WO2016083288A1

WO2016083288A1 - Sc-verstärkerschaltung

Info

Publication number: WO2016083288A1
Application number: PCT/EP2015/077326
Authority: WO
Inventors: Norbert RAEHSE; Rüdiger ARNOLD
Original assignee: Elmos Semiconductor Aktiengesellschaft
Priority date: 2014-11-28
Filing date: 2015-11-23
Publication date: 2016-06-02
Also published as: EP3224944B1; EP3224944A1; CN106068539A; CN106068539B

Abstract

Die SC-Verstärkerschaltung (10) dient zum Verstärken einer an einem Eingang anliegenden Eingangsspannung einer Messsignalquelle um einen Verstärkungsfaktor und zum Ausgeben der verstärkten Eingangsspannung an einem Ausgang während eines Schaltzyklus, der mindestens ein Aufladeintervall zum Aufladen einer Eingangskapazität (C_s) und mindestens ein Entladeintervall zum Entladen der Eingangskapazität (C_s) umfasst. Die SC-Verstärkerschaltung ist versehen mit einem Schaltungseingangsanschluss (12) für die zu verstärkende, von der Messsignalquelle, gelieferten Eingangsspannung und einem Verstärker (22) mit einem Verstärkereingangsanschluss (20) sowie einem Verstärkerausgangsanschluss. Die Eingangskapazität (C_s) ist mit dem Verstärkereingangsanschluss (20) verbunden und in dem Entladeintervall mit dem Schaltungseingangsanschluss (12) verbindbar sowie in dem Entladeintervall von dem Schaltungseingangsanschluss (12) entkoppelbar ist. Ferner weist die SC- Verstärkerschaltung (10) ein Rückkoppelnetzwerk (26), das zwischen den Verstärkerausgangsanschluss (24) und den Verstärkereingangsanschluss (20) geschaltet ist, und eine Wiederaufladequelle (28) zum Bereitstellen eines Ladestroms zum Aufladen der Eingangskapazität (C_s) auf, wobei die Wiederaufladequelle (28) in dem Aufladeintervall die Eingangskapazität (C_s) auflädt und in dem Entladeintervall hinsichtlich eines Aufladens der Eingangskapazität (C_s) wirkungslos geschaltet ist.

Description

SC-Verstärkerschaltuna

Die Erfindung betrifft eine SC-(Switched-Capacitor-)Verstärkerschaltung zum Verstärken einer an einem Eingang anliegenden Eingangsspannung um einen Verstärkungsfaktor und zum Ausgeben der verstärkten Eingangsspannung an einem Ausgang während eines Schaltzyklus.

SC-Verstärkerschaltungen sind grundsätzlich bekannt. Sie bieten eine Offset- Kompensation und eine nahezu optimale Unterdrückung des 1/f-Rauschens, so dass sie sich insbesondere für Eingangsspannungen sehr geringer Amplitude eignen, wenn diese hochauflösend verstärkt werden sollen. Dies ist beispiels- weise der Fall bei Messsignalquellen, deren Messsignalamplitude äußerst gering ist. Ein Beispiel für eine derartige Messsignalquelle ist ein MEMS-Druck- oder Beschleunigungssensor. Alternativ können auch an Wheatstoneschen Messbrücken-Spannungssignale mit lediglich geringer Amplitude anstehen. SC-Verstärkerschaltungen werden Schaltzyklus-gesteuert betrieben, wobei ein Schaltzyklus mindestens zwei Intervalle ausweist, von denen das eine zum Aufladen einer Eingangskapazität und das andere zum Ent- bzw. Umladen der Eingangskapazität dient. Es ist nicht ausgeschlossen, dass der Schaltzyklus noch weitere Intervalle umfasst.

SC-Verstärkerschaltungen verwenden also eine Eingangskapazität. Der Zusammenhang zwischen Eingangskapazität, Schaltfrequenz f_s, Bandbreite und maximal erreichbarer Auflösung (Effective Number Of Bits, ENOB) aufgrund thermischen Rauschens ist grundlegend bekannt. Um bei gegebener Bandbrei- te BW die Auflösung ENOB um ΔΕΝΟΒ=1 Bit zu erhöhen, muss man entweder die Eingangskapazität C_s oder die Abtastfrequenz f_s vervierfachen : ΔΕΝΟΒ =

Bei Schaltungen wie dem invertierenden oder nicht-invertierenden SC- Verstärker wird die Abtast-Eingangskapazität C_s bei jedem Takt entladen und muss von der Eingangssignalquelle V_SIG mit Innenwiderstand R_SIG über den Abtast-Schalter-Widerstand R_s wieder aufgeladen werden .

In Fig . 1 ist die Abtast-Konfiguration eines abtastenden Systems mit Abtasten und Ladungs-Rücksetzen eines Standard SC-Verstärkers zu sehen .

