DE102014105310B4 - Gleichtaktspannungsmultiplexer - Google Patents

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Abstract

Schaltung zum Verbinden mehrerer Eingangskanäle (12, 14) mit einer Empfangsvorrichtung (30), wobei die Schaltung Folgendes aufweist:mehrere Schalter (210), die in Reaktion auf ein jeweiliges Steuersignal jeweils einen jeweiligen der Eingangskanäle mit der Empfangsvorrichtung verbinden, wobei die Steuersignale auf ein Massesignal bezogen sind, und wobei jeder Eingangskanal eine Gleichtaktspannung einschließt, die nicht auf das Massesignal bezogen ist; undeinen Schaltertreiber (212), der die Steuersignale derart erzeugt, dass die Eingangskanäle jeweils einzeln aktiviert werden, wobei der Schaltertreiber wartet, bis das Massesignal auf einer Spannung etwa gleich der Gleichtaktspannung eines ausgewählten Eingangskanals ist, bevor er einen Schalter aktiviert, der dem ausgewählten Eingangskanal entspricht.

Description

  • INFORMATIONEN ZUM ALLGEMEINEN STAND DER TECHNIK
  • Elektrische Systems weisen häufig Komponenten an unterschiedlichen Stellen auf. Jede Komponente kann relativ zu einer Bezugsspannung wie etwa einer Schaltungsmasse, Gebäudemasse oder Erde arbeiten. Wenn die Bezugsspannung der Komponenten unterschiedlich ist, kann es vorkommen, dass die Komponenten nicht einwandfrei miteinander interagieren können. In einem Messsystem können Messungen von Messfühlern an unterschiedlichen Stellen durchgeführt werden, z. B. können Thermoelemente Temperaturmessungen in unterschiedlichen Teilen einer Fabrik durchführen. Jeder Messfühler kann seine Daten an einen jeweiligen Kanal ausgeben, und alle Kanäle können an eine Messvorrichtung, die an einer anderen Stelle in der Fabrik angeordnet ist, gemultiplext werden, derart, dass zu einem jeweiligen Zeitpunkt nur ein ausgewählter Kanal an die Messvorrichtung ausgegeben wird. Als Ergebnis einer kapazitiven, induktiven oder elektromagnetischen Kopplung kann jeder Kanal neben den Spannungen, die den Messfühlerdaten entsprechen, eine Gleichtaktspannung (CMV) aufweisen. Im Fall von Thermoelementen kann der Eingang im Bereich von 10 µVs liegen, während andere Messfühler einen Spannungseingang zwischen +10 V und -10 V bereitstellen können, der über der CMV liegt. Im Vergleich kann die CMV relativ zum Eingangssigal recht hoch sein. Die CMV kann zwischen den Kanälen variieren und sich auch von der Spannung eines Massesignals unterscheiden, das von der Messvorrichtung benutzt wird. Um einen einwandfreien Betrieb der Messvorrichtung sicherzustellen, wird das Massesignal normalerweise zur CMV des ausgewählten Kanals hin eingestellt. Eine Versorgungsspannung für die Messvorrichtung kann unter Bezugnahme auf das Massesignal erzeugt werden. Wenn also das Massesignal nah an der CMV liegt, ist auch die Versorgungsspannung nah an der CMV, d. h. auf einem Spannungspegel, der zum Ansteuern der Messvorrichtung geeignet ist, wenn der Eingang der Messvorrichtung die gleiche CMV aufweist.
