DE19527384C2

DE19527384C2 - Schaltungsanordnung zur Analogsignalverarbeitung

Info

Publication number: DE19527384C2
Application number: DE19527384A
Authority: DE
Inventors: Mathias Dr Ing Kraus
Original assignee: Zentrum Mikroelektronik Dresden GmbH
Current assignee: ZENTRUM MIKROELEKTRONIK DRESDEN AG, 01109 DRESDEN,
Priority date: 1995-07-27
Filing date: 1995-07-27
Publication date: 1997-08-21
Anticipated expiration: 2015-07-28
Also published as: US5872482A; DE19527384A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Signalver arbeitung, wobei eine das Signal repräsentierende Signalspan nung einen auf ein Bezugspotential bezogenen positiven und negativen, jeweils gleich großen Wertebereich einnehmen kann, mit einem eingangsseitigen Operationsverstärker, dessen Aus gang auf den invertierenden Eingang rückgekoppelt ist und dessen nichtinvertierender Eingang den Eingang für die Signal spannung darstellt, wobei ein zwischen dem invertierenden und dem nichtinvertierenden Eingang liegender Differenzverstärker durch Feldeffekttransistoren gebildet wird, und mit einer Schaltungsanordnung zur Versorgung des Operationsverstärkers mit einer Betriebsspannung.

Analogsignale stellen in der Regel bipolare Spannungen be züglich eines Bezugspotentiales dar. Innerhalb eines Schal tungssystemes wird gewöhnlich als Bezugspotential das Massepo tential (0 Volt) gewählt, wobei die Versorgungsspannung des Systems gewöhnlich als symmetrische Versorgung mit einer posi tiven und einer negativen Betriebsspannung ausgeführt ist. Die Spannungen dieser Analogsignale nehmen somit einen Wert ein, der in einem bezogen auf das Bezugspotential positiven oder einem gleich großen negativen Wertebereich liegen kann.

Um derartige Spannungen in anderen Systemen, insbesondere in Meßsystemen, verarbeiten zu können, werden in diesen Schal tungssystemen in der Regel ebenfalls zwei Betriebsspannungen, nämlich eine positive und eine negative Betriebsspannung vor gesehen. Dies ist beispielsweise aus der deutschen Patent schrift 35 03 942 bekannt. Die Bereitstellung dieser zwei Versorgungsspannungen stellt einen zusätzlichen Aufwand dar, da diese beide zu stabilisieren und zu sieben sind. Im Falle der Erzeugung der zweiten Betriebsspannung mittels eines Bootstrap-Generators kann außerdem zusätzliche Störungen ver ursachen.

Eine Möglichkeit zur Vermeidung einer zweiten Betriebsspannung besteht darin, die Bezugsspannung der Eingangsspannung so zu erhöhen, daß keine unterhalb des Massepotentials liegenden Eingangsspannungen mehr auftreten. Hierbei wäre es grundsätz lich möglich, am Eingang ein intern erzeugtes Bezugspotential, wie in IEEE, Vol. Sc-13, No. 6, Dezember 1978 auf den Seiten 767 bis 773 beschrieben, bereitzustellen, auf das Analogsignal kapazitiv eingekoppelt wird, wie es aus der europäischen Pa tentanmeldung 0 080 242 bekannt ist. Daraus wird allerdings ersichtlich, daß eine derartige Lösung für den Gleichspannungsfall oder für eine niederfrequente Anwendung nicht einsetzbar ist und somit in den meisten Fällen keine Lösung des Problems darstellt.

