DE3871614T2

DE3871614T2 - Kleiner integrierter praezisionsverstaerker mit geringem stromverbrauch.

Info

Publication number: DE3871614T2
Application number: DE8888200563T
Authority: DE
Inventors: Germano Nicollini
Original assignee: SGS Thomson Microelectronics SRL
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 1987-04-14
Filing date: 1988-03-25
Publication date: 1993-01-21
Anticipated expiration: 2008-03-26
Also published as: DE3871614D1; JPH06103807B2; US4849707A; EP0293020B1; IT8720110A0; IT1203893B; EP0293020A1; JPS63278406A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine hochgenaue Verstärkerschaltung kleiner Größe und geringen Leistungsumsatzes für integrierte Schaltungen.
In zahlreichen integrierten Schaltungsanordnungen wird es erforderlich, das Signal sehr genau zu verstärken. Da diese Operation in derselben integrierten Schaltung mehrmals wiederholt werden kann, ist es erforderlich, daß die Verstärkerstufe sowohl bezüglich der Größe oder des Layout-Bereiches als auch der um gesetzten Leistung sehr klein ist.
Eine derzeit bekannte Verstärkerschaltung umfaßt einen Operationsverstärker mit einem Eingangswiderstand und einem Rückkoppelungswiderstand; der Verstärkungsfaktor ist durch das Verhältnis der beiden Widerstände gegeben.
Diese Lösung ist sicherlich sehr gut, wenn sie mit diskreten Bauelementen zustandegebracht wird, wohingegen sie ernstliche Nachteile zeigt, wenn sie als eine integrierte Schaltung verwirklicht wird. Sie erfordert lange Widerstandspfade und somit beträchtlichen Layout-Raum, oder, um den Raum zu begrenzen, die Fähigkeit, hohe Rückkopplungsströme zu verarbeiten, mit den daraus resultierenden Konstruktionsproblemen beim Operationsverstärkers und des hohen Leistungsumsatzes.
Eine andere bekannte Lösung, die bei Konstrukteuren für integrierte Schaltungen bevorzugt wird, fordert zum Ersatz der beiden Widerstände durch zwei Kondensatoren und zum Gebrauch eines periodisch geöffneten und geschlossenen Rücksetzschalters parallel zu der Rückkopplungskapazität auf. Das Vorhandensein des Schalters ist notwendig, um die Integration des auf dem negativen Eingang des Operationsverstärkers unvermeidbar vorfindlichen Leckstromes zu verhindern und in jedem Fall, sogar im Falle vernachlässigbarer Leckverluste, bei der Zündung, um die der während des Herstellungsprozesses der integrierten Schaltung auf den Eingangsknoten angesammelten Ladungen zu entfernen.
Unter den Gesichtspunkten der Einfachheit der Realisierung und des Layout-Raumes ist diese Lösung zweifelsohne vorteilhaft. Gleichzeitig beinhaltet das periodische Schalten des Schalters unabdingbar den Verlust eines Teils des Eingangssignals und zwingt den Operationsverstärker, sich großen Spannungssprüngen an dem Ausgang zu unterziehen, mit den daraus entstehenden Problemen bei der Slew-Rate und der Beruhigungszeit des Ausgangssignals.
US-A-4 574250 zeigt eine hochgenaue Verstärkerschaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Diese bekannte Schaltung ist jedoch ziemlich kompliziert und erfordert einen Gleichtakteingang.
Im Hinblick auf den Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine hochgenaue Verstärkerschaltung für integrierte Schaltungen zu verwirklichen, die unter dem Gesichtspunkt des benötigten Raumes und der umgesetzten Leistung vorteilhaft wäre, ohne an den Nachteilen der bekannten Lösungen zu leiden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Verstärkerschaltung gelöst, wie sie in Patentansprnch 1 bestimmt ist.
Ein Beispiel einer praktischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung ist zwecks größerer Klarheit in der beigefügten Zeichnung veranschaulicht, deren einzige Figur das grundlegende Schaltbild zeigt.
Die Zeichnung zeigt einen Operationsverstärker OP, welcher einen mit einer ersten Kapazität C1 in Serie geschalteten negativen Eingang (-), einen mit einer zweiten Kapazität C2 in Serie geschalteten positiven Eingang (+), einen positiven Ausgang (+) sowie einen negativen Ausgang (-) aufweist.
