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Dokumentenidentifikation DE102004002854B3 14.07.2005
Titel Verstärkerschaltung
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Wiedmann, Frank, Dr., 85356 Freising, DE
Vertreter Patent- und Rechtsanwälte Kraus & Weisert, 80539 München
DE-Anmeldedatum 19.01.2004
DE-Aktenzeichen 102004002854
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 14.07.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 14.07.2005
IPC-Hauptklasse H03F 3/45
IPC-Nebenklasse H03F 3/08   H03F 1/34   H03F 3/72   
Zusammenfassung Eine Verstärkerschaltung (10), welche eine Spannungsdifferenz (1a; 1b) zwischen einer ersten Versorgungsspannung (3) und einem Eingangspotenzial oder dem Eingangspotenzial und einer zweiten Versorgungsspannung (4) in eine Ausgangsspannungsdifferenz (7b) verstärkt, umfasst neben einer Eingangsstufe (18, 19), einem Spannungsteiler (R2, R3), einer Impedanz (R1) und einem Transistor (14) nur einen Operationsverstärker (10). Mithilfe eines Steuersignals (2) wird die Eingangsstufe (18, 19) entsprechend der zu verstärkenden Spannungsdifferenz (1a; 1b) gesteuert, so dass der Operationsverstärker (10) entsprechend beaufschlagt wird.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verstärkerschaltung, wie sie insbesondere zur Verstärkung einer Spannung, welche mittels einer Fotodiode erzeugt worden ist, eingesetzt werden kann.

Zur Messung einer optischen Empfangsleistung einer Fotodiode wird in der Regel ein Widerstand in Serie zu der Fotodiode geschaltet. Eine über diesem Widerstand abfallende Spannung ist proportional zu einem Strom, welcher durch die Fotodiode fließt, wodurch dieser Strom auch proportional zu der optischen Empfangsleistung der Fotodiode ist. Um die über dem Widerstand abfallende Spannung zu verstärken, um sie dann z.B. einem Analog-Digital-Wandler zuzuführen, wird häufig wahlweise eine Klemme des Widerstandes an eine Versorgungsspannung (erste Konstellation) oder an Masse (zweite Konstellation) angeschlossen. Dadurch entsteht an einer anderen Klemme des Widerstandes ein Eingangspotenzial, welches entweder bei der ersten Konstellation nahe bei der Versorgungsspannung oder bei der zweiten Konstellation nahe bei Masse liegt. Anders ausgedrückt, liegt im Fall der ersten Konstellation ein hohes und im Fall der zweiten Konstellation ein niedriges Eingangspotenzial vor. Eine Verstärkerschaltung, welche die über dem Widerstand abfallende Spannung verstärkt, sollte daher aus Gründen der Kundenakzeptanz mit beiden möglichen Konstellationen zurechtkommen.

In der DE 694 13 235 T2 ist ein Schaltungsaufbau offenbart, welcher einen Operationsverstärker mit einer Eingangsstufe mit einem Ausgangsanschluss und wenigstens einem Signaleingangsanschluss, einer Ausgangsstufe mit einem Ausgangsanschluss, einem ersten Eingangsanschluss und einem zweiten Eingangsanschluss, einer Rückkopplungsschaltung zwischen dem Ausgangsanschluss der Ausgangsstufe und einem Eingangsanschluss der Eingangsstufe, einem kapazitiven Ausgleichsbauteil und einem ersten und einem zweiten Versorgungsanschluss zum Anschließen an einer Versorgungsspannungsquelle aufweist. Dabei ist der erste Eingangsanschluss der Ausgangstufe an den Ausgangsanschluss der Eingangsstufe angeschlossen und das kapazitive Ausgleichsbauteil zwischen einem der Eingangsanschlüsse und dem Ausgangsanschluss der Ausgangsstufe angeschlossen. Dabei sind weiterhin steuerbare Verbindungsvorrichtungen vorhanden, wodurch der Verstärker wahlweise in drei verschiedene Konfigurationen umgeschaltet werden kann.

Eine weitere Verstärkerschaltung nach dem Stand der Technik ist in 5 dargestellt und sieht für die beiden vorab erwähnten Konstellationen jeweils einen eigenen Operationsverstärker 40, 41 vor, welcher in einem Fall (erste Konstellation) einen PMOS-Transistor 42 und im anderen Fall (zweite Konstellation) einen NMOS-Transistor 43 ansteuert.

Auf Grund der hohen Verstärkung eines Operationsverstärkers ist eine Spannung zwischen seinen Eingangsklemmen annähernd Null. Für den Fall der ersten Konstellation, d. h. das Potenzial liegt nahe der Versorgungsspannung, wird über ein Steuersignal 51 der obere Operationsverstärker 40 in 5 angeschaltet und der untere Operationsverstärker 41 abgeschaltet. Deshalb fließt ein Strom durch einen ersten Widerstand R11, welcher anschließend durch einen zweiten Widerstand R12 fließt und an diesem eine Ausgangspannung 61 erzeugt. Über ein Verhältnis der Widerstände (R12/R11) kann ein Spannungsverstärkungsfaktor der Verstärkerschaltung eingestellt werden.

Für den Fall der zweiten Konstellation, d. h. das Potenzial liegt nahe Masse, wird über das Steuersignal 51 der untere Operationsverstärker 41 angeschaltet und der obere Operationsverstärker 40 abgeschaltet. Dadurch fließt ein Strom durch einen dritten Widerstand R13. Dieser Strom wird durch eine Stromspiegelschaltung 44 gespiegelt und fließt anschließend durch den zweiten Widerstand R12, wo er die Ausgangspannung 61 erzeugt. Der Spannungsverstärkungsfaktor kann in diesem Fall durch das Verhältnis des zweiten und dritten Widerstands (R12/R13) und einen Spiegelfaktor der Stromspiegelschaltung 44 eingestellt werden.

