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    • 专利摘要:

    公开号:WO1980000900A1
    申请号:PCT/CH1979/000102
    申请日:1979-07-17
    公开日:1980-05-01
    发明作者:J Vries
    申请人:Landis & Gyr Ag；
    IPC主号:H03F3-00
    专利说明:
    [0001] Operationsverstärker mit kompensierter Offset-Spannung
    [0002] Die Erfindung bezieht sich auf einen Operationsverstärker mit kompensierter Offset-Spannung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
    [0003] Integrierte Operationsverstärker sind vielseitig verwendbare 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 Eingangs-Spannungen die Grosse der Ausgangs-Spannung Null ist. Um die ideale Ausgangs-Spannung Null zu erreichen muss daher einem der Eingänge eine gewisse, Offset-Spannung genannte kompensierende Spannung überlagert werden.
    [0004] 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.
    [0005] 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.
    [0006] Es sind bereits verschiedene solcher Offsetkompensations-Schaltungen für 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 Offset-Spannung, so dass bei in MOS-Technologie integrierten Operationsverstärkern keine Verbesserung erreicht wird.
    [0007] 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.
    [0008] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgäbe. zugrunde, eine Schaltung mit für Präzisionszwecke genügend kompensierter Offsetspannung zu schaffen, die geeignet ist in integrierter MOS-Schaltungstechnologie ohne grosse Kapazitäts- und Widerstandswerte ausgeführt zu werden.
    [0009] Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 definiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den weiteren Patentansprüchen angegeben.
    [0010] Sie wird nachstehend anhand einer Zeichnung beispielsweise erläutert.
    [0011] Die Figuren der Zeichnung bedeuten:
    [0012] Fig. 1 allgemeines Schema eines Operationsverstärkers mit Offsetspannungs-Kompensation;
    [0013] Fig. 2 ein Schema einer bekannten Schaltung,
    [0014] Fig. 3 ein Schema eines chopperstabilisierten Operationsverstärkers;
    [0015] Fig. 4 eine Schaltung gemäss der Erfindung; Fig. 5 ein Diagramm und
    [0016] Fig. 6 eine Teil-Schaltung gemäss der Erfindung.
    [0017] 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 invertierenden - und einem nichtinvertierenden +Eingang in Kombination mit einem Regler 2 mit zwei Eingängen, 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.
    [0018] Eine weitere bekannte Ausführung ist in der Fig. 2 dargestellt. Der Regler 2 ist -als Integralregler ausgeführt. Er enthält einen mittels eines Widerstandes 4 mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 3 verbundenen zweiten Operationsverstärker 5, der einen an seinen invertierenden -, mit dem Widerstand 4 verbundenen Eingang und an seinen Ausgang angeschlossenen Kondensator 6 besitzt und seinerseits mit seinem Ausgang mit dem nichtinvertierenden +Eingang des Operationsverstärkers 3 verbunden ist.
    [0019] Eine von den vorhergehend beschriebenen Schaltung 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 Application" 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 Gleich-Spannungen, die an den gemeinsamen Eingang 1 angeschlossen sind. Der eine Zweig ist mittels eines aus einem Kondensator 9 und einem Widerstand 10 bestehenden Hochpass-Filters an den invertierenden -Eingang eines Operationsverstärkers 7 angeschlossen. Der zweite Zweig besteht aus einem Widerstand 12 und einem Kondensator 13 als Tiefpassfilter, einem weiteren Widerstand 14, einem Schalter S1 , einem Kondensator 15, einem invertierenden WechselstromVerstärker 11, einem Kondensator C1 in dessen Ausgang, ein zweiten Schalter S2 und einem zweiten Tiefpass aus einem Widerstand 16 und einem Kondensator C2 in Verbindung mit dem nichtinvertierenden +Eingang des Operstiσnsverstärkers 7. Die Schalter S1 und S2 werden von einer nichtgezeichneten Steuerschaltung synchron gesteuert.
    [0020] 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.