  • Ein Verfahren zum Verbinden von Kanälen mit der Messvorrichtung besteht darin, einen PhotoMOS als einen Schalter für jeden Kanal zu verwenden. Eine Fotodiode innerhalb des PhotoMOS erzeugt eine Gate-an-Source-Spannung (Vgs) zum Einschalten des PhotoMOS, wodurch der Ausgang des Messfühlers mit dem Eingang der Messvorrichtung verbunden wird. Die Vgs wird relativ zur CMV des Kanals erzeugt, mit dem der PhotoMOS verbunden ist. PhotoMOS sind relativ große Vorrichtungen, teilweise aufgrund der Größe der Fotodioden und zugehöriger Hardware (z. B. einer Leuchtdiode zum Aktivieren der Fotodiode). PhotoMOS müssen außerdem mithilfe jeweiliger Steuerleitungen in einer Eins-zu-eins-Auslegung gesteuert (ein- oder ausgeschaltet) werden. Daher ist ein PhotoMOS möglicherweise nicht geeignet, um einen Multiplexer zu implementieren, falls viele Kanäle vorliegen oder das Platzangebot gering ist. Daher besteht Bedarf für verbesserte Wege zum Multiplexen von Kanälen mit unterschiedlichen CMVs.
  • US 5 045 851 A betrifft analoge Multiplexer, die Halbleiterschalter zum Multiplexen verwenden, wobei eine Shunt-Kapazitätsschaltung an jedem Eingangskanal angeordnet ist, um ein Rauschfilter für den Normalbetrieb bereitzustellen. Rauschen im Gleichtaktbetrieb wird unterdrückt, indem die Shunt-Kapazitätsschaltung an zumindest einem ausgewählten Kanal geöffnet wird (bevorzugt bei allen Kanälen). Dies erfolgt für die Dauer eines Schaltzyklus von jedem Kanal für die Dauer eines Gesamtzyklus der Frequenz der Wechselspannung. Der Zeitraum der Öffnung erfasst dabei einerseits die Abwählzeit für den abzuwählenden Kanal und die Auswahlzeit für den nächsten Kanal. US 6 900 686 B1 offenbart eine analoge Auswahlschaltung, die ein erstes Ausgangsdifferenzialpaar mit einer ersten Gleichtaktspannung und ein zweites Ausgangsdifferenzialpaar mit einer zweiten Gleichtaktspannung auswählt. Die analoge Schaltung hat erste und zweite Schalter, bei denen ein Source oder Drain mit dem ersten Ausgangsdifferenzialpaar verbunden ist. Dritte und vierte Schalter sind entsprechend mit dem zweiten Ausgangsdifferenzialpaar verbunden. Ein Verstärker hat einen ersten Eingang, der mit den nicht verwendeten Anschlüssen (Source oder Drain) verbunden ist. Eine Gleichtaktrückkopplungsschaltung steht mit den Eingängen des Verstärkers in Verbindung und hält eine Gleichtaktspannung des Verstärkers unterhalb der ersten und der zweiten Gleichtaktspannung.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung betreffen einen Multiplexer zum Verbinden von Kanälen mit unterschiedlichen CMVs, insbesondere einen Analog-Multiplexer zur Verwendung bei Anwesenheit hoher CMVs.
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung betreffen Systeme, die Multiplexer zum Verbinden von Signalen von mehreren Kanälen mit einer Empfangsvorrichtung benutzen, die mit den Kanälen verbunden ist.
  • In einer Ausführungsform sind ein Schalter und seine Steuervorrichtungen derart ausgelegt, dass der Schalter bei Anwesenheit von CMVs ausgeschaltet bleibt, bis der Schalter angewiesen wird, sich einzuschalten. Wenn der Schalter eingeschaltet wird, verbindet er einen jeweiligen Kanal mit einer Empfangsvorrichtung, bei der es sich um eine Messvorrichtung handeln kann. Der Schalter bleibt ausgeschaltet, bis eine Schaltung ein Massesignal zur CMV des jeweiligen Kanals hin einstellt. Das Massesignal kann von der Messvorrichtung benutzt werden. Das Anpassen des Massesignals etwa auf die CMV ermöglicht also der Messvorrichtung einen fehlerfreien Betrieb. Das Massesignal kann auch als Bezug für die Steuersignale des Schalters benutzt werden. Das Anpassen des Massesignal etwa auf die CMV ermöglicht es also auch, den Schalter ohne gefährlich hohe Spannungen einzuschalten, z. B. eine hohe Gate-an-Source-Spannung, wenn der Schalter mithilfe von MOS-Vorrichtungen implementiert ist.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Systems gemäß der vorliegenden Erfindung.
