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WO2003049282A1 - Fully-differentiated differential amplifier with high input impedance - Google Patents

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WO2003049282A1
WO2003049282A1 PCT/DE2002/003771 DE0203771W WO03049282A1 WO 2003049282 A1 WO2003049282 A1 WO 2003049282A1 DE 0203771 W DE0203771 W DE 0203771W WO 03049282 A1 WO03049282 A1 WO 03049282A1
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WO
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pair
differential
output
resistors
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PCT/DE2002/003771
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Inventor
Admir Alihodzic
Original Assignee
Infineon Technologies Ag
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    • H03F2200/261Amplifier which being suitable for instrumentation applications

Definitions

  • the invention relates to a circuit, in particular an amplifier circuit, with a fully differential differential amplifier.
  • an amplifier electrical input voltages can be amplified and output as electrical output voltages.
  • Such amplifiers are used, for example, as microphone amplifiers or as instrumentation amplifiers.
  • relatively high gains are usually desirable and very low noise is necessary.
  • Low thermal noise in turn requires low resistance values within the amplifier.
  • a high input impedance, a low power requirement and a small required area are required in many applications.
  • a conventional fully differential amplifier as shown in FIG. 1, has a differential pair of inputs 1 and 1 ', between which an input voltage VIN is present, and a differential pair of outputs 2 and 2', between which an output voltage VOUT can be tapped.
  • a resistor Rl or Rl ' is connected in front of the inputs 1 and 1'.
  • Each input 1 or 1 ' is connected to an output 2 or 2' via a feedback branch, each of which contains a resistor R2 or R2 '.
  • a high degree of symmetry in the external wiring of the fully differential amplifier FDA is required.
  • the resistors R1 and R1 'and the resistors R2 and R2' each have the same resistance values.
  • the resistor R1 In the amplifier circuit shown in FIG. 1, it is not possible to achieve a very high input impedance with a small area requirement at the same time. If, for example, a value of over 100 k ⁇ is selected for the resistor R1, the resistor R2 must have a value of 3.2 M ⁇ with a maximum amplification of 30 dB. This high resistance value leads to an unacceptably large area requirement.
  • FDDA fully differential difference amplifiers
  • FDDA fully differential difference amplifiers
  • these amplifiers have a further differential input pair.
  • the output voltage of such a fully differential differential amplifier is proportional to the difference between the two differential input voltages.
  • the properties of a fully differential differential amplifier are described in the article "Fully Differential Basic Building Blocks Based on Fully Differential Difference Amplifiers with Unity-Gain Difference Feedback" by JF Duque-Carrillo, G. Torelli, R. Perez-Aloe, JM Valverde and F. Maloberti, published in IEEE Transactions on Circuits and Systems - I: Fundamental Theory and Applications, Volume 42, No. 3, 1995, pages 190-192
  • DDA differential differential amplifiers
  • Di differential amplifiers have two differential input pairs, but only on the output side via one output feature. With a differential differential amplifier, the output voltage is measured at its output against a common fixed potential, for example a ground.
  • a disadvantage of differential differential amplifiers is the design of the external circuit which is necessarily asymmetrical due to the fact that there is only one output. As a result, these amplifier circuits are generally relatively susceptible to external interference. Furthermore, the asymmetrical
  • the object of the invention is to provide a circuit, in particular an amplifier circuit, with a fully differential differential amplifier, which has a high input impedance and, in particular, easy adjustability of the gain factor.
  • a circuit according to the invention contains a fully differential differential amplifier which has a first differential input pair, a second differential input pair and a differential output pair. An input voltage is applied between a first input of the first differential input pair and a first input of the second differential input pair. An output voltage can be tapped between a first and a second output of the differential output pair. Furthermore, the circuit has a plurality of resistors which are connected in series between the output pair and via connection nodes. The second input of the first input pair can be connected to one of the connection nodes by means of a first changeover switch. The second input of the second input pair can also be connected to one of the connection nodes by means of a second changeover switch. The two changeover switches are switched so that at least one resistor is connected between the second inputs.
  • the resistors which are arranged in series between the second input of the first input pair and the first output of the output pair, advantageously form a first feedback resistor.
  • a second feedback branch is connected in series by the between the second input of the second input pair and the second output of the
  • the gain factor which indicates the gain of the input voltage into the output voltage, is determined by the feedback resistors and the at least one resistor. Because of the advantages of the circuit according to the invention, the two can be
  • Feedback resistors can be designed with low resistance. This results in a small footprint, low noise and low signal distortion. Furthermore, the two feedback resistors and the at least one resistor through the two can by the circuit according to the invention
  • Changeover switch can be set. This means that three different resistance values can be set using just two parameters.
  • the gain factor which results from the sizes of the two feedback resistors and the at least one resistor, can thus be set in a particularly simple manner.
  • the two feedback resistors advantageously always have the same resistance values.
  • the resistors of the plurality of resistors have the same resistance values. If the resistance values of the two feedback resistors are also the same, the two toggle switches are always switched synchronously to change the feedback resistors and the at least one resistor. This in turn means that two resistance values are set with just one parameter, which indicates the switch positions of the two-way switches.
  • the switch positions of the two Changeover switches are controllable and in particular programmable.
  • Transistors in particular MOS transistors, can advantageously be used to implement the two changeover switches.
  • a voltage source is connected in series with the at least one resistor between the first and the second feedback resistor.
  • This measure is useful if there is a constant bias voltage between the first inputs of the two differential input pairs, which is caused by different sizes of the common mode voltages that occur at the input and output of the circuit.
  • the constant bias voltage can be compensated for by the voltage provided by the voltage source.
  • the point of the circuit at which the voltage source is inserted into the circuit can be acted upon, for example, by the so-called common mode voltage.
  • the at least one resistor can preferably contain two series-connected resistors with the same resistance values, between which the voltage source is arranged.
  • circuit according to the invention When the circuit according to the invention is implemented in an electrical circuit or an electrical device, it is advantageous to adjust the circuit to design the voltage source to be adjustable or controllable.
  • the circuit according to the invention can be produced particularly advantageously as an integrated circuit using CMOS (complementary metal oxide semiconductor) technology.
