WO2008110444A2

WO2008110444A2 - Verstärkeranordnung und verfahren zum verstärken eines signals

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Publication number: WO2008110444A2
Application number: PCT/EP2008/052144
Authority: WO
Inventors: Thomas Fröhlich; Nicole Heule
Original assignee: Austriamicrosystems AG
Current assignee: Ams Osram AG
Priority date: 2007-03-09
Filing date: 2008-02-21
Publication date: 2008-09-18
Anticipated expiration: 2009-09-09
Also published as: DE102007011715A1; DE102007011715B4; US20100148876A1; JP5722270B2; JP2012138963A; JP2010521092A; WO2008110444A3; US8063700B2

Abstract

Eine Verstärkeranordnung weist einen Verstärker (3) mit einem Signaleingang (31), einem Rückführungseingang (32) und einem Signalausgang (33) auf. Ein erster Kopplungspfad (FB1), der ein erstes Impedanzelement (R1) aufweist, verbindet den Rückführungseingang (32) mit dem Signalausgang (33). Ein zweiter Kopplungspfad (FB2) weist eine Serienschaltung einer Filtereinrichtung (4) einer Pufferschaltung (5) und eines zweiten Impedanzelementes (R2) auf und verbindet den Rückführungseingang (32) mit dem Signalausgang (33) oder mit dem Signaleingang (31).

Description

Beschreibung

Verstärkeranordnung und Verfahren zum Verstärken eines Signals

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verstärkeranordnung und ein Verfahren zum Verstärken eines Signals.

Beispielsweise MEMS (Micro electro-mechanical Systems) - Anwendungen erfordern häufig Signalverstärker mit geringem

Flächenbedarf, geringer Eingangskapazität, hoher Eingangsimpedanz, geringem Strombedarf und geringem Rauschen. Weiter wünschenswert sind eine Rail-to-Rail AB Ausgangsstufe, Stromrückkopplung sowie Eingangssignalpegel bis zur Versorgungs- Spannung, zum Beispiel ein Eingangssignal bezogen auf ein negatives oder positives Versorgungspotenzial.

Mit einem Differenzverstärker, der ausgangsseitig einen Spannungsteiler mit einer Rückkopplung umfasst, kann üblicherwei- se eine ausreichende Verstärkung bereitgestellt werden.

Bei typischen Anwendungen ist jedoch teilweise am Eingang eines solchen Verstärkers ein Spannungs-Offset oder ein niederfrequentes Rauschen vorhanden. Beispielsweise wird bei derartigen Verstärkern ein sich verändernder Spannungsoffset eines veränderlichen Eingangssignals mit verstärkt. Dies kann unter anderem zu einer Verschlechterung der Signalqualität im verstärkten Ausgangssignal führen. Zudem ist durch die Verstärkung des niederfrequenten Rauschens oder des Spannungs- Offsets der Stromverbrauch im Verstärker erhöht. Niederfrequente Anteile könnten beispielsweise durch kapazitive Entkopplung unterdrückt werden. Jedoch ist es dabei notwendig, in Abhängigkeit einer gewünschten Frequenzunterdrückung relativ große Kapazitätswerte zu verwenden, welche den Kostenaufwand einer derartigen Verstärkerschaltung erhöhen, oder alternativ größere Widerstandswerte für den Spannungsteiler, welche das Rauschverhalten der Verstärkerschaltung negativ beeinflussen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verstärkeranordnung sowie ein Verfahren zum Verstärken eines Signals anzugeben, bei denen mit geringem Aufwand eine frequenzabhängige Signalverstärkung mit geringem Rauschen erzielbar ist.

Diese Aufgaben werden mit den Gegenständen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

In einer beispielhaften Ausführungsform weist eine Verstär- keranordnung einen Verstärker mit einem Signaleingang, einem Rückführungseingang und einem Signalausgang auf. Ferner sind ein erster Kopplungspfad, der ein erstes Impedanzelement aufweist und der den Rückführungseingang mit dem Signalausgang verbindet, und ein zweiter Kopplungspfad vorgesehen, der eine Serienschaltung einer Filtereinrichtung, einer Pufferschaltung und eines zweiten Impedanzelements aufweist und der den Rückführungseingang mit dem Signalausgang oder mit dem Signaleingang verbindet.

Über das erste und das zweite Impedanzelement im ersten und zweiten Kopplungspfad kann ein Übertragungsverhalten, beispielsweise eine Verstärkung der Verstärkeranordnung einge- stellt werden. Das erste und das zweite Impedanzelement können jeweils einen Widerstand umfassen. Alternativ können die Impedanzelemente auch kapazitive Eigenschaften oder eine Kombination aus kapazitiven und resistiven beziehungsweise ohm- sehen Eigenschaften aufweisen. Durch die Filtereinrichtung im zweiten Kopplungspfad wird zudem ermöglicht, dass unerwünschte Frequenzanteile in einem jeweiligen Signal, welches an den Rückführungseingang des Verstärkers geführt wird, unterdrückt werden. Die Pufferschaltung im zweiten Kopplungspfad ermög- licht, dass ein erstes Schleifensignal im ersten Kopplungspfad ein zweites Schleifensignal im zweiten Kopplungspfad nur geringfügig beeinflusst.