Ein Nachteil der vorab beschriebenen Verstärkerschaltung ist, dass zwei unterschiedliche Operationsverstärker 40, 41 benötigt werden, was einen erhöhten Flächenverbrauch und Entwicklungsaufwand bedeutet. Ein weiterer Nachteil ist außerdem, dass bei einer Messung der verstärkten Ausgangspannung bei der zweiten Konstellation (niedriges Potenzial) ein zusätzlicher Messfehler durch eine Abweichung eines Spiegelfaktors der Stromspiegelschaltung vom idealen Wert aufgrund von Bauteilabweichungen (die Stromspiegeltransistoren sind nie genau gleich) entstehen kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Verstärkerschaltung bereitzustellen, welche die vorab genannten Nachteile nicht aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Verstärkerschaltung gemäß Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungen der Erfindung.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird eine Verstärkerschaltung bereitgestellt, welche eine Spannungsdifferenz zwischen einer ersten Versorgungsspannung und einem Eingangspotenzial oder dem Eingangspotenzial und einer zweiten Versorgungsspannung in eine Ausgangsspannungsdifferenz zwischen einem Ausgangspotenzial und einer dritten Versorgungsspannung verstärkt. Dabei umfasst die Verstärkerschaltung eine Eingangsstufe, einen Operationsverstärker, einen Spannungsteiler, eine Impedanz und einen Transistor. Der Spannungsteiler ist zwischen einem ersten Anschluss des Transistors und der dritten Versorgungsspannung angeordnet, wobei ein zweiter Anschluss des Transistors über die Impedanz mit einer vierten Versorgungsspannung verbunden ist. Weiterhin ist ein Ausgang des Operationsverstärkers mit einem Steueranschluss des Transistors verbunden und der zweite Anschluss des Transistors und ein Verbindungspunkt innerhalb des Spannungsteilers ist zu der Eingangsstufe zurückgekoppelt sowie das Eingangspotenzial und ein Steuersignal zuführbar. Dabei ist die Eingangsstufe derart ausgestaltet, dass, wenn das Steuersignal einen ersten Pegel aufweist, eine Spannungsdifferenz aus einem Potenzial des zweiten Anschlusses des Transistors und dem Eingangspotenzial an den Operationsverstärker weitergeleitet wird, und dass, wenn das Steuersignal einen zweiten Pegel aufweist, eine Spannungsdifferenz aus einem Potenzial des Verbindungspunktes innerhalb des Spannungsteilers und dem Eingangspotenzial an den Operationsverstärker weitergeleitet wird.

Die vorab beschriebene Verstärkerschaltung vermeidet die aufgezeigten Nachteile einer Verstärkerschaltung nach dem Stand der Technik, indem sie anstelle von zwei Operationsverstärkern nur einen Operationsverstärker mit einer Eingangsstufe verwendet und auf eine Stromspiegelschaltung verzichtet.

Bei der erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung kann der Transistor von einem Typ sein, bei dem eine Anhebung eines Potenzials am Steuereingang des Transistors zu einer Verringerung des Stroms zwischen dem ersten und zweiten Anschluss des Transistors führt, wobei es sich bei diesem Transistortyp um einen PMOS-Transistor, einen PNP-Bipolar-Transistor, einen p-Kanal JFET (junction field effect transistor) oder einen p-Kanal MESFET (metal semiconductor field effect transistor) handeln kann. Der Transistor kann aber auch von einem Typ sein, bei dem eine Anhebung des Potenzials am Steuereingang des Transistors zu einer Vergrößerung des Stroms zwischen dem ersten und zweiten Anschluss des Transistors führt, wobei es sich bei diesem Transistortyp um einen NMOS-Transistor, einen NPN-Bipolar-Transistor, einen n-Kanal JFET oder einen n-Kanal MESFET handeln kann. Dabei kann auch die Art der Rückkopplung zu dem Operationsverstärker von dem Transistortyp abhängen.

Erfindungsgemäß kann die Verstärkerschaltung eine Vorrichtung umfassen, welche derart ausgestaltet ist, dass sie automatisch das Steuersignal auf den ersten Pegel setzt, wenn das Eingangspotenzial näher an der ersten Versorgungsspannung als an der zweiten Versorgungsspannung liegt, und sonst auf den zweiten Pegel setzt. Dabei kann die zweite Versorgungsspannung gleich Masse sein.

Erfindungsgemäß ist die Verstärkerschaltung derart ausgelegt, dass sie mittels einer ersten Konstellation eine Spannungsdifferenz zwischen einer ersten Versorgungsspannung und dem Eingangspotenzial, welches in diesem Fall in der Regel dicht unterhalb der ersten Versorgungsspannung liegt, verstärkt, und dass sie mittels einer zweiten Konstellation eine Spannungsdifferenz zwischen dem Eingangspotenzial und vorzugsweise Masse, wobei das Eingangspotenzial in diesem Fall in der Regel dicht oberhalb von Masse liegt, verstärkt. Indem die Umschaltung zwischen den beiden Konstellationen automatisch durch eine Messung erfolgt, ob das Eingangspotenzial näher an der ersten Versorgungsspannung oder an der zweiten Versorgungsspannung, insbesondere Masse, liegt, ist eine Bedienung der Verstärkerschaltung vereinfacht.

Außerdem kann die Verstärkerschaltung eine Vorrichtung umfassen, welche eine automatische Offset-Korrektur an dem Operationsverstärker und/oder der Eingangsstufe vornimmt.

Durch eine automatische Offset-Korrektur ist der Operationsverstärker und/oder die Eingangsstufe und damit die Verstärkerschaltung in der Lage, auch sehr kleine Spannungsdifferenzen zu erfassen und damit zu verstärken. Bezüglich der Techniken zur automatischen Offset-Korrektur an einem Operationsverstärker sei auf "Circuit Techniques for Reducing the Effects of Op-Amp Imperfections: Autozeroing, Correlated Double Sampling, and Chopper Stabilization", von C. Enz und G. Temes, Proc. of the IEEE, Vol. 84, No. 11, Nov. 1996, Seiten 1584–1614 verwiesen.