  • CMOS complementary metal oxide semiconductor
  • circuit according to the invention as an amplifier circuit is particularly advantageous, in particular as a microphone or instrumentation amplifier circuit.
  • the input voltage is amplified and output as the output voltage, the gain factor being determined by the feedback resistors and the at least one resistor.
  • Rectifiers or filters are further options for implementing the circuit according to the invention.
  • a capacitor is connected upstream of the first inputs of the two differential input pairs.
  • a low-pass filter is generated, for example, by connecting capacitors in parallel with the feedback resistors.
  • the invention is based on
  • Fig. 1 shows a circuit diagram of a known amplifier circuit with a fully differential amplifier
  • Fig. 2 shows a circuit diagram of an exemplary embodiment of the circuit according to the invention.
  • Fig. 3 is a circuit diagram of the one shown in FIG. 2 shown
  • Embodiment used fully differential differential amplifier.
  • Fig. 2 shows an embodiment of the circuit according to the invention.
  • the circuit is implemented as an amplifier circuit.
  • a fully differential differential amplifier FDDA has a differential input pair with an inverting input 3 and a non-inverting input 4, a further differential input pair with an inverting input 3 'and a non-inverting input 4' and a differential output pair with outputs 5 and 5 ' on .
  • Resistors R7, R6, R5, R4, R3, R3 ', R4', R5 ', R6' and R7 ' are connected in series between the outputs 5 and 5', an additional adjustable voltage source VCONST being connected between the resistors R3 and R3 ' is switched.
  • Changeover switch S enables input 3 to be optionally connected to one of the nodes located between resistors R3 to R7. Accordingly, one of the nodes lying between the resistors R3 'to R7' is selected by means of a changeover switch S ', so that one
  • the resistors which are arranged in series between the node selected by the changeover switch S and the output 5, form a first feedback resistor of the fully differential
  • the resistors which are arranged in series between the node selected by the changeover switch S 'and the output 5', form a second feedback resistor of the fully differential differential amplifier FDDA.
  • An input voltage VIN feeds the fully differential differential amplifier FDDA via inputs 4 and 4 '.
  • An output voltage VOUT is present between outputs 5 and 5 '. If the resistor pairs R3 and R3 ', R4 and R4' etc. each have the same resistance values, the output voltage VOUT results from the amplification of the input voltage VIN with the amplification factor 1 + in the switching positions of the changeover switches S and S 'shown in FIG. 2 R3 / (R4 + R5 + R6 + R7).
  • the resistors R3 to R7 and R3 'to R7' advantageously have the same resistance values, and the changeover switches S and S 'always have symmetrical switch positions, so that overall a highly symmetrical external circuitry of the fully differential differential amplifier FDDA results. This minimizes the sensitivity of the amplifier circuit to external interference. Furthermore, the
  • Gain factor of the amplifier circuit can be set particularly easily, since only the switch positions of the toggle switches S and S 'have to be changed together. This means that the gain factor is set with just one setting parameter.
  • the voltage source VCONST must provide a voltage of [(R3 + R4 + R5 + R6 + R7) * VCMIN - R3 * VCMOUT] / (R4 + R5 + R6 + R7) at the gain factor set in FIG. 2.
  • the voltage source VCONST therefore serves to bring the connection point of the resistors R3 and R3 'to the so-called common mode voltage.
  • An input VCM of the fully differential differential amplifier FDDA serves to control or regulate the common-mode voltage VCMOUT on the output side.
  • the present amplifier circuit has a high input drive range of 1 Vpdiff with a supply voltage VDD of 1.8 V.
  • the amplification of the amplifier circuit can also be designed to be programmable. Gains from 0 dB to 30 dB are possible.
  • FIG. 3 shows a circuit diagram of the fully differential differential amplifier FDDA used in the exemplary embodiment of the invention shown in FIG. 2.
  • the fully differential differential amplifier FDDA contains three differential amplifiers with p-channel MOSFETs MP1, MP1 ', MP2, MP2', MP3, MP3 'and current sources II, 12, 13. Furthermore, the fully differential differential amplifier FDDA comprises current sources 14 and 15, Resistors R8 and R9, capacitors Cl, C2, C3 and C4 and n-channel MOSFETs MNl, MN2, MN3, MN4, MN5 and MN6.

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Abstract

The invention relates to a circuit with an input voltage (VIN) and an output voltage (VOUT), comprising a fully-differentiated differential amplifier (FDDA) with two differential input pairs (3, 4; 3', 4') and a differential output pair (5, 5').A number of resistances (R3,..., R7, R3',..., R7') are wired in series between the output pair (5, 5') by means of connection nodes. Each input (3, 3') of an input pair may be connected to one of the connection nodes by means of two selector switches (S, S').

Description

Beschreibungdescription
Voll differentieller Differenzverstärker mit hoher EingangsimpedanzFully differential differential amplifier with high input impedance
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung, insbesondere eine Verstärkerschaltung, mit einem voll differentiellen Differenzverstärker.The invention relates to a circuit, in particular an amplifier circuit, with a fully differential differential amplifier.
Mittels eines Verstärkers lassen sich elektrische EingangsSpannungen verstärken und als elektrische AusgangsSpannungen ausgeben. Derartige Verstärker werden beispielsweise als Mikrofonverstärker oder als Instrumentationsverstärker eingesetzt. Für solche Anwendungen sind meistens relativ hohe Verstärkungen wünschenswert und sehr geringes Rauschen notwendig. Ein geringes thermisches Rauschen erfordert wiederum geringe Widerstandswerte innerhalb des Verstärkers . Darüber hinaus werden bei vielen Anwendungen eine hohe Eingangsimpedanz, ein geringer Leistungsbedarf und eine kleine benötigte Fläche gefordert.Using an amplifier, electrical input voltages can be amplified and output as electrical output voltages. Such amplifiers are used, for example, as microphone amplifiers or as instrumentation amplifiers. For such applications, relatively high gains are usually desirable and very low noise is necessary. Low thermal noise in turn requires low resistance values within the amplifier. In addition, a high input impedance, a low power requirement and a small required area are required in many applications.
