DE-102024135835-B3 - Operationsverstärker mit Haupt- und Nebensignalpfad

Abstract

Der vorgeschlagene Operationsverstärker weist wenigstens eine erste Verstärkerschaltung in einem Hauptsignalpfad zwischen Eingangsanschlüssen und einem oder zwei Ausgangsanschlüssen des Operationsverstärkers auf. Vom Hauptsignalpfad zweigt zwischen den Eingangsanschlüssen und der ersten Verstärkerschaltung ein Nebensignalpfad ab, in dem eine zweite Verstärkerschaltung ausgebildet ist und der in der ersten Verstärkerschaltung wieder mit dem Hauptsignalpfad zusammengeführt wird. Die erste und die zweite Verstärkerschaltung sind so dimensioniert, dass die Signalbandbreite des Hauptsignalpfades um einen Faktor von mindestens 10 größer als die Signalbandbreite des Nebensignalpfades ist und die zweite Verstärkerschaltung einen geringeren Eingangs-Offset als die erste Verstärkerschaltung aufweist. Damit lässt sich ein Operationsverstärker mit einer kleinen eingangsbezogenen Offset-Fehlerspannung bei gleichzeitig schnellem und breitbandigem Hauptsignalpfad und geringer Leistungsaufnahme realisieren.

Inventors

• Markus Grözing
• Raphael Nägele
• Jakob Finkbeiner

Assignees

• UNIVERSITÄT STUTTGART, KÖRPERSCHAFT DES ÖFFENTLICHEN RECHTS

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20241203

Claims (4)

1. Operationsverstärker, der wenigstens eine erste Verstärkerschaltung (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) in einem Hauptsignalpfad von Eingangsanschlüssen zu einem oder zwei Ausgangsanschlüssen des Operationsverstärkers aufweist, wobei vom Hauptsignalpfad an oder zwischen den Eingangsanschlüssen und der ersten Verstärkerschaltung (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) ein Nebensignalpfad abzweigt, in dem eine zweite Verstärkerschaltung (3) ausgebildet ist und der in der ersten Verstärkerschaltung (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) wieder mit dem Hauptsignalpfad zusammengeführt wird, wobei die erste und die zweite Verstärkerschaltung (1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 3) so dimensioniert sind, dass eine Signalbandbreite des Hauptsignalpfades um einen Faktor von mindestens 10 größer als eine Signalbandbreite des Nebensignalpfades ist und die zweite Verstärkerschaltung (3) einen geringeren Eingangs-Offset als die erste Verstärkerschaltung (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) aufweist, dadurch gekennzeichnet , dass die erste Verstärkerschaltung (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) durch FDSOI-MOSFETs gebildet ist, wobei der Nebensignalpfad über Backgate-Anschlüsse der FDSOI-MOSFETs wieder mit dem Hauptsignalpfad zusammengeführt wird.
2. Operationsverstärker nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass die erste und die zweite Verstärkerschaltung (1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 3) so dimensioniert sind, dass die zweite Verstärkerschaltung (3) einen um einen Faktor von mindestens 5 geringeren Eingangs-Offset als die erste Verstärkerschaltung (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) aufweist.
3. Operationsverstärker nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet , dass im Hauptsignalpfad zwischen der ersten Verstärkerschaltung (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) und dem oder den Ausgangsanschlüssen eine dritte Verstärkerschaltung (2) angeordnet ist.
4. Operationsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet , dass die zweite Verstärkerschaltung (3) als zweistufiger Verstärker ausgebildet ist.

