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PATENTANSPRÜCHE
1. Operationsverstärker mit Offsetspannungs-Kompensa tion mit Hilfe einer zwischen den invertierenden und den nichtinvertierenden Eingang geschalteten Regelschaltung, dadurch gekennzeichnet, dass a) ein Wechselspannungsverstärker (11) vorgesehen ist, dessen Eingang über einen ersten Schalter (Sl) abwechselnd an den invertierenden Eingang () des Operationsverstärkers (3) oder an eine Bezugsspannung (Uref) anschliessbar ist und dass b) der Ausgang des Wechselspannungsverstärkers (11) über einen ersten Kondensator (C1) und einen zweiten gleichrichtenden, mit dem ersten Schalter (Sl) synchron schaltbaren Schalter (S2) an einen zweiten Kondensator (C2) und an den nichtinvertierenden Eingang (+) des Operationsverstärkers (3;
; einerseits oder an die Bezugs spannung (Uref) anschliessbar ist.
2. Operationsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er in integrierter MOS-Technik ausgeführt ist.
3. Operationsverstärker nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt des Verhältnisses cl
1 C1 + der Kapazitäten der Kondensatoren C, und C2 mit dem Verstärkungsfaktor A des Wechselspannungsverstärkers (11) kleiner als 2 ist.
4. Operationsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Schalter (Ss, S2) Umschalter sind, dass b) ein erster Schaltkontakt des ersten Schalters (S,) mit dem invertierenden Eingang () des Operationsverstärkers (3) und ein zweiter Schaltkontakt mit der Bezugsspannung (Uref) verbunden ist und der Schaltarm des ersten Schalters (S1) mit dem Eingang des Wechselspannungsverstärkers (11) verbun- den ist und dass c) der Schaltarm des zweiten Schalters (S2) mit dem ersten Kondensator (C1) verbunden ist,
dass ein erster Schaltkontakt des zweiten Schalters (S2) mit dem Verbindungspunkt des zweiten Kondensators (C2) mit dem nichtinvertierenden Eingang (+) des Operationsverstärkers und der zweite Schaltkontakt mit der Bezugsspannung (Uref) verbunden sind.
5. Operationsverstärker nach Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Kondensator Cl und den Schaltarm des zweiten Schalters (S2) ein Widerstand (17) geschaltet ist.
6. Operationsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingang des Wechselspannungsverstärkers (11) über einen Widerstand (18) an den invertierenden Ein gang (-) des Operationsverstärkers (3) angeschlossen und über einen Ein-/Ausschalter (Sl) an das Bezugspotential (Uref) anschliessbar ist.
7. Operationsverstärker nach Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (Sl, S2) Gleichtaktschalter und der Wechselspannungsverstärker (11) invertierend ist.
8. Operationsverstärker nach Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (Sl, S2) Gegentaktschalter und der Wechselspannungsverstärker (11) nichtinvertierend ist.
9. Operationsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (S1, S2) voneinander verschiedene Schaltzeiten besitzen.
Die Erfindung bezieht sich auf einen Operationsverstärker mit kompensierter Offsetspannung nach dem Oberbegriff des
Patentanspruches 1.
Integrierte Operationsverstärker sind vielseitig verwend bare Differenzverstärker, die durch ihren Aufbau auf einer einzigen Siliziumscheibe eine gleichbleibende, enge thermische Kopplung der Schaltelemente aufweisen. Sie besitzen je einen invertierenden und einen nichtinvertierenden Eingang und Ausgang und weisen einen hohen Eingangswiderstand und eine hohe Verstärkung auf. Sie haben jedoch den Nachteil, dass sie nicht als ideale Differenzverstärker wirken, bei welchen bei gleichen Eingangsspannungen die Grösse der Ausgangsspannung Null ist. Um die ideale Ausgangsspannung Null zu erreichen, muss daher einem der Eingänge eine gewisse, Offsetspannung genannte kompensierende Spannung überlagert werden.
Die bekannten Kompensationsschaltungen mittels eines in die eine Zuleitung zu einem Eingang des Operationsverstärkers oder zwischen die Emitter oder Kollektoren eines Eingangs-Differenzverstärkers geschalteten Spannungsteilers wirken rein statisch und besitzen Wärmedrift.
Für viele Verwendungen, insbesondere für Bestandteile von Präzisionsmessgeräten oder -zählern in rein elektronischer Ausführung sind Operationsverstärker mit dynamischer und/ oder stetiger Offsetspannungs-Kompensation notwendig. Dies trifft besonders zu bei integrierten Schaltungen, deren Technologie, beispielsweise MOS-Technologie, nur Operationsverstärker mit erheblicher Offsetspannung erlaubt.