Eine dritte Kapazität C3 ist als Rückkoppelverbindung zwischen dem positiven Ausgang und dem negativen Eingang des Operationsverstärkers OP angeordnet, während eine vierte Kapazität C4 als Rückkoppelverbindung zwischen dem negativen Ausgang und dem positiven Eingang des Operationsverstarkers angeordnet ist.
Eine fünfte Kapazität CS weist einen mit dem negativen Ausgang des Operationsverstärkers OP verbundenen ersten Anschluß auf, und eine sechste Kapazität C6 weist einen mit dem positiven Ausgang des Operationsverstärkers verbundenen ersten Anschluß auf.
Eine siebente Kapazität C7 weist einen mit dem positiven Ausgang des Operationsverstärkers OP verbundenen ersten Anschluß auf und eine achte Kapazität C8 weist einen mit dem negativen Ausgang des Operationsverstärkers verbundenen ersten Anschluß auf.
Die Kapazitäten C1 und C2 sind gleich, ebenso wie es die anderen Kapazitäten C3 und C4 sowie die Kapazitäten C5 bis C8 jeweils sind.
Periodisch mit der Taktfrequenz betätigte Zwei-Stellungs-Schalter S1 und S2 sind tauglich, abwechselnd einen zweiten Anschluß der Kapazitäten C5 und C6 mit einer Polarisiernngsspannung Vb1 oder mit dem negativen Eingang beziehungsweise dem positiven Eingang des Operationsverstärkers OP sowie einen zweiten Anschluß der Kapazitäten C7 und C8 mit der Polarisationsspannung Vb1 oder mit dem negativen Eingang beziehungsweise mit dem positiven Eingang des Operationsverstärkers OP zu verbinden.
Wenn die Schalter in der Betriebsstellung S1 stehen, welche in der Zeichnung durch durchgezogene Linien dargestellt ist, wird ein über die Kapazitäten C1, C2 an die beiden Eingänge des Operationsverstärkers OP angelegtes Eingangssignal ±Vi mit einem Wert gleich dem Verhältnis des gemeinsamen Wertes der Kapazitäten C1, C2 zu dem gemeinsamen Wert der Kapazitäten C3, C4 verstärkt, jeweils entsprechenden Ausgängen ±Vu entspringend. Die Kapazitäten C5 und C6 werden auf -Vu beziehungsweise +Vu und die Kapazitäten C7 und C8 auf +Vu beziehungsweise -Vu aufgeladen.
Wenn die Umschalter in die Betriebsphase S2 übergehen, in der Zeichnung durch strichpunktierte Linien angezeigt, werden die Kapazitäten C7 und C8 parallel mit den Kapazitäten C3 und C4 und gleichzeitig ein Anschluß der Kapazitäten C5 und C6 mit dem negativen Eingang beziehungsweise mit dem positiven Eingang des Operationsverstärkers OP verbunden. Auf diese Weise gleichen die Kapazitäten C5 und C6 die Kapazitäten C7 und C8 aus, so daß nur noch die Kapazitäten C3 und C4 beim Rückkoppeln zum Operationsverstärker übrigbleiben. Der Verstärkungsfaktor bleibt daher gleich dem Verhältnis der Kapazitäten C1, C2 zu den Kapazitäten C3, C4, d.h. er bleibt unverändert.
Während der Betriebsphase S2 halten die Kapazitäten C5-C8 auch die kontinuierlichen Spannungen an dem Eingang des Operationsverstärkers OP auf einem Wert von Vb1, d.h., die Eingänge nehinen einen kontinuierlichen Wert von Vb1 an.
Die vorgeschlagene erfindungsgemäße Lösung, als Beispiel in der Zeichnung veranschaulicht, erlaubt das Vermeiden des Einsatzes eines Rücksetzschalters mit den damit wie vorstehend beschrieben zusammenhängenden Nachteilen. In diesem Fall wird die kontinuierliche Ladung, die als Leckstrom verloren geht, in der Tat durch diejenige, die den Kondensatoren C5-C8, welche einen periodisch an Vb1 geschalteten Anschluß aufweisen, zugeordnet ist, kompensiert.
Andere Vorzüge dieser Lösung sind die Einfachheit der Konstruktion des Operationsverstärkers und die bemerkenswerten Einsparungen bezüglich des Leistungsumsatzes, die beide davon herrühren, daß die Last rein kapazitativ statt ohmsch ist.
Aus dem gleichen Grund ist es möglich, Kapazitäten relativ kleiner Werte mit einer daraus resultierenden Einsparung des beanspruchten Layout-Bereiches auszuwählen.
Die Genauigkeit wird schließlich durch die Tatsache sichergestellt, daß der Verstärkungsfaktor durch ein Kapazitätsverhältnis gegeben ist, welches bei modernen integrierten Schaltungen auf Genauigkeiten in der Größenordnung von 0,1% der Kapazitätsverhältnisse gebracht werden kann.

