DE3246176A1

DE3246176A1 - Einrichtung zur offsetkompensation in einer verstaerkerschaltung

Info

Publication number: DE3246176A1
Application number: DE19823246176
Authority: DE
Inventors: Michael Francis 07901 Summit N.J. Tompsett
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1981-12-17
Filing date: 1982-12-14
Publication date: 1983-06-30
Also published as: JPS58111414A; FR2518848A1; GB2111780A

Description

Einrichtung zur Offsetkompensation in einer Verstärker-⁴^- schaltung

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verstärkerschaltung, mit einem Differentialverstärker, der einen nicht-invertierenden und einen invertierenden Eingangsanschluß und einen Ausgangsanschluß aufweist, einer ersten Kapazität und einer ersten Einrichtung zum selektiven Anlegen einer Spannung an dem Ausgangsanschluß an die erste Kapazität.

Allgemein ist ein Operationsverstärker ein Differentialverstärker mit einem invertierenden und einem nicht-invertierenden Eingangsanschluß und einem einzelnen Ausgangsanschluß. Ein solcher Verstärker weist typischerweise eine Verschiebungs- oder Offsetspannung auf, die dadurch in Erscheinung tritt, daß, wenn die Differentialspannung an den beiden Eingangsanschlüssen null ist, am Ausgang nicht eine Spannung von null Volt vorhanden ist, was den Idealfall darstellt, sondern daß am Ausgang eine gewisse Offsetspannung vorhanden ist. Diese Offsetspannung ist in erster Linie auf eine falsche Anpassung der Eingangstransistoren des Verstärkers zurückzuführen. Wenn diese Offsetspannung nicht toleriert werden kann,

muß eine als Eingangs-Offsetspannung bezeichnete geeignete Differential-Eingangsspannung an die Ein·= gangsanschlüsse des Verstärkers gelegt werden? um . . die falsche Anpassung zu kompensieren und die Offset·= spannung am Ausgangsanschluß zu beseitigen«

In vielen Anwendungsfällen von Operationsverstärkern ist es nötig oder wünschenswert_? die Offsetspannung im wesentlichen zu beseitigen, lin solcher Anwendungen fall ist beispielsweise der,, daß der Operationsverstärker in einem Digital-Analog-Umsetzer eingesetzt wirdρ bei dem der durch die Offsetspannung verursachte Fehler kleiner sein soll als ein Bruchteil des niedrigstwertigen Bits. Ein anderer Anwendungsfall ist der, daß der Operationsverstärker als Vergleicher in einem Analog-Digital-Umsetzer eingesetzt wird und die Umsetzungsgenauigkeit in großem Umfang bestimmt wird durch die durch die Offsetspannung des die Vergleicher funktion erfüllenden Verstärkers eingebrachten Fehler. Weiterhin ist es in vielen Anwendungsfällen₉ in denen der Operationsverstärker gleichstromgekoppelt ist₈ außerdem notwendig oder wünschenswert, jeden Gleichstrompegel aus dem Eingangssignal im wesentlichen zu beseitigen.

Obschon verschiedene Schaltungsanordnungen bekannt sind, die eine kontinuierliche Rückkopplungskompen-* sation der Offsetspannung bewirken^ sind derartige

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Schaltungen grundsätzlich kompliziert und eignen sich nicht für die Ausbildung als integrierte Großschaltkreise (LSI-Schaltungen). Einfacher zu realisieren sind andere bekannte Offset-Kompensationsschaltungen, bei denen geschaltete Kondensatoren eingesetzt werden, um die Eingangs-Offsetspannung eines Verstärkers periodisch abzutasten und zu speichern, um anschließend die gespeicherte Offsetspannung von der Eingangsspannung zu subtrahieren. Diese Schaltungen schaffen eine genauere Kompensation. Offset-Kompensationsschaltungen mit geschaltetem Kondensator eignen sich besonders gut für die Ausbildung als LSI-Schaltungen, da die benötigten Kondensatoren und Analogschalter in verschiedenen LSI-Technologien zur Verfügung stehen. Darüberhinaus benötigen derartige Schaltungen relativ wenig Chipfläche.

