DE69431721T2

DE69431721T2 - Elektrische ladungsübertragungsanordnung

Info

Publication number: DE69431721T2
Application number: DE69431721T
Authority: DE
Inventors: E. Gerpheide
Original assignee: Cirque Corp
Current assignee: Cirque Corp
Priority date: 1993-07-02
Filing date: 1994-06-23
Publication date: 2003-04-03
Anticipated expiration: 2014-06-24
Also published as: KR960704359A; US5349303A; EP0706715B1; AU7115594A; EP0706715A4; WO1995001652A1; KR100298702B1; CN1128082A; ATE227888T1; CN1053537C; JP3841428B2; JPH09501798A; EP0706715A1; DE69431721D1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Übertragung oder Abgabe einer elektrischen Ladung an eine Ausgangsklemme, wobei die elektrische Ladung proportional zu einer elektrischen Ladung ist, welche an einer Eingangsklemme empfangen wird.
Elektrische Ladungsübertragungsschaltungen haben Anwendung, wenn es notwendig ist, elektrische Ladungen zu messen oder auf elektrische Ladungen zu reagieren und es ist günstig oder notwendig, solche Ladungen von einer Stelle zu einer anderen mit Genauigkeit zu übertragen. Beispiele solcher Anwendungen sind kapazitive Positionssensoren, piezoelektrische Sensoren, kapazitive Feuchtigkeitssensoren, elektrostatische Digitalisiertabletts, elektrostatische Feldempfänger, usw.
Beispielsweise ist ein bekannter elektrischer Ladungsübertragungsschaltkreis in Fig. 1 gezeigt und umfasst einen kapazitiv rückgekoppelten Ladungsverstärker A&sub1; mit einem Eingang zum Empfangen einer Eingangsladung Qin, welche "übertragen" werden soll. Es ist ein Kondensator Cs gezeigt, welcher zwischen dem Eingang des Verstärkers A&sub1; und dem Massenpotential geschaltet ist, um eine Streukapazität darzustellen. Ein Rückkopplungskondensator Cf ist zwischen dem Ausgang des Verstärkers A&sub1; und dem Eingang desselben angeordnet und ist parallel mit dem Schalter Si. Der Ausgang des Verstärkers A&sub1; ist über einen Ausgangskondensator C&sub0; mit einer Ausgangslast verbunden, welche in diesem Fall als Spannungsquelle V&sub1; gezeigt ist. Diese elektrische Ladungsübertragungsschaltung ist gut bekannt und wird vielfach genützt;
Mit der bekannten Ladungsübertragungsschaltung der Fig. 1 kann ein Fehler in der Ausgangsladung eingeführt werden, wenn die Ausgangsspannung sich verändert, was geschehen könnte, wenn die Ausgangsladung auf einem Kondensator akkumuliert (integriert) wird. Weiterhin wird ein Rückkopplungskondensator im bekannten Schaltkreis benötigt und dies erfordert, dass bestimmte Herstellungsprozesse für integrierte Schaltungen verwendet werden müssen, um die Schaltung herzustellen. Solche Verfahren sind typischerweise teurer und anfälliger als wenn der Rückkopplungskondensator nicht mit dem Schaltkreis hätte hergestellt werden müssen.
Es ist ein Ziel der Erfindung, eine leistungsfähige, leicht herzustellende und genaue elektrische Ladungsübertragungsanordnung bereit zu stellen.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine solche Vorrichtung, in welcher kein Rückkopplungskondensator benötigt wird, bereit zu stellen.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, solch eine Vorrichtung bereit zu stellen, welcher in der Lage ist, mehrfache elektrische Ladungsausgänge zu erzeugen, welche in linearer Weise mit einer Eingangsladung und untereinander in Beziehung stehen.
Es ist ein zusätzliches Ziel der Erfindung, gemäß einem ihrer Aspekte, eine solche Vorrichtung bereit zu stellen, welche in der Lage ist, eine differentielle Ausgangsladung von einer differentiellen Eingangsladung zu erzeugen.
