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Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Bereitstellung eines Wechselsignals und ein Verfahren zum Betrieb der Schaltung.
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US 4,686,385 zeigt eine Schaltung zur Umwandlung einer Wellenform, wobei basierend auf einer sinusförmigen Eingangsspannung ein rechteckförmiges Ausgangssignal bereitgestellt wird.
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DE 34 17 624 A1 offenbart eine Schaltungsanordnung zur Umsetzung eines Wechselstromsignals in ein Binärsignal.
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Aus
US 3,622,800 ist eine Schaltung bekannt, um ein Gleichstromsignal in ein analoges Wechselstromsignal zu konvertieren.
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DE 38 24 557 A1 betrifft eine Schaltung zur Umwandlung, wobei aus einer in statischen Sensoren erzeugten und mit einem DC-Offset behafteten Wechselspannung mit Hilfe eines als Verstärker arbeitenden Operationsverstärkers Rechteckspannungen erzeugt werden.
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US 3,593,156 betrifft eine einen Differenzverstärker aufweisende Schaltungsanordnung zur Frequenzverdopplung eines Wechselsignals.
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Ein Rechtecksignal wird häufig als ein Taktsignal oder ein Oszillatorsignal für unterschiedliche elektronische Anwendungen benötigt. Hierbei wird häufig ein möglichst symmetrisches Puls-Pausen-Verhältnis angestrebt. Ein gegebenes Signal ist zunächst sinusförmig mit einer geringen Amplitude. Dieses Signal wird mittels eines Logikgatters verstärkt und in ein Rechtecksignal umgewandelt. Beispielsweise kann hierfür der Eingang des Logikgatters über einen Widerstand in etwa auf die halbe Betriebsspannung vorgespannt werden.
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Hierbei besteht das Problem, dass bei abgeschalteten sinusförmigem Signal am Eingang des Logikgatters oder für den Fall, dass das sinusförmige Signal eine zu geringe Amplitude aufweist, der Ausgang des Logikgatters keinen stabilen Zustand (entweder logisch ”0” oder logisch ”1”, auch bezeichnet als ”low” oder ”high” Potenzial) aufweist. Vielmehr kann der Ausgang des Logikgatters undefiniert zwischen den beiden logischen Zuständen oszillieren. Insbesondere ist es möglich, dass das Logikgatter unvorhersehbar im MHz- oder GHz-Bereich schwingt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden und insbesondere eine effiziente Lösung anzugeben, die verhindert, dass das Logikgatter unvorhersehbare Zustände einnimmt oder gar in unerwünschter Weise mit wechselnder oder sehr hoher Frequenz zwischen den logischen Zuständen wechselt (schwingt).
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Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen.
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Zur Lösung der Aufgabe wird eine Schaltung vorgeschlagen zur Bereitstellung eines Wechselsignals, insbesondere eines Taktsignals,
- – umfassend einen Verstärker (102), an dessen Eingang ein sinusförmiges Signal (Uq) angelegt ist,
- – wobei der Ausgang des Verstärkers (102) über einen Tiefpass (R21, C) oder über einen Teil eines Tiefpasses (R21, R22) mit dem Eingang verbunden ist,
- – wobei der Eingang des Verstärkers (102) auf die halbe Betriebsspannung (U0/2) vorgespannt ist.
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Hierbei sei angemerkt, dass es sich bei dem Tiefpass um eine Tiefpassschaltung handeln kann, die beispielsweise mehrere Bauteile aufweist, wobei ein Teil dieser Bauteile oder alle diese Bauteile in einem Rückkopplungszweig (auch bezeichnet als Rückführung) zwischen dem Ausgang und dem Eingang des Verstärkers vorgesehen ist/sind.
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Durch die Rückführung über den Tiefpass bzw. über den Teil des Tiefpasses kann erreicht werden, dass der Eingang des Verstärkers bei einer zu geringen Eingangsspannung automatisch verriegelt wird, so dass kein undefinierter Betrieb bzw. kein unerwünschtes Schwingen des Verstärkers auftritt.