Die Impedanzwerte beziehungsweise Widerstandswerte des ersten und zweiten Impedanzelements können relativ gering gewählt werden, so dass ein Rauschen der Verstärkeranordnung ebenfalls gering bleibt.

Der zweite Kopplungspfad kann als Rückkopplungspfad ausgebil- det sein, der den Signalausgang des Verstärkers, welcher üblicherweise auch den Signalausgang der Verstärkeranordnung bildet oder mit diesem gekoppelt ist, mit dem Rückführungseingang verbindet. Alternativ kann der zweite Kopplungspfad auch als Vorwärtskopplung ausgebildet sein, die den Signal- eingang des Verstärkers mit dem Rückführungseingang verbindet. Eine frequenzabhängige Verstärkung eines Eingangssignals kann somit sowohl durch entsprechende Verarbeitung des Eingangssignals als auch durch Verarbeitung des Ausgangssignals der Verstärkeranordnung erreicht werden.

In einer Ausführungsform weist die Filtereinrichtung ein Tiefpassfilter auf. Dabei kann das Tiefpassfilter beispiels- weise ein RC-Glied umfassen. Das Tiefpassfilter kann jedoch auch als aktives Filter ausgebildet sein.

Die Filtereinrichtung kann in verschiedenen Ausführungsformen auch andere Filtereigenschaften als ein Tiefpassfilter aufweisen. Beispielsweise kann die Filtereinrichtung auch als Hochpassfilter, als Bandpassfilter oder als Bandsperre ausgebildet sein. Zudem ist es in anderen Ausführungsformen möglich, dass die Filtereinrichtung eine beliebige Filterfunkti- on aufweist. In den verschiedenen Ausführungsformen kann die Filtereinrichtung dabei sowohl mit aktiven als auch mit passiven Filtern gebildet sein.

In einer weiteren Ausführungsform weist der zweite Kopplungs- pfad eine Spannungsquelle auf. Durch die Spannungsquelle kann beispielsweise ein fester, vorgegebener Spannungsversatz im Ausgangssignal der Verstärkeranordnung erreicht werden. So lässt sich ein Ausgangssignal erzeugen, das spannungsmäßig um den durch die Spannungsquelle, durch die zwei Impedanzelemen- te und durch den DC-Eingangspegel am Signaleingang bestimmten Spannungswert herum schwingt, für den Fall, dass das Eingangssignal der Verstärkeranordnung eine Schwingung aufweist. Ein Verstärker gemäß dieser Ausführungsform kann auch als Verstärker mit Rail-to-Rail-Ausgang bezeichnet werden.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Verstärker mehrere Verstärkerstufen. Beispielsweise umfasst der Verstärker eine Eingangsstufe, die einen Transistor aufweist, der mit dem Signaleingang und über ein Impedanzelement mit dem Sig- nalausgang verbunden ist und zumindest eine Ausgangsstufe, die eingangsseitig mit dem Transistor und ausgangsseitig mit dem Signalausgang verbunden ist. Dem Transistor kann an einem Eingang, beispielsweise einem Steuereingang über den Signaleingang ein Eingangssignal zugeführt werden. Ein Ausgang der Eingangsstufe, der durch einen weiteren Anschluss des Transistors gebildet ist, ist, gegebenenfalls über weitere Bau- teile oder Funktionsblöcke, mit einem Eingang der Ausgangsstufe gekoppelt. Die Ausgangsstufe stellt ein Ausgangssignal bereit, welches vom Eingangssignal der Eingangsstufe abgeleitet und verstärkt ist. Ein Ausgang der Ausgangsstufe ist zumindest über den ersten Kopplungspfad mit dem Rückführungs- eingang der Eingangsstufe, der beispielsweise durch einen weiteren Anschluss des Transistors gebildet ist, gekoppelt. Somit schließen der erste und gegebenenfalls der zweite Kopplungspfad nicht nur die Ausgangsstufe ein, sondern führen den Ausgang der Ausgangsstufe auf den Transistor zurück.

Dabei ist in dieser Ausführungsform aufgrund einer Signalverstärkung bereits in der Eingangsstufe das Rauschen deutlich verringert. Aufgrund der geschlossenen Regelschleife ist die Linearität hoch. Temperaturbedingte Streuung, prozessbedingte Streuungen und versorgungsspannungsabhängige Streuungen sind gering.

Bevorzugt ist der Transistor der Eingangsstufe so verschaltet, dass an einem Steueranschluss des Transistors ein Ein- gang zum Zuführen des Eingangssignals der Verstärkeranordnung gebildet ist. Die Anschlüsse der gesteuerten Strecke des Transistors sind bevorzugt so verschaltet, dass einer der Anschlüsse einen Ausgang der Eingangsstufe bildet und mit der Ausgangsstufe verbunden ist, und ein weiterer Anschluss der gesteuerten Strecke des Transistors der Eingangsstufe mit dem ersten und dem zweiten Kopplungspfad verbunden ist. Der Transistor ist bevorzugt als pMOS-Transistor ausgebildet. Jedoch ist auch die Implementation als nMOS-Transistor möglich.

Auch die Ausgangsstufe kann ebenfalls zumindest einen Transistor umfassen. Beispielsweise ist die Ausgangsstufe in einer Ausführungsform eine Klasse AB-Stufe. In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Eingangsstufe einen Widerstand, der einen Anschluss der gesteuerten Strecke des Transistors mit einem Versorgungspotenzialanschluss oder einem Bezugspo- tenzialanschluss koppelt. Mit dem Widerstand kann beispielsweise die Verstärkung der Eingangsstufe eingestellt werden. Die Eingangsstufe kann zusätzlich oder alternativ eine Bias- Stromquelle umfassen, die mit dem Transistor verbunden ist.