    • 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines einzelnen Kanals einer gemultiplexten Schalterarchitektur gemäß der vorliegenden Erfindung.
    • 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Schaltertreibers gemäß der vorliegenden Erfindung.
    • 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines einzelnen Kanals einer gemultiplexten Schalterarchitektur gemäß der vorliegenden Erfindung.
    • 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Systems gemäß der vorliegenden Erfindung.
    • 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Schaltertreibers gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Multiplexer (MUX) zum Verbinden von Kanälen mit unterschiedlichen CMVs. Der MUX kann Folgendes aufweisen: einen Satz von Schaltern, um die Kanäle mit einer Empfangsvorrichtung zu verbinden, einen Schaltertreiber zum Steuern der Schalter, eine Schaltung, um ein Massesignal auf eine CMV zu bringen, und eine Schaltung zum Erkennen, ob das Massesignal auf die CMV gebracht wurde. Die vorliegende Erfindung betrifft auch Systeme, die Multiplexer zum Verbinden von Signalen von einer Mehrzahl von Kanälen mit einer Empfangsvorrichtung benutzen, die mit den Kanälen verbunden ist.
  • 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Systems 100 gemäß der vorliegenden Erfindung. Das System 100 weist mehrere Messkanäle 12, 14 auf. Der Einfachheit halber sind nur zwei Kanäle dargestellt. Die Kanäle 12, 14 werden anhand eines Aktivierungssignals „EN“ von einem Mikrocontroller (MCU) 80 durch einen MUX 20 mit einer Messvorrichtung 30 verbunden.
  • Jeder Kanal 12, 14 weist zwei Leitungen zum Übertragen von Messfühlerdaten von einem jeweiligen Messfühler auf. Die Messfühlerdaten für den Kanal 12 sind als „TC-Eingang 1“ und die Messfühlerdaten für den Kanal 14 sind als „TC-Eingang 2“ gekennzeichnet. Eine CMV wird symbolisch durch eine Gleichspannungsquelle zwischen den einzelnen Kanälen und der Erde dargestellt. Die Werte der Gleichspannungsquellen und damit der CMV an den einzelnen Eingängen TC-Eingang 1 und TC-Eingang 2 können unterschiedlich sein. Allerdings versteht es sich, dass, dass sich die CMV in Wirklichkeit wie eine Wechselspannungsquelle verhalten kann, die sich mit einer bestimmten Frequenz ändert.
  • Jeder Kanal weist zwei Leitungen auf, derart, dass die Messfühlerdaten differenziell übertragen werden können, wobei eine Leitung als ein positiver Leiter dient und die andere Leitung ein negativer Leiter ist, wobei keiner dieser Leiter mit dem Massesignal „GND“ verbunden ist (mit dem die Messvorrichtung 30 verbunden ist). Der Differenzmodus gestattet eine genauere Messung, da die Messvorrichtung 30 die CMV unterdrücken kann, deren Wert gleich der Hälfte der Summe der Spannungen am positiven und negativen Leiter ist. Die CMV am Eingang der Messvorrichtung 30 (d. h. dem Eingang des Verstärkers 32) kann durch Kurzschließen des positiven und negativen Leiters z. B. mithilfe eines Gleichstromelements wie etwa eines Drahts oder eines Widerstands mit geringem Widerstandswert gemessen werden, so dass die Differenzspannung null ist und etwaige Restspannung der CMV entspricht. Die Gleichtaktunterdrückung ist im Stand der Technik bekannt und wird daher hier nicht beschrieben.