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Auch sei angemerkt, dass es sich bei dem sinusförmigen Signal um ein Wechselsignal mit im Wesentlichen sinusförmigem Charakter handelt. Auch kann es sich um ein Signal handeln, das einem Wechselsignal mit sinusförmigem Charakter ähnlich ist, z. B. ein dreieckförmiges oder trapezförmiges Signal.
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Eine Weiterbildung ist es, dass mittels des Verstärkers in Abhängigkeit von dem sinusförmigen Signal das Wechselsignal bereitstellbar ist, wobei das Wechselsignal insbesondere ein Rechtecksignal mit einer größeren Amplitude als das sinusförmige Signal ist.
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Beispielsweise gibt das sinusförmige Signal als Eingangssignal eine bestimmte Frequenz vor, wobei abhängig von dieser Frequenz das Wechselsignal (z. B. Rechtecksignal) des Verstärkers erzeugt bzw. bereitgestellt wird. Vorzugsweise weist der Verstärker im Bereich einer Umschaltschwelle eine große Verstärkung auf.
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Hierzu ist beispielsweise der Eingang des Verstärkers über einen Widerstand mit der halben Betriebsspannung verbunden. Auch kann die halbe Betriebsspannung mittels eines Spannungsteilers bereitgestellt werden.
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Insbesondere ist es eine Weiterbildung, dass der Verstärker ein nichtinvertierender Verstärker ist.
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Beispielsweise kann der Verstärker als ein Verstärker ausgeführt sein, der in einer Mitkopplung betrieben wird.
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Eine andere Weiterbildung ist es, dass der Verstärker ein gleichspannungsgekoppelter Verstärker ist.
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Auch ist es eine Weiterbildung, dass der Verstärker ein Logikgatter ist. Somit kann die verstärkende Funktion eines Logikgatters oder eines Puffers genutzt werden.
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Ferner ist es eine Weiterbildung, dass der Tiefpass ein passiver Tiefpass oder ein aktiver Tiefpass ist. Beispielsweise kann ein passiver Tiefpass als ein RC-Glied, also als eine Kombination aus Widerständen und Kondensatoren, und ein aktiver Tiefpass mittels eines Operationsverstärkers oder eines sonstigen aktiv regelbaren Bauteils, realisiert sein.
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Im Rahmen einer zusätzlichen Weiterbildung ist die Grenzfrequenz des Tiefpasses kleiner als die Frequenz des sinusförmigen Signals.
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Insbesondere ist es von Vorteil, wenn die Grenzfrequenz des Tiefpasses wesentlich kleiner als die Frequenz des sinusförmigen Signals ist.
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Eine nächste Weiterbildung besteht darin, dass der Tiefpass mindestens einen Widerstand in einem Rückkoppelzweig zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Verstärkers aufweist.
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Eine andere Weiterbildung ist es, dass die für den Tiefpasseffekt benötigte Kapazität durch einen Koppelkondensator bereitgestellt wird, wobei der Koppelkondensator zwischen der Quelle des sinusförmigen Signals und dem Eingang des Verstärkers angeordnet ist.
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So kann ein einzelner Widerstand in dem Rückkoppelzweig in Verbindung mit dem Koppelkondensator, der zwischen der Quelle des sinusförmigen Signals und dem Eingang des Verstärkers vorgesehen ist, angeordnet sein. Damit wirken der Widerstand in dem Rückkoppelzweig und der Koppelkondensator als Tiefpass.
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Anhand des Koppelkondensators erfolgt eine Gleichspannungsentkopplung der Quelle von dem am Eingang des Verstärkers vorherrschenden Ruhepotenzial.
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Eine Ausgestaltung ist es, dass zwei in Reihe geschaltete Widerstände in dem Rückkoppelzweig vorgesehen sind, wobei der Verbindungspunkt zwischen den in Reihe geschalteten Widerständen über einen Kondensator mit Masse verbunden ist.