In einer Ausführung umfasst die Eingangsstufe einen Strompfad, der zwischen Versorgungs- und Bezugspotenzialanschluss geschaltet ist. Beispielsweise sind die Bias-Stromquelle, der Transistor und der Widerstand der Eingangsstufe in dem ge- meinsamen Strompfad angeordnet.

In einem Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Verstärken eines Signals wird ein Eingangssignal in Abhängigkeit eines ersten und eines zweiten Schleifensignals verstärkt und ein vom Eingangssignal abgeleitetes Ausgangssignal bereitgestellt. Das erste Schleifensignal wird in Abhängigkeit einer ersten Impedanz aus dem Ausgangssignal abgeleitet. Ein Zwischensignal wird durch Filtern und Puffern des Eingangssignals oder des Ausgangssignals abgeleitet. Ein Ableiten des zweiten Schleifensignals erfolgt in Abhängigkeit einer zweiten Impedanz aus dem Zwischensignal. Durch das Verstärken des Eingangssignals in Abhängigkeit des ersten und des zweiten Schleifensignals kann eine Übertragungsfunktion zwischen verstärktem Ausgangssignal und Eingangssignal durch entsprechende Verarbeitung der Schleifen- signale beeinflusst werden. Insbesondere das zweite Schleifensignal, welches durch Filtern und anschließendes Puffern des Eingangssignals oder des Ausgangssignals hergeleitet ist, kann dabei für eine frequenzabhängige Verstärkung des Eingangssignals dienen. Beispielsweise werden durch das Filtern Frequenzanteile im Eingangssignal beziehungsweise im Ausgangssignal unterdrückt, so dass die Schleifensignale, insbesondere das zweite Schleifensignal ein gewünschtes Frequenzverhalten beim Verstärken des Eingangssignals bewirken. Durch das Puffern werden das gefilterte Signal beziehungsweise die Filterung des Signals von der Verstärkung beziehungsweise dem impedanzbasierten Ableiten der Schleifensignale entkoppelt.

In einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Ableiten des ersten und/oder des zweiten Schleifensignals widerstands- basiert. Somit werden das erste und/oder das zweite Schleifensignal in Abhängigkeit eines jeweiligen Widerstandswerts abgeleitet. Beispielsweise hängen die Verstärkungseigenschaften wie etwa ein Verstärkungsfaktor der Verstärkeranordnung von einem Impedanzverhältnis der ersten und zweiten Impedanz beziehungsweise einem Widerstandsverhältnis eines ersten und eines zweiten Widerstandswerts ab. Die Impedanzen beziehungsweise Widerstandswerte können dabei als geringe Werte gewählt werden, so dass auch ein Rauschen beim Verstärken gering gehalten werden kann.

In einer weiteren Ausführungsform weist das Filtern ein Tiefpassverhalten auf. Alternativ kann das Filtern auch beliebige andere Filtereigenschaften aufweisen wie etwa Hochpasseigenschaften, Bandpasseigenschaften, Bandsperreneigenschaften oder eine Kombination daraus. Somit kann das Verstärken des Signals mit einer beliebigen Frequenzabhängigkeit erfolgen.

In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Ableiten des Zwischensignals ein Beaufschlagen des Zwischensignals mit einem Offsetsignal . Mit dem Offsetsignal, welches beispielsweise eine Offsetspannung oder ein Offsetstrom ist, kann ein fester Grundwert im verstärkten Ausgangssignal erzeugt werden, der beispielsweise als Grundwert für mögliche Schwingungen im verstärkten Ausgangssignal dient.

In einer Ausführungsform des Verfahrens umfassen das Verstär- ken und das Bereitstellen ein Verstärken des Eingangssignals mit einem Transistor, ein Bereitstellen eines vom Eingangssignal abgeleiteten weiteren Zwischensignals, ein Verstärken des weiteren Zwischensignals und ein Bereitstellen des vom weiteren Zwischensignal abgeleiteten Ausgangssignals. Dabei werden das erste und das zweite Schleifensignal zu dem Transistor rückgeführt.

Beispielsweise wird das weitere Zwischensignal an einem An- schluss einer gesteuerten Strecke des Transistors abgegrif- fen. Das erste und das zweite Schleifensignal werden in diesem Fall einem anderen Anschluss der gesteuerten Strecke des Transistors zurückgeführt.

In einer Ausführungsform wird für das Verstärken dem Transis- tor ein Bias-Strom zugeführt. Zudem kann mit einem am Transistor angeschlossenen Widerstand eine Verstärkung einer Eingangsstufe umfassend den Transistor einstellbar sein. Im Folgenden wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen anhand der Figuren näher erläutert. Funktions- beziehungsweise wirkungsgleiche Elemente tragen dabei gleiche Bezugszeichen .

Es zeigen:

Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Verstärkeranordnung, Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Verstärkeranordnung,

Figur 3 einen beispielhaften Frequenzgang einer Verstärkeranordnung,

Figur 4 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Verstärkeranordnung und

Figur 5 ein viertes Ausführungsbeispiel einer Verstärkeran- Ordnung.