Ein gewöhnlicher voll differentieller Verstärker (fully differential amplifier) FDA weist, wie in Fig. 1 dargestellt, ein differentielles Paar von Eingängen 1 und 1' auf, zwischen welchen eine Ξingangsspannung VIN anliegt, sowie ein differentielles Paar von Ausgängen 2 und 2', zwischen welchen eine AusgangsSpannung VOUT abgreifbar ist. Vor die Eingänge 1 und 1 ' ist jeweils ein Widerstand Rl bzw. Rl' geschaltet. Jeder Eingang 1 bzw. 1' ist über einen Rückkoppelzweig, welcher jeweils einen Widerstand R2 bzw. R2' enthält, mit einem Ausgang 2 bzw. 2' verbunden. Zur Erzielung einer geringen Empfindlichkeit gegenüber externen Störungen ist eine hohe Symmetrie der äußeren Beschaltung des voll differentiellen Verstärkers FDA erforderlich. Dazu weisen die Widerstände Rl und Rl' und die Widerstände R2 und R2' jeweils gleiche Widerstandswerte auf . Bei der in Fig. 1 dargestellten Verstärkerschaltung ist es nicht möglich, eine sehr hohe Eingangsimpedanz bei einem gleichzeitig kleinen Flächenbedarf zu erzielen. Wird beispielsweise für den Widerstand Rl ein Wert von über 100 kΩ gewählt, so muss der Widerstand R2 bei einer maximalen Verstärkung von 30 dB einen Wert von 3,2 MΩ aufweisen. Dieser hohe Widerstandswert führt zu einem inakzeptabel großen Flächenbedarf .A conventional fully differential amplifier (FDA), as shown in FIG. 1, has a differential pair of inputs 1 and 1 ', between which an input voltage VIN is present, and a differential pair of outputs 2 and 2', between which an output voltage VOUT can be tapped. A resistor Rl or Rl 'is connected in front of the inputs 1 and 1'. Each input 1 or 1 'is connected to an output 2 or 2' via a feedback branch, each of which contains a resistor R2 or R2 '. In order to achieve a low sensitivity to external interference, a high degree of symmetry in the external wiring of the fully differential amplifier FDA is required. For this purpose, the resistors R1 and R1 'and the resistors R2 and R2' each have the same resistance values. In the amplifier circuit shown in FIG. 1, it is not possible to achieve a very high input impedance with a small area requirement at the same time. If, for example, a value of over 100 kΩ is selected for the resistor R1, the resistor R2 must have a value of 3.2 MΩ with a maximum amplification of 30 dB. This high resistance value leads to an unacceptably large area requirement.
Eine weitere Gruppe von Verstärkern beinhaltet voll differentielle Differenzverstärker (fully differential difference amplifier; FDDA) . Diese Verstärker weisen im Gegensatz zu dem vorstehend beschriebenen voll differentiellen Verstärker ein weiteres differentielles Eingangspaar auf. Die Ausgangsspannung eines solchen voll differentiellen Differenzverstärkers ist proportional zu der Differenz der beiden differentiellen Eingangsspannungen. Die Eigenschaften eines voll differentiellen Differenzverstärkers sind in dem Artikel „Fully Differential Basic Building Blocks Based on Fully Differential Difference Amplifiers with Unity- Gain Difference Feedback" von J. F. Duque-Carrillo, G. Torelli, R. Perez-Aloe, J. M. Valverde und F. Maloberti, erschienen in IEEE Transactions on Circuits and Systems - I : Fundamental Theory and Applications, Band 42, Nr. 3, 1995, Seiten 190-192, beschrieben. Anwendungen und äußereAnother group of amplifiers includes fully differential difference amplifiers (FDDA). In contrast to the fully differential amplifier described above, these amplifiers have a further differential input pair. The output voltage of such a fully differential differential amplifier is proportional to the difference between the two differential input voltages. The properties of a fully differential differential amplifier are described in the article "Fully Differential Basic Building Blocks Based on Fully Differential Difference Amplifiers with Unity-Gain Difference Feedback" by JF Duque-Carrillo, G. Torelli, R. Perez-Aloe, JM Valverde and F. Maloberti, published in IEEE Transactions on Circuits and Systems - I: Fundamental Theory and Applications, Volume 42, No. 3, 1995, pages 190-192
Beschaltungen von voll differentiellen Differenzverstärker sind in dem Artikel „A CMOS Fully Balanced Differential Difference Amplifier and Its Applications" von H. Alzaher und M. Ismail, erschienen in IEEE Transactions on Circuits and Systems - II: Analog and Digital Signal Processing, Band 48, Nr. 6, 2001, Seiten 614-620, beschrieben.Wirings of fully differential differential amplifiers are described in the article "A CMOS Fully Balanced Differential Difference Amplifier and Its Applications" by H. Alzaher and M. Ismail, published in IEEE Transactions on Circuits and Systems - II: Analog and Digital Signal Processing, Volume 48, No. 6, 2001, pages 614-620.
Des Weiteren sind differentielle Differenzverstärker (differential difference amplifier; DDA) bekannt, welche eingangsseitig genauso wie voll differentielleFurthermore, differential differential amplifiers (DDA) are known, which are just as fully differential on the input side
Di ferenzverstärker zwei differentielle Eingangspaare aufweisen, ausgangsseitig jedoch nur über einen Ausgang verfügen. Die AusgangsSpannung wird bei einem differentiellen Differenzverstärker an seinem Ausgang gegen ein gemeinsames festes Potential, beispielsweise eine Masse, gemessen.Di differential amplifiers have two differential input pairs, but only on the output side via one output feature. With a differential differential amplifier, the output voltage is measured at its output against a common fixed potential, for example a ground.
