(57)【要約】  本発明は、増幅回路（１３０）の１つ以上の動作点での入力電圧信号（１０）に関して異なる関係で入力電圧信号（１０）の規定範囲（１２、１４）を位置付ける電圧増幅器（１００、３００）に関する。入力電圧信号（１０）の範囲（１２、１４）の適切な分割は、属する範囲（１２、１４）を線形に増幅することを可能にする。このような線形増幅出力信号（１９１、１９２、１９３、１９４）は次に、例えば、いくつかのアナログ・デジタル変換器（５１０）によってデジタル信号（５３１）に変換することができる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プログラマブル電圧範囲用の電圧増幅器（１００、３００）であって、
前記電圧増幅器（１００、３００）は入力電圧信号（１０）に対する少なくとも第１の動作点および第２の動作点を有するものであり、
前記電圧増幅器（１００、３００）は前記第１の動作点によって前記入力電圧信号（１０）の第１の範囲（１２）を第１の出力信号（１９１）に線形に変換するように構成されるものであり、
前記電圧増幅器（１００、３００）はまた、前記第２の動作点によって前記入力電圧信号（１０）の第２の範囲（１４）を第２の出力信号（１９２）に線形に変換するように構成されるものである、電圧増幅器（１００、３００）。
【請求項２】
前記電圧増幅器（１００、３００）は、前記第１の動作点および前記第２の動作点は別として、追加の動作点が前記入力電圧信号（１０）に対して設定され得るように可変動作点を有するものである、請求項１に記載の電圧増幅器（１００、３００）。
【請求項３】
前記電圧増幅器（１００、３００）は、前記第１の動作点および前記第２の動作点を同時に提供するように構成されるものである、請求項１に記載の電圧増幅器（１００、３００）。
【請求項４】
前記第１の動作点および前記第２の動作点は、前記入力電圧信号（１０）の前記第１の範囲（１２）および前記入力電圧信号（１０）の前記第２の範囲（１４）が少なくとも１つの共有値を有するように設定されるものである、請求項３に記載の電圧増幅器（１００、３００）。
【請求項５】
前記入力電圧信号（１０）の前記第１の範囲（１２）および前記入力電圧信号（１０）の前記第２の範囲（１４）は互いに隣接するものである、請求項４に記載の電圧増幅器（１００、３００）。
【請求項６】
前記電圧増幅器（１００、３００）は、前記入力電圧信号（１０）の前記第１の範囲（１２）に対する所定の第１の増幅率によって前記第１の出力信号（１９１）を増幅するように構成されるものであり、
前記電圧増幅器（１００、３００）は、前記入力電圧信号（１０）の前記第２の範囲に対する所定の第２の増幅率によって前記第２の出力信号（１９２）を増幅するように構成されるものである、請求項１〜５の一項に記載の電圧増幅器（１００、３００）。
【請求項７】
前記電圧増幅器（１００、３００）は、制御段（１１０）、少なくとも１つの入力基準抵抗器配置（１２０、３３０）、および増幅回路（１３０）を有するものであり、
前記制御段（１１０）は、前記入力電圧信号（１０）を入力電流信号に変換するように構成され、前記入力基準抵抗器配置（１２０、３３０）は、少なくとも前記入力電圧信号（１０）の前記第１の範囲（１２）の第１の画像、および前記入力電圧信号（１０）の前記第２の範囲（１４）の第２の画像を提供するために前記入力電流信号を使用するように構成され、その結果、前記第１の画像は前記入力電圧信号（１０）に対する前記第１の動作点を含み、前記第２の画像は前記入力電圧信号（１０）に対する前記第２の動作点を含むものであり、
前記増幅回路（１３０）は、前記第１の画像を前記第１の出力信号（１９１）に、かつ前記第２の画像を前記第２の出力信号（１９２）に変換するように構成されるものである、請求項１〜６の一項に記載の電圧増幅器（１００、３００）。
【請求項８】
前記増幅回路（１３０）は、前記第１の画像を第１の出力電流に、かつ前記第２の画像を第２の出力電流に変換するように構成されるものであり、
前記増幅回路（１３０）はまた、第１の出力基準抵抗（１３７）を介して、前記第１の出力電流の電圧降下として前記第１の出力信号（１９１）を発するように、かつ第２の出力基準抵抗（１３７）を介して、前記第２の出力電流の電圧降下として前記第２の出力信号を発するように構成されるものである、請求項７に記載の電圧増幅器（１００、３００）。
【請求項９】
前記増幅回路（１３０）は、前記入力電流信号に対する規定の第１の電流増幅率によって前記第１の出力電流を増幅し、かつ前記入力電流信号に対する規定の第２の電流増幅率によって前記第２の出力電流を増幅するように構成されるものである、請求項８に記載の電圧増幅器（１００、３００）。
【請求項１０】
前記増幅回路（１３０）は、少なくとも第１の増幅器（１４０）および第２の増幅器（１４０）を有するものであり、
前記第１の増幅器は、第１の負帰還（１４２）によって前記第１の画像を前記第１の出力信号（１９１）に変換するように構成されるものであり、
前記第２の増幅器（１５０）は、第２の負帰還（１５２）によって前記第２の画像を前記第２の出力信号（１９２）に変換するように構成されるものである、請求項７に記載の電圧増幅器（１００、３００）。
【請求項１１】
前記第１の負帰還（１４２）は、前記第２の負帰還（１５２）に等しいものであり、
前記電圧増幅器（１００、３００）は、前記第１の増幅器（１４０）を使用する前記第１の増幅率によって前記第１の出力信号（１９１）を増幅するように構成されるものであり、
前記電圧増幅器（１００、３００）はまた、前記第２の増幅器（１５０）を使用する前記第２の増幅率によって前記第２の出力信号（１９２）を増幅するように構成され、前記第１の増幅率は、前記第２の増幅率と同じまたは異なり得るものである、請求項１０に記載の電圧増幅器（１００、３００）。