  • Obwohl Ausführungsbeispiels in Verbindung mit Differenzmesssystemen beschrieben werden, versteht es sich, dass Ausführungsbeispiele auch mit nicht differenziellen (d. h. unsymmetrischen) Messsystemen implementiert werden können. In einem Non-Referenced-Single-Ended- (NRSE, nicht massebezogenen und unsymmetrischen) System beispielsweise liefert der zweite Leiter eine Spannungsreferenz, die von allen Kanälen genutzt wird. Wie bei dem Differenzialsystem ist der zweite Leiter nicht mit GND verbunden. Grundsätzlich sind die Ausführungsbeispiele auch auf NRSE-Systeme anwendbar.
  • Die Messvorrichtung kann den Verstärker 32 aufweisen, der ein Betriebsverstärker sein kann und ein Signal verstärkt, dass er über einen ausgewählten Kanal empfängt, um einen Eingang an einen Analog-Digital-Wandler (ADW) 34 zu erzeugen.
  • Der ADW 34 wandelt die Analogspannung vom Verstärker 32 in einen digitalen Wert um, der einen gemessenen Wert darstellt, z. B. einen Temperaturwert, und gibt den digitalen Wert über eine Schnittstelle 65 an den MCU 80 aus. Die Schnittstelle 65 kann eine serielle Schnittstelle sein.
  • Ein Optokoppler oder Transformator 70 kann zwischen der Schnittstelle und dem MCU 80 angeordnet sein und dient als eine isolierende Barriere, die die Signale vom ADW 34 auf Pegel umwandelt, die für den MCU geeignet sind (z. B. auf ein Signal zwischen 0 und 5 V). Diese Barriere schützt den MCU 80 sowie Benutzer, die mit dem MCU 80 umgehen, vor hohen Spannungen.
  • Der MCU 80 erzeugt das EN-Signal, um die Auswahl der Schalter 22 durch den MUX 20 zu steuern. Das EN-Signal kann ein N-Bit-Signal sein, das am MUX 20 decodiert wird, um zu bestimmen, welcher Schalter mit dem Verstärker 32 verbunden werden soll. Jeder Schalter 22 kann ein jeweiliges Aktivierungssignal EN1, EN2, EN3, EN4 aufweisen, das entsprechend der Decodierung des EN-Signals ausgegeben wird. In einer Ausführungsform wird das EN-Signal mithilfe der seriellen Schnittstelle 65 ausgegeben, wodurch die Notwendigkeit weiterer Steuerleitungen für die Schalter wegfällt. Als eine Alternative zur gemeinsamen Nutzung der seriellen Schnittstelle 65 kann eine separate isolierende Barriere zum Steuern der Schalter 22 vorgesehen sein. Der MCU 80 kann weitere Steuersignale (nicht dargestellt), z. B. Steuersignale, über die serielle Schnittstelle 65 an die Messvorrichtung 30 bereitstellen, um den ADW 34 anzuweisen, wann er mit der Umwandlung beginnen soll. Der MCU 80 kann das Ergebnis der Umwandlung auch verarbeiten, indem er z. B. ein Steuersignal sendet, um einen Motor auszuschalten, wenn der ADW-Ausgang anzeigt, dass die Temperatur des Motors zu hoch ist.