Die vorstehenden und andere Ziele der Erfindung werden in einer speziellen erläuternden Ausführungsform einer elektrischen Ladungsübertragungsschaltung verwirklicht, welche umfasst, eine Eingangsklemme zum Empfangen einer elektrischen Eingangsladung, einen Transimpedanzverstärker mit ersten und zweiten differentiellen Eingängen und ersten und zweiten differentiellen Stromausgängen, wobei der erste Eingang mit der Eingangsklemme und der zweite Eingang mit dem Massepotential verbunden ist, und eine Vielfachausgangsstufe, welche auf die differentiellen Stromausgänge reagiert, um zwei oder mehr elektrische Stromausgangssignale zu erzeugen, deren Werte linear in Beziehung stehen zu den Werten des differentiellen Stromausgangs und untereinander. Es wird eine Rückkopplungsschleife bereit gestellt, um eines der elektrischen Stromausgangssignale dem ersten differenziellen Eingang des Transimpedanzverstärkers zuzuführen.
In Bezug auf einen Aspekt der Erfindung ist ein Stromintegrator mit der Vielfachausgangsstufe verbunden, um ein anderes der elektrischen Stromausgangssignale zu integrieren, um eine elektrische Ausgangsladung zu akkumulieren, deren Wert mit dem Wert der elektrischen Eingangsladung in Beziehung steht.
Die voranstehenden und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden bei der Betrachtung der folgenden detaillierten Beschreibung offenbart, in welcher
Fig. 1 eine Schemadarstellung einer bekannten elektrischen Ladungsübertragungsschaltung, wie eben beschrieben, darstellt;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer elektrischen Ladungsübertragungsanordnung gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vielfachausgangsstufe der Fig. 2 zeigt, und
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer differenziellen Ladungsübertragungsschaltung gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 1, welche eine bekannte Form der Ladungsübertragungsschaltung zeigt, wurde voranstehend besprochen.
Fig. 2 zeigt eine Ladungsübertragungsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei an einem Knoten x eine Ladung Qin, welche zu den Ausgangsklemmen 4 übertragen werden soll, empfangen wird. Die Schaltung umfasst einen Transimpedanzverstärker 8 mit einem invertierenden Eingang 12, welcher mit dem Knoten x verbunden ist, und einen nicht invertierenden Eingang 16, welcher mit der AC-Masse verbunden ist. Ein Kondensator Cs wird gezeigt, welcher zwischen dem Knoten x und der Masse verbünden ist, um eine Streukapazität darzustellen, welche auf dem Eingangsknoten bestehen kann. Der Transimpedanzverstärker 8 hat eine Transimpedanzverstärkung von G und erzeugt differenzielle Stromausgänge In und Ip an den Ausgangsklemmen 20 (aus dem Spannungseingang). Diese Stromausgänge stehen in Beziehung zu der Spannung, die am Knoten x besteht, wie folgt:
Ip = G · (V&sub1;&sub6; - Vx) und In = -Ip, wobei V&sub1;&sub6; die Spannung an dem nicht invertierenden Eingang 16 und Vx die Spannung am Knoten x bedeutet.
Die Stromausgänge des Transimpedanzverstärkers 8 werden einer Vielfachausgangsstufenschaltung 24 zugeführt, welche daraus die vielfachen Stromausgangssignale If, I&sub0;&sub1;, . . ., I0n erzeugt. Das Stromausgangssignal If wird auf den Knoten x und auf den invertierenden Eingang 12 des Transimpedanzverstärkers 8 zurückgekoppelt. Dieser Rückkopplungsstrom "neutralisiert" die Eingangsladung Qin und stellt auf diese Weise ein Maß für den Wert der Eingangsladung zur Verfügung.
Die anderen Stromausgangssignale I&sub0;&sub1;, . . ., I0n werden jeweils durch einen entsprechenden Kondensator C&sub1;, . . ., Cn integriert, um so jeweilige Ausgangsladungen Q&sub0;&sub1;, . . ., Q0n, zu erzeugen und diese werden den Ausgangsklemmen 4 zugeführt. Die Ausgangsladungen Q&sub0;&sub1;, . . ., Q0n stehen alle in linearer Beziehung zu der Eingangsladung Qin.
Der Transimpedanzverstärker 8 ist ein gut bekanntes Element. Ein Transimpedanzverstärker mit nur einem invertierenden Eingang könnte ebenso in der Schaltung der Fig. 2 angewendet werden, anstelle des Verstärkers 8. Ebenso könnten die Ausgänge 20 des Verstärkers 8 "single-ended" mit nur einem Ip Ausgang sein; in diesem Fall bestünde natürlich nur ein Eingang zu der Vielfachausgangsstufenschaltung 24. Die Vielfachausgangsstufenschaltung 24 kann eine Vielzahl von Auslegungen aufweisen, wobei eine in Fig. 3 gezeigt ist und folgend erläutert wird.