Die Artikel „A Versatile Building Block: The CMOSThe articles “A Versatile Building Block: The CMOS
Differential Difference Amplifier" von E. Säckinger und W. Guggenbühl, erschienen in IEEE Journal of Solid-State Circuits, Band SC-22, Nr. 2, 1987, Seiten 287-294, und „A 3.3-V 800-nVrrog Noise, Gain-Programmable CMOS Microphone Preamplifier Design Using Yield Modeling Technique" von G. Nicollini und C. Guardiani, erschienen in IEEE Journal of Solid-State Circuits, Band 28, Nr. 8, 1993, Seiten 915-921, befassen sich mit differentiellen Differenzverstärkern sowie mit Verstärkerschaltungen für diese Verstärkertypen.Differential Difference Amplifier "by E. Säckinger and W. Guggenbühl, published in IEEE Journal of Solid-State Circuits, Volume SC-22, No. 2, 1987, pages 287-294, and" A 3.3-V 800-nV rro g Noise, Gain-Programmable CMOS Microphone Preamplifier Design Using Yield Modeling Technique "by G. Nicollini and C. Guardiani, published in IEEE Journal of Solid-State Circuits, Volume 28, No. 8, 1993, pages 915-921, deal with differential differential amplifiers and with amplifier circuits for these types of amplifiers.
Nachteilig an differentiellen Differenzverstärkern ist der aufgrund des nur einen Ausgangs notwendigerweise unsymmetrische Aufbau der äußeren Beschaltung. Dadurch sind diese Verstärkerschaltungen im Allgemeinen relativ anfällig gegenüber externen Störungen. Ferner hat die unsymmetrischeA disadvantage of differential differential amplifiers is the design of the external circuit which is necessarily asymmetrical due to the fact that there is only one output. As a result, these amplifier circuits are generally relatively susceptible to external interference. Furthermore, the asymmetrical
Signaldarstellung den Nachteil, dass relativ hohe Signalpegel an den beiden differentiellen Eingangspaaren auftreten. Dieses erfordert aufwendig linearisierte Eingangsstufen sowie einen ausreichenden Gleichlauf (matching) zwischen den Eingangsstufen, um eine gute Linearität der Verstärkerschaltung zu erzielen.Signal display the disadvantage that relatively high signal levels occur at the two differential input pairs. This requires complex linearized input stages and sufficient synchronization (matching) between the input stages in order to achieve good linearity of the amplifier circuit.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltung, insbesondere eine Verstärkerschaltung, mit einem voll differentiellen Differenzverstärker zu schaffen, welche eine hohe Eingangsimpedanz und insbesondere eine einfache Einstellbarkeit des Verstärkungsfaktors aufweist.The object of the invention is to provide a circuit, in particular an amplifier circuit, with a fully differential differential amplifier, which has a high input impedance and, in particular, easy adjustability of the gain factor.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Eine erfindungsgemäße Schaltung enthält einen voll differentiellen Differenzverstärker, welcher ein erstes differentielles Eingangspaar, ein zweites differentielles Eingangspaar und ein differentielles Ausgangspaar aufweist. Eine EingangsSpannung wird zwischen einen ersten Eingang des ersten differentiellen Eingangspaars und einen ersten Eingang des zweiten differentiellen Eingangspaars angelegt. Eine AusgangsSpannung kann zwischen einem ersten und einem zweiten Ausgang des differentiellen Ausgangspaars abgegriffen werden. Ferner weist die Schaltung eine Mehrzahl von Widerständen auf, welche zwischen das Ausgangspaar und über Verbindungsknoten in Reihe geschaltet sind. Der zweite Eingang des ersten Eingangspaars kann mittels eines ersten Wechselschalters mit einem der Verbindungsknoten verbunden werden. Der zweite Eingang des zweiten Eingangspaars kann mittels eines zweiten Wechselschalters ebenfalls mit einem der Verbindungsknoten verbunden werden. Dabei sind die beiden Wechselschalter so geschaltet, dass zwischen die zweiten Eingänge mindestens ein Widerstand geschaltet ist.The problem underlying the invention is solved by the features of claim 1. Advantageous further developments and refinements of the invention are specified in the subclaims. A circuit according to the invention contains a fully differential differential amplifier which has a first differential input pair, a second differential input pair and a differential output pair. An input voltage is applied between a first input of the first differential input pair and a first input of the second differential input pair. An output voltage can be tapped between a first and a second output of the differential output pair. Furthermore, the circuit has a plurality of resistors which are connected in series between the output pair and via connection nodes. The second input of the first input pair can be connected to one of the connection nodes by means of a first changeover switch. The second input of the second input pair can also be connected to one of the connection nodes by means of a second changeover switch. The two changeover switches are switched so that at least one resistor is connected between the second inputs.
Die erfindungsgemäße Verwendung eines voll differentiellen Differenzverstärkers mit einem symmetrischen Ausgangspaar sowie die Symmetrie der erfindungsgemäßen Schaltung machen die Schaltung sehr unempfindlich gegenüber externen Störungen und erzeugen nur sehr kleine Differenzspannungen an den jeweiligen differentiellen Eingangspaaren. Dadurch kann eine hohe Eingangsimpedanz realisiert werden.The use according to the invention of a fully differential differential amplifier with a symmetrical output pair and the symmetry of the circuit according to the invention make the circuit very insensitive to external interference and only generate very small differential voltages at the respective differential input pairs. This enables a high input impedance to be achieved.