  • Wenn der nächste Schalter 22 ausgewählt wird, schaltet der MUX 20 den derzeit ausgewählten Schalter 22 aus und stellt (treibt) das Massesignal GND zur CMV des neu ausgewählten Kanals hin ein. Die Einstellung von GND auf CMV durch den MUX wird in Verbindung mit 2 und 4 beschrieben, die unterschiedliche Schaltungen zum Durchführen der Anpassung benutzen. In Reaktion auf die Bestimmung, dass der Spannungswert von GND etwa auf demselben Pegel wie die CMV des neu ausgewählten Kanals ist, aktiviert der MUX 20 den Schalter 22 des neu ausgewählten Kanals (schaltet ihn ein), um den ausgewählten Kanal mit dem Verstärker 32 zu verbinden. Dies sorgt dafür, dass der Schalter 22 des neu ausgewählten Kanals sich einschalten kann, und es schützt außerdem den nächsten Schalter vor unnötig hohen Spannungen. Wie unten in Verbindung mit einer alternativen Ausführungsform erläutert, kann der MUX derart implementiert sein, dass das Einstellen von GND auf CMV nicht vor dem Aktivieren des Schalters 22 erforderlich ist, wenn ein alternativer Weg vorliegt, um sicherzustellen, dass die an den Schalter angelegten Spannungen auf einem angemessenen Pegel bleiben. Abhängig von der Auslegung des Schalters ist es möglicherweise nicht einmal notwendig, den Schalter vor den hohen Spannungen im Zusammenhang mit den Kanälen 12, 14 zu schützen. Allerdings versteht es sich, dass der Schutz, der durch die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele bereitgestellt wird, eine einfachere Auslegung der Schalter 22 ermöglichen kann. Neben den Schaltern 22 kann der MUX 20 auch einen entsprechenden Schalter 24 für jede Kanalleitung und jeden Schalter 22 aufweisen. Der MUX 20 schaltet einen Schalter 24 ein, um den ausgewählten Kanal mit GND zu verbinden, während die nicht ausgewählten Kanäle erdfrei (floating) bleiben. Wie in 1 und in allen Zeichnungen gezeigt, bedeuten einander kreuzende Signalleitungen nicht unbedingt, dass die Leitungen miteinander verbunden sind. So weist beispielsweise, wie oben erläutert, jeder Schalter 24 seine eigene entsprechende Kanalleitung und einen entsprechenden Schalter 22 auf.
  • Die Messvorrichtung 30 wird mit einer positiven Versorgungsspannung „VDD“ und einer negativen Versorgungsspannung „VSS“ betrieben. Sowohl VDD als auch VSS können abhängig von einem Versorgungsspannungssignal, z. B. einem 24-V-Wechselspannungssignal, von einer erdfreien Spannungsversorgungsvorrichtung 40 erzeugt werden. Die Versorgungsvorrichtung 40 kann das Versorgungsspannungssignal durch einen Transformator leiten, um das Versorgungsspannungssignal auf einen Spannungspegel umzuwandeln, der zum Antreiben der Messvorrichtung 30 geeignet ist. Außerdem kann die Versorgungsvorrichtung 40 das transformierte Spannungssignal gleichrichten und eine Spannungsregulierung durchführen, um VDD und VSS als im Wesentlichen konstante Gleichstromsignale zu erzeugen. VDD und VSS werden unter Bezugnahme auf das Massesignal „GND“ erzeugt. Indem der MUX 20 GND zur CMV eines ausgewählten Kanals hin einstellt, werden VDD und VSS auf einen Pegel der CMV für den ausgewählten Kanal getrieben, was es wiederum der Messvorrichtung 34 gestattet, eine genaue Messung des ausgewählten Kanals auszuführen. Wenn VDD und VSS nicht auf den Pegel der CMV getrieben würden, könnten Messfehler entstehen, wenn der Verstärker 32 gesättigt ist, z. B. wenn VDD die 24-V-Versorgungsspannung übersteigt. Es könnte auch zu Schäden am Verstärker 32 oder anderen Messvorrichtungskomponenten kommen.
  • Ein Gleichtaktdetektor 50 kann durch ein Paar abgestimmter Widerstände gebildet werden, um GND auf die Hälfte zwischen den zwei Leitungen des ausgewählten Kanals zu ziehen, d. h. auf die CMV des ausgewählten Kanals. Dies sorgt dafür, dass das Eingangssignal um die CMV herum vorgespannt ist, die dann vom Verstärker 32 unterdrückt wird. Das Ziehen von GND durch den Gleichtaktdetektor 50 geschieht in Reaktion auf die Aktivierung des nächsten Schalters 22, d. h. des Schalters 22 des neu ausgewählten Kanals. Wenn der nächste Schalter 22 aktiviert wird, ist es möglicherweise nicht mehr notwendig, dass der MUX 20 GND zur CMV hin einstellt, da diese Funktion vom Gleichtaktdetektor 50 übernommen wird. Der Grund ist der, dass, sobald die Schalter 22 eingeschaltet sind, die Widerstände des Gleichtaktdetektors 50 mit dem CMV-Weg verbunden werden und die CMV verfolgen, weshalb der MUX GND nicht mehr einzustellen braucht.