Durch den Innenwiderstand der Signalquelle und den Abtast-Schalter- Widerstand ist die Menge der Ladung, die entnommen werden darf, jedoch begrenzt:

• Die Abtast-Kapazität muss innerhalb einer halben Taktperiode aus der Eingangssignalquelle auf die gewünschte Auflösung einschwingen. Ungenügendes Einschwingen entspricht einem Verstärkungsfehler. Dies führt zu einer Mindest-Einschwingzeit, die die Taktfrequenz f_s begrenzt. Ohne Filterkapazität C_FLT= 0 ergibt sich

wobei GAB die absolute Bitgenauigkeit (Gain Accuracy in Bit) des Verstärkungsfehlers darstellen soll .

• Bei Verwendung einer Filterkapazität C_FLT parallel zum Eingang als Anti- Aliasing-Filter wirkt die Abtast-Schaltung aus C_s und R_s mit Abtasten und Rücksetzen wie ein Lastwiderstand mit äquivalentem Wert von R_EQ= l/fs*C_s) . Dieser Lastwiderstand führt zu einem Verstärkungsfehler durch den Spannungsteiler R_Si_G und R_EQ. Dadurch ist Abtastfrequenz f_s ebenfalls limitiert: f <

S,mitFüter _ GAB r>

^ ^{' K}SIG ^'

Hierbei ist zu beachten, dass die Frequenz f_s, mit FMter mit Anti-Alias-Filter um ein Vielfaches, eben 2^GAB, kleiner ist als f_s, kein Filter- Somit kann die Eingangskapazität oder Schaltfrequenz nicht beliebig erhöht werden und es ergibt sich eine systemische Grenze der erreichbaren Auflösung ENOB bei gegebener Brandbreite BW.

Schaltungsvarianten wie "Resettable Gain Circuit" oder "Capacitive-Reset Gain Circuit" kompensieren den Offset des Verstärkers, entladen die Eingangskapazität jedoch auch komplett, da sie auf der invertierenden oder nicht- invertierenden Architetur basieren (siehe David A. Johns, Ken Martin "Analog Intergrated Circuit Design", John Wiley & Sons, Inc. S. 431, 1997). Ein gewisser Nachteil bei SC- Verstärkerschaltungen ist darin zu sehen, dass am Ende eines Schaltzyklus und mit Beginn des nächsten Schaltzyklus die Eingangskapazität wieder aufgeladen werden muss, und zwar mit Ladung, die von der Messsignalquelle bereitgestellt werden muss. Dies belastet die Messsignalquelle, was je nach Messsignalamplitude von Nachteil ist.

Eine SC-Verstärkerschaltung ist z. B. aus WO-A-96/10827 AI bekannt. In den Fign. 1 und 3 dieser Schrift sollen offset-kompensierte SC- Verstärkerschaltungen gezeigt sein, wobei anzumerken ist, dass für die offset- Kompensation einiger schaltungstechnischer Aufwand betrieben werden muss. Den rein rechnerisch bleibt der Offset am Ausgang der Schaltung erhalten (V_out = Ci/C₂ x V_in + Voffset) , jedoch nicht an deren Eingang, was bei großem Ver^¬ stärkungsfaktor ein Vorteil ist. Der verbleibende Offset kann in Schaltphase 1 gemessen werden und mit Aufwand in einer nachfolgenden Verarbeitung subtrahiert werden. Ein gewisser Nachteil dieser bekannten Schaltung kann auch sein, dass zur Ladungsrückspeisung ein weiterer Kondensator C₃ benötigt werden könnte, welcher zu den Kondensatoren Ci und C₂ "passen" muss. Eine toleranzbedingt nahezu unvermeidbare Fehlanpassung schränkt die "Güte" der Ladungsrück- gewinnung (weiter unten mit "Kappa" bezeichnet) stark ein. Der Kondensator C benötigt ferner Platz, da er eine ähnliche Dimensionierung haben muss wie die Kondensatoren Ci und C₂. Die Möglichkeiten zur Einstellung des Verstärkungsfaktors (Ci/C₂-Verhältnis) sind ebenfalls recht eingeschränkt. Dieser Nachteil wird in der Schrift angesprochen. Deshalb ist in Fig . 7 der Schrift eine weitere Ausprägung dargestellt. Unter Zuhilfenahme eines weiteren Operationsverstärkers ist es möglich, die Ladungskompensationskapazität wesentlich kleiner zu halten und diesbezüglich unabhängiger von der Verstärkereinstellung zu sein. Allerdings ist diese Variante nicht offset-kompensiert, wofür in der Schrift weitere Techniken unter Zuhilfenahme weiterer Operationsverstär- ker vorgeschlagen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine SC-Verstärkerschaltung zu schaffen bzw. derart zu betreiben, dass die Ladung zum Wiederaufladen der Eingangskapazität nicht bzw. nur kaum aus der Messsignalquelle entnommen werden muss.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung eine SC-Verstärkerschaltung vorgeschlagen zum Verstärken einer an einem Eingang anliegenden Eingangsspannung einer Messsignalquelle um einen Verstärkungsfaktor und zum Aus- geben der verstärkten Eingangsspannung an einem Ausgang während eines Schaltzyklus, der mindestens ein Aufladeintervall zum Aufladen einer Eingangskapazität und mindestens ein Entladeintervall zum Entladen der Eingangskapazität umfasst, wobei die SC-Verstärkerschaltung versehen ist mit einem Schaltungseingangsanschluss für die zu verstärkende, von der Messsignalquelle, gelieferten Eingangsspannung,