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Verstärkeranordnung. Die Verstärkeranordnung umfasst einen Verstärker 3 mit einem Signaleingang 31, der mit einem Eingang 1 der Verstär- keranordnung verbunden ist, einem Rückführungseingang 32 und einem Signalausgang 33, der mit einem Ausgang 2 der Verstärkeranordnung verbunden ist.

Ein erster Kopplungspfad FBl, der eine als Widerstand ausge- führte Impedanz Rl aufweist, verbindet den Signalausgang 33 mit dem Rückführungseingang 32. Ferner ist ein zweiter Kopplungspfad FB2 vorgesehen, der in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls den Signalausgang 33 mit dem Rückführungseingang 32 verbindet .

In diesem Ausführungsbeispiel sind sowohl der erste als auch der zweite Kopplungspfad FBl, FB2 als Rückkopplungspfade ausgeführt, welche das Ausgangssignal des Verstärkers nach einer Verarbeitung auf den Rückführungseingang 32 des Verstärkers 3 rückführen .

Der zweite Kopplungspfad FB2 umfasst eine Serienschaltung einer Filtereinrichtung 4, einer Pufferschaltung 5 und eines wiederum als Widerstand ausgeführten Impedanz R2. Ein Verbindungsknoten zwischen dem zweiten Widerstand R2 und der Pufferschaltung 5 stellt einen Bezugsknoten AGND für ein virtu- elles Bezugspotenzial dar.

Die Pufferschaltung 5, die vorzugsweise nach der Filtereinrichtung 4 angeordnet ist, umfasst beispielsweise einen Einheitsverstärker, das heißt einen Verstärker mit einer Ver- Stärkung, die im Wesentlichen dem Faktor 1 entspricht. Alternativ kann die Pufferschaltung auch einen Verstärker mit einer anderen festen Verstärkung umfassen. In weiteren Ausführungsformen kann die Pufferschaltung 5 auch anders ausgeführt sein und dient im Wesentlichen dazu, die Filtereinrichtung 4 und den Rückführungseingang 32 strommäßig voneinander zu trennen beziehungsweise zu entkoppeln. Demzufolge wird durch die Pufferschaltung 5 der Widerstand R2 von der Filtereinrichtung 4 derart getrennt, dass keine Rückwirkung auf die Filterung der Filtereinrichtung 4 durch die Widerstände Rl, R2 auf direktem Weg erfolgen kann. Eine Grundverstärkung der Verstärkungseinrichtung, beispielsweise für Signale mit Frequenzen, die nicht von der Verstärkungseinrichtung unterdrückt werden, ist über ein Widerstandsverhältnis der Widerstände Rl, R2 einstellbar.

Bei einer herkömmlichen Verstärkeranordnung ist ein entsprechender Widerstand R2 an einen Widerstand Rl und an einen An- schluss mit einem festen Bezugspotenzial, üblicherweise einem Massepotenzial, angeschlossen. Eine Gesamtverstärkung der herkömmlichen Verstärkeranordnung bleibt im Rahmen des jeweils verwendeten Verstärkers gleich. Bei der in dem Ausführungsbeispiel gezeigten Verstärkeranordnung ist der Widerstand R2 an den Anschluss AGND angeschlossen, an dem ein sich in Abhängigkeit des Ausgangssignals änderndes Potenzial an- liegt.

Durch die Filtereinrichtung 4 und die Pufferschaltung 5 wird also aus dem Ausgangssignal am Anschluss 33 ein Zwischensignal abgeleitet, aus dem sich das Potenzial am Anschluss AGND ergibt. Ein erstes Schleifensignal wird über den Widerstand Rl aus dem Ausgangssignal abgeleitet. Dementsprechend wird aus dem Zwischensignal über den Widerstand R2 ein zweites Schleifensignal abgeleitet. Das erste und das zweite Schleifensignal werden gemeinsam auf den Rückführungseingang 32 des Verstärkers 3 geführt. Somit erfolgt eine Verstärkung beziehungsweise Verarbeitung des Eingangssignals am Eingang 31 zum verstärkten Ausgangssignal am Signalausgang 33 in Abhängigkeit des ersten und des zweiten Schleifensignals.

Durch die Filtereinrichtung 4 werden bestimmte Frequenzanteile des Ausgangssignals im Zwischensignal unterdrückt, welche somit keinen oder zumindest geringen Einfluss auf das Poten- zial am Anschluss AGND haben. Eine frequenzabhängige Beeinflussung des verstärken Ausgangssignals erfolgt demnach vorwiegend durch die Signalanteile im jeweiligen Durchlassbereich der Filtereinrichtung 4, das heißt durch die nicht un- terdrückten Frequenzanteile im Zwischensignal.

Anders ausgedrückt, wirken sich die Frequenzeigenschaften der Filtereinrichtung 4, die im Rückkopplungspfad FB2 angeordnet ist, in umgekehrter Weise auf das Frequenzverhalten der Ver- Stärkeranordnung aus. Wenn beispielsweise die Filtereinrichtung 4 Tiefpassverhalten aufweist, wirkt sich dies als Hoch- pass für die Verstärkeranordnung aus.