  • 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines einzelnen Kanals 200 einer gemultiplexten Schalterarchitektur gemäß der vorliegenden Erfindung. Die in 2 gezeigten Vorrichtungen können in einer integrierten Schaltung untergebracht sein und mit zusätzlichen Kopien der integrierten Schaltung kombiniert sein, um einen MUX gemäß der vorliegenden Erfindung zu bilden. Alternativ kann der gesamte MUX als eine einzelne integrierte Schaltung gebildet sein, die mehrere Instanzen des Kanals 200 einschließt. Wie dargestellt, weist der Kanal 200 einen mit „sa“ bezeichneten Eingang und einen mit „da“ bezeichneten Ausgang auf. Der Eingang sa ist mit einem jeweiligen Kanal 12, 14 verbunden und der Ausgang da ist mit dem Eingang der Messvorrichtung 30 verbunden. Der Kanal 200 kann eine Schaltung 204 aufweisen, die GND zur CMV des jeweiligen Kanals hin bewegt, einen Schalter 210 (der einem Schalter 22 in 1 entspricht), einen Schaltertreiber 212 und eine Schaltung 206, die erkennt, wann GND etwa gleich der CMV ist. Die Schaltung 204 ist ein Weg zum Implementieren des Schalters 24 aus 1.
  • Der Schalter 210 kann unter Verwendung von Hochspannungs-DMOS-Vorrichtungen als Schaltelementen implementiert sein. In den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die primären Schaltelemente zwei NDMOS-Vorrichtungen mn18 und mn19, die in Reihe geschaltet sind, derart, dass die parasitären Dioden der NDMOS-Vorrichtungen (die anhand von üblichen Diodensymbolen dargestellt sind) Rücken an Rücken angeordnet sind, was einen Ableitstrom zwischen sa und da verhindert. Alternativ kann der Schalter 210 unter Verwendung in Reihe geschalteter PDMOS oder in Reihe geschalteter NDMOS parallel zu den in Reihe geschalteten PDMOS implementiert sein, wie in der US-Patentanmeldung Nr. 13/592,692 beschrieben. Da DMOS-Vorrichtungen typischerweise auf 5,5 Vgs beschränkt sind, kann eine Zener-Diode d13 zwischen der gemeinsame Source der NDMOS-Vorrichtungen und dem gemeinsamen Gate der NDMOS-Vorrichtungen angeordnet sein, um die Gate-Oxide der NDMOS-Vorrichtungen zu schützen.
  • Der Schalter 210 kann standardmäßig ausgeschaltet konfiguriert sein. Ein nativer NMOS (mn16 beim Schaltertreiber aus 3) kann zwischen den Leitungen verbunden sein, die mit „midna“ und „ngatea“ bezeichnet sind, um 0 Vgs beizubehalten, bis der Schalter vom Schaltertreiber 212 (über midna und ngatea) verbunden wird, um eingeschaltet zu werden. Ngatea ist das gemeinsame Gate der NDMOS-Transistoren mn18 und mn19. Um den Schalter auszuschalten, wird 0 Vgs oder eine negative Vgs zwischen midna und ngatea beibehalten. Um den Schalter einzuschalten, wird eine positive Vgs von mehr als Vtn (der Schwellenspannung von mn18 und mn19) zwischen midna und ngatea beibehalten. Vtn ist typischerweise für einen NDMOS-Transistor kleiner als 1 V. Die Einschränkung von 5,5 Vgs für die DMOS-Vorrichtungen bedeutet, dass eine maximale Vgs von 5,5 V zwischen midna und ngatea zulässig ist, d. h., ngatea kann höchstens 5,5 V höher als midna sein.
