Дифференциальное усилительное устройство
Изобретение относится к дифференциальному усилительному устройству и, более конкретно, к коррекции напряжения смещения дифференциального усилительного устройства. Технический результат заключается в подавлении выходного напряжения смещения. Дифференциальный усилитель усиливает разность между сигналом, вводимым на неинвертирующий вывод через конденсатор, и сигналом, вводимым на инвертирующий вывод. Переключатель переключает ввод/не ввод сигнала на неинвертирующий вывод через конденсатор. Сопротивление соединено между неинвертирующим выводом и инвертирующим выводом. Корректор напряжения смещения корректирует напряжение смещения дифференциального усилителя на основе выходного сигнала дифференциального усилителя во время периода коррекции, в который управление переключателем осуществляется так, чтобы не вводить сигнал на неинвертирующий вывод через конденсатор. 8 з.п. ф-лы, 7 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к дифференциальному усилительному устройству и, более конкретно, к коррекции напряжения смещения дифференциального усилительного устройства.
Описание предшествующего уровня техники
Дельта-сигма (∆Σ) аналого-цифровой преобразователь известен как тип преобразователя из аналоговой формы в цифровую (A/D). Когда сигнал, имеющий составляющую постоянного тока (DC), вводится в ∆Σ аналого-цифровой преобразователь для младшего разряда, имеющий простую конфигурацию, сигнал, имеющий периодичность, накладывается на цифровой сигнал, выдаваемый от ∆Σ аналого-цифрового преобразователя. Этот периодический сигнал служит в качестве «тонального шума» с частотой, меняющейся в зависимости от величины DC составляющей, и существенно снижает отношение «сигнал/шум» (S/N).
Для подавления «тонального шума», DC составляющая сигнала, вводимого в ∆Σ аналого-цифровой преобразователь, делается достаточно малой с целью понижения частоты «тонального шума» ниже используемого диапазона частот. При использовании выходного сигнала дифференциального усилителя в качестве аналогового входного сигнала для ∆Σ аналого-цифрового преобразователя, напряжение смещения, выдаваемое от дифференциального усилителя, должно подавляться.
С целью подавления выходного напряжения смещения дифференциального усилителя, используется метод, раскрытый, например, в выложенной заявке Японии № 2006-311350 (документ 1). Корректор смещения, описанный в документе 1, корректирует выходное напряжение смещения дифференциального усилителя на основе напряжения, выдаваемого от дифференциального усилителя, когда инвертирующий вывод и неинвертирующий вывод дифференциального усилителя являются коротко замкнутыми посредством переключателя без какой-либо обратной связи от выхода к входу. То есть, во время периода коррекции напряжения смещения, работа дифференциального усилителя осуществляется при коротком замыкании его двух входных выводов, а смещение корректируется на основе выходного напряжения в это время. Данная операция обеспечивает возможность уменьшения выходного напряжения смещения дифференциального усилителя.
Однако во время периода нормального режима работы после периода коррекции смещения, два входных вывода дифференциального усилителя являются разъединенными посредством переключателя. Дифференциальный усилитель усиливает разностный сигнал между входными сигналами двух входных выводов и выдает усиленный сигнал. То есть напряжение смещения между входными сигналами двух входных выводов не может быть скорректировано во время периода нормального режима работы. Другими словами, во время периода нормального режима работы, напряжение смещения между входными сигналами двух входных выводов усиливается и поэтому не может быть достаточно скорректировано.
Сущность изобретения
В одном аспекте, раскрывается дифференциальное усилительное устройство, содержащее дифференциальный усилитель, усиливающий разность между сигналом, вводимым на первый входной вывод через конденсатор, и сигналом, вводимым на второй входной вывод; переключатель, переключающий ввод/не ввод сигнала на первый входной вывод через конденсатор; сопротивление, соединенное между первым входным выводом и вторым входным выводом; корректор, корректирующий напряжение смещения дифференциального усилителя на основе выходного сигнала дифференциального усилителя во время периода коррекции, в котором управление переключателем осуществляется так, чтобы не вводить сигнал на первый входной вывод через конденсатор.
В соответствии с данным аспектом, является возможным достаточно подавлять напряжение смещения, выдаваемое от дифференциального усилительного устройства.