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Eine alternative Ausführungsform besteht darin, dass die Schaltung zur Takterzeugung einsetzbar ist.
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Eine nächste Ausgestaltung ist es, dass die Schaltung in einem Chip integriert ist.
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Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch gelöst mittels eines Verfahrens zum Bereitstellen eines Wechselsignals, insbesondere eines Taktsignals (z. B. auf einem Chip) anhand der hier beschriebenen Schaltung.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung dargestellt und erläutert.
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Es zeigt:
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1 ein schematisches Schaltbild mit einer Schaltung, die verhindert, dass ein Verstärker bzw. ein Logikgatter unvorhersehbare Zustände einnimmt oder gar in unerwünschter Weise mit wechselnder oder sehr hoher Frequenz unkontrolliert schwingt.
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Ein Logikgatter, das zur Verstärkung und zur Begrenzung von Sinussignalen eingesetzt wird, kann insbesondere an dessen Eingang auf die halbe Versorgungsspannung oder in etwa auf die halbe Versorgungsspannung vorgespannt werden. Hieraus folgen eine größtmögliche Empfindlichkeit und ein möglichst symmetrisches Puls-Pausen-Verhältnis am Ausgang des Logikgatters. Somit konvertiert das Logikgatter ein sinusförmiges Signal geringer Amplitude in ein rechteckförmiges Signal größerer Amplitude. Dieses rechteckförmige Signal kann z. B. als Takt- oder Oszillatorsignal verwendet werden.
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Hierbei ist es von Nachteil, dass im Bereich zu geringer Pegel des Sinussignals am Eingang des Logikgatters ein instabiler Zustand erreicht wird, so dass der Ausgang des Logikgatters unvorhersehbar zwischen den logischen Pegeln ”0” und ”1” hin und her schwingt.
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Der hier vorgestellte Ansatz unterbindet einen derartigen unerwünschten instabilen Zustand am Ausgang des Logikgatters bzw. dämmt diesen deutlich ein.
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Dies wird dadurch erreicht, dass das Ausgangssignal des Logikgatters über einen Tiefpass an den Eingang des Logikgatters zurückgeführt wird.
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1 zeigt ein schematisches Schaltbild, das die Funktionsweise der vorliegenden Lösung veranschaulicht.
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Eine Quelle 101 stellt ein sinusförmiges Signal mit der Spannung Uq bereit. Die Quelle 101 ist einerseits mit Masse und andererseits über einen Innenwiderstand Rq und einen Kondensator Ck (Koppelkondensator) mit dem Eingang eines Logikgatters 102 verbunden. Eine halbe Versorgungsspannung U0/2 ist über einen Widerstand R1 mit dem Eingang des Logikgatters 102 verbunden. Der Eingang des Logikgatters 102 ist über einen Widerstand R22 mit einem Knoten 103 verbunden. Der Knoten 103 liegt über einen Kondensator C an Masse. Weiterhin ist der Knoten 103 über einen Widerstand R21 mit dem Ausgang des Logikgatters 102 verbunden.
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An dem Eingang des Logikgatters 102 liegt eine Spannung UV und an dem Ausgang des Logikgatters 102 stellt sich eine Spannung UA ein.
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Zur Erläuterung der vorgeschlagenen Lösung wird beispielhaft angenommen, dass die Umschaltschwelle des Logikgatters 102 bei der halben Versorgungsspannung U0/2 liegt und dass das Logikgatter 102 eine große Verstärkung im Bereich der Umschaltschwelle aufweist.
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Die Grenzfrequenz des Tiefpasses, umfassend den Widerstand R21 und den Kondensator C, soll weit unterhalb der Eingangsfrequenz fin der Quelle 101 liegen, d. h.