Claims

1. Präzisions-Spannungsverstärkerschaltung mit Differenzeingängen sowie Ausgängen für integrierte Schaltungen, bestehend aus einem Operationsverstärker (OP) mit einem positiven Eingang, mit einem negativen Eingang, mit einem positiven Ausgang und mit einem negativen Ausgang, aus acht Kondensatoren und vier DPDT-Schaltern, die so angeordnet sind, daß ein Anschluß einer ersten Kapazität (C1) an den negativen Eingangsknoten und sein zweiter Anschluß an einen der Eingangsknoten der Verstärkerschaltung angeschlossen ist, ein Anschluß eines zweiten Kondensators (C2) an den positiven Eingang, sein zweiter Anschluß an den anderen Eingangsknoten der Verstärkerschaltung angeschlossen ist, eine dritte Kapazität (C3) zwischen den positiven Ausgangsknoten und den negativen Eingangsknoten, eine vierte Kapazität (C4) zwischen den negativen Ausgang und den positiven Eingang geschaltet ist, das Differenzausgangssignal auf die Eingangsknoten des Operationsverstärkers (OP) zurückkoppelnd, eine fünfte Kapazität (C5) einen ersten mit dem negativen Ausgangsknoten verbundenen Anschluß aufweist und eine sechste Kapazität (C6) einen an den positiven Ausgangsknoten angeschlossenen Anschluß aufweist, eine siebente Kapazität (C7) einen ersten an den positiven Ausgangsknoten angeschlossenen Anschluß aufweist und daß eine achte Kapazität (C8) einen an den negativen Ausgangsknoten angeschlossenen ersten Anschluß aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine periodisch arbeitende Schaltereinrichtung (S1, S2) abwechselnd die zweiten Anschlüsse der fünften bzw. sechsten Kapazität (C5, C6) entweder an eine Polarisierungsspannung (Vb1) oder an den negativen Eingang bzw. an den positiven Eingang des Operationsverstärkers (OP) und gleichzeitig die zweiten Anschlüsse der siebenten und achten Kapazität (C7, C8) entweder an die Polarisationsspannung (Vb1) oder an den negativen Eingang bzw. an den positiven Eingang des Operationsverstärkers (OP) schaltet.

2. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kapazität (C1) und die zweite Kapazität (C2) von gleichem Betrag sind.

3. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Kapazität (C3) und die vierte Kapazität (C4) von gleichem Betrag sind.

4. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die fünfte Kapazität (C5), die sechste Kapazität (C6), die siebente Kapazität (C7) sowie die achte Kapazität (C8) von gleichem Betrage sind.