Eine typische bekannte Offset-Kompensationsschaltung mit geschaltetem Kondensator ist in den Figuren 1 und 2 dargestellt, wobei diese Figuren die beiden grundsätzlichen Arbeitszustände zeigen. Ein Verstärker 100 enthält einen Operationsverstärker mit einem invertierenden Eingangsanschluß 102, einem nicht-invertierenden Eingangsanschluß 103 und einem

Ausgangsanschluß 104. Der Verstärker enthält ferner einen Kondensator C sowie fünf Schalter Sl bis S5° Bei den Schaltern handelt es sich im allgemeinen um Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate (IGFET)₉ die durch geeignete Taktsignale betätigt werden. Die Impedanzen Zl und Z2 bestimmen die Spannungsverstärkung des Verstärkers.

Der Verstärker muß zum Abtasten von Daten in der Abtast-Betriebsart arbeiten. Hierbei wechselt die Schaltung zwischen einem in Figur 1 dargestellten Rucksetzzustand, wenn die Ausgangs-Offsetspannung abgetastet und gespeichert wird, und einem in Figur 2 dargestellten Übergangszustand„ in dem das Eingangssignal abgetastet und ein geeignetes Ausgangs-*- signal geliefert wird.

Im Rucksetssustand ist der Schalter Sl geöffnet„ um das Eingangssignal von dem invertierenden Anschluß 102 des Verstärkers fernzuhalten^ S2 ist geschlossen, um die Spannungsverstärkung des Verstärkers auf die Einheitsverstärkung einzustellen, S5 ist geschlossen, um den nicht»invertierenden Eingangsanschluß und eine Elektrode von C auf Masse zu legen, S3 ist geschlossen, um den Ausgangsanschluß an die andere Elektrode von C zu legen, und S4 ist

geöffnet, um die andere Elektrode von C von Masse zu trennen. Auf diese Weise wird die Spannung am Ausgangsanschluß abgetastet und in dem Kondensator C gespeichert.

Im Übertragungszustand ist Sl geschlossen, um das Eingangssignal an den Verstärker zu legen, S2 ist geöffnet, damit die Verstärkung des Verstärkers etwa den Wert -Z2/Z1 annimmt, S3 ist geöffnet, um die andere Elektrode von C vom Ausgangsanschluß zu trennen, S4 ist geschlossen, um die andere Elektrode von C auf Masse zu legen, und S5 ist geöffnet, um den nichtinvertierenden Eingangsanschluß von Masse zu trennen. Auf diese Weise wird die in dem Kondensator C gespeicherte, invertierte und an den nicht-invertierenden Eingangsanschluß angelegte Offsetspannung von dem am invertierenden Eingangsanschluß empfangenen Eingangssignal subtrahiert.

Ein Nachteil der herkömmlichen Offset-Kompensationsschaltungen mit geschaltetem Kondensator besteht darin, daß sie möglicherweise Durchführungsfehler in der Eingangs-Offsetspannung laden. In der in den Figuren 1 und 2 dargestellten herkömmlichen Schaltung beispielsweise bewirkt die dem Schalter S5 zugeordnete parasitäre Kapazität Cp5, daß beim Öffnen des Schalters S5 eine Ladung auf den Kondensator C durchgeführt

wird, so daß hierdurch ein Fehler in der in C gespeicherten Eingangs-Offsetspannung entsteht« Um diesen Fehler auszuschalten„ müssen zusätzliche Anpassungsschalter und/oder Anpassungskondensatoren für die Ladungskompensation in der Schaltung vergessenen werden, wodurch die Schaltung komplizierter und aufwendiger wird.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Offset-Kompensationsschaltungen mit geschaltetem Kondensator besteht darin., daß sie keine Kompensation für einen Gleichstrompegel im Eingangssignal liefern» Beispielsweise wird bei der in den Figuren 1 und 2 dargestellten bekannten Schaltung ein Gleichstrom-Verschiebungspegel im Eingangssignal nicht durch die in dem Kondensator C gespeicherte Eingangs-Off set spannung kompensiert.