Дополнительные признаки настоящего изобретения станут очевидными из нижеследующего описания иллюстративных вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - блок-схема для пояснения схемы дифференциального усилительного устройства в соответствии с первым вариантом осуществления.
Фиг.2 - блок-схема для пояснения другой схемы дифференциального усилительного устройства.
Фиг.3A и фиг.3B - виды для пояснения схемы и работы корректора напряжения смещения.
Фиг.4A и фиг.4B - виды для пояснения другой схемы и работы корректора напряжения смещения.
Фиг.5 - блок-схема для пояснения еще одной схемы корректора напряжения смещения.
Подробное описание вариантов осуществления
Далее, со ссылкой на сопроводительные чертежи, будет в деталях описано дифференциальное усилительное устройство в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
[Конфигурация дифференциального усилительного устройства]
Конфигурация дифференциального усилительного устройства в соответствии с данным вариантом осуществления будет описана со ссылкой на блок-схему по фиг.1.
Переключатель S1 и входное сопротивление RIN соединены с первым входным выводом (неинвертирующим выводом; далее в настоящем документе именуемым как вывод +IN) дифференциального усилителя 10, продемонстрированного на фиг.1. Данный переключатель S1 соединяет/разъединяет вывод +IN с выводом ввода сигнала (далее в настоящем документе именуемым как вывод INP). Вывод ввода сигнала (далее в настоящем документе именуемый как вывод INN) и входное сопротивление RIN соединены с вторым входным выводом (инвертирующим выводом; далее в настоящем документе именуемым как вывод -IN) дифференциального усилителя 10. То есть вывод +IN и вывод -IN соединены через входное сопротивление RIN. Следует отметить, что значение сопротивления входного сопротивления RIN гораздо меньше, чем значение входного сопротивления R+IN вывода +IN и значение входного сопротивления R-IN вывода -IN дифференциального усилителя 10 (R-IN, R+IN>>RIN).
Дифференциальный усилитель 10 имеет первый выходной вывод (положительный выходной вывод; далее в настоящем документе именуемый как вывод OUT_P) и второй выходной вывод (отрицательный выходной вывод; далее в настоящем документе именуемый как вывод OUT_N), выдающий инвертированный сигнал сигнала вывода OUT_P. Входные выводы корректора напряжения смещения 20 соединены с выводом OUT_P и выводом OUT_N, соответственно. Выход OCAL корректора 20 напряжения смещения соединен с выводом ввода коррекции смещения дифференциального усилителя 10.
Дифференциальное усилительное устройство при нормальных условиях усиливает разностный сигнал между входным сигналом вывода INP и входным сигналом вывода INN. Этот период будет именоваться как «период нормального режима работы». Во время периода нормального режима работы, управление переключателем S1 осуществляется так, чтобы соединять вывод INP и вывод +IN.
Во время периода нормального режима работы опорное напряжение Vref вводится на вывод INN, а сигнал вводится через конденсатор C на вывод INP. Входной сигнал вывода INP вызывает емкостную связь посредством входного сопротивления RIN на основе опорного напряжения Vref вывода INN и вводится на вывод +IN дифференциального усилителя 10. Дифференциальный усилитель 10 выдает с вывода OUT_P и вывода OUT_N сигналы, полученные посредством усиления разностного сигнала между входным сигналом вывода +IN и входным сигналом (опорным напряжением Vref) вывода -IN.
С другой стороны, во время периода (далее в настоящем документе именуемого период коррекции) для коррекции напряжения смещения, управление переключателем S1 осуществляется так, чтобы отсоединить вывод INP от вывода +IN.
Во время периода коррекции, когда опорное напряжение Vref вводится на вывод INN, оно также вводится на вывод +IN через входное сопротивление RIN. Поскольку на вывод +IN и на вывод -IN вводятся одинаковые сигналы, сигналы, получаемые в результате смещения дифференциального усилителя 10, выдаются от вывода OUT_P и от вывода OUT_N.
Во время периода коррекции, корректор 20 напряжения смещения принимает выходные сигналы от вывода OUT_P и от вывода OUT_N и выдает сигнал коррекции OCAL для устранения разности между выходным сигналом вывода OUT_P и выходным сигналом вывода OUT_N. Дифференциальный усилитель 10 корректирует смещение на основе сигнала коррекции OCAL. Необходимо отметить, что корректор 20 напряжения смещения поддерживает сигнал коррекции OCAL даже во время периода нормального режима работы после периода коррекции.