Vorteilhafterweise bilden die Widerstände, die zwischen dem zweiten Eingang des ersten Eingangspaars und dem ersten Ausgang des Ausgangspaars seriell angeordnet sind, einen ersten Rückkoppelwiderstand. Ein zweiter Rückkoppelzweig wird durch die Reihenschaltung der zwischen dem zweiten Eingang des zweiten Eingangspaars und dem zweiten Ausgang desThe resistors, which are arranged in series between the second input of the first input pair and the first output of the output pair, advantageously form a first feedback resistor. A second feedback branch is connected in series by the between the second input of the second input pair and the second output of the
Ausgangspaars angeordneten Widerstände gebildet. Bei einer Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltung als Verstärkerschaltung wird der Verstärkungsfaktor, welcher die Verstärkung der EingangsSpannung in die AusgangsSpannung angibt, durch die Rückkoppelwiderstände und den mindestens einen Widerstand bestimmt. Aufgrund der genannten Vorteile der erfindungsgemäßen Schaltung können die beidenOutput pair arranged resistors formed. When using the circuit according to the invention as Amplifier circuit, the gain factor, which indicates the gain of the input voltage into the output voltage, is determined by the feedback resistors and the at least one resistor. Because of the advantages of the circuit according to the invention, the two can
Rückkoppelwiderstände niederohmig ausgelegt werden. Daraus resultieren ein geringer Flächenbedarf, geringes Rauschen und geringe Signalverzerrungen. Ferner können durch die erfindungsgemäße Schaltung die beiden Rückkoppelwiderstände und der mindestens eine Widerstand durch die zweiFeedback resistors can be designed with low resistance. This results in a small footprint, low noise and low signal distortion. Furthermore, the two feedback resistors and the at least one resistor through the two can by the circuit according to the invention
Wechselschalter eingestellt werden. Das bedeutet, dass drei verschiedene Widerstandswerte durch nur zwei Parameter eingestellt werden. Bei einer Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltung als Verstärkerschaltung ist somit der Verstärkungsfaktor, der sich aus den Größen der beiden Rückkoppelwiderstände und des mindestens einen Widerstands ergibt, auf besonders einfache Weise einstellbar.Changeover switch can be set. This means that three different resistance values can be set using just two parameters. When the circuit according to the invention is used as an amplifier circuit, the gain factor, which results from the sizes of the two feedback resistors and the at least one resistor, can thus be set in a particularly simple manner.
Um eine möglichst hohe Symmetrie der erfindungsgemäßen Schaltung zu erzielen und somit die Einkopplung externerIn order to achieve the highest possible symmetry of the circuit according to the invention and thus the coupling of external ones
Störungen weitgehend zu unterdrücken, weisen die beiden Rückkoppelwiderstände vorteilhafterweise stets dieselben Widerstandswerte auf .To largely suppress interference, the two feedback resistors advantageously always have the same resistance values.
Außerdem kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Widerstände der Mehrzahl von Widerständen dieselben Widerstandswerte aufweisen. Sofern auch die Widerstandswerte der beiden Rückkoppelwiderstände gleich sind, werden für eine Änderung der Rückkoppelwiderstände und des mindestens einen Widerstands die beiden Wechselschalter stets synchron umgeschaltet . Dies bedeutet wiederum, dass mit nur einem Parameter, welcher die Schaltstellungen der Wechselschalter angibt, zwei Widerstandswerte eingestellt werden.In addition, it can preferably be provided that the resistors of the plurality of resistors have the same resistance values. If the resistance values of the two feedback resistors are also the same, the two toggle switches are always switched synchronously to change the feedback resistors and the at least one resistor. This in turn means that two resistance values are set with just one parameter, which indicates the switch positions of the two-way switches.
Zur Einstellung der beiden Wechselschalter ist es besonders vorteilhaft, wenn die Schaltstellungen der beiden WechselSchalter steuerbar und insbesondere programmierbar sind.To set the two toggle switches, it is particularly advantageous if the switch positions of the two Changeover switches are controllable and in particular programmable.
Vorteilhafterweise können zur Realisierung der beiden Wechselschalter Transistoren, insbesondere MOS-Transistoren, verwendet werden.Transistors, in particular MOS transistors, can advantageously be used to implement the two changeover switches.
Gemäß einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Spannungsquelle seriell mit dem mindestens einen Widerstand zwischen den ersten und den zweiten Rückkoppelwiderstand geschaltet. Diese Maßnahme ist sinnvoll, falls zwischen den ersten Eingängen der beiden differentiellen Eingangspaare eine konstante Vorspannung anliegt, welche durch unterschiedliche Größen der GleichtaktSpannungen, die am Eingang und am Ausgang der Schaltung auftreten, verursacht wird. Durch die von der Spannungsquelle bereitgestellte Spannung lässt sich die konstante Vorspannung kompensieren. Der Punkt der Schaltung, an welchem die Spannungsquelle in die Schaltung eingefügt wird, kann dadurch beispielsweise mit der sogenannten Common- Mode-Spannung beaufschlagt werden. Aus Symmetriegründen kann der mindestens eine Widerstand vorzugsweise zwei seriell geschaltete Widerstände mit gleichen Widerstandswerten enthalten, zwischen welchen die Spannungsquelle angeordnet ist.According to a further particularly advantageous embodiment of the invention, a voltage source is connected in series with the at least one resistor between the first and the second feedback resistor. This measure is useful if there is a constant bias voltage between the first inputs of the two differential input pairs, which is caused by different sizes of the common mode voltages that occur at the input and output of the circuit. The constant bias voltage can be compensated for by the voltage provided by the voltage source. The point of the circuit at which the voltage source is inserted into the circuit can be acted upon, for example, by the so-called common mode voltage. For reasons of symmetry, the at least one resistor can preferably contain two series-connected resistors with the same resistance values, between which the voltage source is arranged.
Bei einer Implementierung der erfindungsgemäßen Schaltung in einem elektrischen Schaltkreis oder einem elektrischen Gerät ist es zum Abgleichen der Schaltung von Vorteil, die Spannungsquelle einstellbar oder steuerbar auszulegen.When the circuit according to the invention is implemented in an electrical circuit or an electrical device, it is advantageous to adjust the circuit to design the voltage source to be adjustable or controllable.
Die erfindungsgemäße Schaltung kann besonders vorteilhaft als integrierte Schaltung mittels CMOS -(complementary metal oxid semiconductor) -Technologie hergestellt werden.The circuit according to the invention can be produced particularly advantageously as an integrated circuit using CMOS (complementary metal oxide semiconductor) technology.
Des Weiteren ist ein Einsatz der erfindungsgemäßen Schaltung als Verstärkerschaltung besonders vorteilhaft, insbesondere als Mikrofon- oder Instrumentations -Verstärkerschaltung . Hierbei wird die Eingangs Spannung verstärkt und als Ausgangs Spannung ausgegeben, wobei der Verstärkungsfaktor durch die Rückkoppelwiderstände und den mindestens einen Widerstand bestimmt ist .Furthermore, use of the circuit according to the invention as an amplifier circuit is particularly advantageous, in particular as a microphone or instrumentation amplifier circuit. The input voltage is amplified and output as the output voltage, the gain factor being determined by the feedback resistors and the at least one resistor.