  • Die Schaltung 204 weist einen NDMOS-Transistor mn26 in Reihe mit einer Diode d17 auf. Die Kathode der Diode d17 ist mit dem Drain von mn26 verbunden. Diese zwei Vorrichtungen bewegen gemeinsam GND zu einer positiven CMV. Mn26 wird durch das mit ndrwa bezeichnete Signal gesteuert. Entsprechend weist die Schaltung 204 einen PDMOS-Transistor mp21 in Reihe mit einer Diode d15 auf, um GND zu einer negativen CMV zu bewegen. Die Anode der Diode d15 ist mit dem Drain von mp21 verbunden. Die Sources von mn26 und mp21 sind beide mit GND verbunden. Die Diode d15 ist eine Blockierungsdiode, die in der Situation, in der der Kanal nicht ausgewählt ist und GND auf einer niedrigeren Spannung als die CMV der anderen Kanäle ist, einen Stromfluss verhindert. In ähnlicher Weise verhindert die Diode d17 den Stromfluss, wenn der Kanal nicht ausgewählt ist und GND eine höhere Spannung als die CMV der anderen Kanäle ist.
  • Der Betrieb der Schaltung 204 ist wie folgt. Wenn der Schalter angewiesen wird, sich einzuschalten, werden sowohl mn26 als auch mp21 eingeschaltet, z. B. mit GND + 5 V als ndrwa und GND - 5 V als pdrwa. Wenn der Eingang sa positiver als GND ist, fließt Strom von sa in GND und bewegt GND zur CMV bei sa. Wenn sa negativer als GND ist, fließt Strom von GND an sa, um GND zur CMV zu bewegen. Ndrwa und prdwa können von einem Dekoder (nicht dargestellt) erzeugt werden, der das EN-Signal dekodiert, das von MCU 80 in 1 ausgegeben wird.
  • Die Schaltung 206 ist eine Messschaltung, die unter Verwendung von zwei Komparatoren i5 und i6 implementiert sein kann, obwohl die Messschaltung auch ohne Komparatoren implementiert sein kann. Das Massesignal GND ist mit einem nicht invertierenden Eingang von i5 und einem invertierenden Eingang von i6 verbunden. Die anderen Eingänge von i5 und i6 sind mit sa verbunden. So bestimmt ein Komparator, ob der Eingang unter GND ist, während der andere Komparator bestimmt, ob der Eingang über GND ist. Die Auslöseschwellenwerte von i5 und i6 können unter Berücksichtigung dessen eingestellt sein, dass GND möglicherweise niemals genau gleich wie die CMV eingestellt wird. Beispielsweise können die Dioden d15 und d17 in der Schaltung 205 bewirken, dass GND niemals weniger als einen Diodenabfall von der CMV entfernt ist.
  • 3 zeigt Ausführungsbeispiel des Schaltertreibers 212, der die folgenden Komponenten aufweisen kann:
  • Mp10 und mp13 sind PMOS-Stromquellen, z. B. 5-V-Quellen, die Strom von der positiven Versorgungsspannung VDD ziehen. Mp10 und mp13 werden von einem Vorstrom pbias gesteuert.
  • D0 und d16 sind Zener-Dioden, die ihre jeweiligen Anoden bei etwa 5 V unter ihren jeweiligen Kathoden halten, um das Gate-Oxid der Transistorvorrichtungen zu schützen, denen diese Zener-Dioden zugeordnet sind. So sind diese Zener-Dioden analog zur Zener-Diode d13 im Schalter 210.