Как описано выше, когда период коррекции обеспечивается до периода нормального режима работы, дифференциальное усилительное устройство может выполнять точное дифференциальное усиление без напряжения смещения дифференциального усилителя 10 во время периода нормального режима работы.
Необходимо отметить, что хотя в качестве примера дифференциального усилителя 10 выше был описан полностью дифференциальный усилитель, также может быть использован и дифференциальный усилитель с одиночным выходом. В этом случае, корректор 20 напряжения смещения выдает сигнал коррекции OCAL для уменьшения разности между напряжением, выдаваемым в отсутствие входного сигнала, и напряжением, выдаваемым от дифференциального усилителя во время периода коррекции.
Во время периода нормального режима работы, вывод INP и вывод INN соединены через входное сопротивление RIN. Вследствие этого, составляющая смещения (Dc составляющая) между сигналом, вводимым на вывод INP, и сигналом, вводимым на вывод INN, отсекается посредством конденсатора C. В дополнение к этому, входное сопротивление RIN генерирует короткое замыкание по DC между выводом +IN и выводом -IN. По этой причине опорные потенциалы двух выводов совпадают, и составляющая смещения удаляется.
[Другая конфигурация дифференциального усилительного устройства]
Другая конфигурация дифференциального усилительного устройства будет описана со ссылкой на блок-схему по фиг.2.
Как продемонстрировано на фиг.2, соединение между выходными выводами дифференциального усилителя 10 и корректором 20 напряжения смещения в соответствии с вторым вариантом осуществления отличается от соединения по первому варианту осуществления. То есть вывод OUT_P соединен с входным выводом фильтра 30 нижних частот (LPF), а вывод OUT_N соединен с входным выводом фильтра 31 LPF. Выходной вывод фильтра 30 LPF соединен с неинвертирующим выводом ∆Σ аналого-цифрового преобразователя 40 и одним входным выводом корректора 20 напряжения смещения. Выходной вывод фильтра 31 LPF соединен с инвертирующим выводом ∆Σ аналого-цифрового преобразователя 40 и другим входным выводом корректора 20 напряжения смещения.
То есть дифференциальное усилительное устройство, продемонстрированное на фиг.2, сконфигурировано для пропускания выходных сигналов от дифференциального усилителя 10 через фильтры LPF, служащие в качестве фильтра защиты от наложения спектров, и затем ввода сигналов на ∆Σ аналого-цифровой преобразователь 40 для преобразования их в цифровые сигналы. Необходимо отметить, что хотя в качестве примера аналого-цифрового преобразователя выше был описан ∆Σ аналого-цифровой преобразователь, также может быть использован аналого-цифровой преобразователь какого-либо другого типа. Только ∆Σ аналого-цифровой преобразователь имеет проблему «тонального шума» с частотой, меняющейся в зависимости от величины напряжения смещения. В соответствии с данным вариантом осуществления, однако, влияние большого напряжения смещения входного сигнала может быть уменьшено даже в аналого-цифровом преобразователе другого типа.
Во время периода коррекции, корректор 20 напряжения смещения принимает выходной сигнал SDM_INP фильтра 30 LPF и выходной сигнал SDM_INN фильтра 31 LPF и выдает сигнал коррекции OCAL для устранения разности между выходными сигналами. Корректор 20 напряжения смещения поддерживает сигнал коррекции OCAL
даже во время периода нормального режима работы после периода коррекции.
Когда период коррекции обеспечивается до периода нормального режима работы, дифференциальное усилительное устройство может выполнять точное дифференциальное усиление без напряжения смещения дифференциального усилителя 10 во время периода нормального режима работы, как и дифференциальное усилительное устройство, продемонстрированное на фиг.1.
Во время периода нормального режима работы, вывод INP и вывод INN соединены через входное сопротивление RIN. Вследствие этого, составляющая смещения (Dc составляющая) между сигналом, вводимым в вывод INP, и сигналом, вводимым на вывод INN, отсекается посредством конденсатора C. В дополнение к этому, входное сопротивление RIN генерирует короткое замыкание по DC между выводом +IN и выводом -IN. По этой причине, опорные потенциалы двух выводов совпадают, и составляющая смещения удаляется. Данная функция является той же самой, что и в дифференциальном усилительном устройстве, продемонстрированном на фиг.1.