Ein v/eiterer Nachteil der bekannten Offset=-ICompea= sationsschaltungen mit geschaltetem Kondensator be= steht darinj daß diese Schaltungen nicht in als Vergleicher eingesetzten Operationsverstärkern verwendet werden können. Aufgrund der hohen Verstärkung eines Vergleichers kann die Verstärker-Offsetspannung bewirken, daß das Ausgangesignal des Vergleichers eine der zwei Bezugsspannungen annimmt» wenn die Differential-Eingangs spannung des Vergleichers null ist. Daher kann

die Eingangs-Offsetspannung eines Vergleichers nicht direkt an seinem Ausgangsanschluß abgetastet werden.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Offset-Kompensationsschaltungen mit geschaltetem Kondensator besteht darin, daß solche Schaltungen im allgemeinen nur den Daten-Abtastbetrieb des Verstärkers zulassen.

Die den bekannten Datenabtast-Offset-Kompensationsschaltungen anhaftenden, oben diskutierten Probleme werden durch die vorliegende Erfindung im wesentlichen gelöst. Hierzu schafft die Erfindung einen Operationsverstärker, der eine erste Kapazität und eine erste Einrichtung zum selektiven Anlegen einer Spannung an den Ausgangsanschluß der ersten Kapazität aufweist. Erfindungsgemäß ist zwischen einen der Eingangsanschlüsse des Verstärkers und einen Bezugsspannungsanschluß eine zweite Kapazität geschaltet, und eine zweite Einrichtung dient zum selektiven Umverteilen von Ladung zwischen der ersten und der zweiten Kapazität. Die Kombination der ersten und der zweiten Kapazität und der ersten und der zweiten Einrichtung schafft einen Rückkopplungspfad, der die sich rasch ändernden Signalanteile der Ausgangsspannung entfernt, während er die sich langsam ändernden Offset-Anteile

der Ausgangsspannung an einen geeigneten Eingangsanschluß des Verstärkers legt» Daher konvergiert schließlich die Rückkopplungsspannung mit der Eingangs-= Offsetspannung zuzüglich dem invertierten Pegel eines dem Eingangssignal anhaftenden Gleichstrompegels.

Durch die Erfindung werden LaduEgs-DurchfUhrungsfehler und sämtliche Verschiebungswerte des Elagangssignals beseitigt. Die erfindungsgemäße Schaltung gestattet den Dauerbetrieb der Verstärkerschaltung und kann eingesetzt werden, wenn der Verstärker als Vergleicher arbeiten soll«

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigern

Figuren 1 und 2 Schaltbilder einer Verstärkerschaltung mit Abtastdaten-Offset-Kompensationsschaltung gemäß dem Stand der Technik während des Rücksetzzustassds bzw. des Übertragungszustandes;

Figur 3 ein Schaltbild einer Verstärkerschaltung mit einer Offset-Kompensationsschaltung mit geschalteten Kondensatoren gemäß einer bevorzugten Ausführungsform- der Erfindung;

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Figur 4 Impulsdiagramme von Taktsignalen φ\ und φ2;

Figur 5 ein Schaltbild einer Verstärkerschaltung mit einer Offset-Kompensationsschaltung mit geschalteten Kondensatoren gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und

Figur 6 ein Schaltbild einer Vergleicherschaltung mit einer Offset-Kompensationsschaltung mit geschaltetem Kondensatoren gemäß einer v/eiteren Aus führungs form der Erfindung.

Figur 3 zeigt ein Schaltbild einer Verstärkerschaltung 3, bei der eine erfindungsgemäße Offset-Kompensationsschaltung vorgesehen ist. Der Typ dieser Verstärkerschaltung kann beispielsweise als Teilschaltung in einem LSI-Schaltkreis eingesetzt werden. Die Schaltung enthält einen Operationsverstärker 301 mit einem invertierenden Eingangsanschluß 302, einem nichtinvertierenden Eingangsanschluß 303, einem Ausgangsanschluß 304, einer Rückkopplungsimpedanz Zl und einer Eingangsimpedanz Z2. Über die Eingangsimpedanz wird ein Eingangssignal an den invertierenden Eingangsanschluß gelegt. Die Offset-Kompensationsschaltung enthält ein geschaltetes Kondensatornetzwerk 308 mit einem zwischen Knoten 305 und 306 geschalteten