einem Verstärker mit einem Verstärkereingangsanschluss und einem Ver- stärkerausgangsanschluss, wobei die Eingangskapazität mit dem Verstärkereingangsanschluss verbunden ist und in dem Entladeintervall mit dem Schaltungseingangsan- schluss verbindbar sowie in dem Entladeintervall von dem Schaltungsein- gangsanschluss entkoppelbar ist,

- einem Rückkoppelnetzwerk, das zwischen den Verstärkerausgangsan- schluss und den Verstärkereingangsanschluss geschaltet ist, und einer Wiederaufladequelle zum Bereitstellen eines Ladestroms zum Aufladen der Eingangskapazität, wobei die Wiederaufladequelle in dem Aufladeintervall die Eingangskapazität auflädt und in dem Entladeintervall hinsichtlich eines Aufladens der Eingangskapazität wirkungslos geschaltet ist,

wobei die Wiederaufladequelle eine Umladekapazität ist, die einen mit dem Verstärkereingangsanschluss verbundenen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist, der wechselweise entweder über einen dritten Schalter mit dem Verstärkereingangsanschluss oder über einen vierten Schalter mit dem Verstärkerausgangsanschluss verbindbar ist, wobei in dem Aufladeintervall der dritte Schalter geschlossen sowie der vierte Schalter offen und in dem Entladeintervall der dritte Schalter offen sowie der vierte Schalter geschlossen ist.

Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer SC-Verstärkerschaltung zum Verstärken einer an einem Eingang anliegenden Eingangsspannung einer Messsignalquelle um einen Verstärkungsfaktor und zum Ausgeben der verstärkten Eingangsspannung an einem Ausgang während eines Schaltzyklus, der mindestens ein Aufladeintervall zum Aufladen einer Eingangskapazität und mindestens ein Entladeintervall zum Entladen der Eingangskapazität umfasst,

wobei die Eingangskapazität in dem Aufladeintervall des Schaltzyklus mit Ladung aufgeladen wird, die durch eine außerhalb der Messsignalquelle und insbesondere innerhalb der SC-Verstärkerschaltung angeordnete

Wiederaufladequelle erzeugt wird, und wobei die Wiederaufladequelle eine Umladekapazität ist, die einen mit dem Verstärkereingangsanschluss verbundenen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist, der wechselweise entweder über einen dritten Schalter mit dem Verstärkereingangsanschluss oder über einen vierten Schalter mit dem Verstärkerausgangsanschluss verbindbar ist, wobei in dem Aufladeintervall der dritte Schalter geschlossen sowie der vierte Schalter offen und in dem Entladeintervall der dritte Schalter offen sowie der vierte Schalter geschlossen ist. Die erfindungsgemäße SC-Verstärkerschaltung verfügt über eine Wiederaufladequelle, die einen Ladestrom bereitstellt, der innerhalb des Aufladeintervalls dazu dient, die Eingangskapazität aufzuladen. Dadurch kann eine Belastung der Signalquelle vermieden werden. Die Signalquelle "sieht" also einen ho- chohmigen SC-Verstärkerschaltungseingang, wodurch auch Eingangssignale mit geringster Amplitude hochauflösend verstärkt werden können.

Gemäß der Erfindung wird eine Umladekapazität eingesetzt, die die einen mit dem Verstärkereingangsanschluss verbundenen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist, der wechselweise entweder über einen dritten Schalter mit dem Verstärkereingangsanschluss oder über einen vierten Schalter mit dem Verstärkerausgangsanschluss verbindbar ist, wobei in dem Aufladeintervall der dritte Schalter geschlossen sowie der vierte Schalter offen und in dem Entladeintervall der dritte Schalter offen sowie der vierte Schalter geschlossen ist.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Eingangskapazität einen mit dem Verstärkereingangsanschluss verbundenen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist, der wechselweise entweder über einen ersten Schalter mit dem Schaltungseingangsausschluss oder über einen zweiten Schalter mit Masse verbindbar ist, wobei in dem Aufladeintervall der erste Schalter geschlossen sowie der zweite Schalter offen und in dem Entladeintervall der erste Schalter offen sowie der zweite Schalter geschlossen ist, und dass die Wiederaufladequelle in dem Aufladeintervall Ladestrom in den zweiten Anschluss der Eingangskapazität einspeist.