Des Weiteren kann die Eingangsstufe eine erste Vorstufe und eine zweite Vorstufe umfassen. Dabei ist die erste Vorstufe vorzugsweise derart ausgestaltet, dass sie an ihren beiden Eingängen anliegende Spannungen derart absenkt und auf ihre beiden Ausgänge gibt, dass diese Spannungen in einem zulässigen Eingangsspannungsbereich des Operationsverstärkers liegen. Ähnlich ist die zweite Vorstufe vorzugsweise derart ausgestaltet, dass sie an ihren beiden Eingängen anliegende Spannungen derart anhebt, dass die Spannungen in dem zulässigen Eingangsspannungsbereich des Operationsverstärkers liegen.

Indem die Eingangsstufe mit Hilfe der ersten und zweiten Vorstufe die anliegenden Spannungen entsprechend absenkt bzw. anhebt, bevor diese Spannungen die Eingänge des Operationsverstärkers, mit denen die entsprechenden Ausgänge der Vorstufen verbunden sind, erreichen, kann der Operationsverstärker optimal arbeiten, da vorteilhafter Weise gewährleistet ist, dass die an den Eingängen des Operationsverstärkers anliegenden Spannungen in dem zulässigen Eingangsspannungsbereich des Operationsverstärkers liegen.

Die vorliegende Erfindung eignet sich vorzugsweise, um eine Spannung an einem Widerstand in Serie zu einer Fotodiode zu erfassen und zu verstärken. Selbstverständlich ist die Erfindung jedoch nicht auf diesen bevorzugten Anwendungsbereich beschränkt.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend näher unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand von vier bevorzugten Ausführungsformen erläutert.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Verstärkerschaltung mit einem PMOS-Transistor, bei der die Ausgangspannung zu Masse hin abgegriffen werden kann.

2 zeigt eine erfindungsgemäße Verstärkerschaltung mit einem NMOS-Transistor, bei der die Ausgangspannung zu Masse hin abgegriffen werden kann.

3 zeigt eine erfindungsgemäße Verstärkerschaltung mit einem PMOS-Transistor, bei der die Ausgangspannung von einer Versorgungsspannung her abgegriffen werden kann.

4 zeigt eine erfindungsgemäße Verstärkerschaltung mit einem NMOS-Transistor, bei der die Ausgangspannung von einer Versorgungsspannung her abgegriffen werden kann.

Die in 1 dargestellte Verstärkerschaltung 20 gemäß einer ersten Ausführungsform umfasst einen Operationsverstärker 10, eine erste Vorstufe 18 und eine zweite Vorstufe 19 einer Eingangsstufe, einen PMOS-Transistor sowie einen ersten R1, zweiten R2 und dritten R3 Widerstand.

Die Verstärkerschaltung 20 ist derart ausgestaltet, dass sie sowohl eine Spannungsdifferenz 1a zwischen einer Versorgungsspannung 3 und einem Eingangspotenzial, welches an einer Eingangssignalleitung 1 anliegt, oder eine Spannungsdifferenz 1b zwischen dem Eingangspotenzial und Masse 4 verstärkt. Wenn eine Spannungsdifferenz 1a zwischen der Versorgungsspannung 3 und dem Eingangspotenzial verstärkt werden soll, wird die Verstärkerschaltung 20 in eine erste Konstellation versetzt, indem ein Steuersignal 2 auf einen ersten Pegel gesetzt wird, wodurch die erste Vorstufe 18 angeschaltet und die zweite Vorstufe 19 abgeschaltet wird. Ähnlich wird die Verstärkerschaltung 20 in eine zweite Konstellation versetzt, wenn eine Spannungsdifferenz 1b zwischen dem Eingangspotenzial und Masse 4 verstärkt werden soll, indem das Steuersignal 2 auf einen zweiten Pegel gesetzt wird, wodurch die zweite Vorstufe 19 angeschaltet und die erste Vorstufe 18 abgeschaltet wird.

Nun zum genauen Aufbau der Verstärkerschaltung 20. Der Gateanschluss des PMOS-Transistors 14 ist mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 10 verbunden. Ein erster Anschluss des ersten Widerstands R1 ist ebenfalls mit der Versorgungsspannung 3 verbunden. Ein zweiter Anschluss des ersten Widerstands R1 ist über einen ersten Verbindungspunkt 5 mit dem Sourceanschluss des PMOS-Transistors 14 verbunden, wobei dieser erste Verbindungspunkt 5 auch mit dem negativen Eingang der ersten Vorstufe 18 verbunden ist. Der Drainanschluss des PMOS-Transistors 14 ist über eine Signalleitung mit einem ersten Anschluss des zweiten Widerstands R2 verbunden, wobei zwischen dieser Signalleitung und Masse 4 eine Ausgangsspannungsdifferenz 7b abgreifbar ist. Ein zweiter Anschluss des zweiten Widerstands R2 ist über einen zweiten Verbindungspunkt 6 mit einem ersten Anschluss des dritten Widerstands R3 verbunden, wobei dieser zweite Verbindungspunkt 6 auch mit dem positiven Eingang der zweiten Vorstufe 19 verbunden ist. Ein zweiter Anschluss des dritten Widerstands R3 ist mit Masse 4, verbunden. Die Eingangssignalleitung 1 ist sowohl mit dem positiven Eingang der ersten Vorstufe 18 als auch mit dem negativen Eingang der zweiten Vorstufe 19 verbunden. Sowohl ein negativer Ausgang der ersten Vorstufe 18 als auch ein negativer Ausgang der zweiten Vorstufe 19 ist mit dem negativen Eingang des Operationsverstärkers 10 verbunden. Genauso ist ein positiver Ausgang der ersten Vorstufe 18 wie auch ein positiver Ausgang der zweiten Vorstufe 19 mit dem positiven Eingang des Operationsverstärkers 10 verbunden.