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Kondensator Cl„ einem Schalter Sl zum selektiven Anschließen des Ausgangsanschlusses an den Knoten 305s einem Schalter S2 zum selektiven Verbinden des Knotens 305 mit einem Bezugsspannungsansehluß-307s wobei es sich hier beispielsweise um Schaltungsmasse handelts einem Schalter S3 zum selektiven Verbinden des Knotens 306 mit dem BezugsspaHnungsan-Schlußρ einem Kondensator C2_S der zwischen den nicht= invertierenden Eingangsanschluß und den Bezugssparaiungs·= anschluß geschaltet ist, und einem Schalter S4 zum selektiven Verbinden des Knotens 306 mit dem nichtinvertierenden Eingangsanschluß. Die Schalter Sl bis S4 sind sämtlich Metalloxid-Halbleiter-Transistoren (MOS-Transistoren), und sie werden durch sich nicht überlappende Taktsignale φΐ und φ2 mit einer Geschwindigkeit von l/T betätigt. Beispielhafte Wellenformen von φΐ und φ2 sind in Figo 4 gezeigt. Wenn φΊ hoch istρ werden Sl und S3 geschlossen» während S2 und S4 geöffnet sind. Unter diesen Umständen wird die Spannung am Ausgangsanschluß des Verstärkers abgetastet und in Cl gespeichert. Wenn φ2 hoch ist_p sind Sl und S3 offen, während S2 und S4 geschlossen sind. Unter diesen Umständen wird die Polarität bei Cl umgekehrt und Cl parallel zu C2 geschaltet, und es erfolgt eine· Umverteilung von Ladung zwischen den beiden Kondensatoren. Der Schalter S4 dient als Ein-

richtung zum Übertragen von Ladung zwischen Cl und C2. Zwischen den Taktimpulsen φΐ und φ2 ist eine genügend große Trennungszeit vorgesehen, damit die Schalter in dem Netzwerk vor dem weiteren Betrieb geöffnet werden.

Das geschaltete Kondensatornetzwerk arbeitet in erster Linie als Tiefpaßfilter/Inverter, durch das die sich rasch ändernden Signalanteile der Ausgangsspannung entfernt werden, während die sich langsam ändernden Offset-Anteile der Ausgangsspannung invertiert und an den nicht-invertierenden Eingangsanschluß gelegt werden. Aufgrund der Rückkopplungswirkung des geschalteten Kondensatornetzwerks konvergiert nach einer ausreichenden Anzahl von Zyklen von φΊ. und φ2 die an den nicht-invertierenden Eingangsanschluß gelegte Spannung mit einem Wert, der angenähert der Eingangs-Offsetspannung des Verstärkers zuzüglich dem invertierten Pegel irgendeines Gleichstrompegels des Eingangssignals entspricht. Weiterhin werden durch die Rückkopplung die Effekte der Ladungsdurchführung aufgrund des Betriebs von Sl und S3 im v/es entlichen beseitigt.

Um sicherzustellen, daß die sich rasch ändernden Signalkomponenten der Ausgangsspannung durch das

geschaltete Kondensatornetzwerk entfernt werden, wird die Größe C2T/C1 vorteilhafterweise viel größer (ζ. Β» um den Faktor zehn) gemacht als die Perioden·= dauer der langsamsten Komponente des Eingangssignals« Es ist daher wünschenswert„ den Wert von C2 größer zu wählen als den von Cl (z. B. beträgt Cl=O_P5pF und C2=50pF).

Figur 5 zeigt ein Schaltbild einer Verstärkerschal= tung 500 mit einer einer anderen Ausführungsform der Erfindung entsprechenden Offset-Kompensations™ schaltung. Für entsprechende Bauteile werden in Fig. 5 die gleichen Bezugsseichen verwendet wie in Fig, 3. Die Offset-Kompensationsschaltung enthält ein geschaltetes Kondensatornetzwerk 308, das dem Netzwerk gemäß Fig. 3 insoweit ähnelt,-als es einen zwischen die Knoten 305 und 306 geschalteten Kondensator Cl„ einen Schalter Sl sum selektiven Verbinden des Knotens 305 mit dem Ausgangsanschluß , einen Schalter S2 zum selektiven Verbinden des Knotens 305 mit dem Bezugsspannungsanscliluß 307, einen Schalter S3 zum selektiven Verbinden des Knotens 306 mit dem Bezugsanschluß und einen Kondensator C2 aufweist, der zwischen den nicht-invertierenden Eingangsanschluß und den Bezugsanschluß geschaltet ist. Jedoch erfolgt die Ladungsumverteilung zwischen Cl und C2 durch die Schaltung, die