Es sind bereits verschiedene solcher Offsetkompensations Schaltungen füp Operationsverstärker bekannt, die dynamische Kompensation der Offsetspannung erlauben. Beispiele sind in Fig. 1 bis 3 der Zeichnung angegeben und bei der Beschreibung dieser Figuren erklärt. Eine in Fig. 1 und 2 dargestellte bekannte Schaltung braucht einen Operationsverstärker mit kleiner Offsetspannung, so dass bei in MOS-Technologie integrierten Operationsverstärkern keine Verbesserung erreicht wird.
Eine zweite, in Fig. 3 dargestellte Schaltung eines sogenannten chopperstabilisierten Operationsverstärkers ist in dem Buch Operational Amplifiers, Design and Applications von J.G. Graeme, G.E. Tobey und L.P. Huelsmann, S. 152 und 153 beschrieben, welche Widerstände und Kondensatoren mit hohen, in einigen Integriertechniken nur schwierig zu realisierenden Werten benötigt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung mit für Präzisionszwecke genügend kompensierter Offsetspannung zu schaffen, die geeignet ist in integrierter MOS-Schaltungstechnologie ohne grosse Kapazitätsund Widerstandswerte ausgeführt zu werden.
Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 definiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den weiteren Patentansprüchen angegeben.
Sie wird nachstehend anhand einer Zeichnung beispielsweise erläutert.
Die Figuren der Zeichnung bedeuten:
Fig. 1 allgemeines Schema eines Operationsverstärkers mit Offsetspannungs-Kompensation;
Fig. 2 ein Schema einer bekannten Schaltung;
Fig. 3 ein Schema eines chopperstabilisierten Operationsverstärkers;
Fig. 4 eine Schaltung gemäss der Erfindung;
Fig. 5 ein Diagramm und
Fig. 6 eine Teilschaltung gemäss der Erfindung.
Das allgemeine, bekannte Schema eines Operationsverstärkers mit dynamischer Kompensation der Offsetspannung gemäss Fig. 1 besteht aus einem an einem Eingang 1 für eine zu verstärkende Spannung angeschlossenen Operationsverstärker 3 mit einer Offsetspannung Uov zwischen einem inver
tierenden Eingang ( - ) und einem nichtinvertierenden Ein gang (+) in Kombination mit einem Regler 2 mit zwei Eingang gen, von denen der erste an den invertierenden Eingang ( - ) des Operationsverstärkers 3 und der zweite an ein Bezugspotential Uref, vorzugsweise Null, angeschlossen ist. Der Ausgang des Reglers 2 ist mit dem nichtinvertierenden Eingang (+) des Operationsverstärkers verbunden.
Eine weitere bekannte Ausführung ist in der Fig. 2 dargestellt. Der Regler 2 ist als Integralregler ausgeführt. Er enthält einen mittels eines Widerstands 4 mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 3 verbundenen zweiten Operationsverstärker 5, der einen an seinen invertierenden Eingang (-), mit dem Widerstand 4 verbundenen Eingang und an seinen Ausgang angeschlossenen Kondensator 6 besitzt und seinerseits mit seinem Ausgang mit dem nichtinvertierenden Ein gang (+) des Operationsverstärkers 3 verbunden ist.
Eine von den vorhergehend beschriebenen Schaltungen verschiedene Schaltung nach der Fig. 3 zur Realisierung eines Operationsverstärkers mit geringer Offsetspannung bedient sich der Chopperstabilisierung . Sie ist im Buch Operational Amplifiers, Design and Applications von J.G. Graeme, G.E. Tobey und L.P. Huelsmann, McGraw-Hill Kogakusha, Ltd., Tokyo, Düsseldorf, e.a. auf Seite 151 bis 154 beschrieben.
Ihre Grundschaltung ist in Fig. 3 dargestellt. Sie besitzt zwei Zweige mit Filtern für die Verstärkung von höherfrequenten und tieferfrequenten oder Gleichspannungen, die an den gemeinsamen Eingang 1 angeschlossen sind. Der eine Zweig ist mittels einem aus einem Kondensator 9 und einem Widerstand 10 bestehenden Hochpassfilter an den invertierenden Eingang () eines Operationsverstärkers 7 angeschlossen. De zweite Zweig besteht aus einem Widerstand 12 und einem Kondensator 13 als Tiefpassfilter, einem weiteren Widerstand 14, einem Schalter Si, einem Kondensator 15, einem invertierenden Wechselstromverstärker 11, einem Kondensator Cl in dessen Ausgang,
einem zweiten Schalter S2 und einem zweiten Tiefpass aus einem Widerstand 16 und einem Kondensator C2 in Verbindung mit dem nichtinvertierenden Eingang (+) des Operationsverstärkers 7. Die Schalter S, und S2 werden von einer nichtgezeichneten Steuerschaltung synchron gesteuert.