Необходимо отметить, что хотя выше был описан пример, в котором на вывод -IN дифференциального усилителя 10 вводится опорное напряжение Vref, вводиться может иной сигнал, чем опорное напряжение.
[Конфигурация корректора напряжения смещения]
Конфигурация корректора 20 напряжения смещения и его работа будут описаны со ссылкой на фиг.3A и фиг.3B.
Как продемонстрировано на фиг.3A, корректор 20 напряжения смещения включает в себя компаратор 21, имеющий неинвертирующий вывод (далее в настоящем документе именуемый как вывод OINP), и инвертирующий вывод (далее в настоящем документе именуемый как вывод OINN), а также реверсивный счетчик 22. Реверсивный счетчик 22 принимает выход UDOUT от компаратора 21 и тактовые импульсы clk. Значение счета реверсивного счетчика 22 выдается в качестве сигнала коррекции OCAL.
Фиг.3B представляет собой временную диаграмму для пояснения работы корректора 20 напряжения смещения. Согласно фиг.3B, сигнал S1_cnt осуществляет управление переключателем S1. Когда сигнал S1_cnt меняется на высокий уровень «1», переключатель S1 соединяет вывод INP и вывод +IN с целью начала период коррекции.
Во время периода коррекции, тактовые импульсы clk вводятся в реверсивный счетчик 22. При приеме тактовых импульсов clk, реверсивный счетчик 22 осуществляет счет вверх или вниз на основе выхода UDOUT компаратора 21, представляющего результат сравнения между входным сигналом вывода OINP и входным сигналом вывода OINN.
Фиг.3B демонстрирует состояние, в котором напряжение вывода OINP является более высоким, чем напряжение вывода OINN (VOINP>VOINN). В этом случае, компаратор 21 выдает сигнал UDOUT низкого уровня «0». Когда сигнал UDOUT=«0», реверсивный счетчик 22 осуществляет счет вниз. Дифференциальный усилитель 10 осуществляет коррекцию смещения в соответствии с сигналом коррекции OCAL, представляющим собой значение счета, и напряжение вывода OINN повышается.
Когда VOINP≤VOINN по причине повышенного напряжения вывода OINN, сигнал UDOUT компаратора 21 инвертируется. Когда сигнал UDOUT=«1», реверсивный счетчик 22 осуществляет счет вверх. Дифференциальный усилитель 10 осуществляет коррекцию смещения в соответствии с сигналом коррекции OCAL, представляющим собой значение счета, и напряжение вывода OINN падает.
Напряжение вывода OINN периодически повышается и падает, так чтобы осуществлять коррекцию разности между напряжением вывода OINP и напряжением вывода OINN в пределах диапазона, соответствующего точности наименее значимого бита реверсивного счетчика 22. То есть в схеме, продемонстрированной на фиг.1, корректируется разность между выводом OUT_P и выводом OUT_N дифференциального усилителя 10. В схеме, продемонстрированной на фиг.2, корректируется разность между выходным сигналом SDM_INP фильтра 30 LPF и выходным сигналом SDM_INN фильтра 31 LPF.
Необходимо отметить, что с целью коррекции смещения дифференциального усилителя 10 в соответствии с сигналом коррекции OCAL, выданным от реверсивного счетчика 22, может быть использован любой способ. Например, может использоваться управление значением тока, подаваемым на транзисторы, включенные в дифференциальную пару дифференциального усилителя, управление отношением площадей транзисторов, включенных в дифференциальную пару дифференциального усилителя, регулировка значения сопротивления для установки выходного напряжения и т.п.
Выше, со ссылкой на временную диаграмму по фиг.3B, был описан пример, в котором осуществляется коррекция только напряжения на стороне вывода OINN. Однако корректироваться может только напряжение на стороне вывода OINP или как напряжение на стороне вывода OINN, так и напряжение на стороне вывода OINP.