【請求項１２】
請求項１〜１１の一項に記載の少なくとも１つの電圧増幅器（１００、３００）、および少なくとも１つのアナログ・デジタル変換器（５１０）を備えるアナログ・デジタル変換器の回路配置（５００）であって、
前記アナログ・デジタル変換器（５１０）は、少なくとも前記第１の出力信号（１９１）を第１のデジタル信号（５３１）に変換し、かつ少なくとも前記第２の出力信号（１９２）を第２のデジタル信号（５３１）に変換するように構成されるものである、アナログ・デジタル変換器の回路配置（５００）。
【請求項１３】
前記第１のデジタル信号（５３１）は、前記第１のデジタル信号（５３１）が第１の値を有するとき、前記入力電圧信号（１０）の第１の線形変換範囲を表すものであり、
前記第１の値は第１の最小デジタル値より大きく、第１の最大デジタル値より小さいものであり、
前記第２のデジタル信号（５３１）は、前記第２のデジタル信号が第２の値を有するとき、前記入力電圧信号（１０）の第２の線形変換範囲を表すものであり、
前記第２の値は第２の最小デジタル値より大きく、第２の最大デジタル値より小さいものである、請求項１２に記載のアナログ・デジタル変換器の回路配置（５００）。
【請求項１４】
プログラマブル電圧範囲用の電圧増幅のための方法であって、
入力電圧信号（１０）の第１の範囲（１２）が増幅回路（１３０）の第１の動作点との第１の規定関係で位置付けられるように前記入力電圧信号（１０）を変換するステップと、
前記入力電圧信号（１０）の第２の範囲（１４）が前記増幅回路（１３０）の第２の動作点との第２の規定関係で位置付けられるように前記入力電圧信号（１０）を変換するステップと、
前記第１の範囲（１２）を第１の出力信号（１９１）に線形に変換するステップと、
前記第２の範囲（１４）を第２の出力信号（１９２）に線形に変換するステップと、
を含む、方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の前記ステップを含み、
前記第１の出力信号（１９１）をデジタル化するステップと、
前記第２の出力信号（１９２）をデジタル化するステップと、
をも含む、前記入力電圧信号（１０）をデジタル化するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プログラマブル電圧範囲用の電圧増幅器、およびプログラマブル電圧範囲用の電圧を増幅するための関連方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
入力信号の増幅は、最大電源電圧によって制限される。入力信号は、更に線形に増幅され得る範囲にのみ増幅することができる。パイプライン・アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）では、この課題は、信号の帰還によって解決される。その後、信号は１つ以上のコンパレータによって評価され、この値はコンパレータの入力信号から減算され、その結果次に、差分、いわゆる残差のみが増幅される。パイプラインＡＤＣは、動作点のずれによる残差の無制御変動を防ぐために困難な方法で較正されなければならない。したがって、パイプラインＡＤＣは、これが動作点のずれにつながり得ることにより、急にスイッチをオンオフすることができない。
【発明の概要】
【０００３】
本発明の目的は、プログラマブル電圧範囲用の電圧増幅器を提案するものである。
【０００４】
本発明の第１の態様によれば、プログラマブル電圧範囲用の電圧増幅器が提案される。電圧増幅器は、入力電圧信号に対する少なくとも第１および第２の動作点を有する。電圧増幅器は、第１の動作点によって入力電圧信号の第１の範囲を第１の出力信号に線形に変換するように構成される。電圧増幅器はまた、第２の動作点によって入力電圧信号の第２の範囲を第２の出力信号に線形に変換するように構成される。これに関して、電圧増幅器の動作点は常に、入力電圧信号に対して見られるべきである。入力電圧信号の異なる範囲は、例えば、−５Ｖ〜＋５Ｖの入力電圧を線形に増幅することができる増幅器がこの電圧範囲外である入力電圧信号のこれらの範囲も線形に増幅することができるようにずれる。これらの範囲は、線形に増幅され得る範囲に規定の様式でずれる。このために、電圧増幅器は、例えば、可変動作点を有することができ、その結果、第１および第２の動作点は別として、追加の動作点が入力電圧信号に対して設定され得る。電圧入力信号は、例えば、可変抵抗または基準電位によって連続的または離散的にずれることができる。このように、周期信号の様々な範囲が順次、線形に増幅され得る。
【０００５】
代替的実施形態では、電圧増幅器は、第１および第２の動作点を同時に提供するように構成することができる。したがって、特に非周期的な信号の場合、例えば、２つの増幅器を用いて、例として−１０Ｖ〜＋１０Ｖ変動する著しく変動する信号を線形に増幅することが可能であり、それにより増幅器は−５Ｖ〜＋５Ｖの入力電圧で線形にのみ増幅する。本明細書では、−１０Ｖ〜．．．Ｖである、この入力電圧信号の第１の範囲は、一方の増幅器が線形に増幅するこの増幅器の範囲にずれる。本明細書では、０Ｖ〜１０Ｖである、この入力電圧信号の第２の範囲は、他方の増幅器が線形に増幅する他方の増幅器の範囲にずれる。これに関して、第１および第２の動作点は、入力電圧信号の第１の範囲および入力電圧信号の第２の範囲が少なくとも１つの共有値を有するように設定されることが好ましい。これに関して、第１および第２の範囲が少なくとも部分的に異なるのが好ましい。しかし、第１および第２の範囲は重なり得る。代替的実施形態では、入力電圧信号の第１および第２の範囲は、互いに隣接する。この実施形態は、入力電圧信号ができる限り少ない構成要素で線形に増幅され得る利点を伴うであろう。あるいは、範囲の重なりは、冗長性が誤差検出および補償を可能にし、または簡略化する利点を有することができる。