Durch entsprechende Wahl der Filtereigenschaften der Filter- einrichtung 4 können somit die Übertragungseigenschaften der Verstärkeranordnung eingestellt werden. Eine Grundverstärkung der Verstärkeranordnung im Durchlassbereich ist durch das Widerstandsverhältnis der Widerstände Rl, R2 bestimmt. Die Widerstände Rl, R2 können niederohmig ausgeführt sein, was zu einem verbesserten Rauschverhalten der Verstärkeranordnung führt.

Figur 2 zeigt eine Weiterbildung der Schaltung von Figur 1, die dieser in Aufbau, den verwendeten Bauteilen, deren Ver- Schaltung miteinander und der vorteilhaften Funktionsweise weitgehend entspricht. Zusätzlich ist jedoch die Filtereinrichtung 4 mit einem RC-Glied R3, Cl ausgebildet, welches einen Widerstand R3 und ein kapazitives Element Cl umfasst. Der Widerstand R3 ist dabei in dem Kopplungspfad FB2 geschaltet, der Kondensator Cl bildet einen Querpfad vom Kopplungspfad

FB2 zu einem Bezugspotenzialanschluss GND. Der Kopplungspfad FB2, der wiederum als Rückkopplungspfad ausgeführt ist, um- fasst in diesem Ausführungsbeispiel zusätzlich eine Spannungsquelle 6.

Das Tiefpassverhalten des RC-Glieds R3, Cl wirkt sich in ei- nem Hochpassverhalten der Verstärkeranordnung aus. Durch die Spannungsquelle 6, deren Spannung durch die Filtereinrichtung 4 und die nachgeschaltete Pufferschaltung 5 unbeeinflusst bleibt, wird das veränderliche Bezugspotenzial am Anschluss AGND auf einen festen Grundwert eingestellt. Damit kommt es zu einer spannungsmäßigen Verschiebung des verstärkten Ausgangssignals bezogen auf ein Bezugspotenzial des Eingangssignals am Signaleingang 31. Ein Eingangssignal, das beispielsweise um eine Bezugsspannung von Null Volt herum schwingt, wird dem entsprechend durch die Verstärkeranordnung zu einem Ausgangssignal verstärkt, welches um eine Spannung herum schwingt, die von der Spannung der Spannungsquelle 6 abgeleitet ist. Zum Beispiel entspricht der Mittelwert der Schwingung der Spannung der Spannungsquelle 6 multipliziert mit R1/(R1+R2), wobei Rl, R2 die Widerstandswerte der Widerstände Rl, R2 darstellen. Somit kann beispielsweise erreicht werden, dass das Ausgangssignal Spannungswerte annimmt, die nur im positiven Spannungsbereich angeordnet sind. Dazu ist beispielsweise die Schwingungsamplitude des Ausgangssignals kleiner als die Spannung der Spannungsquelle 6. Die Verstär- keranordnung kann somit unter anderem als Rail-to-Rail- Verstärker verwendet werden.

Beispielsweise bei MEMS-Anwendungen kann es vorkommen, dass das Eingangssignal zusätzlich zu erwünschten Schwingungen auch einen Gleichsignalanteil aufweist, der sich unter Umständen mit geringer Frequenz ändert. Dieser Gleichsignalanteil oder DC-Offset kann bei einer herkömmlichen Verstärker- anordnung zu unerwünschten Ergebnissen im Ausgangssignal führen, beispielsweise zu einer Überschreitung des Verstärkungsbereichs, bei dem es zu einem Abschneiden, englisch Clipping von Signalanteilen kommt.

In einem Ausführungsbeispiel ist eine Grenzfrequenz des RC- Glieds R3, Cl derart gewählt, dass im Rückkopplungspfad FB2 nur Frequenzanteile durchgelassen werden, welche den niederfrequenten Spannungsänderungen des Gleichsignalanteils im Eingangssignal entsprechen. Dadurch wird erreicht, dass diese Frequenzanteile Einfluss auf das Potenzial am Anschluss AGND haben und damit bei der Verstärkung im Verstärker 3 nicht berücksichtigt werden. Wie zuvor erläutert, wirkt sich der Tiefpass im Rückkopplungspfad FB2 als Hochpass in der Ver- Stärkeranordnung aus, so dass ein sich verändernder DC-Offset im Eingangssignal im verstärkten Ausgangssignal unterdrückt ist .

Der Widerstand R3 kann in diesem Ausführungsbeispiel hochoh- mig gewählt werden, so dass bei unveränderter Grenzfrequenz des RC-Glieds die Kapazität des Kondensators Cl klein gewählt werden kann.

Figur 3 zeigt einen beispielhaften Frequenzgang in einem Aus- führungsbeispiel einer Verstärkeranordnung, bei der im Rückkopplungspfad FB2 eine Filtereinrichtung 4 mit Tiefpassverhalten vorgesehen ist. Der Tiefpass weist dabei eine erste Grenzfrequenz fl auf, die sich beispielsweise in dem Ausführungsbeispiel in Figur 2 aus den Bauteilwerten des Wider- Stands R3 und des Kondensators Cl ergibt. Ab einer zweiten

Grenzfrequenz f2 wirkt der Tiefpass als Sperre, das heißt es werden keine Frequenzanteile mit einer Frequenz größer als die Grenzfrequenz f2 durchgelassen.