[Другая конфигурация корректора напряжения смещения]
Другая конфигурация корректора 20 напряжения смещения и его работа будут описаны со ссылкой на фиг.4A и фиг.4B.
В корректоре 20 напряжения смещения, продемонстрированном на фиг.4A, к схеме компаратора 21 и реверсивного счетчика 22 (первого счетчика), продемонстрированной на фиг.3A, добавляются счетчик 23 (второй счетчик) и переключатель 24. Выход UDOUT от компаратора 21 вводится на вывод ввода тактовых импульсов счетчика 23. Переключатель 24 выборочно подает тактовые импульсы clk на реверсивный счетчик 22 или фиксирует тактовые импульсы clk на низкий уровень в соответствии с выходом COUT от счетчика 23.
Фиг.4B представляет собой временную диаграмму для пояснения работы корректора 20 напряжения смещения. Необходимо отметить, что описание таких же самых участков, что и участки работы, продемонстрированные на фиг.3B, будет опущено.
В исходном состоянии, переключатель 24 подает тактовые импульсы clk на реверсивный счетчик 22. Счетчик 23 осуществляет счет выхода UDOUT от компаратора 21. Вследствие этого, когда выход UDOUT компаратора 21 периодически меняется на «1» и «0» после того, как была выполнена надлежащая коррекция смещения, значение счета счетчика 23 увеличивается. Когда значение счета счетчика 23 достигает предварительно определенного значения, выход COUT счетчика 23 меняется на «1», и переключатель 24 фиксирует тактовые импульсы clk на реверсивный счетчик 22 на низкий уровень.
Когда счетчик 23 сконфигурирован для осуществления счета вверх на переднем фронте выхода UDOUT компаратора 21, и значение счета для установки выхода COUT счетчика 23 на «1» соответствующим образом установлено, может осуществляться управление временем окончания. То есть управление временем может осуществляться с целью окончания коррекции смещения в состоянии, в котором напряжение на стороне вывода OINP является высоким, или с целью окончания коррекции смещения в состоянии, в котором напряжение на стороне вывода OINN является высоким. Далее будет описан пример, в котором счетчик осуществляет счет вверх синхронно с передним фронтом выхода UDOUT компаратора 21. Однако счетчик может осуществлять счет вверх синхронно с задним фронтом выхода UDOUT, либо синхронно с передним фронтом и задним фронтом выхода UDOUT.
В примере, продемонстрированном на фиг.4B, подача тактовых импульсов clk останавливается на переднем фронте сигнала UDOUT. Когда тактовые импульсы clk фиксированы на низкий уровень, изменение сигнала коррекции OCAL, выдаваемого от реверсивного счетчика 22, также останавливается. Поддерживается сигнал коррекции OCAL в момент времени, когда тактовые импульсы clk являются почти фиксированными на низком уровне. В результате, разность между напряжением вывода OINP и напряжением вывода OINN также поддерживает значение, соответствующее сигналу коррекции OCAL.
В соответствии со схемой корректора 20 напряжения смещения, продемонстрированной на фиг.3A, разность между напряжением вывода OINP и напряжением вывода OINN сходится в пределах диапазона, соответствующего точности наименее значимого бита реверсивного счетчика 22, как описано выше. С другой стороны, в соответствии со схемой корректора 20 напряжения смещения, продемонстрированной на фиг.4A, разность между напряжением вывода OINP и напряжением вывода OINN может быть уменьшена наполовину по сравнению со схемой, продемонстрированной на фиг.3A.
[Еще одна конфигурация корректора напряжения смещения]
Еще одна конфигурация корректора 20 напряжения смещения и его работа будут описаны со ссылкой на фиг.5.
Согласно фиг.5, вывод OINP соединен с выводом +IN операционного усилителя 25 (дифференциального усилителя) корректора 20 напряжения смещения, а вывод OINN соединен с выводом -IN. Аналого-цифровой преобразователь 26 (ADC) принимает выходной сигнал AOUT от операционного усилителя 25 и выдает сигнал коррекции OCAL.
Когда период коррекции начинается, операционный усилитель 25 выдает выходной сигнал AOUT посредством усиления разности между напряжением вывода OINP и напряжением вывода OINN. ADC 26 осуществляет преобразование выходного сигнала AOUT в цифровой сигнал коррекции OCAL. На основе цифрового сигнала коррекции OCAL, дифференциальный усилитель 10 осуществляет коррекцию смещения для устранения разности между напряжением вывода OINP и напряжением вывода OINN.