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einen Schalter S4 zum selektiven Verbinden des Knotens 306 mit einem Knoten 309, einen Nebenschluß-Kondensator C3 zwischen dem Knoten 309 und dem Bezugsanschluß, und einen geschalteten Kondensatorabschnitt zwischen dem Knoten 309 und dem nichtinvertierenden Eingangsanschluß enthält. Der geschaltete Kondensatorabschnitt enthält ein Paar von Schaltern S5 und S6, die in Reihe geschaltet sind, und einen Nebenschluß-Kondensator C4, der zwischen dem Schalterpaar liegt. Sämtliche Schalter in dem Netzwerk sind MOS-Transistoren, die durch sich nicht überlappende Taktsignale φ\ und φ2 betätigt werden, beispielsweise durch die Signale, deren Verlauf in Fig. 4 dargestellt ist. Die Schalter Sl, S3 und S5 werden geschlossen, wenn φΐ hoch ist, die Schalter S2, S4 und S6 dagegen werden geschlossen, wenn φ2 hoch ist.

Das geschaltete Kondensatornetzwerk nach Fig. 5 arbeitet dadurch, daß es einen zusätzlichen geschalteten Kondensatorabschnitt besitzt, als Tiefpaßfilter/Inverter mit im Vergleich zu dem in Fig. dargestellten Netzwerk verbessertem Sperrverhalten. Das Beseitigen von sich schnell ändernden Komponenten des Ausgangssignals wird bei dem Netzwerk nach Fig. dadurch gewährleistet, daß die Größe (C3/C1) (C2/C4)T

viel größer (ζ. B. um einen Faktor zehn) gemacht wird als die Periodendauer der langsamsten Komponente des Eingangssignals. Daher ist es wünschenswert_p den Wert von C3 deutlich größer zu wählen als den von Cl (z. B, Cl=O₉5pF und C3=25pF), und den Wert von C2 deutlich größer zu wählen als den von C4 (z. B₀ C4=O_s5pF und C2=25pF), während die Perlodendauer T der Taktsignale groß gewählt wird» Man erkennt, daß die Kapazitätsverhältnisse bei der geschalteten Kondensatoranordnung gemäß Fig. 5 nicht so groß sein müssen wie bei dem Netzwerk gemäß Figo 3«

In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, mehr als einen zusätzlichen geschalteten Kondensatorabschnitt in der Ladungsumverteilungsanordmmg zu verwenden, um das Sperrverhalten des Netzwerks weiter zu verbessern und noch kleinere Kapazitätsverhältnisse zu ermöglichen. In solchen Fällen sind die geschalteten Kondensatorabschnitte in Kaskade zwischen den Knoten 309 und den nicht-invertierenden Eingangsanschluß geschaltet ₉ und jeder zusätzliche Abschnitt mit Ausnahme des an den nicht-invertierenden Eingangsanschluß angeschlossenen Abschnitts enthält eine zweite Nebenschluß-Kapazität, die zwischen benachbarten Abschnitten liegt. Es ist wünschenswert, den Wert der zweiten

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Nebenschluß-Kapazität in jedem Abschnitt deutlich größer zu wählen als den der Nebenschluß-Kapazität, die zwischen dem Paar von Schaltern in dem Abschnitt liegt, und den Wert von C2 deutlich größer zu wählen als den der Nebenschluß-Kapazität, die zwischen den Schaltern des an den nicht-invertierenden Eingangsanschluß angeschlossenen Abschnitts liegt. Wenn mehr als ein zusätzlicher geschalteter Kondensatorabschnitt verwendet werden, müssen die Kapazitätswerte der Kondensatoren in dem Netzwerk, die Periodendauer von φ\ und <j>2 und die Verstärkung des Operationsverstärkers ebenfalls so gewählt werden, daß Instabilitäten der Verstärkerschaltung vermieden werden. Die Kriterien für die Stabilität einer Verstärkerschaltung bezüglich der Phasenverschiebung in deren Rückkopplungsschleife und ihrer Verstärkungskennlinie sind dem Fachmann bekannt.