Weitere Möglichkeiten zur Implementierung der erfindungsgemäßen Schaltung stellen Gleichrichter oder Filter dar. Zur Erzeugung eines Hochpassfilters wird beispielsweise den ersten Eingängen der beiden differentiellen Eingangspaare j eweils ein Kondensator vorgeschaltet . Ein Tiefpassf ilter wird zum Beispiel durch eine Parallelschaltung von Kondensatoren zu den Rückkoppelwiderständen erzeugt .Rectifiers or filters are further options for implementing the circuit according to the invention. To generate a high-pass filter, for example, a capacitor is connected upstream of the first inputs of the two differential input pairs. A low-pass filter is generated, for example, by connecting capacitors in parallel with the feedback resistors.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand vonThe invention is based on
Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert . Es zeigen:Embodiments explained in more detail with reference to the drawings. Show it:
Fig . 1 ein Schaltbild einer bekannten Verstärkerschaltung mit einem voll differentiellen Verstärker;Fig. 1 shows a circuit diagram of a known amplifier circuit with a fully differential amplifier;
Fig . 2 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltung ; undFig. 2 shows a circuit diagram of an exemplary embodiment of the circuit according to the invention; and
Fig . 3 ein Schaltbild des in dem in Fig . 2 gezeigtenFig. 3 is a circuit diagram of the one shown in FIG. 2 shown
Ausführungsbeispiel eingesetzten voll differentiellen Differenzverstärkers .Embodiment used fully differential differential amplifier.
Fig . 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung . Hierbei ist die Schaltung als Verstärkerschaltung realisiert . Ein voll dif ferentieller Differenzverstärker FDDA weist ein differentielles Eingangspaar mit einem invertierenden Eingang 3 und einem nicht -invertierenden Eingang 4 , ein weiteres differentielles Eingangspaar mit einem invertierenden Eingang 3 ' und einem nicht- invertierenden Eingang 4 ' sowie ein differentielles Ausgangspaar mit Ausgängen 5 und 5 ' auf . Zwischen die Ausgänge 5 und 5' sind Widerstände R7, R6, R5, R4, R3, R3', R4', R5 ' , R6' und R7' in Reihe geschaltet, wobei zwischen die Widerstände R3 und R3 ' zusätzlich eine einstellbare Spannungsquelle VCONST geschaltet ist. EinFig. 2 shows an embodiment of the circuit according to the invention. The circuit is implemented as an amplifier circuit. A fully differential differential amplifier FDDA has a differential input pair with an inverting input 3 and a non-inverting input 4, a further differential input pair with an inverting input 3 'and a non-inverting input 4' and a differential output pair with outputs 5 and 5 ' on . Resistors R7, R6, R5, R4, R3, R3 ', R4', R5 ', R6' and R7 'are connected in series between the outputs 5 and 5', an additional adjustable voltage source VCONST being connected between the resistors R3 and R3 ' is switched. On
Wechselschalter S ermöglicht es, den Eingang 3 wahlweise mit einem der zwischen den Widerständen R3 bis R7 befindlichen Knoten zu verbinden. Entsprechend wird mittels eines Wechselschalters S' einer der zwischen den Widerständen R3 ' bis R7' liegenden Knoten angewählt, sodass sich eineChangeover switch S enables input 3 to be optionally connected to one of the nodes located between resistors R3 to R7. Accordingly, one of the nodes lying between the resistors R3 'to R7' is selected by means of a changeover switch S ', so that one
Verbindung dieses Knotens mit dem Eingang 3 ' ergibt . Aufgrund dieser Beschaltung bilden die Widerstände, die seriell zwischen dem von dem Wechselschalter S ausgewählten Knoten und dem Ausgang 5 angeordnet sind, einen ersten Rückkoppelwiderstand des voll differentiellenConnection of this node with the input 3 'results. Because of this wiring, the resistors, which are arranged in series between the node selected by the changeover switch S and the output 5, form a first feedback resistor of the fully differential
Differenzverstärkers FDDA. Entsprechend bilden die Widerstände, die zwischen dem von dem Wechselschalter S' ausgewählten Knoten und dem Ausgang 5' seriell angeordnet sind, einen zweiten Rückkoppelwiderstand des voll differentiellen Differenzverstärkers FDDA.Differential amplifier FDDA. Correspondingly, the resistors, which are arranged in series between the node selected by the changeover switch S 'and the output 5', form a second feedback resistor of the fully differential differential amplifier FDDA.
Für die in Fig. 2 gezeigten Schaltstellungen der Wechselschalter S und S' bedeutet dies, dass sich der erste Rückkoppelwiderstand aus den Widerständen R4 bis R7 und der zweite Rückkoppelwiderstand aus den Widerständen R4' bis R7' ergeben.For the switch positions S and S 'shown in FIG. 2, this means that the first feedback resistor results from the resistors R4 to R7 and the second feedback resistor results from the resistors R4' to R7 '.