【０００６】
電圧増幅器は、入力電圧信号の第１の範囲に対する所定の第１の増幅率によって第１の出力信号を増幅し、かつ入力電圧信号の第２の範囲に対する所定の第２の増幅率によって第２の出力信号を増幅するように構成されることが好ましい。第１および第２の増幅率は、同じまたは異なるように選択することができる。
【０００７】
電圧増幅器は、制御段、少なくとも１つの入力基準抵抗器配置、および増幅回路を有することが好ましい。電圧増幅器は、２つ、３つ以上の制御段を有することができる。制御段（複数可）は、入力電圧信号を１つ以上の入力電流信号に変換するように構成されることが好ましい。入力基準抵抗器配置は、入力電圧信号の第１の範囲の第１の画像、および入力電圧信号の第２の範囲の第２の画像を少なくとも提供するために入力電流信号（複数可）を使用するように構成されることが好ましく、その結果、第１の画像は入力電圧信号に対する第１の動作点を含み、第２の画像は入力電圧信号に対する第２の動作点を含むようにする。増幅回路はまた、第１の画像を第１の出力信号に、かつ第２の画像を第２の出力信号に変換するように構成されることが好ましい。
【０００８】
別の実施形態では、増幅回路は、第１の画像を第１の出力電流に、かつ第２の画像を第２の出力電流に変換するように構成される。この場合、増幅回路はまた、第１の出力基準抵抗を介して、第１の出力電流の電圧降下として第１の出力信号を発するように、かつ第２の出力基準抵抗を介して、第２の出力電流の電圧降下として第２の出力信号を発するように構成されることが好ましい。第１の出力基準抵抗および第２の出力基準抵抗は、同一または異なり得る。出力基準抵抗（複数可）もまた可変であり得、回路配置の柔軟性を高めることができる。
【０００９】
増幅回路は、入力電流信号に対する規定の第１の電流増幅率によって第１の出力電流を増幅し、かつ入力電流信号に対する規定の第２の電流増幅率によって第２の出力電流を増幅するように構成されることが好ましい。好ましい実施形態は、例えば、規定のミラー比を有する１つ以上のカレントミラーを含むことができる。第１の電流増幅率は、第２の電流増幅率と同じまたは異なり得る。
【００１０】
代替的実施形態では、増幅回路は、第１の増幅器および第２の増幅器を少なくとも有することができる。これに関して、第１の増幅器は、第１の負帰還によって第１の画像を第１の出力信号に変換するように構成されることが好ましい。これに関して、第２の増幅器は、第２の負帰還によって第２の画像を第２の出力信号に変換するように構成されることが好ましい。増幅回路はまた、関連の負帰還を有する３つ、４つ、５つ以上の増幅器を有することができる。個々の増幅器の負帰還は、同じまたは異なるように選択することができる。増幅器は、例えば、演算増幅器であってもよい。
【００１１】
好ましい実施形態では、第１の負帰還は、第２の負帰還と等しい（かつ３つ以上の増幅器の場合での追加の負帰還ごとと同じ大きさでもある）。本明細書の電圧増幅器は、第１の増幅器を使用する第１の増幅率によって第１の出力信号を増幅し、第２の増幅器を使用する第２の増幅率によって第２の出力信号を増幅するように構成されることが好ましい。第１の増幅率は、第２の増幅率と同じまたは異なり得る。好ましい実施形態では、電圧増幅器は、３つ、４つ、５つ以上の増幅器を有し、これらの増幅器は演算増幅器として構成され、適切な抵抗回路によって、同じ増幅率を有する。
【００１２】
本発明の別の目的は、アナログ・デジタル変換器の回路配置を提案することである。アナログ・デジタル変換器の回路配置は、上述した少なくとも１つの種類の電圧増幅器、および少なくとも１つのアナログ・デジタル変換器を含む。アナログ・デジタル変換器は、少なくとも第１の出力信号を第１のデジタル信号に変換し、かつ少なくとも第２の出力信号を第２のデジタル信号に変換するように構成される。この変換は、周期的な出力信号の場合に順次実施することができ、その結果、アナログ・デジタル変換器のみが必要である。好ましい実施形態では、アナログ・デジタル変換器の回路配置は、入力電圧信号の異なる範囲がデジタル信号に同時に変換され得るように２つ、３つ、４つ以上のアナログ・デジタル変換器を有する。このような配置により、特に非周期的な信号の場合、入力電圧信号の連続的なデジタル化が可能となり得る。
【００１３】
第１のデジタル信号は、第１のデジタル信号が第１の値を有するとき、入力電圧信号の第１の線形変換範囲を表すことが好ましく、それにより第１の値は第１の最小デジタル値より大きく、第１の最大デジタル値より小さい。第２のデジタル信号は、第２のデジタル信号が第２の値を有するとき、入力電圧信号の第２の線形変換範囲を表すことが好ましく、それにより第２の値は第２の最小デジタル値より大きく、第２の最大デジタル値より小さい。したがって、いくつかのアナログ・デジタル変換器の場合、一般に、アナログ・デジタル変換器の１つだけがアナログ・デジタル変換器の最小デジタル出力値と最大デジタル出力値との間の値を有する。電圧が高過ぎるか、または低過ぎる出力信号を変換する、このようなアナログ・デジタル変換器は、最小または最大デジタル出力値のいずれかを発する。
【００１４】
本発明の別の目的は、プログラマブル電圧範囲用の電圧増幅のための改良された方法を提案することである。本方法は、
入力電圧信号の第１の範囲が増幅回路の第１の動作点との第１の規定関係で位置付けられるように入力電圧信号を変換するステップと、
入力電圧信号の第２の範囲が増幅回路の第２の動作点との第２の規定関係で位置付けられるように入力電圧信号を変換するステップと、
第１の範囲を第１の出力信号に線形に変換するステップと、
第２の範囲を第２の出力信号に線形に変換するステップと、
を含む。
【００１５】