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Am Eingang des ”ruhenden” Logikgatters ergibt sich nach dem Überlagerungssatz eine DC-Vorspannung gemäß
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Hierbei ist
die Summe aus den beiden Rückführwiderständen und U
A die konstante Spannung an dem Ausgang des Logikgatters im Ruhezustand. Für die beiden Logikzustände (”0” bzw. ”low” und ”1” bzw. ”high”) U
A_low = 0 und U
A_high = U
0 folgt:
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Damit der Gatterausgang bei Zuschaltung der Quelle
101 aus diesen beiden stabilen Zuständen zu einer Rechteckschwingung übergeht, muss die am Eingang überlagerte Amplitude die Umschaltschwelle U
0/2 mindestens einmal gerade über- bzw. unterschreiten. Somit muss sie mindestens einen Wert
erreichen. Hierbei sei angenommen, dass der Koppelkondensator für die Quellspannung U
q eine ideale Durchgangsverbindung darstellt und der Innenwiderstand R
q der Quelle
101 sehr klein im Vergleich zu dem Widerstand R
1 bzw. dem Widerstand R
22 ist. Mit der Bedingung R
q << R
22 wird insbesondere erreicht, dass der Kondensator C über den Widerstand R
22 das Wechselsignal am Eingang des Logikgatters
102 nicht zu stark belastet.
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Wäre der Widerstand R2 nicht vorhanden (d. h. der Wert des Widerstands R2 geht gegen unendlich), so könnte die Eingangsamplitude an dem Logikgatter 102 theoretisch beliebig klein werden (was ja gerade verhindert werden soll), während sie bei kleiner werdendem Widerstand R2 immer größer werden muss. Für den Sonderfall R1 = R2 muss die Eingangsamplitude an dem Logikgatter 102 mindestens den Wert U0/4 überschreiten.
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Kippt der Ausgang des Logikgatters 102 periodisch um und gibt somit ein rechteckförmiges Wechselsignal aus, bewegt sich der Mittelwert der Ausgangsspannung UA von ursprünglich der Betriebsspannung U0 (”high”) oder von 0 V (”low”) in Richtung der halben Betriebsspannung U0/2, so dass sich über die Rückführung auch die Vorspannung UV an dem Eingang des Logikgatters 102 zunehmend in Richtung der halben Betriebsspannung U0/2 bewegt. Somit stellt sich bei zunehmender Eingangsamplitude (Amplitude des sinusförmigen Signals) schnell ein symmetrisches Puls-Pausenverhältnis ein (d. h. ein Tastverhältnis von je 50% ”low”- und ”high”-Pegel).
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Sind die Bedingungen Rq << R1 und Rq << R2 gut erfüllbar, können die Widerstände R21 und R22 zu einem Widerstand R2 zusammengefasst werden. In diesem Fall kann der Kondensator C entfallen. Der Widerstand R2 wirkt zusammen mit dem Koppelkondensator Ck als Tiefpass, der den rückgeführten Wechselspannungsanteil über den niederohmigen Widerstand Rq der Quelle 101 kurzschließt, während der rückgeführte Gleichspannungsanteil wie oben beschrieben auf den Eingang des Logikgatters 102 wirkt.
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Da der Mittelwert einer symmetrischen Gatter-Ausgangsspannung bei der halben Betriebsspannung liegt, während der Gatterausgang im Ruhezustand bei 0 V (”low”) oder der vollen Betriebsspannung (”high”) liegt, wird eine Spannungsrückführung vorgeschlagen derart, dass der Gattereingang bei einer zu kleinen Eingangsspannung automatisch verriegelt wird, so dass kein undefinierter (störender) Betrieb mehr möglich ist.
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Hierbei sei angemerkt, dass es sich bei dem hier beschriebenen Gatter um ein Logikgatter handelt. Grundsätzlich kann ein nichtinvertierender gleichspannungsgekoppelter Verstärker eingesetzt werden. Der erwähnte Tiefpass kann auch als ein aktiver Tiefpass ausgestaltet sein.