Man sieht bei den in den Figuren 3 und 5 dargestellten Offset-Kompensationsschaltungen, daß der Eingangsanschluß des Verstärkers nicht von der Signalquelle getrennt und auf eine Bezugsspannung zurückgesetzt werden muß, wenn die Ausgangsspannung des Verstärkers abgetastet wird. Daher ist die Erfindung sowohl beim kontinuierlichen als auch beim Datenabtastbetrieb des Verstärkers einsetzbar.

Figur 6 zeigt ein Schaltbild einer Offset-Kompensationsschaltung für eine ¥ergleicherschaltung 600 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung-Ein Operationsverstärker 601 mit einem invertierenden Eingangsanschluß 602, einem nicht™invertierenden Eingangsanschluß 603 und einem Ausgangsanschluß 604 wird als Vergleicher zwischen an Spannungsversorgunganschlüsse 608 und 609 angelegten Versorgungsspannungen +V bzw. -V betrieben. Die Spannung am Ausgangsanschluß springt praktisch zwischen den vollen Versorgungsspannungen. Die Offset-Kompensationsschaltung enthält ein geschaltetes Kondensatornetzwerk 605 mit einem zwischen einen Knoten 606 und einen Bezugsspannungsanschluß 607 geschalteten Kondensator Cl₉ . einem Schalter Sl zum selektiven Verbinden des Ausgangsanschlusses mit dem Knoten 606s, einem zwischen den invertierenden Eingangsanschluß und den Bezugs™ spannungsanschluß geschalteten Kondensator C2 und einem Schalter S2 zum selektiven Verbinden des Knotens 606 mit dem invertierenden Eingangsanschluß. .Ein Schalter S3 liegt zwischen dem nicht-invertierenden Eingangsanschluß und dem Bezugsspannungsanschluß, und er dient zum Zurücksetzen des nicht-invertierenden Eingangsanschlusses. Die Schalter Sl, S2 und S3 sind sämtlich MOS-Transistoren, die von sich nicht überlappenden Taktsignalen φ\ und <j>2 bei einer Frequenz

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von l/T betrieben werden. Solche Taktsignale entsprechen z. B. den in Fig. 4 gezeigten Wellenformen. Die Schalter Sl und S3 werden geschlossen, wenn φΐ hoch ist, wohingegen der Schalter S2 geschlossen wird, wenn <φ2 hoch ist.

Diese Offset-Kompensationsschaltung arbeitet wie folgt: zu Anschauungszwecken sei angenommen, der Vergleicher besitze eine positive Eingangs-Offsetspannung und C2 sei zu Beginn entladen. Wenn Sl und S3 zuerst schließen, geht der Ausgangsanschluß auf -V, und Cl wird auf -V aufgeladen. Wenn anschließend S2 schließt, wird die im Kondensator Cl gespeicherte Ladung, die -ClV beträgt, zwischen Cl und C2 umverteilt. Daher nimmt C2 nach dem ersten Zyklus von φΊ und φ2 eine Spannung -ClV/(Cl + C2) an, die an den invertierenden Eingang des Vergleichers gelegt wird. Es sei weiterhin zu Anschauungszwecken angenommen, daß der Wert von C2 viel größer sei als der von Cl. Dann beträgt die dem Vergleicher nach dem ersten Zyklus von φΐ und φ2 zugeführte Differential-Eingangsspannung etwa C1V/C2. Wenn diese Spannung kleiner ist als die Eingangs-Offsetspannung, bleibt die Spannung am Ausgangsanschluß auf -V, und nach dem nächsten Zyklus von φΐ und φ2 beträgt die Spannung-an C2 etwa -2C1V/C2. Somit steigt nach η Zyklen von φΐ und φ2