Nun zur Funktionsweise der in 1 dargestellten Verstärkerschaltung, wobei zuerst die erste Konstellation erläutert wird, d.h. die Verstärkerschaltung 20 verstärkt eine Spannungsdifferenz 1a zwischen der Versorgungsspannung 3 und dem Eingangspotenzial, welches an der Eingangssignalleitung 1 anliegt. Auf Grund der hohen Verstärkung des Operationsverstärkers 10 kann die Spannung zwischen seinen Eingängen mit annähernd Null angenommen werden. Für den Fall dass die erste Vorstufe 18 eingeschaltet ist, kann dadurch auch die Spannung zwischen ihren beiden Eingängen mit annähernd Null angenommen werden. Dadurch liegt die Spannungsdifferenz 1a über dem ersten Widerstand R1 an und erzeugt dort einen Strom durch diesen Widerstand. Da die Ströme in den negativen Eingang der ersten Vorstufe 18 bzw. in den positiven Eingang der zweiten Vorstufe 19 sowie der Gatestrom bei dem PMOS-Transistor 14 vernachlässigt werden können, fließt dieser Strom auch durch den zweiten R2 und dritten R3 Widerstand und erzeugt dadurch die Ausgangsspannungsdifferenz 7b. Damit lässt sich ein Verstärkungsfaktor der Verstärkerschaltung 20 bei dieser Konstellation durch ein Widerstandsverhältnis (R2 + R3)/R1 angeben. Die zweite Vorstufe 19 und die an ihren Eingängen anliegenden Signalwerte haben bei dieser Konstellation keine Auswirkung auf die Ausgangsspannungsdifferenz 7b.

Im Folgenden wird nun die Funktionsweise der Verstärkerschaltung 20 bzgl. der zweiten Konstellation erläutert, d. h. die Verstärkerschaltung 20 verstärkt eine Spannungsdifferenz 1b zwischen dem Eingangspotenzial, welches an der Eingangssignalleitung 1 anliegt, und Masse 4, wobei die zweite Vorstufe 19 angeschaltet und die erste Vorstufe 18 abgeschaltet ist. Aus denselben Gründen, wie oben dargestellt, kann die Spannung zwischen den Eingängen der zweiten Vorstufe 19 mit annähernd Null angenommen werden. Damit liegt die Spannungsdifferenz 1b über dem dritten Widerstand R3 an und erzeugt durch diesen Widerstand R3 einen Strom. Aus denselben Gründen, wie oben dargestellt, kann angenommen werden, dass dieser Strom auch durch den zweiten R2 Widerstand fließt, wobei die Ausgangsspannungsdifferenz über dem zweiten R2 und dritten R3 Widerstand abgreifbar ist. Damit kann der Verstärkungsfaktor der Verstärkerschaltung 20 bei dieser Konstellation durch ein Widerstandsverhältnis (R2 + R3)/R3 angegeben werden. Die erste Vorstufe 18 und die an ihren Eingängen anliegenden Signalwerte bzw. Spannungen haben bei dieser Konstellation keine Auswirkung auf die Ausgangsspannungsdifferenz 7b.

Im Folgenden soll aufgezeigt werden, warum die gewählte Art der Rückkopplung vorteilhaft für die Stabilität der Verstärkerschaltung ist. Dabei sei angenommen, dass sich die Verstärkerschaltung 20 in der ersten Konstellation befindet und das Eingangspotenzial an der Eingangssignalleitung 1 ansteigt/abfällt. Dadurch steigt/fällt auch das Potenzial am Gateanschluss des PMOS-Transistors an/ab, wodurch weniger/mehr Strom durch den PMOS-Transistor 14 fließt. Dadurch fließt auch weniger/mehr Strom durch den ersten Widerstand R1, weshalb über dem ersten Widerstand R1 eine geringere/höhere Spannung abfällt, wodurch das Potenzial an dem negativen Eingang der ersten Vorstufe 18 ansteigt/abfällt. Dadurch wird eine durch den Anstieg/Abfall des Eingangspotenzials verursachte Spannungsdifferenz zwischen den Eingängen der ersten Vorstufe 18 ausgeglichen. D. h. die Verstärkerschaltung 20 verhält sich sowohl gegenüber einem Anstieg als auch Abfall des Eingangspotenzials stabil.

Nun sei angenommen, dass sich die Verstärkerschaltung 20 in der zweiten Konstellation befindet und das Eingangspotenzial an der Eingangssignalleitung 1 ansteigt/abfällt. Dadurch fällt/steigt das Potenzial am Gateanschluss des PMOS-Transistors ab/an, wodurch mehr/weniger Strom durch den Transistor 14 fließt. Dadurch fließt auch mehr/weniger Strom durch den dritten Widerstand R3, weshalb über dem dritten Widerstand R3 eine höhere/geringere Spannung abfällt, wodurch das Potenzial an dem positiven Eingang der zweiten Vorstufe 19 ansteigt/abfällt. Dadurch wird eine durch den Anstieg/Abfall des Eingangspotenzials verursachte Spannungsdifferenz zwischen den Eingängen der zweiten Vorstufe 19 ausgeglichen. D. h. die Verstärkerschaltung 20 verhält sich auch bei der zweiten Konstellation sowohl gegenüber einem Anstieg als auch einem Abfall des Eingangspotenzials stabil.