In dem Frequenzgang in Figur 3 ist erkennbar, dass von der Frequenz Null bis zur ersten Grenzfrequenz fl eine einheitliche Verstärkung von Eins resultiert. Im Frequenzbereich zwischen der ersten Grenzfrequenz fl und der zweiten Grenzfrequenz f2 nimmt die Unterdrückung im Tiefpassfilter zu, so dass eine Verstärkung g der Verstärkeranordnung dementspre- chend zunimmt. Bei der zweiten Grenzfrequenz f2 ist eine

Grundverstärkung oder Maximalverstärkung von 2(R1/R2) + 1 erreicht, wobei Rl, R2 wiederum die Widerstandswerte der Widerstände Rl, R2 sind.

Ab einer dritten Grenzfrequenz f3, welche sich aus einer

Grenzfrequenz des Verstärkers 3 ergibt, fällt die Verstärkung der Verstärkeranordnung wieder ab. Die dritte Grenzfrequenz f3 ist jedoch weitestgehend unabhängig von der Beschaltung des Verstärkers 3 mit dem ersten und dem zweiten Kopplungs- pfad FBl, FB2.

Der Frequenzgang in Figur 3 weist somit das Verhalten eines Bandpasses auf, der im Wesentlichen zwischen den Grenzfrequenzen f2 und f3 durchlässig ist. Insbesondere Frequenzen unterhalb der ersten Grenzfrequenz fl werden unterdrückt.

Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Verstärkeranordnung. Der Verstärker 3 umfasst dabei eine Eingangsstufe Al und zwei Ausgangsstufen A2, A3 und ist somit als mehrstufiger Verstärker ausgeführt. Die Eingangsstufe Al weist einen pMOS-Transistor Ml auf, dessen Steueranschluss den mit dem Eingang 1 der Verstärkeranordnung gekoppelten Signaleingang 31 bildet beziehungsweise mit diesem verbunden ist. Ein erster Anschluss der gesteuerten Strecke des Transistors Ml ist mit dem Rückführungseingang 32 sowie mit einer Bias-Stromquelle Il gekoppelt. Ein zweiter Anschluss der gesteuerten Strecke des Transistors Ml ist über einen Wider- stand R4 mit dem Bezugspotenzialanschluss GND sowie direkt mit dem Eingang der Ausgangsstufe A2 verbunden. Die Bias- Stromquelle II, der Transistor Ml und der Widerstand R4 sind somit in einem gemeinsamen Strompfad angeordnet. Ein Ausgang der Ausgangsstufe A3 ist mit dem Signalausgang 33 gekoppelt.

Der Signalausgang 33 ist wie in dem Ausführungsbeispiel von Figur 2 über eine Spannungsquelle 6 und eine als RC-Glied ausgebildete Filtereinrichtung 4 mit der Pufferschaltung 5 gekoppelt. Die Pufferschaltung 5 weist in diesem Ausführungs- beispiel einen weiteren pMOS-Transistor M2 auf, dessen Steu- eranschluss mit dem Ausgang der Filtereinrichtung 4 verbunden ist. Ein erster Anschluss der gesteuerten Strecke des Transistors M2 bildet den Ausgang der Pufferschaltung 5 und ist mit dem Knoten AGND mit veränderlichem Potenzial verbunden. Ferner ist der erste Anschluss der gesteuerten Strecke des

Transistors M2 mit einer zweiten Bias-Stromquelle 12 verbunden. Ein zweiter Anschluss der gesteuerten Strecke des Transistors M2 ist über einen Widerstand R5 an den Bezugspotenzialanschluss GND angeschlossen sowie direkt an einen invertie- renden Eingang (-) eines Verstärkers 7. Der nicht invertierende Eingang (+) des Verstärkers 7 wird mit einer Spannung einer weiteren Spannungsquelle 8 versorgt. Ein Ausgang des Verstärkers 7 ist mit einem jeweiligen Regeleingang der ersten und zweiten Bias-Stromquelle II, 12 gekoppelt. Beispiels- weise sind die Bias-Stromquellen II, 12 als aufeinander abgestimmte, englisch: matched p-MOS-Stromspiegel ausgeführt, welche jeweils mit einem Versorgungspotenzialanschluss VCC gekoppelt sind. Eine Stromsteuerung erfolgt durch den Verstärker 7.

Der Transistor Ml verstärkt das am Eingang 1 anliegende Ein- gangssignal und stellt am Eingang der Ausgangsstufe A2 ein verstärktes Eingangssignal in Form eines weiteren Zwischensignals bereit. Dieses bereits verstärkte weitere Zwischensignal wird von den Ausgangsstufen A2, A3 weiter verstärkt.

Für den Widerstand Rl wird wiederum ein erstes Schleifensignal erzeugt. Aus dem Ausgangssignal am Signalausgang 33 wird ferner über die Filtereinrichtung 4 und die Pufferschaltung 5 ein Zwischensignal am Anschluss AGND abgeleitet, wobei das Ableiten des Zwischensignals ein Beaufschlagen des Zwischen- signals mit einem Offset-Signal umfasst, welches in Form der Spannung der Spannungsquelle 6 bereit gestellt wird. Über den Widerstand R2 wird aus dem Zwischensignal das zweite Schleifensignal abgeleitet.

Das Eingangssignal am Anschluss 1 und die rückgeführten

Schleifensignale am Rückführungseingang 32 können als Komponenten eines differenziellen Signaleingangs des Verstärkers 3 interpretiert werden. Somit umfasst die Eingangsstufe Al einen Differenzsignaleingang, bei dem an einem Anschluss 31 das Eingangssignal und an einem zweiten Anschluss 32 die aus dem Ausgangssignal abgeleiteten Schleifensignale zugeführt werden .