Eine andere Möglichkeit bestünde darin, eine floatende Gleich spannungsquelle in den Eingangszweig der Schaltungsanordnung zu schalten. Würde hierfür beispielsweise ein Batterie Verwen dung finden, so wären die Baugröße und die fehlende Langzeit stabilität dieser Spannungsquelle erheblich nachteilige Fakto ren.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Schal tungsanordnung anzugeben, die unter Gewährleistung eines hoch ohmigen und breitbandigen Einganges für die Signalspannung nur eine auf das Bezugspotential bezogene Betriebsspannung ohne eine zusätzliche Hilfsspannung benötigt.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Feldeffekttransistor an dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers eine niedrigere Schwellspannung auf weist, als der Feldeffekttransistor an dem invertierenden Eingang. Dabei ist der Betrag der Differenz der Schwellspan nungen mindestens gleich dem Betrag des Wertebereiches der Signalspannung.

Mit der Differenz dieser Schwellspannungen wird an dem Opera tionsverstärker eine Eingangsoffsetspannung simuliert, mit der die Signalspannung um den Betrag der Eingangsoffsetspannung angehoben wird. Durch die Wahl des Betrages der Differenz der Schwellspannungen wird gewährleistet, daß der Betrag dieser Offsetspannung so groß ist, daß die Signalspannungen in einem von dem Verstärkereingang bearbeitbaren Wertevorrat, daß heißt über dem Bezugspotential liegen.

In einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Operationsverstärker dadurch als Elektro meterverstärker geschaltet ist, daß sein Ausgang direkt auf seinen invertierenden Eingang rückgekoppelt ist.

Mit dieser Schaltung wird eine künstlich Eingangsoffsetspan nung erzeugt, welche sich aus der Differenz der Schwellspan nungen der beiden MOSFETs ergibt.

Besonders zweckmäßig ist es, den mit dem nichtinvertierenden Eingang verbundenen Feldeffekttransistor als Depletion-MOSFET und den mit dem invertierenden Eingang verbundenen Feldeffekt transistor als Enhancement-MOSFET auszubilden.

Im Falle der Verwendung von n-Kanal-MOSFETs entsteht sodann eine Offsetspannung von

U_offset = U_tD - U_tE,

wobei U_tD die Schwellspannung des Depletion-Transistors und U_tE die Schwellspannung des Enhancement-Transistors ist.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbei spieles näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Eingangsstufe eines CMOS-Einchip-Sampling-Oszilloskops.

Diese Eingangsstufe weist einen als Elektrometerverstärker geschalteten Operationsverstärker 1 auf. Zur Realisierung der Elektrometerverstärkerfunktion ist der Ausgang des Operations verstärkers 1 mit dem nichtinvertierenden Eingang direkt rück gekoppelt. Der Eingang des Operationsverstärkers 1 ist als Eingangsdifferenzverstärker mit zwei layout-identischen n-Kanal-MOSFETs 2 und 3 versehen.

Der n-Kanal-MOSFET 2 an dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 1 ist als Depletion-MOSFET ausgeführt, für den in einem Standard-CMOS-Prozeß eine Schwellspannung von ca. -1,8 V eingestellt wurde. Der n-Kanal-MOSFET 3 an dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 1 ist als Enhancement-MOSFET mit einer Schwellspannung von +0,7 V aus geführt. Der Betrag der Differenz der beiden Schwellspannung beträgt somit 2,5 V.

Der Operationsverstärker 1 wird mit einer Betriebsspannung V_DD = 5 V betrieben, die sich auf ein Massepotential von 0 V bezieht. Bei einer Signalspannung von 0 V am Eingang des Ope rationsverstärkers 1 liegt damit am Ausgang des Operationsver stärkers 1 eine Spannung von 2,5 V. Diese Ausgangsspannung entspricht damit einer künstlichen Offsetspannung von 2,5 V.

Das Bezugspotential der Signalspannung wird gleich dem Masse potential, daß heißt mit 0 V gewählt. Mit der eingestellten Eingangsoffsetspannung wird es bei einer entsprechenden Dimen sionierung der Arbeitspunkte des Eingangsdifferenzverstärker ohne Verletzung der linearen Arbeitsbereiche möglich, eine Aussteuerung der Signalspannung in dem Wertebereich von ±1V um die Bezugsspannung von 0 V zuzulassen. Diese auf Null bezo gene bipolare Signalspannung wird mit einer Verstärkung von 1 durch den als Elektrometer geschalteten Operationsverstärker 1 in den Bereich von 1,5 V bis 3,5 V umgesetzt und einem Flash-A/D-Wandler 4 zugeführt.