In 2 ist eine zweite Ausführungsform dargestellt. Aus Vereinfachungsgründen werden nur Differenzen zur ersten Ausführungsform im Folgenden erläutert. An Stelle des PMOS-Transistors 14 wird bei der zweiten Ausführungsform ein NMOS-Transistor 15 eingesetzt. Da sich der NMOS-Transistor 15 bzgl. einer Potenzialänderung an seinem Gateanschluss genau invers zu dem PMOS-Transistor 14 verhält, muss auch die Rückkopplung invertiert sein. Deshalb wird der erste Verbindungspunkt 5 mit dem positiven Eingang der ersten Vorstufe 18 und der zweite Verbindungspunkt 6 mit dem negativen Eingang der zweiten Vorstufe 19 verbunden. Daher kann die Eingangssignalleitung 1 nur noch mit dem negativen Eingang der ersten Vorstufe 18 und dem positiven Eingang der zweiten Vorstufe 19 verbunden sein. Der sonstige Aufbau der zweiten Ausführungsform entspricht der ersten Ausführungsform.

Da die Funktionsweise der zweiten Ausführungsform der Verstärkerschaltung 20 bzgl. der Verstärkung der Funktionsweise der ersten Ausführungsform entspricht, wobei auch die Verstärkungsfaktoren für beide Konstellationen durch dieselben Widerstandsverhältnisse beschrieben werden, wird bzgl. der Funktionsweise der zweiten Ausführungsform auf die Beschreibung der ersten Ausführungsform verwiesen.

Da sich die Art der Rückkopplung der zweiten Ausführungsform von der ersten Ausführungsform unterscheidet, soll im Folgenden gezeigt werden, wie sich die zweite Ausführungsform bei einem Anstieg bzw. Abfall des Eingangspotenzials verhält. Dazu sei angenommen, dass sich die Verstärkerschaltung 20 in der ersten Konstellation befindet, was bedeutet, dass die erste Vorstufe 18 eingeschaltet und die zweite Vorstufe 19 abgeschaltet ist. Des Weiteren sei angenommen, dass das Eingangspotenzial an der Eingangssignalleitung 1 ansteigt/abfällt. Dadurch fällt/steigt auch das Potenzial am Gateanschluss des NMOS-Transistors 15 ab/an, wodurch weniger/mehr Strom durch den NMOS-Transistor 15 fließt. Dadurch fließt auch weniger/mehr Strom durch den ersten Widerstand R1, weshalb über dem ersten Widerstand R1 eine geringere/höhere Spannung abfällt, wodurch das Potenzial an dem positiven Eingang der ersten Vorstufe 18 ansteigt/abfällt. Dadurch wird eine durch den Anstieg/Abfall des Eingangspotenzials verursachte Spannungsdifferenz zwischen den Eingängen der ersten Vorstufe 18 ausgeglichen, was bedeutet, dass sich die Verstärkerschaltung 20 stabil verhält. Ähnlich stabil verhält sich die Verstärkerschaltung bzgl. eines Anstiegs/Abfalls des Eingangspotenzials offensichtlich auch in der zweiten Konstellation, weshalb hier darauf nicht näher eingegangen wird.

In 3 ist eine dritte Ausführungsform dargestellt. Aus Vereinfachungsgründen werden nur Differenzen zur ersten Ausführungsform im Folgenden erläutert. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform ist der Spannungsteiler an der Versorgungsspannung 3 angeschlossen ist. Des Weiteren wird der Spannungsteiler bei der zweiten Ausführungsform durch den ersten R1 und zweiten R2 Widerstand gebildet, weshalb der erste Widerstand R1 über den ersten Verbindungspunkt 5' mit dem zweiten Widerstand R2 und der zweite Widerstand R2 zusätzlich noch mit dem Sourceanschluss des PMOS-Transistors 14 verbunden ist. Des Weiteren liegt die Ausgangsspannungsdifferenz 7b zwischen der Versorgungsspannung 3 und dem Sourceanschluss 7' des Transistors 14 an. Außerdem ist der Drainanschluss des Transistors 14 über den zweiten Verbindungspunkt 6' mit dem ersten Anschluss des dritten Widerstand R3 verbunden, wobei der zweite Anschluss des dritten Widerstand R3 mit Masse 4 verbunden ist.

Auf Grund ähnlicher Überlegungen wie bei der ersten und zweiten Ausführungsform wird der Verstärkungsfaktor der Verstärkerschaltung 20 bei der dritten Ausführungsform für den Fall der ersten Konstellation, d.h. die Verstärkerschaltung 20 verstärkt eine Spannungsdifferenz 1a zwischen der Versorgungsspannung 3 und dem Eingangspotenzial, durch das Widerstandsverhältnis (R1 + R2)/R1 gebildet. Dagegen wird für den Fall der zweiten Konstellation, d.h. eine Spannungsdifferenz 1b zwischen dem Eingangspotenzial und Masse 4 wird verstärkt, der Verstärkungsfaktor durch das Widerstandsverhältnis (R1 + R2)/R3 gebildet. Bezüglich der Stabilität gelten dieselben Überlegungen wie bei der ersten Ausführungsform.

In 4 ist eine vierte Ausführungsform dargestellt. Aus Vereinfachungsgründen werden nur Differenzen zur dritten Ausführungsform im Folgenden erläutert. Im Unterschied zur dritten Ausführungsform wird bei der vierten Ausführungsform der NMOS-Transistor 15 an Stelle des PMOS-Transistors 14 eingesetzt. Aus Gründen, welche bereits bei den Erläuterungen zur zweiten Ausführungsform dargelegten wurden, wird deshalb der erste Verbindungspunkt 5' mit dem positiven Eingang der ersten Vorstufe 18 und der zweite Verbindungspunkt 6' mit dem negativen Eingang der zweiten Vorstufe 19 verbunden. Deshalb kann die Eingangssignalleitung 1 nur noch mit dem negativen Eingang der ersten Vorstufe 18 und dem positiven Eingang der zweiten Vorstufe 19 verbunden sein.