Aufgrund der geschlossenen Schleife ist die Linearität der Schaltung gut. Streuungen aufgrund von Temperaturschwankungen, Schwankungen der Fertigungsparameter sowie Schwankungen der Versorgungsspannung sind gering. Der jeweilige Bulk-Anschluss der Transistoren Ml, M2, der vorliegend nicht eingezeichnet ist, kann entweder mit dem Source-Anschluss des jeweiligen Transistors verbunden werden oder mit einem anderen Schaltungsknoten. Das Anschließen an den Source-Anschluss hat den Vorteil, dass dort die effektive Gate-Bulk-Kapazität reduziert ist.

Durch gute Abschirmung des Signaleingangs 31 vom Rückführungseingang 32 kann eine sehr geringe Eingangskapazität er- reicht beziehungsweise diese noch weiter verringert werden.

Somit ist es möglich, die effektiv am Eingang 31 wirksame parasitäre Gate-Source-Kapazität praktisch zu eliminieren.

Die vorgeschlagene Schaltung, wie sie beispielhaft anhand der Figuren 1, 2 und 4 erläutert ist, eignet sich besonders als analoger Signalverstärker. Sie zeichnet sich durch niedrige effektive Eingangskapazität, hohe Eingangsimpedanz, kleinen Stromverbrauch und geringes Eingangsrauschen aus.

Die Schaltung in Figur 4 ist derart aufgebaut, dass im Betrieb in Wechselstrombetrachtung durch die Transistoren Ml, M2 jeweils der gleiche konstante Strom fließt. Dem entsprechend steigt mit einer steigenden Spannung am Eingang 1 in gleichem Maße die Spannung am Rückführungseingang 32. Ein zu- gehöriger Spannungsunterschied wird über einen Stromfluss über den Widerstand R2 bewirkt. Da aber der Strom durch den Transistor M2, wie zuvor erläutert, im Wesentlichen konstant ist, wird der Stromfluss durch den Widerstand R2 durch die Stromquelle 12 bereitgestellt. Durch die Kopplung der Strom- quellen II, 12 führt dies auch zu einer Veränderung des

Stroms durch die Stromquelle II. Die Spannung über den Widerstand R2 ist in Wechselstrombetrachtung die gleiche wie die Spannung am Eingang 1 der Verstärkeranordnung. Mit dem Strom i_R2 in Wechselstrombetrachtung über den Widerstand R2 gilt

,

wobei v_inp die Spannung am Eingang 1 ist, R2 der Widerstandswert des Widerstands R2 und i_x der Strom über die Stromquellen II, 12. Ebenso gilt

IR₂ = I ₁ ^{+ 1} RI ' ( 2 )

mit i_Ri als Wechselstrom über den Widerstand Rl, woraus sich mit Gleichung (1) ergibt:

i_R1=i_R2-i_i=i_R2-(-i_R2) = 2-i_R2. (3)

Mit der Wechselspannung v_Ri über den Widerstand Rl und die Spannung v_out am Ausgang 2 gilt

v_out=v_R1+v_inp. (4)

Daraus lässt sich unter Zuhilfenahme der Gleichungen (1) bis (3) und mit Ri als Widerstandswert des Widerstands Rl ableiten

Für einen wechselstrommäßigen Verstärkungsfaktor A_AC ergibt sich daraus v.

A A_arC = ^■ ^■ = 2 - ^ + 1 : 6 )

* ^•=

Man sieht, dass die Kreisverstärkung der Anordnung etwa um den Faktor 2 größer ist als bei herkömmlichen Verstärkeran- Ordnungen. Mit Verweis auf Figur 3 gilt dieser Verstärkungsfaktor A_AC im Wesentlichen für den Durchlassbereich der dargestellten Verstärkeranordnung.

Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Verstär- keranordnung. Im Gegensatz zu der in Figur 1 gezeigten Verstärkeranordnung ist der zweite Kopplungspfad FB2 in diesem Ausführungsbeispiel zwischen dem Signaleingang 31 und dem Rückführungseingang 32 angeordnet. Ein Potenzial am Anschluss AGND, welches wiederum variabel ist, hängt somit direkt vom Eingangssignal am Eingang 1 ab. Anders ausgedrückt, wird ein Zwischensignal über Filterung mit der Filtereinrichtung 4 und anschließender Pufferung mit der Pufferschaltung 5 aus dem Eingangssignal am Eingang 1 abgeleitet. Das Zwischensignal bestimmt das Potenzial am Anschluss AGND. Ein Verstärkungs- faktor in der Verstärkeranordnung aus Figur 5 wird im Wesentlichen wiederum von den Widerständen Rl, R2 bestimmt. Die als RC-Tiefpass R3, Cl ausgeführte Filtereinrichtung 4 bewirkt, dass dabei im Wesentlichen die niederfrequenten Anteile im Eingangssignal zu einer Beeinflussung des Bezugspotenzials am Anschluss AGND führen.

Der zweite Kopplungspfad FB2 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Vorwärtskopplungspfad ausgeführt. In Abhängigkeit der Tiefpasseigenschaften der Filtereinrichtung 4 weist die in Figur 5 dargestellte Verstärkeranordnung unter Berücksich- tigung der Übertragungseigenschaften des Verstärkers 3 ein Bandpaßverhalten auf.