Gemäß einer ersten, alternativen Weiterbildung der Erfindung wird als Wiede- raufladequelle statt der Umladekapazität und deren oben beschriebenen wechselweisen Vorschaltung eine Stromquelle eingesetzt, die mit dem zweiten Anschluss der Eingangskapazität verbunden und während des Aufladeintervalls aktiv sowie während des Entladeintervalls inaktiv geschaltet ist oder deren Ladestrom in dem Aufladeintervall dem zweiten Anschluss der Eingangskapazität zuführbar und in dem Entladeintervall statt dem zweiten Anschluss der Eingangskapazität über einen anderen Schaltungspunkt ableitbar ist. Diese Stromquelle ist lediglich in dem Aufladeintervall insoweit aktiviert, als dass ihr Ladestrom die Eingangskapazität mit Ladung speist. Die Wiederaufladequelle kann im Entladeintervall entweder inaktiv geschalten sein oder aber im Entladeintervall fließt der Ladestrom über einem anderen Schaltungspunkt ab, was allerdings hinsichtlich der Energiebilanz von Nachteil ist, da elektrische Energie, ohne dass sie sinnvoll genutzt wird, abgezweigt wird.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann eine Rückkoppelka- pazität vorgesehen sein, die die einen mit dem Verstärkerausgangsanschluss verbundenen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist, der wechselweise entweder über einen fünften Schalter mit dem Verstärkerein- gangsanschluss oder über einen sechsten Schalter mit Masse verbindbar ist, wobei in dem Aufladeintervall der fünfte Schalter geschlossen sowie der sechs- te Schalter offen und in dem Entladeintervall der fünfte Schalter offen sowie der sechste Schalter geschlossen ist. Durch den Einbau dieser Rückkoppelkapazität kann der Ausgang der SC-Verstärkerschaltung bzw. der Ausgang des Verstärkers der SC-Verstärkerschaltung in beiden Phasen bzw. Intervallen auf ähnlichem Potenzial gehalten werden, wodurch dieser Ausgang einem geringe- ren Spannungshub ausgesetzt ist, was letztendlich für das Verhalten der SC- Verstärkerschaltung von Vorteil ist. Die Erfindung wird nach folgend an Hand verschiedener Ausführungsbeispiele und unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigen dabei : Fig. 1 schematisch ein abtastendes System mit Abtasten-

Rücksetzen eines Standard SC-Verstärkers,

Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung als Single- Ended-Variante,

Fig. 3 die Schaltung gemäß Fig . 2 in der Phase, in der Φι high und

Φ₂ low ist und damit sich die von Fil und Fi2 angesteuerten Schalter dementsprechend im EIN- bzw. AUS-Zustand befinden,

Fig. 4 die Schaltung gemäß Fig . 2 in den Phasen, in denen Φι low und Φ₂ high ist und damit die entsprechenden Schalter ein- bzw. ausgeschaltet sind, Fig. 5 eine volldifferentielle Schaltungsvariante der Erfindung,

Fign. 6 und 7 die Situationen, in denen die verschiedenen Schalter der

Schaltung gemäß Fig . 5 wechselweise ein- bzw. ausgeschaltet sind,

Fig. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer SC-

Verstärkerschaltung nach der Erfindung und

Fign. 9 und 10 die Schaltungskonfigurationen, in denen die von Φι ange- steuerten Schalter ein- und die von Φ₂ angesteuerten Schalter ausgeschaltet bzw. die von Φι angesteuerten Schalter ausgeschaltet und die von Φ₂ angesteuerten Schalten eingeschaltet sind .

In den Fign . 1 bis 3 sind ein erstes Ausführungsbeispiel einer SC- Verstärkerschaltung 10 sowie die sich wechselweise Ansteuerung der einzelnen Schalter ergebenden Schaltungskonfigurationen dieser SC-Verstärkerschaltung 10 gezeigt. Die Verstärkerschaltung 10 weist einen Schaltungseingangsanschluss 12 und einen Schaltungsausgangsanschluss 14 auf. Am Schaltungseingangsanschluss 12 liegt beispielsweise die Messspannung einer Kleinstsignal-Messsignalquelle (nicht dargestellt) an, die Messsignale mit lediglich geringer Amplitude liefert. Entscheidend für derartige Messsignalquellen ist, dass sie durch eine Verstärkerschaltung nicht bzw. lediglich nicht äußerst geringem Maße belastet werden . Die Verstärkerschaltung sollte also insoweit hochohmig sein .

Erfindungsgemäß wird dies SC-Verstärkerschaltung 10 sowie bei den anderen Ausführungsbeispielen, die weiter unten noch beschrieben werden, dadurch erreicht, dass in dem Aufladeintervall des Schaltzyklus der SC- Verstärkerschaltung die Eingangskapazität aktiv aufgeladen wird, und zwar nicht über die Messsignalquelle.