Bzgl. der Funktionsweise der vierten Ausführungsform die Verstärkung betreffend wird auf die Beschreibung der dritten Ausführungsform verwiesen. Bzgl. der Stabilitätsüberlegungen der vierten Ausführungsform wird auf die Beschreibung der zweiten Ausführungsform verwiesen.

Anders als die vorhergehenden drei Ausführungsformen umfasst die Verstärkerschaltung 20 der vierten Ausführungsform zum einen eine Vorrichtung 21 zur automatischen Einstellung des Steuersignals 2 und eine Offsetkorrekturvorrichtung 22, wobei selbstverständlich auch die anderen Ausführungsformen die Vorrichtungen 21 und 22 aufweisen können.

Dabei vergleicht die Vorrichtung 21 zur automatischen Einstellung des Steuersignals 2 die Spannungsdifferenz 1a zwischen der Versorgungsspannung 3 und dem Eingangspotenzial mit der Spannungsdifferenz 1b zwischen dem Eingangspotenzial und Masse 4. Wenn die Spannungsdifferenz 1a zwischen der Versorgungsspannung 3 und dem Eingangspotenzial kleiner als die Spannungsdifferenz 1b zwischen dem Eingangspotenzial und Masse 4 ist, setzt die Vorrichtung 21 zur automatischen Einstellung des Steuersignals 2 das Steuersignal auf den ersten Pegel und sonst auf den zweiten Pegel. Dadurch wird die Verstärkerschaltung 20 für den Fall, dass die Spannungsdifferenz 1a zwischen der Versorgungsspannung 3 und dem Eingangspotenzial 1 kleiner als die Spannungsdifferenz 1b zwischen dem Eingangspotenzial und Masse 4 ist, automatisch in die erste Konstellation versetzt, wobei die erste Eingangsstufe 18 eingeschaltet und die zweite Eingangsstufe 19 abgeschaltet ist. Dagegen wird die Verstärkerschaltung 20 für den Fall, dass die Spannungsdifferenz 1b zwischen dem Eingangspotenzial und Masse 4 kleiner als die Spannungsdifferenz 1a zwischen der Versorgungsspannung 3 und dem Eingangspotenzial ist, automatisch in die zweite Konstellation versetzt, wobei die zweite Eingangsstufe 19 eingeschaltet und die erste Eingangsstufe 18 abgeschaltet ist.

Mit Hilfe der Offsetkorrekturvorrichtung 22 wird ein Offset des Operationsverstärkers 10 ausgeglichen. Dadurch ist der Operationsverstärker 10 und damit die Verstärkerschaltung 20 in der Lage auch sehr kleine Spannungen zu erfassen und zu verstärken.


Anspruch[de]
  1. Verstärkerschaltung,

    welche eine Spannungsdifferenz (1a; 1b) zwischen einer ersten Versorgungsspannung (3) und einem Eingangspotenzial oder dem Eingangspotenzial und einer zweiten Versorgungsspannung (4) in eine Ausgangsspannungsdifferenz (7a; 7b) zwischen einem Ausgangspotenzial und einer dritten Versorgungsspannung (4; 3) verstärkt,

    wobei die Verstärkerschaltung (20) eine Eingangsstufe (18, 19), einen Operationsverstärker (10), einen Spannungsteiler (R2, R3; R1, R2), eine Impedanz (R1; R3) und einen Transistor (14; 15) umfasst,

    wobei der Spannungsteiler (R2, R3; R1, R2) zwischen einem ersten Anschluss (7; 7') des Transistors (14; 15) und der dritten Versorgungsspannung (4; 3) angeordnet ist,

    wobei ein zweiter Anschluss (5; 6') des Transistors (14; 15) über die Impedanz (R1; R3) mit einer vierten Versorgungsspannung (3; 4) verbunden ist,

    wobei ein Ausgang des Operationsverstärkers (10) mit einem Steueranschluss des Transistors (14; 15) verbunden ist,

    wobei zu der Eingangsstufe (18, 19) der zweite Anschluss (5; 6') des Transistors (14; 15) und ein Verbindungspunkt (6; 5') innerhalb des Spannungsteilers (R2, R3; R1, R2) zurückgekoppelt ist sowie das Eingangspotenzial und ein Steuersignal (2) zuführbar ist, und

    wobei die Eingangsstufe (18, 19) derart ausgestaltet ist, dass, wenn das Steuersignal (2) einen ersten Pegel aufweist, eine Spannungsdifferenz aus einem Potenzial des zweiten Anschlusses (5; 6') des Transistors (14; 15) und dem Eingangspotenzial an den Operationsverstärker (10) weitergeleitet wird, und dass, wenn das Steuersignal (2) einen zweiten Pegel aufweist, eine Spannungsdifferenz aus einem Potenzial des Verbindungspunktes (6; 5') innerhalb des Spannungsteilers (R2, R3; R1, R2) und dem Eingangspotenzial an den Operationsverstärker (10) weitergeleitet wird.
  2. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

    dass der Transistor (14) von einem Typ ist, bei dem eine Anhebung eines Potenzials am Steuereingang zu einer Verringerung des Stroms zwischen dem ersten Anschluss (7) und dem zweiten Anschluss (5) des Transistors (14) führt, dass der Spannungsteiler (R2, R3) eine Reihenschaltung einer ersten weiteren Impedanz (R2) und einer zweiten weiteren Impedanz (R3) umfasst,

    dass der Anschluss (6) innerhalb des Spannungsteilers (R2, R3) einem Verbindungspunkt zwischen der ersten weiteren Impedanz (R2) und der zweiten weiteren Impedanz (R3) entspricht,