    [0021] 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 integrierende Regelschaltung 2 mit einer Reihenschaltung eines Wechselspannungs-Verstärkers 11 mit einem Schaltarm eines Umschalters S1 auf der Eingangsseite, dem Kondensator C1 an der Ausgangsseite und dem mit diesem vorzugsweise über einen Widerstand 17 verbundenen Schaltarm eines Umschaters 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 +Eingang des Operationsverstärkers 3 verbunden. Die zweiten Schaltkontakte der Schalter S1 und S2 sind an die Leitung mit dem Bezugspotential Uref gelegat.
    [0022] Die Schalter S1 und S2 gemäss dieser Fig. 4 sind Gegentaktschalter und der Wechselspannungsverstärker 11 ist nichtinvertierend. Sie sind ebenfalls in der MOS-Schaltung inte griert .
    [0023] Bei einer zweiten Acisführungsαrt eines Operationsverstärkers gemäss der Erfindung, welche im Prinzip gleich ist wie diejenige der Fig. 4, sind die Schalter S1 und S2 jedoch Gleichtakt-Umschalter und der Wechselspannungs-Verstärker 11 ist invertierend.
    [0024] Der Umschalter S1 der Schaltung gemäss Fig. 4 kann auch durch eine Reihenschaltung eines Widerstandes 18 und eines Ein/Aus-Schalters S1 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.
    [0025] Die Wirkungsweise der allgemeinen Schaltung eines für die Offsetspannung kompensierten Operationsverstärkers 3 ist folgende:
    [0026] 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 -Eingang des Operationsverstärkers 3 auftretenden Offsetspannung entgegen, wodurch diese mehr oder weniger kompensiert werden kann.
    [0027] 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 integrieter 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.
    [0028] 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 Uei.n über das aus dem Widerstand 12 und dem Kondensator 13 bestehende Tiefpassfilter gesiebt, mittels des Schalters S.. zerhackt und die zerhackte Spannung über den die Gleichspannung sperrenden Kondensator 15, den invertierenden Wechselspannungs-Verstärker 11 und dem Kondensator C1 zur Auskopplung der verstärkten Wechselspannung synchron zum ersten Schalter S1 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 Wechselspannungs-Kopplung wird bei dieser Art von Operationsverstärkern die Offsetspannung nicht wirksam.
    [0029] 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.
    [0030] Die einfache integrierte Kompensationsschaltung gemäss der Erfindung nach der Fig. 4 lässt sich anhand des Diagramms der Fig. 5 erklären. In diesem bedeutet: α) die Toktsignale mit Abschnitten ta und tb am Ausgang der in der Fig. 4 nichtgezeichneten Steuerschaltung für die Schalter S1 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 Wechslespannungs-Verstärkers 11 und d) die Spannung UC1 am Ausgang des Kondensators C1.
    [0031] Die Schalter S1 und S2 werden durch die Signale nach der Fig. 5a taktweise gesteuert. Die durch den Schalter S1 zerhackte Offsetspannung Uoff liegt am nichtinvertierenden Wechselspannungs-Verstärker 11 und erscheint an dessen Ausgang als Spannung U 11 gemäss der Zeile c der Fig. 5. Am Ausgang des Kondensators C. tritt die Spannung UC1 nach der Zeile d der Fig. 5 auf. Während der ersten Phase ta des Taktes wird der Kondensator C 1 auf die Spannung A . Uoff aufgeladen.
    [0032] A bedeutet dabei die Verstärkung des Wechselspannungs-Verstärkers 11. Während jeweils der zweiten Phase tb wird die
    [0033] Ladung des Kondensators C1 auf den Kondensator C2 übertragen.
