zero and canceling the drift of continuous signal amplifiers
DE2239277A1 (en) * 1971-08-10 1973-02-22 Gen Motors Corp DC VOLTAGE AMPLIFIER

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
EDN Electrical Design News, November 1965, Denver (USA) B.J. Barranger "FET Chopper samples microvolt signals", Seiten 38, 40, 41 siehe Seiten 40 und 41 *
Electron Engineering, vol. 30, no. 366, August 1958, London (GB) I.C. Hutcheon "Performance Calculations for D.C. Chopper Amplifiers", Seiten 476-480 siehe Seite 477, rechte Spalte, Zeile 217 bis Seite 478, rechte Spalte, Zeile 4 *
Electronics, vol. 27, no. 4, April 1954, New York (USA) D.W. Slaughter: "TimeShared Amplifier Stabilizes Computers", Seiten 188-190 siehe Seite 188, linke Spalte und mittelste Spalte; Zeilen 1-10; Seite 190, linke Spalte, Zeilen 23-53 *
Journal of the Institution of Electrical Engineers, vol. 2, no. 23, November 1956, London (GB) "DC Computer Amplifiers", Seiten 672-675 siehe Seite 674, linke Spalte, Zeilen 1-12, Figur 3b *
Philips Application Note, no. 185, November 1972, Eindhoven (NL) J. Oosterling: "Chopper Stabilized Operational Amplifier CSA70" siehe Seite 2, zweiter Absatz *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4210212A1 (en) * 2022-01-11 2023-07-12 Mediatek Inc. Apparatus and method for controlling transient boost circuit of voltage regulator through feedback signals obtained by differential sensing applied to output capacitor

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IT1123810B (en) 1986-04-30
IT7926416A0 (en) 1979-10-11
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YU246279A (en) 1982-06-30

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