    dass die Eingangsstufe (18, 19) derart ausgestaltet ist, dass, wenn das Steuersignal (2) den ersten Pegel aufweist, das Eingangspotenzial einem positiven Eingang des Operationsverstärkers (10) zuführbar ist und ein negativer Eingang des Operationsverstärkers (10) mit dem zweiten Anschluss (5) des Transistors (14) verbunden ist, und dass, wenn das Steuersignal (2) den zweiten Pegel aufweist, das Eingangspotenzial dem negativen Eingang des Operationsverstärkers (10) zuführbar ist und der positive Eingang des Operationsverstärkers (10) mit dem Verbindungspunkt (6) innerhalb des Spannungsteilers (R2, R3) verbunden ist,

    dass eine Spannungsdifferenz zwischen der ersten Versorgungsspannung (3) und der zweiten Versorgungsspannung (4) positiv ist,

    dass eine Spannungsdifferenz zwischen der vierten Versorgungsspannung (3) und der dritten Versorgungsspannung (4) positiv ist,

    dass eine Spannungsdifferenz zwischen der ersten Versorgungsspannung (3) und der dritten Versorgungsspannung (4) positiv ist,

    dass eine Spannungsdifferenz zwischen der vierten Versorgungsspannung (3) und der zweiten Versorgungsspannung (4) positiv ist,

    dass die Ausgangsspannungsdifferenz (7b) zwischen dem ersten Anschluss (7) des Transistors (14) und der dritten Versorgungsspannung (4) abgreifbar ist.
  3. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

    dass der Transistor (15) von einem Typ ist, bei dem eine Anhebung eines Potenzials am Steuereingang zu einer Vergrößerung des Stroms zwischen dem ersten Anschluss (7) und dem zweiten Anschluss (5) des Transistors (14) führt, dass der Spannungsteiler (R2, R3) eine Reihenschaltung einer ersten weiteren Impedanz (R2) und einer zweiten weiteren Impedanz (R3) umfasst,

    dass der Anschluss (6) innerhalb des Spannungsteilers (R2, R3) einem Verbindungspunkt zwischen der ersten weiteren Impedanz (R2) und der zweiten weiteren Impedanz (R3) entspricht,

    dass die Eingangsstufe (18, 19) derart ausgestaltet ist, dass, wenn das Steuersignal (2) den ersten Pegel aufweist, das Eingangspotenzial einem negativen Eingang des Operationsverstärkers (10) zuführbar ist und ein positiver Eingang des Operationsverstärkers (10) mit dem zweiten Anschluss (5) des Transistors (15) verbunden ist, und dass, wenn das Steuersignal (2) den zweiten Pegel aufweist, das Eingangspotenzial dem positiven Eingang des Operationsverstärkers (10) zuführbar ist und der negative Eingang des Operationsverstärkers (10) mit dem Verbindungspunkt (6) innerhalb des Spannungsteilers (R2, R3) verbunden ist,

    dass eine Spannungsdifferenz zwischen der ersten Versorgungsspannung (3) und der zweiten Versorgungsspannung (4) positiv ist,

    dass eine Spannungsdifferenz zwischen der vierten Versorgungsspannung (3) und der dritten Versorgungsspannung (4) positiv ist,

    dass eine Spannungsdifferenz zwischen der ersten Versorgungsspannung (3) und der dritten Versorgungsspannung (4) positiv ist,

    dass eine Spannungsdifferenz zwischen der vierten Versorgungsspannung (3) und der zweiten Versorgungsspannung (4) positiv ist,

    dass die Ausgangsspannungsdifferenz (7b) zwischen dem ersten Anschluss (7) des Transistors (15) und der dritten Versorgungsspannung (4) abgreifbar ist.
  4. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

    dass der Transistor (14) von einem Typ ist, bei dem eine Anhebung eines Potenzials am Steuereingang zu einer Verringerung des Stroms zwischen dem ersten Anschluss (7') und dem zweiten Anschluss (6') des Transistors (14) führt, dass der Spannungsteiler (R1, R2) eine Reihenschaltung einer ersten weiteren Impedanz (R1) und einer zweiten weiteren Impedanz (R2) umfasst,

    dass der Anschluss (5') innerhalb des Spannungsteilers (R1, R2) einem Verbindungspunkt zwischen der ersten weiteren Impedanz (R1) und der zweiten weiteren Impedanz (R2) entspricht,

    dass die Eingangsstufe (18, 19) derart ausgestaltet ist, dass, wenn das Steuersignal (2) den ersten Pegel aufweist, das Eingangspotenzial einem positiven Eingang des Operationsverstärkers (10) zuführbar ist und ein negativer Eingang des Operationsverstärkers (10) mit dem Verbindungspunkt (5') innerhalb des Spannungsteilers (R1, R2) verbunden ist, und dass, wenn das Steuersignal (2) den zweiten Pegel aufweist, das Eingangspotenzial dem negativen Eingang des Operationsverstärkers (10) zuführbar ist und der positive Eingang des Operationsverstärkers (10) mit dem zweiten Anschluss (6') des Transistors (14) verbunden ist,

    dass eine Spannungsdifferenz zwischen der ersten Versorgungsspannung (3) und der zweiten Versorgungsspannung (4) positiv ist,

    dass eine Spannungsdifferenz zwischen der dritten Versorgungsspannung (3) und der vierten Versorgungsspannung (4) positiv ist,

    dass eine Spannungsdifferenz zwischen der ersten Versorgungsspannung (3) und der vierten Versorgungsspannung (4) positiv ist,

    dass eine Spannungsdifferenz zwischen der dritten Versorgungsspannung (3) und der zweiten Versorgungsspannung (4) positiv ist,

    dass die Ausgangsspannungsdifferenz (7a) zwischen der dritten Versorgungsspannung (3) und dem ersten Anschluss (7') des Transistors (14) abgreifbar ist.
  5. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