die Spannung an C2 auf etwa -nClV/C2 an₉ und die an den Vergleicher gelegte Different ial^Eingangs=- spannung beträgt etwa nClV/C2„ Wenn diese Spannung die Eingangs-Offsetspannung zum erstenmal überschreitet „ geht die Spannung am Ausgangsanschluß von -V auf +V, und nach dem nächsten Zyklus von φΐ und φ2 beträgt die Differ ent iaX-Eixjgangs spannung etwa (n=-l)C1V/C2. Da diese Spannung kleiner ist als die Vergleicher-Offsetspannungj, geht die Ausgangs= spannung eimeut auf -V. ¥enn daher in C2 einmal eine Spannung gespeichert ist, deren .Amplitude um weniger als C1V/C2 von der Eingangs-Offsetspannung abweicht» wechselt die Differential-Eingangsspannung bei jedem Zyklus des Taktsignals zwischen (n-l)ClV/C2 und nClV/C2. Die Zeit, die für das erste Speichern einer Spannung mit einer solchen Amplitude benötigt wird, beträgt nT - (C2/C1)(V /V)T, wobei Y_n die Eingangs-Offsetspannung ist« Der Fehler in der Speicher-Eingangs-Offsetspannung beträgt C1V/C2.. Dieser Fehler kann durch Vergrößern des Verhältnisses von C2 zu Cl beliebig klein gemacht werden- Das Vergrößern des Kapazitätsverhältnisses erhöht jedoch auch die Zeit_s die zum ersten Speichern der Eingangs-Offsetspannung benötigt wird.

Man sieht, daß bei der in Fig. 6 gezeigten Offset-Kompensationsschaltung die Spannung an C2 an den

invertierenden Eingang des Verstärkers gelegt wird. Daher haben Cl und C2 diegleiche Polarität, und die Polarität muß vor dem Anschalten an C2 für die Ladungsumverteilung nicht invertiert werden.

Führt man eine ähnliche Analyse durch wie oben geschehen, so zeigt sich, daß die in Figur 6 dargestellte Schaltung sowohl negative als auch positive Offsetspannungen kompensiert. Außerdem braucht der Vergleicher, der getastet oder nicht getastet arbeiten kann, nicht zwischen zwei im wesentlichen gleich großen Versorgungsspannungen entgegengesetzter Polarität betrieben zu werden.

Selbstverständlich können die oben beschriebenen Ausführungsformen modifiziert werden, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen. Während bei den obigen Ausführungsformen MOS-Bauelemente als Schalter eingesetzt wurden, können stattdessen auch Bipolarschalter verwendet werden. Wenngleich sich die erfindungsgemäße Schaltung besonders gut für LSI-Schaltungen eignet, so braucht es doch nicht immer wünschenswert zu sein, sämtliche Bauelemente der Schaltung auf einem einzelnen Chip zu integrieren.

In der Schaltung gemäß Figuren 3 und 6 beispielsweise ist es j wie oben ausgeführt wurde ₉ vorteilhaft _p wenn C2 einen relativ großen Wert hat.,
Da ein Kondensator hoher Kapazität eine große
Chipfläche benötigt, kann es empfehlenswert sein₉ außerhalb des Chips einen diskreten Kondensator
für C2 vorzusehen.

Leerseite

Claims

BLUMBACH · WESER · BERGEN -KRÄMER

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Western Electric Company W/Tompsett - 16

Incorporated

New York N. Y.

Patentansprüche

l/l Yerstärkerschaltung, mit einem Differentialverstärker (30I)₁, der einen nicht-invertierenden (303) und einen invertierenden (302) Eingangsanschluß und einen Ausgangsanschluß (304) aufweist-, einer ersten Kapazität (Cl) und einer ersten Einrichtung (Sl) zum selektiven Anlegen einer Spannung an dem Ausgangsanschluß an die erste Kapazität,
gekennzeichnet durch

eine zwischen einen der Eingangsanschlüsse des Differentialverstärkers und einen Bezugsspannungsanschluß (307) gekoppelte zweite Kapazität (C2) und eine zweite Einrichtung (S2„ S4)₅ mit der sich Ladung zwischen der ersten und der zweiten Kapazität selektiv umverteilen läßt.