Mit dem Schaltungseingangsanschluss 12 der SC-Verstärkerschaltung 10 ist über einen ersten Schalter Si eine Eingangskapazität C_s koppelbar. Diese Eingangskapazität C_s weist einen ersten Anschluss 16 und einen zweiten An- schluss 18 auf. Der zweite Anschluss 18 ist über den Schalter Si mit dem Schaltungseingangsanschluss 12 verbunden . Mit dem ersten Anschluss 16 der Eingangskapazität C_s ist der invertierende Eingang eines Verstärkers 22 verbunden, dessen nicht-invertierende Verstärkereingangsanschluss 20 mit einem Spannungssignal V₀FS beaufschlagt ist. Der Verstärkerausganganschluss 24 ist mit dem Schaltungsausgangsanschluss 14 verbunden und über ein Rückkoppelnetzwerk 26 zum Verstärkereingangsanschluss 20 rückgekoppelt. Zwischen der Eingangskapazität C_s und dem Schalter Si ist ein zweiter Schalter S₂ mit Masse verbunden. Parallel zu diesem zweiten Schalter S₂ liegt eine Wiederaufladequelle 28 die in diesem Ausführungsbeispiel als Ladestromquelle 30 ausgebildet ist.

Durch Φι und Φ₂ ist in der Darstellung der SC-Verstärkerschaltung 10 nach Fig . 2 angedeutet, dass die Schalter Si und S₂ in unterschiedlichen Intervallen des Schaltzyklus wechselweise ein- und ausgeschaltet sind. Die Steuersignale Φι und Φ₂ werden von einer (nicht dargestellten) Ansteuereinheit erzeugt, die zur Steuerung der SC-Verstärkerschaltung 10 dient, so dass diese am Schal- tungseingangsanschluss 12 anstehendes Signal um einen vorgebbaren Verstärkungsfaktor verstärkt und am Schaltungsausgangsanschluss 14 verstärkt ausgeht. So ist der Schalter Si während des Aufladeintervalls geschlossen, wobei die Ladestromquelle 30 in diesem Aufladeintervall einen Aufladestrom für die Eingangskapazität C_s liefert. Während des Aufladeintervalls ist der zweite Schalter S₂ geschlossen. Diese Situation ist in Fig . 3 gezeigt.

Im Entladeintervall kehren sich die Schaltzustände der beiden Schalter Si und S₂ um, wie es in Fig . 4 gezeigt ist.

In den Fign. 5 bis 7 ist eine volldifferentielle Variante einer SC- Verstärkerschaltung 10' gezeigt. Die einander korrespondierenden Bauteile sind mit jeweils gestrichelten Größen bezeichnet. Im Übrigen arbeitet die Schaltung entsprechend der SC-Verstärkerschaltung 10 der Fign. 2 bis 4, wes- halb an dieser Stelle auf die volldifferentielle Variante nicht weiter eingegangen werden soll.

In den Fign. 8 bis 10 ist ein letztes Ausführungsbeispiel einer SC- Verstärkerschaltung 10" gezeigt, und zwar als single-ended-Version. Soweit die Elemente dieser SC-Verstärkerschaltung 10" denjenigen der SC- Verstärkerschaltung 10 der Fign. 2 bis 3 entsprechen bzw. gleichen, sind sie in den Fign. 8 bis 10 mit den gleichen Bezugszeichen wie in den Fign. 2 bis 4 be- zeichnet. Es versteht sich von selbst, dass diese single-ended-Version nach Fign . 8 bis 10 auch als volldifferentielle Variante ausführbar ist (entsprechend Fign . 5 bis 7, die die single-ended-Variante nach Fign . 2 bis 4 in volldifferen- tieller Form zeigen) .

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fign . 8 bis 10 erfolgt Wiederaufladung der Eingangskapazität C_s in dem Aufladeintervall durch eine Umladekapazität C_L. Und diese Umladekapazität C_L ist während des Aufladeintervalls parallel zur Eingangskapazität C_s geschaltet, was durch die Verbindung dieser Umladekapazität C_L über einen dritten Schalter S₃ mit dem Schaltungseingangsanschluss 12 realisiert ist. Die Umladekapazität C_L ist im Übrigen an ihrem anderen Anschluss mit dem Verstärkereingangsanschluss 20 verbunden . Die Umladekapazität C_L kann in denjenigen Phasen, in denen sie vom Schaltungseingangsanschluss entkoppelt ist, also in dem Entladeintervall, über einen in dieser Phase geschlossenen vierten Schalter S₄ mit dem Verstärkerausgangsanschluss 24 des Verstärkers 22 verbunden werden . Dadurch stellt sich in den verschiedenen Phasen dies Schaltzyklus, also beispielsweise im Aufladeintervall die Situation nach Fig . 9 und im Entladeintervall die Situation gemäß Fig . 10 ein. Mit anderen Worten ist also der erste Anschluss 32 der Umladekapazität C_L mit dem Verstärkereingangsanschluss 20 verbunden, während der zweite Anschluss 34 der Umladekapazität C_L über den dritten Schalter S₃ wahlweise mit dem Schaltungseingangsanschluss 12 und im Wechsel dazu über den vierten Schalter S₄ mit dem Verstärkerausgangsanschluss 24 verbunden ist.