Eine EingangsSpannung VIN speist den voll differentiellen Differenzverstärker FDDA über die Eingänge 4 und 4' . Zwischen den Ausgängen 5 und 5' liegt eine AusgangsSpannung VOUT an. Sofern die Widerstandspaare R3 und R3', R4 und R4' usw. jeweils die gleichen Widerstandswerte aufweisen, ergibt sich bei den in Fig. 2 dargestellten Schaltstellungen der Wechselschalter S und S' die AusgangsSpannung VOUT aus der Verstärkung der EingangsSpannung VIN mit dem Verstärkungsfaktor 1 + R3/(R4 + R5 + R6 + R7) . Vorteilhafterweise besitzen die Widerstände R3 bis R7 sowie R3' bis R7' die gleichen Widerstandswerte, und die Wechselschalter S und S' weisen stets symmetrische Schaltstellungen auf, sodass sich insgesamt eine hochsymmetrische äußere Beschaltung des voll differentiellen Differenzverstärkers FDDA ergibt. Dadurch wird die Empfindlichkeit der Verstärkerschaltung gegenüber externen Störungen minimiert . Ferner kann dadurch derAn input voltage VIN feeds the fully differential differential amplifier FDDA via inputs 4 and 4 '. An output voltage VOUT is present between outputs 5 and 5 '. If the resistor pairs R3 and R3 ', R4 and R4' etc. each have the same resistance values, the output voltage VOUT results from the amplification of the input voltage VIN with the amplification factor 1 + in the switching positions of the changeover switches S and S 'shown in FIG. 2 R3 / (R4 + R5 + R6 + R7). The resistors R3 to R7 and R3 'to R7' advantageously have the same resistance values, and the changeover switches S and S 'always have symmetrical switch positions, so that overall a highly symmetrical external circuitry of the fully differential differential amplifier FDDA results. This minimizes the sensitivity of the amplifier circuit to external interference. Furthermore, the
Verstärkungsfaktor der Verstärkerschaltung besonders einfach eingestellt werden, da lediglich die Schaltstellungen der Wechselschalter S und S' gemeinsam geändert werden müssen. Das bedeutet, dass mit nur einem Einstellparameter der Verstärkungsfaktor eingestellt wird.Gain factor of the amplifier circuit can be set particularly easily, since only the switch positions of the toggle switches S and S 'have to be changed together. This means that the gain factor is set with just one setting parameter.
Falls die GleichtaktSpannung VCMIN an den Eingängen 4 und 4' und die GleichtaktSpannung VCMOUT an den Ausgängen 5 und 5' unterschiedliche Werte besitzen, tritt zwischen den Eingängen 4 und 4' eine konstante Vorspannung mit einem Wert von ± (VCMIN - VCMOUT) auf. Diese konstante Vorspannung lässt sich mit der von der Spannungsquelle VCONST erzeugtenIf the common mode voltage VCMIN at inputs 4 and 4 'and the common mode voltage VCMOUT at outputs 5 and 5' have different values, a constant bias voltage with a value of ± (VCMIN - VCMOUT) occurs between inputs 4 and 4 '. This constant bias voltage can be generated with the voltage source VCONST
Spannung kompensieren. Dazu muss die Spannungsquelle VCONST bei dem in Fig. 2 eingestellten Verstärkungsfaktor eine Spannung von [ (R3 + R4 + R5 + R6 + R7) * VCMIN - R3 * VCMOUT] / (R4 + R5 + R6 + R7) bereitstellen. Die Spannungsquelle VCONST dient folglich dazu, den Verbindungspunkt der Widerstände R3 und R3 ' auf die sogenannte Common-Mode- Spannung zu bringen.Compensate for tension. For this purpose, the voltage source VCONST must provide a voltage of [(R3 + R4 + R5 + R6 + R7) * VCMIN - R3 * VCMOUT] / (R4 + R5 + R6 + R7) at the gain factor set in FIG. 2. The voltage source VCONST therefore serves to bring the connection point of the resistors R3 and R3 'to the so-called common mode voltage.
Es wäre allerdings auch denkbar, die vorliegende Verstärkerschaltung ohne die Spannungsquelle VCONST zu realisieren. Dann würden die entsprechenden Anschlüsse der Widerstände R3 und R3 ' kurzgeschlossen.However, it would also be conceivable to implement the present amplifier circuit without the voltage source VCONST. Then the corresponding connections of the resistors R3 and R3 'would be short-circuited.
Ein Eingang VCM des voll differentiellen Differenzverstärkers FDDA dient dazu, die ausgangsseitige Gleichtaktspannung VCMOUT zu steuern oder zu regeln. Die vorliegende Verstärkerschaltung weist einen hohen Eingangsaussteuerbereich von 1 Vpdiff bei einer VersorgungsSpannung VDD von 1,8 V auf. Die Verstärkung der Verstärkerschaltung kann auch programmierbar ausgelegt werden. Es sind Verstärkungen von 0 dB bis 30 dB möglich.An input VCM of the fully differential differential amplifier FDDA serves to control or regulate the common-mode voltage VCMOUT on the output side. The present amplifier circuit has a high input drive range of 1 Vpdiff with a supply voltage VDD of 1.8 V. The amplification of the amplifier circuit can also be designed to be programmable. Gains from 0 dB to 30 dB are possible.
In Fig. 3 ist ein Schaltbild des in dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendeten voll differentiellen Differenzverstärkers FDDA dargestellt.FIG. 3 shows a circuit diagram of the fully differential differential amplifier FDDA used in the exemplary embodiment of the invention shown in FIG. 2.
Der voll differentielle Differenzverstärker FDDA enthält drei Differenzverst rker mit p-Kanal-MOSFETs MP1, MP1', MP2, MP2 ' , MP3, MP3' und Stromquellen II, 12, 13. Des Weiteren umfasst der voll differentielle Differenzverstärker FDDA Stromquellen 14 und 15, Widerstände R8 und R9, Kondensatoren Cl, C2 , C3 und C4 sowie n-Kanal-MOSFETs MNl, MN2 , MN3 , MN4 , MN5 und MN6. The fully differential differential amplifier FDDA contains three differential amplifiers with p-channel MOSFETs MP1, MP1 ', MP2, MP2', MP3, MP3 'and current sources II, 12, 13. Furthermore, the fully differential differential amplifier FDDA comprises current sources 14 and 15, Resistors R8 and R9, capacitors Cl, C2, C3 and C4 and n-channel MOSFETs MNl, MN2, MN3, MN4, MN5 and MN6.