    dass der Transistor (15) von einem Typ ist, bei dem eine Anhebung eines Potenzials am Steuereingang zu einer Vergrößerung des Stroms zwischen dem ersten Anschluss (7') und dem zweiten Anschluss (6') des Transistors (14) führt, dass der Spannungsteiler (R1, R2) eine Reihenschaltung einer ersten weiteren Impedanz (R1) und einer zweiten weiteren Impedanz (R2) umfasst,

    dass der Anschluss (5') innerhalb des Spannungsteilers (R1, R2) einem Verbindungspunkt zwischen der ersten weiteren Impedanz (R1) und der zweiten weiteren Impedanz (R2) entspricht,

    dass die Eingangsstufe (18, 19) derart ausgestaltet ist, dass, wenn das Steuersignal (2) den ersten Pegel aufweist, das Eingangspotenzial einem negativen Eingang des Operationsverstärkers (10) zuführbar ist und ein positiver Eingang des Operationsverstärkers (10) mit dem Verbindungspunkt (5') innerhalb des Spannungsteilers (R1, R2) verbunden ist, und dass, wenn das Steuersignal (2) den zweiten Pegel aufweist, das Eingangspotenzial dem positiven Eingang des Operationsverstärkers (10) zuführbar ist und der negative Eingang des Operationsverstärkers (10) mit dem zweiten Anschluss (6') des Transistors (15) verbunden ist,

    dass eine Spannungsdifferenz zwischen der ersten Versorgungsspannung (3) und der zweiten Versorgungsspannung (4) positiv ist,

    dass eine Spannungsdifferenz zwischen der dritten Versorgungsspannung (3) und der vierten Versorgungsspannung (4) positiv ist,

    dass eine Spannungsdifferenz zwischen der ersten Versorgungsspannung (3) und der vierten Versorgungsspannung (4) positiv ist,

    dass eine Spannungsdifferenz zwischen der dritten Versorgungsspannung (3) und der zweiten Versorgungsspannung (4) positiv ist,

    dass die Ausgangsspannungsdifferenz (7a) zwischen der dritten Versorgungsspannung (3) und dem ersten Anschluss (7') des Transistors (14) abgreifbar ist.
  6. Verstärkerschaltung nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Versorgungsspannung (3) gleich der vierten Versorgungsspannung (3) und/oder die zweite Versorgungsspannung (4) gleich der dritten Versorgungsspannung (4) ist.
  7. Verstärkerschaltung nach einem der Ansprüche 1–3 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Versorgungsspannung gleich Masse (4) ist und/oder die dritte Versorgungsspannung gleich Masse (4) ist.
  8. Verstärkerschaltung nach einem der Ansprüche 1, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Versorgungsspannung (3) gleich der dritten Versorgungsspannung (3) und/oder die zweite Versorgungsspannung (4) gleich der vierten Versorgungsspannung (4) ist.
  9. Verstärkerschaltung nach einem der Ansprüche 1, 4, 5 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Versorgungsspannung gleich Masse (4) ist und/oder die vierte Versorgungsspannung gleich Masse (4) ist.
  10. Verstärkerschaltung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Transistor (14) ein PMOS-Transistor, ein PNP-Bipolar-Transistor, ein p-Kanal JFET oder ein p-Kanal MESFET ist.
  11. Verstärkerschaltung nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Transistor (15) ein NMOS-Transistor, ein NPN-Bipolar-Transistor oder n-Kanal JFET oder ein n-Kanal MESFET ist.
  12. Verstärkerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkerschaltung (20) eine Vorrichtung (21) umfasst, welche derart ausgestaltet ist, dass sie automatisch das Steuersignal (2) auf den ersten Pegel setzt, wenn sie erfasst, dass das Eingangspotenzial näher an der ersten Versorgungsspannung (3) als an der zweiten Versorgungsspannung (4) liegt, und sonst auf den zweiten Pegel setzt.
  13. Verstärkerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkerschaltung (20) eine Offsetkorrekturvorrichtung (22) umfasst, welche derart ausgestaltet ist, dass sie eine automatische Offset-Korrektur an dem Operationsverstärkers (10) und/oder der Eingangsstufe (18, 19) vornimmt.
  14. Verstärkerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

    dass die Eingangsstufe eine erste Vorstufe (18) und eine zweite Vorstufe (19) umfasst,

    dass die erste Vorstufe (18) derart ausgestaltet ist, dass sie an ihren beiden Eingängen anliegende Spannungen derart absenkt und auf ihre beiden Ausgänge gibt, dass die Spannungen in einem zulässigen Eingangsspannungsbereich des Operationsverstärkers (10) liegen, und

    dass die zweite Vorstufe (19) derart ausgestaltet ist, dass sie an ihren beiden Eingängen anliegende Spannungen derart anhebt und auf ihre beiden Ausgänge gibt, dass die Spannungen in dem zulässigen Eingangsspannungsbereich des Operationsverstärkers (10) liegen,

    wobei sowohl die beiden Ausgänge der ersten Vorstufe (18) als auch die beiden Ausgänge der zweiten Vorstufe (19) mit den entsprechenden Eingängen des Operationsverstärkers (10) verbunden sind.
  15. Verstärkerschaltung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Eingang jeder Vorstufe (18; 19) auf dem Eingangspotenzial liegt und der jeweils andere Eingang entweder mit dem Verbindungspunkt (5'; 6) innerhalb des Spannungsteilers (R2, R3; R1, R2) oder mit dem zweiten Anschluss (5; 6') des Transistors (14; 15) verbunden ist.
  16. Verstärkerschaltung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass beide Vorstufen (18, 19) jeweils mit dem Steuersignal (2) verbunden sind und derart ausgestaltet sind, dass die erste Vorstufe (18) angeschaltet und die zweite Vorstufe (19) abgeschaltet ist, wenn das Steuersignal (2) den ersten Pegel aufweist, und dass die zweite Vorstufe (19) angeschaltet und die erste Vorstufe (18) abgeschaltet ist, wenn das Steuersignal (2) den zweiten Pegel aufweist.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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