Zusätzlich zu den zuvor erwähnten Kapazitäten und Schaltern weist die SC- Verstärkerschaltung 10" noch eine Rückkoppelkapazität C_R, deren erster An- schluss 36 mit dem Verstärkerausgangsanschluss 24 verbunden ist und dessen Anschluss 38 über einen fünften Schalter S₅ und über einen sechsten Schalter S₆ wechselweise mit dem Verstärkereingangsanschluss 20 oder mit Masse verbunden ist.

Die Ansteuerung der zuvor erwähnten sechs Schalter der SC- Verstärkerschaltung 10" erfolgt mittels der Ansteuersignale Φι und Φ₂, wie es in Fig. 8 gezeigt ist, so dass sich im Aufladeintervall die Situation gemäß Fig . 9 und im Entladeintervall des Schaltzyklus der SC-Verstärkerschaltung 10" die Situation gemäß Fig . 10 einstellt. Im Aufladeintervall gemäß Fig. 9 erfolgt eine "Wiederverwendung" der in dem Entladeintervall des vorherigen Schaltzyklus "verwendeten" Ladung, und zwar durch parallel Schaltung der Umladekapazität C_L zur Eingangskapazität C_s, wodurch die zuvor nach C_L verschobene Ladung nun wieder in beiden Kapazitäten C_s und C_L verteilt ist, die dann gemeinsam sozusagen die Eingangskapazität der SC-Verstärkerschaltung bilden. Hierdurch kommt es zu einer Anpassung an die Ladung des Eingangs- Signals.

In dem Entladeintervall wird nun gemäß Fig . 10 die Umladekapazität C_L "umgeklappt", wodurch ein Teil der Ladung nun am Ausgang anliegt. Ladung wird nun von der Eingangskapazität C_s zur Umladekapazität C_L verschoben, so dass sich die Gesamtladung beider Kapazitäten nun allein in der Umladekapazität C_L befindet, womit gilt:

V_OUT=V_IN*(C_S+C_L)/C_L Das SC-Verstärkerschaltungskonzept nach der Erfindung wurde in seiner Anwendung auf die Verstärkung eines differentiellen Drucksensor-Signals simuliert. Dieser Drucksensor-Signal hat typischerweise eine Signal-Amplitude von 20 mV und soll offsetfrei digitalisiert werden, und zwar bei größtmöglicher Auflösung über der Bandbreite. Das Drucksensorsignal wird dabei aus einer Wi- derstandsbrücke gespeist, wodurch sich ein Messsignalquelleninnenwiderstand R_SIG ergibt, der sich nicht verringern lässt. Es wurden verschiedene Möglichkei- ten untersucht, und zwar auch die Verwendung zeitkontinuierlicher Verstärker mit Offsetkompensation.

SC-Verstärkerschaltungen haben sich dabei als am geeignetsten herausge- stellt, da sich ihre Offset- und Gainschwankungen sowie das 1/f-Rauschen zuverlässig verbinden lassen, wobei der Aufwand beherrschbar ist. Es wurden die weiter oben erwähnten systemischen Beschränkungen bei SC-Verstärkerschaltungen, bei denen die Eingangskapazitäten in jedem Schaltzyklus entladen und über die Messsignalquelle wiederaufgeladen werden müssen unter- sucht. Hierbei stellt sich heraus, dass die Auslösung bei gegebener Bandbreite sich nicht wesentlich über das marktübliche Maß hinaus steigern ließ.

Außerdem ist die Verwendung einer externen Kapazität als Anti-Aliasing-Filter unmöglich. Bei einer sinnvollen Dimensionierung der Eingangskapazität und der Schaltfrequenz würde sich ein Verstärkungsfehler von 4 % ergeben. Von dem Verstärkungsfehler ist ein Teil nicht kalibierbar. Ein Anti-Aliasing-Filter wäre wünschenswert, um zusätzliches Rauschen zu verhindern und längere Messsignalquellen-Zuleitungen zu ermöglichen. Wenn die Eingangslast, d. h. die Menge der entnommenen Ladungen pro Takt im Mittel um Faktor Kappa "κ" reduziert wird, kann die systemische Grenze des Produktes C_s * f erhöht werden:

f SJteinFilter

fs. 2^GAB -Ä_5J.

Somit kann die Abtast-Frequenz und damit die Bandbreite bei gleicher Auflösung (ohne und mit Filter) um den folgenden Faktor Gewinn_fs: . GAB • Keine Anti-Aliasing-Filter-Kapazität: Gewⁱnn_{fs einFilter}- ^Q^_B_ ₀^2 (Κ ))

Mit Anti-Aliasing-Filter-Kapazität: ^^emmf_s- ^F^ oder bei gleicher Brandbreite die Auflösung ENOB um erhöht

werden.