本発明の別の目的は、入力電圧信号をデジタル化するための改良された方法を提案することである。本方法は、上述のステップだけでなく、
第１の出力信号をデジタル化するステップと、
第２の出力信号をデジタル化するステップと、
を追加で含む。
【００１６】
本方法の個々のステップは、必ずしも上述の順で実施されなければならないことはない。
【００１７】
請求項１に記載のフィルタ回路、請求項１２に記載のアナログ・デジタル変換器の回路配置、および請求項１４に記載の方法は、特に従属請求項で記載されるとき、類似および／または同一の実施形態を有することが指摘される。
【００１８】
従属請求項と対応する独立請求項とのあらゆる組み合わせもまた、本発明の好ましい実施形態を構成することも指摘される。
【００１９】
更なる好ましい実施形態を後述する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
本発明のこれらおよび他の態様を、以下の図面において詳細に示す。
【図１】図１は第１の電圧増幅器を示す。
【図２】図２は第２の電圧増幅器を示す。
【図３】図３は第２の電圧増幅器の信号曲線を示す。
【図４】図４は第３の電圧増幅器を示す。
【図５】図５は第３の電圧増幅器の信号曲線を示す。
【図６】図６は第４の電圧増幅器の概略図を示す。
【図７】図７は第３の電圧増幅器を有するアナログ・デジタル変換器を示す。
【図８】図８は電圧増幅のための方法の概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は、第１の電圧増幅器１００を示す。第１の電圧増幅器１００は、電源を有する制御段１１０と、電界効果トランジスタで構成された差動増幅器とを含む。入力ひいては入力電圧信号１０は、差動増幅器の自己ロック型の第１の電界効果トランジスタのゲートに搬送され、それによりこの電界効果トランジスタのソースは電源に接続される。本明細書では、差動増幅器の出力は、自己導電性の電界効果トランジスタのゲートに接続され、このトランジスタは次に、入力で第１の自己ロック型の電界効果トランジスタとは反対に接続される差動トランジスタの第２の自己ロック型の電界効果トランジスタの別のゲートに接続される。この接続により、入力電圧１１５は、第２の自己ロック型の電界効果トランジスタのゲートに存在する。第１の電圧増幅器１００もまた、増幅回路１３０を有し、この回路はこの場合、カレントミラーとして構成される。第１の電圧増幅器１００は、入力基準抵抗１２１および入力基準電圧１３３を有する入力基準抵抗器配置１２０を含む。入力基準電圧１３３は、入力基準抵抗１２１に接続され、この抵抗は次に、第２の自己ロック型の電界効果トランジスタのゲートに接続される。したがって、入力電圧はまた、入力基準抵抗の出力に存在する。それ故に、入力電圧は次の式である。
【化１】
2018519767.tif 000003
式中、Ｒｓｉｇｎａｌは入力基準抵抗１２１を表し、Ｖｒｅｆｉｎｐｕｔは入力基準電圧１３３を表す。電流ｉｓｉｇｎａｌは入力基準抵抗１２１を流れる電流を表す。バイアス電圧１３１が増幅回路１３０および関連のゲートのカレントミラーの２つの自己ロック型の電界効果トランジスタの入力の間に印加され、それによりカレントミラーはＭ／Ｎミラー比を有する。したがって、電流ｉｂｉａｓは、カレントミラーの自己ロック型の電界効果トランジスタを流れ、このカレントミラーは入力基準抵抗１２１の出力および差動増幅器の第２の自己ロック型の電界効果トランジスタのゲートに接続される。その結果として、電流ｉｂｉａｓ＋ｉｓｉｇｎａｌは、ゲートが入力電圧信号１０の帰還に使用される増幅回路１３０の自己導電性の電界効果トランジスタを流れる。したがって、ミラー比により、カレントミラーの出力側では、電流（Ｍ／Ｎ）＊ｉｂｉａｓは、出力基準回路が出力基準抵抗１３７および出力基準電圧１３５を含む接点の上方を流れ、電流（Ｍ／Ｎ）＊ｉｂｉａｓ＋ｉｓｉｇｎａｌは、接点の下方を流れる。したがって、電流（Ｍ／Ｎ）＊ｉｓｉｇｎａｌは、出力基準抵抗１３７を介して流れる。それ故に、第１の電圧増幅器１００の場合、第１の出力信号１９１は次の式である。
【化２】
2018519767.tif 000004
式中、Ｒｏｕｔｐｕｔは出力基準抵抗１３７を表し、Ｖｒｅｆｏｕｔｐｕｔは出力基準電圧１３５を表す。したがって、第１の電圧増幅器１００の動作点は、入力基準抵抗１２１、入力基準電圧１３３、出力基準抵抗１３７、および出力基準電圧１３５によって、１つの入力基準信号１０に対して本質的に自由に設定することができる。
【００２２】
このように、あらゆる種類の入力電圧信号１０は、増幅回路１３０によって線形に増幅され得るように適合することができる。この設定能力を確保するために、基準抵抗ならびに基準電圧は、例えば、それらが設定され得るように構成され得る。基準抵抗ならびに基準電圧の具体的な値は、用途、技術、および全体的な概念によって決まる。これに関して、電圧増幅器１００がアナログ・デジタル変換器の回路配置５００に用いられるとき、例えば、所望のビット数が同様に重要である。
【００２３】