Bei der Beschreibung der Funktionsweise der Ladungsübertragungsschaltung gemäß Fig. 2 sei angenommen, dass anfänglich die Spannung an dem Knoten x Null ist und dass eine positive Ladung Qin dem Knoten zugeführt wird. Auf diese Weise würde die Spannung an dem Knoten x um einen Betrag ansteigen, welcher der Größe der Eingangsladung Qin entspricht. Dies wiederum erzeugt einen negativen Strom am Leiter Ip und einen positiven Strom In an den Ausgangsleitern 20. Dies hat zur Folge, dass ein negativer Strom am Leiter If von der Vielfachausgangsstufenschaltung 24 erzeugt wird und in der Rückkopplungsschleife dem invertierenden Eingang 12 des Transimpedanzverstärkers 8 zufließt. Dieser negative Strom bewirkt, dass die Spannung an dem Knoten x auf Null abnimmt und dann die differenziellen Stromausgänge Ip und In ebenso wie der Rückkoppelstrom If alle auf Null zurückkehren. In der Zeit während dies geschieht, beträgt der integrierte Strom in der Rückkoppelschleife Qf, welches gleich -Qin ist. Die integrierten Ströme an den anderen Ausgängen der Vielfachausgangsstufenschaltung 24 sind
Q&sub0;&sub1; = -K&sub1; · Qin
. . .
Q0n = -Kn · Qin
wobei K&sub1;, . . . Kn Konstanten sind. Hiermit stehen die auf jeden der Ausgänge der Vielfachausgangsstufenschaltung 24 übertragenen Ladungen in linearer Beziehung zu der Eingangsladung Qin.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der Vielfachausgangsstufenschaltung, welche als Schaltung 24 in Fig. 2 verwendet werden kann. Diese Schaltung umfasst eine Vielzahl von Stromspiegeln 30, 34, 38, 42 und 46, wobei die Stromspiegel 30 und 34 Stromspiegelquellen und die Stromspiegel 38, 42 und 46 Stromspiegelsenken sind. Dies bedeutet, dass die Stromspiegelquellen als Quellen des Stroms (und die Stromspiegelsenken wirken als Senken für den Strom), welche in direktem Verhältnis zu jedem Referenzstrom stehen. Beispielsweise wird in der Stromspiegelsenke 38 der Strom Ip dem Referenzeingang r des Spiegels zugeführt und der Spiegel empfängt dann den Strom I&sub1;, welcher in diesem Fall genau gleich ist mit dem Referenzstrom, was durch die Bezeichnung "1 : 1" angezeigt wird. Dies bedeutet, dass die Bezeichnung "1 : 1" ein Eins-zu-Eins- Verhältnis bedeutet. Die Verhältnisse der verschiedenen Stromspiegel werden so ausgewählt, um einen bestimmten Satz an Beziehungen zwischen den Ausgangsströmen, welche den Leitern 50 zugeführt werden, zur Verfügung zu stellen. Für die speziellen Stromspiegel nach Fig. 3 bewirkt der Stromspiegel 38, dass I&sub1; = Ip, der Stromspiegel 30, dass I&sub2; = 4 · I&sub1;, I&sub3; = I&sub1;/2 und I&sub4; = I&sub1;/2, der Stromspiegel 46, dass Ig = I&sub4;, der Stromspiegel 42, dass I&sub7; = 4 · Ip, I&sub8; = Ip/2, I&sub5; = Ip/2, und der Stromspiegel 34, dass I&sub6; = I&sub5; ist. Wenn wir diese Gleichungen kombinieren, erhalten wir die folgenden Stromwerte:
If = 4 · (Ip - In)
I&sub0;&sub1; = (Ip - In)/2 = If/8
I&sub0;&sub2; = (In - Ip)/2 = -If/8.
Folglich sind die Ausgangsladungen, die diese Schaltung "überträgt" (nach Integration):
Q&sub0;&sub1; = (-1/8) · Qin
Q&sub0;&sub2; = (1/8) · Qin.
Es ist verständlich, dass bei Verwendung verschiedener Kombinationen von Stromspiegeln andere Verhältnisse hergestellt werden könnten, um verschiedene "Übertragungs"- Verstärkungen für Ladungen zur Verfügung zu stellen.
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer Ladungsübertragungsschaltung, welche gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung erstellt ist und in differenzieller Ausführung ausgebildet ist. In anderen Worten, die Differenz der Ausgangsladungen ist in Beziehung gesetzt zu der Differenz der Eingangsladungen. Differenzielle Schaltungsauslegungen sind für ihre hohe Unempfindlichkeit gegenüber Rauschen wohl bekannt. Die differenzielle Ausführung der Fig. 4 weist eine Gleichtaktunterdrückung, bzw. common mode rejection, auf. Wenn Rauschen in gleicherweise beide Eingangsladungen beeinflusst (d. h. es ist Gleichtakt), dann wird dieses Rauschen "unterdrückt" und beeinflusst die Ausgangsladungen nicht (in dem Maße, dass die Schaltungsteile ideal und exakt abgeglichen sind). Wenn weiterhin Gleichtaktrauschen durch unbeabsichtigte Kopplung von einer Quelle eingekoppelt wird, um den absoluten Wert von beiden Ausgangsladungen in gleicher Weise zu beeinflussen, verbleibt die Differenz der Ausgangsladungen unberührt.