Es hat sich herausgestellt, dass sich wesentliche Verbesserungen einstellen, wenn das Drucksensorsignal mit einer SC-Verstärkerschaltung nach der Erfin- dung verstärkt wird, bei der die Ladung der Eingangskapazität am Ende eines Schaltzyklus nahezu vollständig zurückfließt. Somit wird im Mittel kaum Energie am Eingang der SC-Verstärkerschaltung und damit von der Messsignalquelle entnommen. Bei einer Transistorlevel-Simulation konnte eine Reduktion der entnommenen Ladung um den Faktor κ=300 erreicht werde. Die Offsetkompensation konnte erhalten werden. Beispiele für die simulierten SC-Verstärkerschaltungen mit Ladungs-Rückgewinnung nach der Erfindung, mit denen die zuvor genannten Verbesserungen erzielt werden konnten, wurden zuvor anhand der Fign. 2 bis 10 beschrieben.

Dabei hat sich herausgestellt, dass in der Taktphase Φι folgende Ladung in den Eingang zurückgespeist wird :

Qm = C_s - V_IN„_OE · (1 - -} C_s ^■ _{™ V(}

wobei V_IN, vor eine vorherige Eingangsspannung ist (für die Fign. 2 bis 4 und 8 bis 10), mit V_{IN/ VO}r = V_{IN/ VO}r - V_{IN/ VO}r für die volldifferentielle Variante (Fign. 5 bis 7). Bei der oben genannten Anwendung wäre mit den Parametern C_s = 16pF

f_s = 500kHz

BW = 1 kHz

ENOB = 12Bit

GAB_mit Filter = 4.6 Bit mit Anti-Alias-Filter a) der Gewinn__{fS/ kei}n niter = ca. 3.1 , was möglichen Abtastfrequenzerhöhung von 3.1 oder einer Erhöhung der Auflösung ENOB um ca. 0.8 Bit entspricht, oder b) der Gewinn__{fS/ mit F}nter = 300, was einer Erhöhung der Verstärkungsgenauigkeit GABmit Filter um 8.2 Bit auf 12.8 entspricht. Damit ist erst der Einsatz eines Anti-Alias-Filter bei einer SC-Schaltung möglich . Anit-Alias-Filter sind u . a . unbedingt notwendig bei einer Hochfrequenzstörung (EMV) .

Wesensmerkmal der Erfindung ist es, die Ladung der Eingangskapazität einer SC-Verstärkerschaltung wiederherzustellen, indem sie aus dem vorherigen Schaltzyklus "zurücktransferiert" wird . Hierbei hat sich herausgestellt, dass bei diesem "Ladungs-Recycling" auch eine Offsetkompensation praktikabel möglich ist. Schließlich konnte durch theoretische Überlegungen gezeigt werden, dass fundamentale Begrenzungen der bei herkömmlichen SC-Verstärkerschaltungen erreichbaren Auflösung umgangen werden können, wodurch die Auflösung bei der erfindungsgemäßen SC-Verstärkerschaltung über das am Markt übliche Maß hinaus erhöht werden kann. Die Verwendung eines Anti-Aliasing-Filters wurde ebenfalls ermöglicht, wodurch sich flexiblere Anwendungsmöglichkeiten durch längere Zuleitungen der Messsignalquelle ergeben . Bezuqszeichenliste

10 SC- Verstärkerschaltung

10' SC- Verstärkerschaltung

10" SC- Verstärkerschaltung

c_L Umladekapazität

C_R Rückkoppelkapazität

C_s Eingangskapazität

12 Schaltungseingangsanschluss

14 Schaltungsausgangsanschluss

16 ersten Anschluss der Eingangskapazität

18 zweiten Anschluss der Eingangskapazität

20 nicht-invertierende Verstärkereingangsanschluss

22 Verstärker

24 Verstärkerausganganschluss

26 Rückkoppelnetzwerk

28 Wiederaufladequelle

30 Ladestromquelle

32 erste Anschluss der Umladekapazität

34 zweiten Anschluss der Umladekapazität

36 erster Anschluss der Rückkoppelkapazität

38 zweiten Anschluss der Rückkoppelkapazität

Si ersten Schalter

s₂ zweiter Schalter

s₃ dritten Schalter

s₄ Phase geschlossenen vierten Schalter

s₅ fünften Schalter

s₆ sechsten Schalter

Φι Steuersignal für die Schalter

Φ₂ Steuersignal für die Schalter

Claims

ANSPRÜCHE

1. SC-Verstärkerschaltung (10) zum Verstärken einer an einem Eingang anliegenden Eingangsspannung einer Messsignalquelle um einen Verstärkungsfaktor und zum Ausgeben der verstärkten Eingangsspannung an einem Ausgang während eines Schaltzyklus, der mindestens ein Aufladeintervall zum Aufladen einer Eingangskapazität (C_s) und mindestens ein Entladeintervall zum Entladen der Eingangskapazität (C_s) um- fasst, wobei die SC-Verstärkerschaltung (10) versehen ist mit