Der sogenannte Body-Effekt, der die Schwellspannung von MOS- Transistoren verändert, ist bei beiden n-Kanal-MOSFETs 2 und 3 identisch, da diese in Folge der Ein-Chip-Variante auf dem gleichen Substrat realisiert sind. Somit fällt dieser Body- Effekt bei der Differenzbildung der Schwellspannungen nicht ins Gewicht.

Um weitere technologisch bedingte Streuungen der künstlichen Offsetspannung aufzufangen, wird in dem gezeigten Beispiel ein zweiter identischer Spannungsfolger 5 eingesetzt, dessen Ein gang auf Null liegt. Demzufolge stellt dessen Ausgang die interne Bezugsspannung von 2,5 V bereit, die mit dem gleichen Fehler behaftet ist, wie die Ausgangsspannung des Operations verstärkers 1. Bezogen auf diese Spannung werden dann die Referenzspannungen des A/D-Wandlers U_bottom und U_top bereitge stellt. Damit wird eine nullsymmetrische Signalspannung tech nologieabhängig immer in die Mitte des Eingangsspannungsberei ches des A/D-Wandlers 4 projiziert.

Durch diese Schaltungsanordnung kann das CMOS-Einchip- Sampling-Oszilloskop mit einer erheblichen Verringerung des Schaltungsaufwandes realisiert werden, da die Bereitstellung einer zweiten Betriebsspannung vermieden wird, die Genauigkeit der Messung jedoch gewährleistet bleibt.

Bezugszeichenliste

1 Operationsverstärker
2 n-Kanal-MOSFET (Depletion-MOSFET)
3 n-Kanal-MOSFET (Enhancement-MOSFET)
4 Flash-A/D-Wandler
5 Spannungsfolger
V_DD Betriebsspannung
U_bottom Referenzspannung des A/D-Wandlers
U_top Referenzspannung des A/D-Wandlers

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Analogsignalverarbeitung, wobei eine das Analogsignal repräsentierende Signalspannung einen auf ein Bezugspotential bezogenen positiven und negativen, jeweils gleich großen Wertbereich einnehmen kann, mit einem eingangsseitigen Operationsverstärker, dessen Ausgang auf den invertierenden Eingang rückgekop pelt ist und dessen nichtinvertierender Eingang den Ein gang für die Signalspannung darstellt, wobei ein zwischen dem invertierenden und dem nichtinvertierenden Eingang liegender Differenzverstärker durch Feldeffekttransistoren gebildet wird, und mit einer Schaltungsanordnung zur Ver sorgung des Operationsverstärkers mit einer Betriebsspan nung, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldeffekttransistor (2) an dem nichtinvertierenden Ein gang des Operationsverstärkers (1) eine niedrigere Schwellspannung (U_tD) aufweist, als der Feldeffekttransi stor (3) an dem invertierenden Eingang und daß der Betrag der Differenz der Schwellspannungen (U_tD - U_tE) mindestens gleich dem Betrag des Wertebereiches der Signalspannung ist.

2. Schaltungsanordnung zur Analogsignalverarbeitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Operationsverstärker (1) dadurch als Elektrometer verstärker geschaltet ist, daß sein Ausgang direkt auf seinen invertierenden Eingang rückgekoppelt ist.

3. Schaltungsanordnung zur Analogsignalverarbeitung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß der mit dem nichtinvertierenden Eingang verbun dene Feldeffekttransistor (2) als Depletion-MOSFET und der mit dem invertierenden Eingang verbundene Feldeffekttransi stor (3) als Enhancement-MOSFET ausgebildet ist.