Die Schaltung gemäß Fig. 4 umfasst zwei Teile 60 und 64, von denen jeder einen Transimpedanzverstärker (G1 und G2) und Vielfachausgangsstufen, ähnlich zu der Ausführung, welche in Fig. 2 gezeigt ist, aber mit nur drei Ausgängen von jeder Vielfachausgangsstufe. Die Vielfachausgangsstufen der Teile 60 und 64 können darstellungsweise die Schaltungen gemäß Fig. 3 sein.
Zwei Eingangsklemmen 68 und 72 werden zur Aufnahme jeweiliger Eingangsladungen Qin1 und Qin2 zur Verfügung gestellt. Die zwei Eingangsklemmen 68 und 72 sind mit einem zweifachen Wechselschalter S&sub1; verbunden, so dass die Eingangsladungen Qin1 und Qin2 wahlweise entweder zu dem Transimpedanzverstärker G1 und Transimpedanzverstärker G&sub2; (wenn der Schalter S&sub1; in der oberen Position sich befindet) oder zu den Transimpedanzverstärkern G&sub2; und G&sub1; (wenn der Schalter S&sub1; in der unteren Position sich befindet), jeweils geliefert werden. Ein zweiter doppelter Wechselschalter S&sub2; wird an den Ausgängen der Teile 60 und 64 zur Verfügung gestellt, um die zwei Ausgangsklemmen 76 und 80 zu verbinden. Im Besonderen wird der Ausgang Ia1 der Vielfachausgangsstufenschaltung des Teils 60 mit dem oberen Pol des Schalters 82 und zum Ausgang Ib2 der Vielfachausgangsstufenschaltung des Teils 64 verbunden. Ebenso wird der Ausgang Ia2 des Teils 64 mit dem unteren Pol des Schalters S&sub2; und mit dem Ausgangs Ib1 des Teils 60 verbunden. Es ist ersichtlich, dass durch eine geeignete Stellung des Schalters S&sub2; die Ausgänge der Teile 60 und 64 entweder jeweils an die Ausgangsklemmen 76 und 80 oder jeweils an die Ausgangsklemmen 80 und 76 angewendet werden können.
Wenn die Schalter in einer Stellung verbleiben, d. h. beide Schalter S&sub1; und S&sub2; in der oberen Stellung, beträgt der differenzielle Ausgang Q&sub0;&sub1; - Q&sub0;&sub2; = 2 · k · (Qin1 - Qin2), wobei k eine Konstante ist, welche sich aus den Verhältnissen in den Vielfachausgangsstufen 60 und 64 bestimmt.
Die Schalter S&sub1; und S&sub2; können betrieben werden, wobei beide ihre obere Stellung einnehmen, oder beide ihre untere Stellung einnehmen, gemäß einem Wechselsignal, welches am Leiter 84 geliefert wird. Durch die Durchführung einer Ladungsübertragung in der oberen Stellung, gefolgt bei einer weiteren in der unteren Stellung, können die Einwirkungen von nicht idealen (nicht abgeglichenen) Elementen in der Nettoladungsübertragung, welche die Summe der beiden Übertragungen ist, ausgeglichen werden. Ein Beispiel von nicht abgeglichenen Elementen bewirkt den differenziellen Ausgang, welcher aus einer Übertragung in der oberen Position resultiert, von
Q&sub0;&sub1; - Q&sub0;&sub2; = (k&sub1; · Qin1 - k&sub2; · Qin2) + e,
wobei k&sub1; und ks Konstanten darstellen, welche durch die Vielfachausgangsstufen 60 und 64 bestimmt sind und e ein Offsetfehlerterm ist. Offensichtlicherweise zeigt diese Einfachübertragung keine direkte Proportionalität zu dem differenziellen Eingang. Eine Übertragung mit Schaltern in der unteren Position resultiert, wenn die gleiche Eingangsladung wie in der voranstehenden Übertragung angenommen wird, in einem differenziellen Ausgang von
Q&sub0;&sub1; - Q&sub0;&sub2; = (k&sub2; · Qin1 - k&sub1; · Qin2) - e.
Die differenzielle Ausgangsladung, welche der Nettobetrag beider Übertragungen ist, wird durch die Aufsummierung der rechten Seiten der vorangegangenen beiden Gleichungen gegeben und ist
Q&sub0;&sub1; - Q&sub0;&sub2; = (k&sub1; + k&sub2;) · (Qin1 - Qin2),
welche offenbar eine direkte Proportionalität zu dem differenziellen Eingang zeigt.