図２は、第２の電圧増幅器１００を示す。第２の電圧増幅器１００は、電源および差動増幅器を有する制御段１１０を更に含み、それにより出力信号は図１と併せて説明したように差動増幅器に同様に帰還する。図１での状況と同様に、バイアス電流がバイアス電圧１３１によって利用可能にされ、それによりこのバイアス電流は入力基準抵抗器配置１２０の入力基準抵抗１２２、１２３、１２４および１２５を介して流れる。入力基準抵抗１２２、１２３、１２４および１２５は次に、増幅回路１３０の様々な動作点が入力電圧信号１０に対して設定され得るように入力基準抵抗１２２と１２３と１２４と１２５との間に定義される電位が各々設定され得るように選択される。これに関して、増幅回路１３０は、正の入力が基準抵抗器配置１２０に接続される第１の増幅器１４０を有し、それにより第１の増幅器１４０の正の入力では、電位は第１の入力基準抵抗１２２と第２の入力基準抵抗１２３との間に存在する。第１の増幅器１４０の出力は、第１の負帰還抵抗１４２に負帰還する。さらに、第１の増幅器１４０の負の出力は、第１の増幅抵抗１４４を介して第１の増幅バイアス電圧１４６に接続される。第１の増幅器１４０の増幅は、第１の負帰還抵抗１４２および第１の増幅抵抗１４４によって設定され、１の値も含むことができる。制御信号として入力電圧信号１０を受信する自己ロック型の電界効果トランジスタとは反対に接続される、差動抵抗の入力における自己ロック型の電界効果トランジスタのゲートは、第２の入力基準抵抗１２３と第３の入力基準抵抗１２４との間に接続される。入力電圧は、図１と併せて詳述したように、この時点で存在する。増幅回路１３０によって同様に含まれる第２の増幅器１５０の正の入力は、第３の入力基準抵抗１２４と第４の入力基準抵抗１２５との間に接続される。第２の増幅器１５０の出力は、第２の負帰還抵抗１５２に負帰還する。第２の抵抗１５０の負の出力もまた、第２の増幅抵抗１５４を介して第２の増幅バイアス電圧１５６に接続される。第２の増幅器１５０の増幅は、第２の負帰還抵抗１５２および第２の増幅抵抗１５４によって設定される。図２に示す具体的な実施形態では、個々の構成要素は次のような値を有する。第１の入力基準抵抗１２２は値Ｒ２を有し、第２の入力基準抵抗１２３は値Ｒ２／２を有し、第３の入力基準抵抗１２４は値Ｒ２／２を有し、第４の入力基準抵抗１２５は値Ｒ２を有し、第１の増幅抵抗１４４および第２の増幅抵抗１５４は各々、値Ｒ１を有し、第１の負帰還抵抗１４２および第２の負帰還抵抗１５２は各々、値２＊Ｒ１を有し、第１の増幅バイアス電圧１４６および第２の増幅バイアス電圧１５６は同じであり、バイアス電圧１３１の値とは異なる値を有する（個別の数量に対する値の例は、Ｒ１＝５００オーム（信号の帯域幅によって主に設定される）、Ｒ２＝２００オーム（制御ユニットの出力段を通じて１ｍＡの電流では、結果は各々２００ｍＶの電圧区間であり、その結果、抵抗１４２および１４４の値に対して２の比率での出力電圧は、増幅バイアス電圧を中心に各々２００ｍＶである）、増幅バイアス電圧＝供給電圧範囲の半分、これは特に以下のコンパレータによって決まり、例えば、バイアス電圧＝３００ｍＶ、これは増幅範囲を十分に利用するために予期される入力電圧範囲内であるべきである）。それ故に、他の電圧信号１０に対する第１および第２の増幅器の正の入力での電位は、入力基準抵抗１２２、１２３、１２４および１２５によって設定することができる。第１の増幅器１４０および第２の増幅器１５０がそれ故に同じ絶対動作点を有する場合、入力電圧信号１０に対する異なる動作点は、入力基準抵抗１２２、１２３、１２４および１２５によって設定することができる。
【００２４】
図３は、第２の電圧増幅器１００の信号曲線を示す。入力電圧信号１０の信号振幅２０を、時間３０にわたって本明細書にプロットする。入力電圧信号は、縦方向の破線で第１の範囲１２および第２の範囲１４に分けられる。この場合、入力電圧信号１０は正弦波であり、第２の範囲は正の半波に相当し、第１の範囲は負の半波に相当する。入力電圧信号１０の第２の範囲１４では、第２の出力信号１９２は、線形部４３４を有する。入力電圧信号１０のこの第２の領域では、第２の増幅器１５０は、線形増幅を有する。この線形増幅は、第２の増幅器１５０の正の入力での電圧が値Ｒ２／２＊ｉｂｉａｓによって入力電圧に対して低下するという事実によるものである。入力電圧信号１０の第１の範囲１２では、第２の増幅器１５０はオーバードライブし、非線形信号４３２を発する。入力電圧信号１０の第１の範囲１２では、第１の出力信号１９１は、線形部４２４を有する。入力電圧信号１０のこの第１の範囲では、第１の増幅器１４０は、線形増幅を有する。この線形増幅は、第１の増幅器１４０の正の入力での電圧が値Ｒ２／２＊ｉｂｉａｓによって入力電圧に対して低下するという事実によるものである。入力電圧信号１０の第２の範囲１４では、第１の増幅器１４０はオーバードライブし、非線形信号４２２を発する。
【００２５】
図４は、４つの出力を有する第３の電圧増幅器１００を示す。電圧増幅器１００の回路図は、図２の回路図と非常に類似している。しかし、図２とは異なり、１つの出力につき１つの制御段１１０が入力で利用可能にされる。この場合も、並列に配置した４つの増幅器の動作点は、入力基準抵抗１２６、１２７、１２８および１２９を有する入力基準抵抗器配置によって入力電圧信号１０に対して定義される。この過程では、増幅器の正の入力に存在する電位（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４）は、属するバイアス電流（同じ大きさであるように選択される）の電流路で入力基準抵抗１２６、１２７、１２８および１２９に対する接点の位置、かつ入力基準抵抗１２６、１２７、１２８および１２９の大きさに対する接点の位置によって決定される。図２に示した具体的な実施形態では、個々の構成要素は次のような値を有する。第５の入力基準抵抗１２６は値１．５＊Ｒ２を有し、第６の入力基準抵抗１２７は値Ｒ２／２を有し、第７の入力基準抵抗１２８は値Ｒ２／２を有し、第４の入力基準抵抗１２９は値１．５＊Ｒ２を有し、増幅抵抗１４４は各々、値Ｒ１を有し、負帰還抵抗１４２は各々、値ｎ＊Ｒ１を有し、第１の増幅バイアス電圧１４６は増幅器のすべてに対して同じであり、バイアス電圧１３１の値とは異なる値を有する。
【００２６】