München: R. Kramer Dlpl.-Ing. . W. Weser Dipl.-Pliys. Dr. rer. nal. · E. Hollmann Dipl.-Ing. Wiesbaden: P.G. Blumbach Dlpl.-Ing. . P. Bergen Prof. Dr. jur.Dipl.-lng., Pai.-Ass., Pat.-Arw. bis 1979 · G. Zwirner Dipl.-ing. Dipl.-W.-Ing.
2. Schaltung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die erste Kapazität zwischen einen ersten (305) und einen zweiten (306) Knoten geschaltet ist, daß die zweite Kapazität zwischen den nicht-invertierenden Eingangsanschluß (303) und die Bezugsspannungsquelle (307) geschaltet ist, daß die erste Einrichtung einen zwischen den Ausgangsanschluß (304) und den ersten Knoten (305) gekoppelten ersten Schalter (Sl), der während eines ersten Intervalls geschlossen und während eines zweiten Intervalls geöffnet wird, und einen zweiten Schalter (S3) aufweist, der zwischen den zweiten Knoten (306) und den BezugsSpannungsanschluß geschaltet ist, und der während des ersten Intervalls geschlossen und

.; während des zweiten Intervalls geöffnet wird, und daß die zweite Einrichtung einen dritten Schalter (S2), der zwischen den ersten Knoten und den Bezugsspannungsanschluß geschaltet ist, und der während des ersten Intervalls geöffnet und während des zweiten Intervalls geschlossen wird, und eine Ladungsübertragungseinrichtung aufweist, die zwischen den zweiten Knoten und den nicht-invertierenden Eingangsanschluß geschaltet ist.

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3. Schaltung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,,

daß die Ladungsübertragungseinrichtung einen vierten Schalter (S4) aufweist, der zwischen den zweiten Knoten und den nicht-invertierenden Eingangsanschluß geschaltet ist, und der während des ersten Intervalls geöffnet und während des zweiten Intervalls geschlossen wird, und daß die zweite Kapazität deutlich größer ist als die erste Kapazität.
4. Schaltung nach Anspruch 2„
dadurch gekennzeichnet,,

daß die Ladungsübertragungseinrichtung einen zwischen den zweiten Knoten und einen dritten Knoten geschalteten vierten Schalter aufweist, daß zwischen den dritten Knoten und den ersten Anschluß eine dritte Kapazität geschaltet ist„ daß zwischen den dritten Knoten und den nicht-invertierenden Eingangsanschluß ein oder mehrere schaltbare Kondensatorabschnitte (C3s C4) in Kaskade geschaltet sindj, wobei jeder Abschnitt ein Paar in Reihe geschalteter Schalter (S4„ S5j S6) und eine erste, zwischen dem Schalterpaar angeordnete Nebenschluß-Kapazität aufweist,, daß eines der Schalterpaare während des ersten Intervalls geschlossen und während des zweiten Intervalls geöffnet wird, während das andere Paar

während, des ersten Intervalls geöffnet und während des zweiten Intervalls geschlossen wird, daß jeder Abschnitt mit Ausnahme desjenigen Abschnitts, der an den nicht-invertierenden Eingangsanschluß angeschlossen ist, eine zweite Nebenschluß-Kapazität aufweist, die zwischen benachbarten Abschnitten angeordnet ist, daß die zweite Nebenschluß-Kapazität deutlich größer ist als die erste Nebenschluß-Kapazität, daß die dritte Kapazität deutlich größer ist als die erste Kapazität, und daß die zweite Kapazität deutlich größer ist als die erste Nebenschluß-Kapazität des an den nicht-invertierenden Eingangsanschluß angeschlossenen geschalteten Kondensatorabschnitts.
5. Schaltung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die erste Kapazität zwischen einen ersten Knoten und den Bezugsspannungsanschluß (607) geschaltet ist, daß die zweite Kapazität zwischen den negativen Eingangsanschluß und den Bezugsspannungsanschluß geschaltet ist, daß die erste Einrichtung einen ersten Schalter (Sl) aufweist, der zwischen den Ausgangsanschluß und den ersten Knoten (606) geschaltet ist, und der während eines ersten Intervalls geschlossen und während eines zweiten Intervalls geöffnet wird, und daß die zweite Einrichtung einen

. 5.

zweiten Schalter (S2) aufweist,, der zwischen den ersten Knoten und den invertierenden Eingangsanschluß (602) geschaltet ist_s und der während des ersten Intervalls geöffnet und während des zweiten Intervalls geschlossen wird.
6. Schaltung nach Anspruch 5_S
dadurch gekennzeichnet,

daß zwischen den nicht-invertierenden Eingangsaaschluß (603) und den Bezugsspannungsanschluß (607) ein dritter Schalter (S3) gekoppelt ist, der während des ersten Intervalls geschlossen und während des zweiten Intervalls geöffnet wird.