Der beschriebene, chopperstabilisierte Verstärker eignet sich nicht für die Ausführung in integrierter MOS-Technik wegen der hohen Werte, die die in den Tiefpässen verwendeten Kondensatoren und Widerstände aufweisen, die unentbehrlich sind, um eine genügende Filterwirkung zu erreichen.
Der in bezug auf seine Offsetspannung kompensierte Operationsverstärker der Fig. 4 gemäss der Erfindung, der vorzugsweise in der die bekannten Vorteile aufweisenden integrierten MOS-Technologie ausgeführt ist, enthält eine integrie rende Regelschaltung 2 mit einer Reihenschaltung eines Wechselspannungsverstärkers 11 mit einem Schaltarm eines Umschalters Sl auf der Eingangsseite, dem Kondensator Cl an der Ausgangsseite und dem mit diesem vorzugsweise über einen Widerstand 17 verbundenen Schaltarm eines Umschalters S2. Der erste Schaltkontakt des Schalters S1 ist an den invertierenden Eingang ( - ) des Operationsverstärkers 3 angeschlossen.
Der erste Schaltkontakt des zweiten Schalters S2 ist mit dem Kondensator C2 und dem nichtinvertierenden Ein gang (+) des Operationsverstärkers 3 verbunden. Die zweiten Schaltkontakte der Schalter 5 undS sind an die Leitung mit dem Bezugspotential Uref gelegt.
Die Schalter Sl und S2 gemäss dieser Fig. 4 sind Gegentaktschalter und der Wechselspannungsverstärker 11 ist nichtinvertierend. Sie sind ebenfalls in der MOS-Schaltung integriei
Bei einer zweiten Ausführungsart eines Operationsverstärkers gemäss der Erfindung, welche im Prinzip gleich ist wie diejenige der Fig. 4, sind die Schalter 5 und S2 jedoch Gegentaktumschalter und der Wechselspannungsverstärker 11 ist invertierend.
Der Umschalter Sl der Schaltung gemäss Fig. 4 kann auch durch eine Reihenschaltung eines Widerstands 18 und eines Ein-/Ausschalters 5 gemäss Fig. 6 ersetzt werden, wobei der Schaltarm an der Leitung mit dem Bezugspotential Uref und der Schaltkontakt am Verbindungspunkt des Widerstands 18 mit dem Wechselspannungsverstärker 11 liegt.
Die Wirkungsweise der allgemeinen Schaltung eines für die Offsetspannung kompensierten Operationsverstärkers 3 ist folgende:
Die Offsetspannung wird durch die Reglerschaltung 2 kontinuierlich abgegriffen, verstärkt und auf den nichtinvertierenden Eingang (+) des Operationsverstärkers 3 gegeben. Diese verstärkte Spannung wirkt der auf dem invertierenden Ein gang (-) des Operationsverstärkers 3 auftretenden Offsetspannung entgegen, wodurch diese mehr oder weniger kompensiert werden kann.
Die bekannte Reglerschaltung 2 gemäss der Fig. 2 benutzt den als Integrator geschalteten driftarmen Operationsverstärker 5, mittels welchem die verstärkten Offsetspannungen summiert werden und durch welchen diese auf den nichtinvertierenden Eingang (+) des Operationsverstärkers 3 übertragen werden, als Regler. Da es in einigen Technologien der Herstellung integrierter Halbleiterschaltungen schwierig oder sogar unmöglich ist, besonders driftarme und geringe Offsetspannungen aufweisende Operationsverstärker mit grösseren Offsetspannungen aber dafür andere vorteilhafte Eigenschaften aufweisenden Operationsverstärkern auf dem gleichen Chip herzustellen, erlaubt die Schaltung gemäss der Fig. 2 nur eine beschränkte Verwendung.
Bei der Schaltung des chopperstabilisierten Operationsverstärkers nach der Fig. 3 wird die am Eingang 1 auftretende Spannung auf zwei Zweige verteilt. Im ersten Zweig wird die Eingangsspannung Uein über ein Hochpassfilter aus dem Kondensator 9 und dem Widerstand 10 auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 7 übertragen.
Im zweiten Zweig wird die Eingangsspannung Uejn über das aus dem Widerstand 12 und dem Kondensator 13 bestehende Tiefpassfilter gesiebt, mittels des Schalters S1 zerhackt und die zerhackte Spannung über den die Gleichspannung sperrendes Kondensator 15, den invertierenden Wechselspannungsverstärker 11 und dem Kondensator C, zur Auskoppelung der verstärkten Wechselspannung synchron zum ersten Schalter Si, mittels des zweiten Schalters S2 abgegriffen und über den Widerstand 16 und dem Kondensator C2 gesiebt. Dabei verhindert der Widerstand 16 zugleich eine vollständige Entladung des Kondensators C2 bei geschlossenem Schalter S2.