図５は、図４に記載するように、第３の電圧増幅器１００の信号曲線を示す。入力電圧信号１０、第３の増幅器の正の入力での電圧Ｖ３、第４の増幅器の正の入力での電圧Ｖ４、第３の出力信号１９３、および第４の出力信号１９４が示される。電圧Ｖ３およびＶ４は、入力基準抵抗１２８および１２９によって入力電圧信号１０に対してずれる。その結果として、入力電圧信号１０に対する増幅器の異なる動作点は、入力基準抵抗１２８および１２９によって定義される。このずれの結果は、第３の出力信号１９３および第４の出力信号１９４で明らかになり、そこで入力電圧信号１０は一定の範囲内でのみ属する増幅器によって線形に増幅される。結果として、入力電圧信号１０をいくつかの振幅範囲（例えば、−１０Ｖ〜−５Ｖ、−５Ｖ〜０Ｖ、０Ｖ〜５Ｖ、５Ｖ〜１０Ｖ）に分け、次いで個々の増幅器を使用してこれらの振幅範囲を互いに別々に線形に増幅することが可能である。本明細書では、２つの水平方向の境界破線は、下縁での電源電圧および上縁での電源電圧に対する接地電位を示す。
【００２７】
図６は第４の電圧増幅器３００の概略図を示す。図１〜図３に関する詳述から分かり得るように、本発明に係る電圧増幅器３００は、幅広い具体的な回路配置によって実現することができる。例として提供される第４の電圧増幅器の概略図は、バイアス３１０、入力バッファ３２０、入力基準抵抗器配置３３０、入力の制御ユニット３４０、出力３５０、出力抵抗器配置３６０、および出力の制御ユニット３７０を含む。図６に概略的に示す第４の電圧増幅器３００の回路図は、集積回路の形態ならびに従来の回路技術の形態で実装することができる。
【００２８】
図７は、第３の電圧増幅器１００を有するアナログ・デジタル変換器の回路配置を示す。異なる入力基準電圧１１１、１１２、１１３および１１４を有する４つの増幅分岐の各々は、出力信号１９１、１９２、１９３および１９４を発する図４に示した増幅器の１つを有する。これらの出力信号１９１、１９２、１９３および１９４の各々は、明確に関連のアナログ・デジタル変換器５１０に伝えられる。これらのアナログ・デジタル変換器５１０の各々は、接地５２５および基準電圧５１５に接続され、この変換器はこの場合に均一である。アナログ・デジタル変換器５１０は次に、デジタル信号５３１を発する。出力信号１９１、１９２、１９３および１９４、ならびに基準電圧５１５は、４つのアナログ・デジタル変換器５１０の１つのみが最小デジタル値と最大デジタル値との間のデジタル値を発するように選択される。３つの他のアナログ・デジタル変換器５１０は、電圧が高過ぎるか、または低過ぎる出力信号１９１、１９２、１９３および１９４を受信する。それ故に、これら３つのアナログ・デジタル変換器５１０は、最小デジタル値（例えば、００００）または最大デジタル値（例えば、１１１１）のいずれかを発する。したがって、入力電圧信号１０の線形増幅範囲は、アナログ・デジタル変換器５１０の出力でデジタル信号５３１の比較によって単純な様式で決定することができる。この過程では、デジタル信号５３１は、クロック４０によって決定される時間離散ステップで発信される。出力信号が入力電圧信号１０の２つの範囲の間で正確に境界にある場合、アナログ・デジタル変換器（複数可）５１０は、最大デジタル値が最小デジタル値まで変動し、あるいはその逆に変動する正しい値を発する。
【００２９】
図８は、電圧増幅のための方法の概略図を示す。ステップ７１０では、入力電圧信号１０は、入力電圧信号１０の第１の範囲１２が増幅回路の第１の動作点との第１の規定関係で位置付けられるように変換される。ステップ７２０では、入力電圧信号１０は、入力電圧信号１０の第２の範囲１４が増幅回路の第２の動作点との第２の規定関係で位置付けられるように変換される。ステップ７３０では、第１の範囲１２は、第１の出力信号１９１に線形に変換される。ステップ７４０では、第２の範囲１４は、第２の出力信号１９２に線形に変換される。
【００３０】
本発明の概念は、増幅回路１３０の１つ以上の動作点での入力電圧信号に関して異なる関係で入力電圧信号１０の規定範囲１２、１４を位置付けることである。入力電圧信号１０の範囲１２、１４の適切な分割は、属する範囲１２、１４を線形に増幅することを可能にする。このような線形増幅出力信号は次に、例えば、いくつかのアナログ・デジタル変換器５１０によってデジタル信号に変換することができる。このように、高分解能のデジタル信号５３１を得るために比較的単純なアナログ・デジタル変換器５１０を使用することが可能である。例えば、パイプラインＡＤＣの場合に実施されなければならない種類の困難な較正の必要はない。
【００３１】
本発明の他の変形形態およびこれらの実行は、前述の開示、図面および特許クレームから当業者が収集することができる。
【００３２】
「包含する」、「備える」、「含む」、「有する」などの特許クレームで使用される用語は、追加の要素またはステップを排除するものではない。不定冠詞の使用は複数を妨げるものではない。それぞれ個々のデバイスは、特許クレームで引用したユニットまたはデバイスのいくつかの機能を実行することができる。特許クレームに示す参照番号は、用いた手段およびステップを限定するものと解釈されるものではない。
【符号の説明】
【００３３】
１０  入力電圧信号
１２  第１の範囲
１４  第２の範囲
２０  信号振幅
３０  時間軸
４０  クロック
１００、３００  電圧増幅器
１１０  制御段
１１１  第１の入力基準電圧
１１２  第２の入力基準電圧
１１３  第３の入力基準電圧
１１４  第４の入力基準電圧
１１５  入力電圧
１２０、３３０  入力基準抵抗器配置
１２１  入力基準抵抗
１２２  第１の入力基準抵抗
１２３  第２の入力基準抵抗
１２４  第３の入力基準抵抗
１２５  第４の入力基準抵抗
１２６  第５の入力基準抵抗
１２７  第６の入力基準抵抗
１２８  第７の入力基準抵抗
１２９  第８の入力基準抵抗
１３０  増幅回路
１３１  バイアス電圧
１３３  入力基準電圧
１３５  出力基準電圧
１３７  出力基準抵抗