Bezugszeichenliste

1 Eingang

2 Ausgang

3 Verstärker

31 Signaleingang

32 Rückführungseingang

33 Signalausgang

4 Filtereinrichtung

5 PufferSchaltung

6 Spannungsquelle

7 Verstärker

8 Spannungsquelle

Rl, R2, R3, R4, R5 Widerstand

Cl kapazitives Element, Kondensator

11, 12 Spannungsquelle

Al, A2, A3 Verstärkerstufe

Ml, M2 Transistor

VCC Versorgungspotenzialanschluss

GND BezugspotenzialanSchluss

AGND Anschluss

FBl, FB2 Kopplungspfad fl, f2, f3 Grenzfrequenz

Claims

Patentansprüche

1. Verstärkeranordnung, aufweisend einen Verstärker (3) mit einem Signaleingang (31), einem Rückführungseingang (32) und einem Signalausgang (33); einen ersten Kopplungspfad (FBl), der ein erstes Impedanzelement (Rl) aufweist und der den Rückführungseingang

(32) mit dem Signalausgang (33) verbindet; und einen zweiten Kopplungspfad (FB2), der eine Serienschal- tung einer Filterreinrichtung (4), einer Pufferschaltung (5) und eines zweiten Impedanzelements (R2) aufweist und der den Rückführungseingang (32) mit dem Signalausgang

(33) oder mit dem Signaleingang (31) verbindet.

2. Verstärkeranordnung nach Anspruch 1, bei der das erste und/oder das zweite Impedanzelement (Rl, R2 ) einen Widerstand umfasst.

3. Verstärkeranordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Filterreinrichtung (4) ein Tiefpassfilter aufweist .

4. Verstärkeranordnung nach Anspruch 3, bei der das Tiefpassfilter ein RC-Glied (R3, Cl) aufweist.

5. Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der zweite Kopplungspfad (FB2) eine Spannungsquelle

(6) aufweist.

6. Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der Verstärker (3) mehrere Verstärkerstufen (Al, A2, A3) umfasst.

7. Verstärkeranordnung nach Anspruch 6, bei der der Verstärker (3) umfasst: eine Eingangsstufe (Al), die einen Transistor (Ml) aufweist, der mit dem Signaleingang (31) und mit dem Signal- ausgang (33) verbunden ist; und zumindest eine Ausgangsstufe (A2, A3), die eingangsseitig mit dem Transistor (Ml) und ausgangsseitig mit dem Signalausgang (33) verbunden ist.

8. Verstärkeranordnung nach Anspruch 7, bei der die Eingangsstufe (Al) einen Widerstand (R4) umfasst, der einen Anschluss einer gesteuerten Strecke des Transistors (Ml) mit einem Versorgungs- oder Bezugspotenzialanschluss (GND) koppelt.

9. Verstärkeranordnung nach Anspruch 7 oder 8, bei der die Eingangsstufe (Al) eine Bias-Stromquelle (II) umfasst, die mit dem Transistor (Ml) verbunden ist.

10. Verstärkeranordnung nach Anspruch 8 und 9, bei der die Bias-Stromquelle (II), der Transistor (Ml) und der Widerstand (R4) der Eingangsstufe (Al) in einem gemeinsamen Strompfad angeordnet sind.

11. Verfahren zum Verstärken eines Signals, umfassend:

Verstärken eines Eingangssignals in Abhängigkeit eines ersten und eines zweiten Schleifensignals und Bereitstellen eines vom Eingangssignal abgeleiteten Ausgangssignals; - Ableiten des ersten Schleifensignals in Abhängigkeit einer ersten Impedanz aus dem Ausgangssignal; Ableiten eines Zwischensignals durch Filtern und Puffern des Eingangssignals oder des Ausgangssignals; und Ableiten des zweiten Schleifensignals in Abhängigkeit einer zweiten Impedanz aus dem Zwischensignal.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das Ableiten des ersten und/oder des zweiten Zwischensignals widerstandsbasiert erfolgt.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei dem das Filtern ein Tiefpassverhalten aufweist.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem das Ableiten des Zwischensignals ein Beaufschlagen des Zwischensignals mit einem Offsetsignal umfasst.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei dem das Verstärken und das Bereitstellen ein Verstärken des Eingangssignals mit einem Transistor (Ml), ein Bereit- stellen eines vom Eingangssignal abgeleiteten weiteren Zwischensignals, ein Verstärken des weiteren Zwischensignals und ein Bereitstellen des vom weiteren Zwischensignal abgeleiteten Ausgangssignals umfassen, und bei dem das erste und das zweite Schleifensignal zu dem Transistor (Ml) rückgeführt werden.

16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem das weitere Zwischensignal an einem Anschluss einer gesteuerten Strecke des Transistors (Ml) abgegriffen wird und das erste und das zweite Schleifensignal an einem anderen Anschluss der gesteuerten Strecke des Transistors (Ml) rückgeführt werden.

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, bei dem dem Transistor (Ml) ein Bias-Strom zugeführt wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, bei dem mit einem am Transistor (Ml) angeschlossenen Widerstand (R4) eine Verstärkung einer Eingangsstufe (Al) umfassend den Transistor (Ml) einstellbar ist.