    [0034] Dadurch ergibt sich eine Erniedrigung der in der oberen Zeile gezeichneten Offsetspannung Uoff gegenüber der in der unteren
    [0035] Zeile dargestellten konstanten Referenzspannung Uref gemäss den Zeilen b der Fig. 5. Dadurch wird die Offsetspannung Uo v des Operationsverstärkers 3 auf einen sehr kleinen, durch die Verstärkung des Wechselspannungs-Verstärkers 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 C1 und C2 gemäss der Formel:
    [0036] C
    [0037] Die Taktfrequenz richtet sich nach der verwendeten Integrations-Technologie und der Verwendung des zu kompensierenden Operationsverstärkers 3 der Fig. 4. Die beiden Schalter S1 und S2 arbeiten synchron. Für gute Funktion kann es vorteilhaft sein, die Steuerung der Schalter S1 und S2 so auszuführen, dass der Schalter S2 etwas früher als der Schalter S1 angesteuert wird. Der Widerstand 17 hat nur strombegrenzende Funktion beim Uebertragen der Ladung vom Kondensator C1, zum Kondensator C2 und beim Laden von C1. Er hat daher nur eine geringe Grosse und bietet keine Schwierigkeit bei der Ausführung in integrierter MOS-Schaltung.
    [0038] Die Schaltung mit Gleichtakt-Schaltern S1 und S2 und mit einem invertierenden Wechselspannungs-Verstärker 11 wirkt in gleicher Weise wie diejenige nach der Fig. 4.
    [0039] Der Schalter S. nach der Fig. 6 arbeitet auf analoge Weise wie derjenige in Fig. 4, wobei die Ansteuerung so ausgeführt wird, dass der Schalter S1 in erregtem Zustand schliesst.
    [0040] 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.
    权利要求:
    ClaimsP A T E N T A N S P R U E C H E
    1. Operationsverstärker mit Offsetspannungs-Kompensat ion mit Hilfe einer zwischen den invertierenden und den nichtinvertierenden Eingang geschalteten Regelschaltung, dadurch gekennzeichnet, dass a.) ein Wechselspannungs-Verstärker (11 ) vorgesehen ist, dessen Eingang über einen ersten Schalter (S. ) abwechselnd an den invertierenden Eingang (-) des Operationsverstärkers (3) oder an eine Bezugsspannung ( Ur ef) anschliessbar ist und dass b) der Ausgang des Wechselspannungs-Verstärkers (11) über einen ersten Kondensator (C1) und einen zweiten gleichrichtenden, mit dem ersten Schalter (S1 ) synchron schaltbaren
    Schalter (S2) an den Kondensator (C2) und an den nichtinvertierenden Eingang (+) des Operationsverstärkers (3) einerseits oder an die Bezugsspannung ( Uref) anschliessbar ist .
    2. Operationsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er in integrierter MOS-Technik ausgeführt ist.
    3. Operationsverstärker nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt des Verhältnisses der Kapazitäten der Kondensatoren C1 und C2 mit dem Verstärkungsfaktor A des Wechselspannungs-Verstärkers (11 ) kleiner als 2 ist.
    4. Operationsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Schalter (S1 , S2) Umschalter sind, dass
    b) ein erster Schaltkontkat des ersten Schalters (S1) mit dem invertierenden Eingang (-) des Operstionsverstärkers (3) und ein zweiter Schaltkontakt mit der Bezugsspannung ( Uref) verbunden ist und der Schαltαrm des ersten Schalters (S1 ) mit dem Eingang des Wechselspannungs-Verstärkers (11) verbunden 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 (C1) mit dem nichtinvertierenden Eingang (+) des Operationsverstärkers und der zweite Schaltkontakt mit der Bezugsspannung (Uref) verbunden sind.
    5. Operationsverstärker nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Kondensator C1 und den Schaltarm des zweiten Schalters (S„) ein Widerstand (17) geschaltet ist.
    6. Operationsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingang des Wechselspannungs-Verstärkers (11 ) über einen Widerstand (18) an den invertierenden (-) Eingang des Operationsverstärkers (3) angeschlossen und über einen Ein/Aus-Schalter (S. ) an das Bezugspotential (Uref) ananschliessbar ist.
    7. Operationsverstärker nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (S1 , S2) Gleichtakt-Schalter und der Wechselspannungs-Verstärker (11 ) invertierend ist.
    8. Operationsverstärker nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (S1 , S2) Gegentakt-Schalter und der Wechselspannungs-Verstärker (11) nichtinvertierend ist.
    9. Operationsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (S1 , S2) voneinander verschiedene Schaltzeiten besitzen.
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    1980-05-01| AK| Designated states|Designated state(s): DE |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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