１４０  第１の増幅器
１４２  第１の負帰還抵抗
１４４  第１の増幅抵抗
１４６  第１の増幅バイアス電圧
１５０  第２の増幅器
１５２  第２の負帰還抵抗
１５４  第２の増幅抵抗
１５６  第２の増幅バイアス電圧
１９１  第１の出力信号
１９２  第２の出力信号
１９３  第３の出力信号
１９４  第４の出力信号
３１０    バイアス
３２０  入力バッファ
３４０  制御ユニットの入力
３５０  出力
３６０  出力抵抗器配置
３７０  制御ユニットの出力
４２２  第１の出力信号の非線形部
４２４  第１の出力信号の線形部
４３２  第２の出力信号の非線形部
４３４  第２の出力信号の線形部
５００  アナログ・デジタル変換器の回路配置
５１０  アナログ・デジタル変換器
５１５    基準電圧
５２５  接地
５３１  デジタル信号
７１０  第１の範囲の変換
７２０  第２の範囲の変換
７３０  第１の範囲の線形変換
７４０  第２の範囲の線形変換
【図１】
2018519767.tif 000005
【図２】
2018519767.tif 000006
【図３】
2018519767.tif 000007
【図４】
2018519767.tif 000008
【図５】
2018519767.tif 000009
【図６】
2018519767.tif 000010
【図７】
2018519767.tif 000011
【図８】
2018519767.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成29年5月4日(2017.5.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プログラマブル電圧範囲用の電圧増幅器（１００、３００）であって、
前記電圧増幅器（１００、３００）は入力電圧信号（１０）に対する少なくとも第１の動作点および第２の動作点を有するものであり、
前記電圧増幅器（１００、３００）は前記第１の動作点によって前記入力電圧信号（１０）の第１の範囲（１２）を第１の出力信号（１９１）に線形に変換するように構成されるものであり、
前記電圧増幅器（１００、３００）はまた、前記第２の動作点によって前記入力電圧信号（１０）の第２の範囲（１４）を第２の出力信号（１９２）に線形に変換するように構成されるものであり、
前記電圧増幅器（１００、３００）は制御段（１１０）、少なくとも１つの入力基準抵抗器配置（１２０、３３０）、および増幅回路（１３０）を有するものであり、
前記制御段（１１０）は、前記入力電圧信号（１０）を入力電流信号に変換するように構成され、前記入力基準抵抗器配置（１２０、３３０）は、前記入力電圧信号（１０）の前記第１の範囲（１２）の第１の画像、および前記入力電圧信号（１０）の前記第２の範囲（１４）の第２の画像を提供するために前記入力電流信号を使用するように構成され、その結果、前記第１の画像は前記入力電圧信号（１０）に対する前記第１の動作点を含み、前記第２の画像は前記入力電圧信号（１０）に対する前記第２の動作点を含むものであり、
前記増幅回路（１３０）は、前記第１の画像を前記第１の出力信号（１９１）に、かつ前記第２の画像を前記第２の出力信号（１９２）に変換するように構成されるものである、電圧増幅器（１００、３００）。
【請求項２】
前記電圧増幅器（１００、３００）は、前記第１の動作点および前記第２の動作点は別として、追加の動作点が前記入力電圧信号（１０）に対して設定され得るように可変動作点を有するものである、請求項１に記載の電圧増幅器（１００、３００）。
【請求項３】
前記電圧増幅器（１００、３００）は、前記第１の動作点および前記第２の動作点を同時に提供するように構成されるものである、請求項１に記載の電圧増幅器（１００、３００）。
【請求項４】
前記第１の動作点および前記第２の動作点は、前記入力電圧信号（１０）の前記第１の範囲（１２）および前記入力電圧信号（１０）の前記第２の範囲（１４）が少なくとも１つの共有値を有するように設定されるものである、請求項３に記載の電圧増幅器（１００、３００）。
【請求項５】
前記入力電圧信号（１０）の前記第１の範囲（１２）および前記入力電圧信号（１０）の前記第２の範囲（１４）は互いに隣接するものである、請求項４に記載の電圧増幅器（１００、３００）。
【請求項６】
前記電圧増幅器（１００、３００）は、前記入力電圧信号（１０）の前記第１の範囲（１２）に対する所定の第１の増幅率によって前記第１の出力信号（１９１）を増幅するように構成されるものであり、
前記電圧増幅器（１００、３００）は、前記入力電圧信号（１０）の前記第２の範囲に対する所定の第２の増幅率によって前記第２の出力信号（１９２）を増幅するように構成されるものである、請求項１〜５の一項に記載の電圧増幅器（１００、３００）。
【請求項７】
前記増幅回路（１３０）は、前記第１の画像を第１の出力電流に、かつ前記第２の画像を第２の出力電流に変換するように構成されるものであり、
前記増幅回路（１３０）はまた、第１の出力基準抵抗（１３７）を介して、前記第１の出力電流の電圧降下として前記第１の出力信号（１９１）を発するように、かつ第２の出力基準抵抗（１３７）を介して、前記第２の出力電流の電圧降下として前記第２の出力信号を発するように構成されるものである、請求項６に記載の電圧増幅器（１００、３００）。
【請求項８】
前記増幅回路（１３０）は、前記入力電流信号に対する規定の第１の電流増幅率によって前記第１の出力電流を増幅し、かつ前記入力電流信号に対する規定の第２の電流増幅率によって前記第２の出力電流を増幅するように構成されるものである、請求項７に記載の電圧増幅器（１００、３００）。
【請求項９】
前記増幅回路（１３０）は、少なくとも第１の増幅器（１４０）および第２の増幅器（１４０）を有するものであり、