einem Schaltungseingangsanschluss (12) für die zu verstärkende, von der Messsignalquelle, gelieferten Eingangsspannung,

einem Verstärker (22) mit einem Verstärkereingangsanschluss (20) und einem Verstärkerausgangsanschluss,

wobei die Eingangskapazität (C_s) mit dem Verstärkereingangsanschluss (20) verbunden ist und in dem Entladeintervall mit dem Schaltungseingangsanschluss (12) verbindbar sowie in dem Entladeintervall von dem Schaltungseingangsanschluss (12) entkoppelbar ist,

einem Rückkoppelnetzwerk (26), das zwischen den Verstärkerausgangsanschluss (24) und den Verstärkereingangsanschluss (20) geschaltet ist, und

einer Wiederaufladequelle (28) zum Bereitstellen eines Ladestroms zum Aufladen der Eingangskapazität (C_s), wobei die Wiederaufladequelle (28) in dem Aufladeintervall die Eingangskapazität (C_s) auflädt und in dem Entladeintervall hinsichtlich eines Aufladens der Eingangskapazität (C_s) wirkungslos geschaltet ist,

wobei die Wiederaufladequelle (28) eine Umladekapazität (C_L) ist, die einen mit dem Verstärkereingangsanschluss (20) verbundenen ersten Anschluss (32) und einen zweiten Anschluss (34) aufweist, der wechselweise entweder über einen dritten Schalter (S₃) mit dem Verstärkereingangsanschluss (20) oder über einen vierten Schalter (S₄) mit dem Verstärkerausgangsanschluss (24) verbindbar ist, wobei in dem Aufladeinterval l der dritte Schalter (S₃) geschlossen sowie der vierte Schalter (S₄) offen u nd in dem Entladeintervall der dritte Schalter (S₃) offen sowie der vierte Schalter (S₄) geschlossen ist.

SC- Verstärkerschaltung ( 10) nach Anspruch 1 , gekennzeichnet d urch eine Rückkoppelkapazität (C_R), die einen mit dem Verstärkerausgangsan- schluss (24) verbundenen ersten Ansch luss (36) und einen zweiten An- schluss (38) aufweist, der wechselweise entweder über einen fünften Schalter (S₅) mit dem Verstärkereingangsanschl uss (20) oder über einen sechsten Schalter (S₆) mit Masse verbind bar ist, wobei in dem Aufladeinterval l der fünfte Schalter (S₅) geschlossen sowie der sechste Schalter offen und in dem Entladeinterval l der fünfte Schalter (S₅) offen sowie der sechste Schalter (S₆) geschlossen ist.

SC- Verstärkerschaltung ( 10) nach Anspruch 1 oder 2, dad urch gekennzeichnet, dass die Eingangskapazität (C_s) einen mit dem Verstärkereingangsanschluss (20) verbundenen ersten Anschl uss ( 16) und einen zwei^¬ ten Anschl uss ( 18) aufweist, der wechselweise entweder über einen ersten Schalter (Si) mit dem Schaltungseingangsausschl uss oder über einen zweiten Schalter (S₂) mit Masse verbind bar ist, wobei in dem Aufladeintervall der erste Schalter geschlossen sowie der zweite Schalter offen und in dem Entladeintervall der erste Schalter offen sowie der zwei^¬ te Schalter gesch lossen ist, und dass die Wiederaufladequel le (28) in dem Aufladeinterval l Ladestrom in den zweiten Anschluss der Eingangskapazität (C_s) einspeist.

Verfah ren zum Betreiben einer SC-Verstärkerschaltung ( 10) zum Verstärken einer an einem Eingang anl iegenden Eingangsspannung einer Messsignalquel le um einen Verstärkungsfaktor und zum Ausgeben der verstärkten Eingangsspannung an einem Ausgang während eines Schaltzyklus, der mindestens ein Aufladeinterval l zum Aufladen einer Eingangska- pazität (C_s) und mindestens ein Entladeintervall zum Entladen der Eingangskapazität (C_s) umfasst,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Eingangskapazität (C_s) in dem Aufladeintervall des Schaltzyklus mit Ladung aufgeladen wird, die durch eine außerhalb der Messsignalquelle und insbesondere innerhalb der SC- Verstärkerschaltung (10) angeordnete Wiederaufladequelle (28) erzeugt wird, und

dass die Wiederaufladequelle (28) eine Umladekapazität (C_L) ist, die einen mit dem Verstärkereingangsanschluss (20) verbundenen ersten Anschluss (32) und einen zweiten Anschluss (34) aufweist, der wechselweise entweder über einen dritten Schalter (S₃) mit dem Verstärkereingangsanschluss (20) oder über einen vierten Schalter (S₄) mit dem Verstärkerausgangsanschluss (24) verbindbar ist, wobei in dem Aufladeintervall der dritte Schalter (S₃) geschlossen sowie der vierte Schalter (S₄) offen und in dem Entladeintervall der dritte Schalter (S₃) offen sowie der vierte Schalter (S₄) geschlossen ist.