Description

Technisches Anwendungsgebiet Die vorliegende Erfindung betrifft einen Operationsverstärker, der wenigstens eine Verstärkerschaltung in einem Hauptsignalpfad von Eingangsanschlüssen zu einem oder zwei Ausgangsanschlüssen des Operationsverstärker aufweist und sich in schnellen Regelschleifen einsetzen lässt. Die Anforderungen an Operationsverstärker (OP) in schnellen Regelschleifen für energieeffiziente Anwendungen umfassen unter anderem einen schnellen (also breitbandigen) Signalpfad, eine geringe Leistungsaufnahme sowie eine kleine eingangsbezogene Eingangsoffset-Fehlerspannung. Für eine kleine eingangsbezogene Eingangsoffset-Fehlerspannung, welche aus der Fehlanpassung zwischen den Parametern der Eingangstransistoren (z.B. MOS-Feldeffektransistoren (MOSFETs) oder Bipolartransistoren (BJTs)) resultiert, sind Eingangstransistoren mit sehr großer Kanal- bzw. Gate- oder Emitter-Fläche notwendig. Große Eingangstransistoren bei gleichzeitig schnellem Signalpfad erfordern allerdings einen großen Strom im Arbeitspunkt, weswegen die Anforderungen nach geringer Verlustleistung nicht mehr erfüllt werden können. Stand der Technik Zur Lösung dieser Problematik ist es bekannt, das sog. „Offset-Sampling“ anzuwenden. Dabei wird in einer initialen Kalibrationsphase der Ausgang des Operationsverstärkers mit einem der Eingänge kurzgeschlossen. Aufgrund der hohen Spannungsverstärkung des Operationsverstärkers stellt sich dabei am Eingang die Eingangs-Offsetspannung ein. Diese Spannung wird auf einem Kondensator gespeichert und im weiteren Betrieb seriell zum Eingangssignal geschaltet. Durch diese Maßnahme wird der eingangsbezogene Offset kompensiert. Aufgrund des Leckstroms des Kondensators muss das Offset-Sampling allerdings periodisch wiederholt werden. Für das Offset-Sampling ist daher ein getakteter Betrieb des Operationsverstärkers erforderlich, wie er beispielsweise in sog. Switched-Capacitor-Schaltungen (SC) verwendet wird. Hierfür ist eine aufwändige Taktsteuerung mit nicht überlappenden Taktsignalen notwendig. Viele Anwendungen erfordern allerdings einen rein zeitkontinuierlichen Betrieb der Regelschaltungen und damit auch der Operationsverstärker. Für derartige Anwendungen kann daher das Offset-Sampling nicht eingesetzt werden. In der Veröffentlichung von KAMPUS, V.; TROJER, M.; TESCHNER, R.: Unleashing the full power of feed-forward opamps: a 200MHz, fully differential, conditionally stable, 36dB gain PGA, using a four-stage multi-path 2.5V amplifier with double feed-forward compensation. In: 2018 IEEE Nordic Circuits and Systems Conference (NORCAS): NORCHIP and International Symposium of System-on-Chip (SoC), 2018, S. 1–5 ist ein differentieller, feedforward-kompensierter und programmierbarer 200-MHz-Verstärker beschrieben, der einen vierstufigen Mehrwegverstärker mit doppelter Feedforward-Kompensation einsetzt. Die DE 38 29 135 A1 beschreibt einen Operationsverstärker gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Operationsverstärkerschaltung anzugeben, mit der ein schneller Operationsverstärker für den Einsatz in schnellen Regelschleifen realisiert werden kann, der eine geringe eingangsbezogene Offset-Fehlerspannung sowie eine geringe Leistungsaufnahme aufweist. Darstellung der Erfindung Die Aufgabe wird mit dem Operationsverstärker gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Operationsverstärkers sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen. Der vorgeschlagene Operationsverstärker weist wenigstens eine erste Verstärkerschaltung in einem Hauptsignalpfad von Eingangsanschlüssen zu einem oder zwei Ausgangsanschlüssen des Operationsverstärkers auf. Vom Hauptsignalpfad zweigt an oder zwischen den Eingangsanschlüssen und der ersten Verstärkerschaltung ein Nebensignalpfad ab, in dem eine zweite Verstärkerschaltung ausgebildet ist. Der Nebensignalpfad wird in der ersten Verstärkerschaltung wieder mit dem Hauptsignalpfad zusammengeführt. Die erste und die zweite Verstärkerschaltung sind dabei so dimensioniert, dass die Signalbandbreite des Hauptsignalpfades um einen Faktor von mindestens 10 größer als die Signalbandbreite des Nebensignalpfades ist und die zweite Verstärkerschaltung einen geringeren Eingangs-Offset als die erste Verstärkerschaltung aufweist. Die Begriffe Hauptsignalpfad und Nebensignalpfad werden dabei lediglich zur Unterscheidung zwischen den beiden Signalpfaden eingesetzt, ohne hierdurch weitere Eigenschaften dieser Signalpfade festzulegen. Bei dem vorgeschlagenen Operationsverstärker kann somit durch geeignete Dimensionierung der zweiten Verstärkerschaltung ein geringer Eingangs-Offset erreicht werden, da die zweite Verstärkerschaltung nicht auf eine hohe Signalbandbreite ausgelegt werden muss. Die Transistoren der zweiten Verstärkerschaltung können daher geometrisch sehr groß dimensioniert werden. Da der Nebensignalpfad relativ zum Ha