前記第１の増幅器は、第１の負帰還（１４２）によって前記第１の画像を前記第１の出力信号（１９１）に変換するように構成されるものであり、
前記第２の増幅器（１５０）は、第２の負帰還（１５２）によって前記第２の画像を前記第２の出力信号（１９２）に変換するように構成されるものである、請求項１に記載の電圧増幅器（１００、３００）。
【請求項１０】
前記第１の負帰還（１４２）は、前記第２の負帰還（１５２）に等しいものであり、
前記電圧増幅器（１００、３００）は、前記第１の増幅器（１４０）を使用する前記第１の増幅率によって前記第１の出力信号（１９１）を増幅するように構成されるものであり、
前記電圧増幅器（１００、３００）はまた、前記第２の増幅器（１５０）を使用する前記第２の増幅率によって前記第２の出力信号（１９２）を増幅するように構成され、前記第１の増幅率は、前記第２の増幅率と同じである、請求項９に記載の電圧増幅器（１００、３００）。
【請求項１１】
請求項１〜１０の一項に記載の少なくとも１つの電圧増幅器（１００、３００）、および少なくとも１つのアナログ・デジタル変換器（５１０）を備えるアナログ・デジタル変換器の回路配置（５００）であって、
前記アナログ・デジタル変換器（５１０）は、少なくとも前記第１の出力信号（１９１）を第１のデジタル信号（５３１）に変換し、かつ少なくとも前記第２の出力信号（１９２）を第２のデジタル信号（５３１）に変換するように構成されるものである、アナログ・デジタル変換器の回路配置（５００）。    
【請求項１２】
前記第１のデジタル信号（５３１）は、前記第１のデジタル信号（５３１）が第１の値を有するとき、前記入力電圧信号（１０）の第１の線形変換範囲を表すものであり、
前記第１の値は第１の最小デジタル値より大きく、第１の最大デジタル値より小さいものであり、
前記第２のデジタル信号（５３１）は、前記第２のデジタル信号が第２の値を有するとき、前記入力電圧信号（１０）の第２の線形変換範囲を表すものであり、
前記第２の値は第２の最小デジタル値より大きく、第２の最大デジタル値より小さいものである、請求項１１に記載のアナログ・デジタル変換器の回路配置（５００）。
【請求項１３】
プログラマブル電圧範囲用の電圧増幅のための方法であって、
入力電圧信号（１０）の第１の範囲（１２）が増幅回路（１３０）の第１の動作点との第１の規定関係で位置付けられるように前記入力電圧信号（１０）を変換するステップであって、前記入力電圧信号（１０）は入力電流信号に変換され、前記入力電流信号によって、前記入力電圧信号（１０）の前記第１の範囲の第１の画像が提供され、その結果、前記第１の画像は前記入力電圧信号（１０）に対する前記第１の動作点を含む、ステップと、
前記入力電圧信号（１０）の第２の範囲（１４）が前記増幅回路（１３０）の第２の動作点との第２の規定関係で位置付けられるように前記入力電圧信号（１０）を変換するステップであって、前記入力電流信号によって、前記入力電圧信号（１０）の前記第２の範囲の第２の画像が提供され、その結果、前記第２の画像は前記入力電圧信号（１０）に対する前記第２の動作点を含む、ステップと、
前記第１の画像によって前記第１の範囲（１２）を第１の出力信号（１９１）に線形に変換するステップと、
前記第２の画像によって前記第２の範囲（１４）を第２の出力信号（１９２）に線形に変換するステップと、
を含む、方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の前記ステップを含み、
前記第１の出力信号（１９１）をデジタル化するステップと、
前記第２の出力信号（１９２）をデジタル化するステップと、
をも含む、前記入力電圧信号（１０）をデジタル化するための方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
入力信号の増幅は、最大電源電圧によって制限される。入力信号は、更に線形に増幅され得る範囲にのみ増幅することができる。パイプライン・アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）では、この課題は、信号の帰還によって解決される。その後、信号は１つ以上のコンパレータによって評価され、この値はコンパレータの入力信号から減算され、その結果次に、差分、いわゆる残差のみが増幅される。パイプラインＡＤＣは、動作点のずれによる残差の無制御変動を防ぐために困難な方法で較正されなければならない。したがって、パイプラインＡＤＣは、これが動作点のずれにつながり得ることにより、急にスイッチをオンオフすることができない。
米国特許出願第２０１４／０２３２５７７号は、第１のおよび第２のアナログ・デジタル変換セルならびに制御ユニットを含むアナログ・デジタル変換器を開示している。制御ユニットは、モードを指定する信号が第１のモードを表示するとき、同じ電圧範囲に対する第１および第２の入力範囲を生成し、異なる位相で第１および第２のタイミング要素を生成する制御信号を生成するように構成される。制御ユニットはまた、モードを指定する信号が第２のモードを表示するとき、連続電圧範囲に対する第１および第２の入力範囲を生成し、同一位相で第一および第二のタイミング要素を生成する別の制御信号を生成するように構成される。
国際公開第ＷＯ２００４／０５１８５８号は、入力電圧をデジタル出力信号に変換するための方法、装置およびシステムを開示している。１つ以上の（フラッシュ型）アナログ・デジタル変換器での基準電圧との比較により、入力電圧を表すデジタル出力信号を生成する。２つ以上のアナログ・デジタル変換器が使用される場合、アナログ・デジタル変換器は線形である。
【国際調査報告】
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