Die Spannung am Kondensator C2 wird dem nichtinvertierenden Eingang (+) des Operationsverstärkers 7 zugeführt. Durch die Wechselspannungskoppelung wird bei dieser Art von Operationsverstärkern die Offsetspannung nicht wirksam.
Die jedoch bei dieser Schaltung notwendigen Kondensatoren und Widerstände sind ebenfalls bei modernen Integrations-Technologien nur mit erheblichem Aufwand realisierbar.
Zudem sind zur Vermeidung von Unregelmässigkeiten der Verstärkung und Nichtlinearitäten weitere Korrekturmassnahmen mit Hilfe starker Rückkopplung des Operationsverstärkers 7 notwendig. Alle diese Massnahmen schränken die Verwendbarkeit dieser Schaltung erheblich ein.
Die einfache integrierte Kompensationsschaltung gemäss der Erfindung nach der Fig. 4 lässt sich anhand des Diagramms der Fig. 5 erklären. In diesem bedeutet: a) die Taktsignale mit Abschnitten ta und tb am Ausgang der in der Fig. 4 nichtgezeichneten Steuerschaltung für die Schalter Sl und S2; b) den Verlauf der Offsetspannung Uoff zu der Bezugsspannung Uref, welche vorzugsweise den Wert Null aufweist; c) die Spannung U11 am Ausgang des invertierenden Wechselspannungsverstärkers 11 und d) die Spannung Uu, am Ausgang des Kondensators Ci.
Die Schalter Sl und S2 werden durch die Signale nach der Fig. 5a taktweise gesteuert. Die durch den Schalter Sl zerhackte Offsetspannung Uoff liegt am nichtinvertierenden Wechselspannungsverstärker 11 und erscheint an dessen Ausgang als Spannung Uii gemäss der Zeile c der Fig. 5. Am Ausgang des Kondensators Cl tritt die Spannung Uci nach der Zeile d der Fig. 5 auf. Während der ersten Phase t des Taktes wird der Kondensator Cl auf die Spannung A U0ff aufgeladen. A bedeutet dabei die Verstärkung des Wechselspannungsverstärkers 11. Während jeweils der zweiten Phase tb wird die Ladung des Kondensators Cl auf den Kondensator C2 übertragen.
Dadurch ergibt sich eine Erniedrigung der in der oberen Zeile gezeichneten Offsetspannung Uoff gegenüber der in der unteren Zeile dargestellten konstanten Referenzspannung Uref gemäss den Zeilen b der Fig. 5. Dadurch wird die Offsetspannung Uov des Operationsverstärkers 3 auf einen sehr kleinen, durch die Verstärkung des Wechselspannungsverstärkers 11 bestimmten Betrag vermindert, der die Verwendbarkeit dieser Schaltung praktisch nicht beschränkt. Damit die Regelschaltung stabil ist, soll das Produkt der Verstärkung A des Wechselspannungsverstärkers 11 mit dem Verhältnis der Kapazitäten der Kondensatoren Cl und C2 gemäss der Formel:
C1 kleiner als 2 sein.
C1 + C2
Die Taktfrequenz richtet sich nach der verwendeten Integrations-Technologie und der Verwendung des zu kompensierenden Operationsverstärkers 3 der Fig. 4. Die beiden Schalter Sl und S2 arbeiten synchron. Für gute Funktion kann es vorteilhaft sein die Steuerung der Schalter Sl und S2 so auszuführen, dass der Schalter S2 etwas früher als der Schalter Sl angesteuert wird. Der Widerstand 17 hat nur strombegrenzende Funktion bei Übertragen der Ladung vom Kondensator Cl, zum Kondensator C2 und beim Laden von Cl. Er hat daher nur eine geringe Grösse und bietet keine Schwierigkeit bei der Ausführung in integrierter MOS-Schaltung.
Die Schaltung mit Gleichtaktschaltern Sl und S2 und mit einem invertierenden Wechselspannungsverstärker 11 wirkt in gleicher Weise wie diejenige nach der Fig. 4.
Der Schalter Sl nach der Fig. 6 arbeitet auf analoge Weise wie derjenige in Fig. 4, wobei die Ansteuerung so ausgeführt wird, dass der Schalter S, in erregtem Zustand schliesst.
Die Schaltungen nach den Fig. 4 und 6 sind sehr einfach und sie lassen sich in jeder Technologie leicht auf einen Chip integrieren. Sie arbeiten zuverlässig und es lässt sich eine sehr kleine, die Anwendbarkeit nicht einschränkende Offsetspannung erreichen, so dass von einer praktisch vollständigen Kompensation der Offsetspannung gesprochen werden kann.