Claims

Patentansprüche claims
1. Schaltung mit einem voll differentiellen Differenzverstärker (FDDA) , welcher ein erstes differentielles Eingangspaar (3, 4), ein zweites differentielles Eingangspaar (3', 4') und ein differentielles Ausgangspaar (5, 5') aufweist, wobei1. Circuit with a fully differential differential amplifier (FDDA), which has a first differential input pair (3, 4), a second differential input pair (3 ', 4') and a differential output pair (5, 5 '), wherein
- eine Eingangsspannung (VIN) zwischen einem ersten Eingang- an input voltage (VIN) between a first input
(4) des ersten Eingangspaars (3, 4) und einem ersten Eingang (4') des zweiten Eingangspaars (3', 4') anliegt,(4) of the first input pair (3, 4) and a first input (4 ') of the second input pair (3', 4 '),
- eine AusgangsSpannung (VOUT) zwischen einem ersten Ausgang- an output voltage (VOUT) between a first output
(5) und einem zweiten Ausgang (5') des Ausgangspaars (5, 5') abgreifbar ist,(5) and a second output (5 ') of the output pair (5, 5') can be tapped,
- eine Mehrzahl von Widerständen (R3, ... , R7 , R3 ' , ... , R7' ) zwischen das Ausgangspaar (5, 5') und über- A plurality of resistors (R3, ..., R7, R3 ', ..., R7') between the output pair (5, 5 ') and over
Verbindungsknoten in Reihe geschaltet ist,Connection node is connected in series,
- der zweite Eingang (3) des ersten Eingangspaars (3, 4) mittels eines ersten Wechselschalters (S) mit einem der Verbindungsknoten verbindbar ist, - der zweite Eingang (3') des zweiten Eingangspaars (3', 4') mittels eines zweiten Wechselschalters (S') mit einem der Verbindungsknoten verbindbar ist, und- The second input (3) of the first input pair (3, 4) can be connected to one of the connection nodes by means of a first changeover switch (S), - The second input (3 ') of the second input pair (3', 4 ') can be connected by means of a second one Changeover switch (S ') can be connected to one of the connection nodes, and
- die beiden Wechselschalter (S, S') derart geschaltet sind, dass zwischen den zweiten Eingang (3) des ersten Eingangspaars (3, 4) und den zweiten Eingang (3') des zweiten Eingangspaars (3', 4') mindestens ein Widerstand (R3, R3') aus der Mehrzahl von Widerständen (R3,..., R7, R3 ',..., R7') geschaltet ist.- The two changeover switches (S, S ') are connected such that at least one between the second input (3) of the first input pair (3, 4) and the second input (3') of the second input pair (3 ', 4') Resistor (R3, R3 ') from the plurality of resistors (R3, ..., R7, R3', ..., R7 ') is connected.
2. Schaltung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,2. Circuit according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
- dass die Widerstände (R4,..., R7) aus der Mehrzahl von Widerständen (R3, ... , R7, R3 ' , ... , R7' ) , die zwischen den zweiten Eingang (3) des ersten Eingangspaars (3, 4) und den ersten Ausgang (5) des Ausgangspaars (5, 5') geschaltet sind, einen ersten Rückkoppelwiderstand bilden, und - dass die Widerstände (R4 ',..., R7') aus der Mehrzahl von Widerständen (R3,..., R7, R3 ',..., R7'), die zwischen den zweiten Eingang (3') des zweiten Eingangspaars (3', 4') und den zweiten Ausgang (5') des Ausgangspaars (5, 5') geschaltet sind, einen zweiten Rückkoppelwiderstand bilden.- that the resistors (R4, ..., R7) from the plurality of resistors (R3, ..., R7, R3 ', ..., R7') connected between the second input (3) of the first input pair ( 3, 4) and the first output (5) of the output pair (5, 5 ') are connected, form a first feedback resistor, and - That the resistors (R4 ', ..., R7') from the plurality of resistors (R3, ..., R7, R3 ', ..., R7') connected between the second input (3 ') of the second input pair (3 ', 4') and the second output (5 ') of the output pair (5, 5') are connected to form a second feedback resistor.
3. Schaltung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, - dass der erste Rückkoppelwiderstand (R4,..., R7) und der zweite Rückkoppelwiderstand (R4' , ... , R7') dieselben Widerstandswerte aufweisen.3. Circuit according to claim 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, - that the first feedback resistor (R4, ..., R7) and the second feedback resistor (R4 ', ..., R7') have the same resistance values.
4. Schaltung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n t,4. Circuit according to one or more of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n t,
- dass die Widerstände der Mehrzahl von Widerständen (R3, ... , R7, R3' , ... , R7' ) dieselben Widerstandswerte aufweisen.- That the resistors of the plurality of resistors (R3, ..., R7, R3 ', ..., R7') have the same resistance values.
5. Schaltung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,5. Circuit according to one or more of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
- dass die Schaltstellungen der beiden Wechselschalter (S, S') steuerbar und insbesondere programmierbar sind.- That the switching positions of the two changeover switches (S, S ') are controllable and in particular programmable.
6. Schaltung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, - dass die beiden Wechselschalter (S, S') Transistoren, insbesondere MOS-Transistoren, aufweisen.6. Circuit according to one or more of the preceding claims, that the two toggle switches (S, S ') have transistors, in particular MOS transistors.
7. Schaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, - dass eine Spannungsquelle (VCONST) zwischen den ersten Rückkoppelwiderstand (R4,..., R7) und den zweiten Rückkoppelwiderstand (R4 ',..., R7') und in Reihe mit dem mindestens einen Widerstand (R3, R3 ' ) geschaltet ist.7. Circuit according to one or more of claims 2 to 6, characterized in that - a voltage source (VCONST) between the first feedback resistor (R4, ..., R7) and the second Feedback resistor (R4 ', ..., R7') and in series with the at least one resistor (R3, R3 ') is connected.
8. Schaltung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,8. Circuit according to claim 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
- dass die Spannungsquelle (VCONST) einstellbar oder steuerbar ist.- That the voltage source (VCONST) is adjustable or controllable.
9. Schaltung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,9. Circuit according to one or more of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
- dass die Schaltung mittels CMOS-Technologie realisiert ist.- That the circuit is implemented using CMOS technology.
10. Verstärkerschaltung, insbesondere eine Mikrofon- Verstärkerschaltung oder eine Instrumentations- Verstärkerschaltung, oder ein Filter oder ein Gleichrichter, enthaltend eine Schaltung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche . 10. amplifier circuit, in particular a microphone amplifier circuit or an instrumentation amplifier circuit, or a filter or a rectifier, containing a circuit according to one or more of the preceding claims.
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