Claims

1. Eine Ladungsübertragungsschaltung mit

einer Eingangsklemme zur Aufnahme einer elektrischen Eingangsladung,

Transimpedanzverstärkungsmittel (8), welcher mindestens einen invertierenden Eingang (12) und mindestens einen differenziellen Stromausgang aufweist, wobei der Eingang mit der Eingangsklemme verbunden ist,

Mittel, welches auf den differenziellen Stromausgang anspricht, zum Erzeugen von zwei oder mehr elektrischen Stromausgangssignalen (If, I&sub0;&sub1;, I&sub0;&sub2;), deren Werte linear in Beziehung stehen zu den Werten des differenziellen Stromausgangs (In, Ip) und zueinander, und

Rückkopplungsmittel zur Lieferung von einem der elektrischen Stromausgangssignale (If) zu dem Eingang des Verstärkermittels,

Mittel zur Integration eines weiteren der elektrischen Stromausgangssignale, um eine elektrische Ausgangsladung (Q&sub0;&sub1;) zu erzeugen, deren Wert linear in Beziehung steht zu dem Wert der elektrischen Eingangsladung (Qin).

2. Eine Schaltung gemäß Anspruch 1, worin für eine positive elektrische Eingangsladung der differenzielle Ausgangsstrom positiv ist und die eine elektrische Ausgangsladung negativ ist.

3. Eine Schaltung gemäß Anspruch 1, worin das Mittel zum Erzeugen eines elektrischen Stromausgangs eine Vielzahl von Stromspiegeln zur Erzeugung von vielfachen Stromausgängen umfasst.

4. Eine Schaltung gemäß Anspruch 1, worin das Integrationsmittel einen Kondensator umfasst.

5. Eine differenzielle Ladungsübertragungseinrichtung mit

einem ersten eigenen Schaltungsteil (60) und einem zweiten eigenen Schaltungsteil (64) zum Aufnehmen jeweils erster und zweiter Eingangsladungen, wobei jeder der Schaltungsteile umfasst

einen Transimpedanzverstärker mit einem invertierenden Eingang zum Empfangen der jeweiligen Eingangsladung und einem differenziellen Stromausgang,

einem Vielfachausgangsstufenmittel zum Erzeugen von mindestens drei Stromausgangssignalen, deren Größen zueinander in Beziehung stehen und bestimmt sind durch die Größe des differenziellen Stromausgangs, und

einer Rückkopplungsschleife, um ein erstes Stromausgangssignal an den invertierenden Eingang des Transimpedanzverstärkers zu liefern,

ein erstes Mittel zum Aufsummieren eines zweiten Stromausgangssignals (Ia1) des Vielfachausgangsstufenmittels des ersten eigenen Schaltungsteils (60) und eines dritten Stromausgangssignals (Ib2) des Vielfachausgangsstufenmittels des zweiten eigenen Schaltungsteils (64), um ein erstes summiertes Stromsignal zu erzeugen, und

ein zweites Mittel zum Aufsummieren eines dritten Stromausgangssignals (Ib1) des Vielfachausgangsstufenmittels des ersten eigenen Schaltungsteils (60) und eines zweiten Stromausgangssignals (Ia2) des Vielfachausgangsstufenmittels des zweiten eigenen Schaltungsteils (64), um ein zweites summiertes Stromsignal zu erzeugen.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, welche weiterhin umfasst erstes und zweites Integrationsmittel zum Erzeugen erster und zweiter Ausgangsladungen, welche proportional sind jeweils zu dem ersten und dem zweiten summierten Stromsignal.

7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, welche weiterhin umfasst

ein erstes Schaltmittel (S&sub1;) zum Liefern der ersten und zweiten Eingangsladungen abwechselnd jeweils zu der ersten und der zweiten eigenen Ladungsübertragungsschaltung oder jeweils zu der zweiten und der ersten eigenen Ladungsübertragungsschaltung, und

ein zweites Schaltungsmittel (S&sub2;) zur Lieferung des ersten und des zweiten summierten Stromsignals abwechselnd jeweils zu dem ersten und zweiten Integrationsmittel oder jeweils zu dem zweiten und ersten Integrationsmittel.