Когда напряжение вывода OINP и напряжение вывода OINN меняются, выходной сигнал AOUT операционного усилителя 25 меняется, и цифровой сигнал коррекции OCAL, выдаваемый от ADC 26, также меняется. Изменение повторяется с целью коррекции смещения дифференциального усилителя 10. Корректор 20 напряжения смещения поддерживает значение цифрового сигнала коррекции OCAL во время периода нормального режима работы после периода коррекции.
Как описано выше, во время периода коррекции смещения, коррекция смещения выполняется посредством ввода одинаковых сигналов на вывод +IN и вывод -IN дифференциального усилителя 10. Во время периода нормального режима работы, сигнал коррекции смещения OCAL поддерживается для подавления напряжения смещения.
Необходимо отметить, что вышеописанные варианты осуществления представляют собой только примеры практического осуществления настоящего изобретения и не должны ограничивать интерпретацию технического объема настоящего изобретения. То есть настоящее изобретение может быть осуществлено на практике в различных формах, не выходя за рамки его технического объема или основных признаков.
В то время как настоящее изобретение было описано со ссылкой на иллюстративные варианты осуществления, необходимо понимать, что данное изобретение не ограничивается раскрытием иллюстративных вариантов осуществления. Объему нижеследующей формулы изобретения должна соответствовать наиболее широкая интерпретация, чтобы охватывать все такие модификации, а также эквивалентные структуры и функции.
1. Дифференциальное усилительное устройство, содержащее:
дифференциальный усилитель, усиливающий разность между сигналом, вводимым на первый входной вывод через конденсатор, и сигналом, вводимым на второй входной вывод;
переключатель, переключающий ввод/не ввод сигнала на первый входной вывод через конденсатор;
сопротивление, соединенное между первым входным выводом и вторым входным выводом;
корректор, корректирующий напряжение смещения дифференциального усилителя на основе выходного сигнала дифференциального усилителя во время периода коррекции, в котором управление переключателем осуществляется так, чтобы не вводить сигнал на первый входной вывод через конденсатор.
2. Устройство по п.1, в котором корректор поддерживает коррекцию напряжения смещения во время периода нормального режима работы, в котором управление переключателем осуществляется так, чтобы вводить сигнал на первый входной вывод через конденсатор после периода коррекции.
3. Устройство по п.1 или 2, в котором дифференциальный усилитель содержит полностью дифференциальный усилитель, и
корректор принимает сигнал от первого выходного вывода полностью дифференциального усилителя и сигнал от второго выходного вывода полностью дифференциального усилителя, и выполняет коррекцию так, чтобы делать разность между сигналом первого выходного вывода и сигналом второго выходного вывода меньшей во время периода коррекции.
4. Устройство по п.3, в котором сигнал первого выходного вывода и сигнал второго выходного вывода подаются на аналого-цифровой преобразователь.
5. Устройство по п.3, дополнительно содержащее фильтры нижних частот, включенные между первым выходным выводом и корректором, и между вторым выходным выводом и корректором соответственно.
6. Устройство по п.5, в котором сигнал, выдаваемый от каждого из фильтров нижних частот, подается на аналого-цифровой преобразователь.
7. Устройство по п.3, в котором корректор содержит компаратор для сравнения сигнала первого выходного вывода с сигналом второго выходного вывода, и первый счетчик для осуществления счета вверх и вниз для тактовых импульсов на основе выхода от компаратора, причем корректор выполняет коррекцию на основе значения счета первого счетчика.
8. Устройство по п.7, в котором корректор дополнительно содержит второй счетчик, осуществляющий счет выхода от компаратора, и блок, останавливающий подачу тактовых импульсов на первый счетчик, когда значение счета второго счетчика достигает предварительно определенного значения.
9. Устройство по п.3, в котором корректор содержит операционный усилитель, прикладывающий разность между сигналом первого выходного вывода и сигналом второго выходного вывода, и блок, осуществляющий преобразование выхода от операционного усилителя в цифровой сигнал, причем корректор выполняет коррекцию на основе данного цифрового сигнала.