  • Mp15 ist ein PDMOS, der den Schaltertreiber 212 anhand der Kombination der folgenden Signale aktiviert oder deaktiviert: swon_pgate, sa_mp_gnd und sa_mn_gnd. Sa_mp_gnd und sa_mn_gnd sind in 2 gezeigt. Swon_pgate und ein komplementäres Signal swon_ngate sind Signale, die das Ein-/Ausverhalten des Schalters 210 anhand des Aktivierungssignals EN in 1 steuern. Wenn mp15_g gleich VDD ist, so ist mp15 aus. Wenn mp15_g mehr als Vtp (die Schwellenspannung von mp15) niedriger als VDD ist, ist mp15 ein. Mp15 schützt außerdem mp10 vor hohen Spannungen.
  • D9, d10 und d14 sind Dioden dienen dazu, bestimmte Spannungsabfälle im Schaltertreiber 212 zu erzeugen.
  • Mp14 ist ein PDMOS, der dazu dient, ngatea mittels Bootstrapping auf eine Spannung gleich der Summe von midna + Vtp + zwei Diodenabfälle zu bringen und so eine Vgs zum Einschalten des Schalters zu erzeugen. Mp14 schützt außerdem mn13 vor hohen Spannungen.
  • Mn13 und mn14 sind NMOS-Stromquellen, z. B. 5-V-Quellen, die Strom in VSS abführen. Mn13 und mn14 werden durch einen Vorstrom nbias gesteuert.
  • Mn20 ist ein NDMOS, der dazu dient, ngaten mittels Bootstrapping auf eine Spannung gleich der Differenz von midna - Vtn - einem Diodenabfall zu bringen. Dies schaltet mn16 aus, wenn der Schalter angewiesen wird, sich einzuschalten. Mp20 schützt außerdem mp13 vor hohen Spannungen.
  • Mn16 ist ein nativer NMOS und ist daher eingeschaltet, wenn er 0 Vgs empfängt. Mn16 dient dazu, midna gleich ngatea zu halten, wenn der Schalter angewiesen wird, sich auszuschalten. Wenn der Schalter angewiesen wird, sich einzuschalten, wird eine negative Vgs von etwa -1v dazu benutzt, mn16 auszuschalten und so eine positive Vgs zwischen midna und ngatea zuzulassen.
  • R1 ist ein Widerstand, der für 0 Vgs an mn16 sorgt, wenn der Schalter angewiesen wird, sich auszuschalten. Dieser Widerstand kann von der Treiberschaltung übersteuert werden, wenn der Schalter angewiesen wird, sich einzuschalten.
  • Mn17 ist ein NDMOS, der dazu dient, den Schaltertreiber anhand der Kombination der Signale swon_ngate, sa_mp_gnd und sa_mn_gnd zu aktivieren oder zu deaktivieren. Wenn die Gate-Spannung von mn17 gleich VSS ist, ist mn17 aus. Wenn die Gate-Spannung von mn17 um mehr als Vtn höher als VSS ist, ist mn17 ein. Mp17 schützt außerdem mn14 vor hohen Spannungen.
  • AND-Gates i11 und i8 stellen kombinatorische Logik dar, die dazu dient, sa_mp_gnd und sa_mn_gnd mit den Treibersteuersignalen zu kombinieren, um sicherzustellen, dass sich der Schalter erst einschaltet, wenn GND etwa gleich der CMV des ausgewählten Kanals ist.
  • Der Schaltertreiber 212, wie er in 3 gezeigt ist, arbeitet gemäß denselben Bootstrapping-Prinzipien wie ein Schaltertreiber, der im in US-Patent Nr. 8,222,948 beschrieben ist. Mn14, mn17, d14, mn20 und mp13 üben jeweils dieselbe Funktion wie I1, N1, R1 und N3 in 6 von US-Patent Nr. 8,222,948 aus. Allerdings wird man erkennen, dass die Schalterschaltungen nicht identisch sind. Beispielsweise sind Mn13, mp14, d9, d10, mp15 und mp10 das Umgekehrte zu 6 (d. h. sie dienen zum Treiben eines Ndmos-Schalters anstelle eines Pdmos-Schalters). Ferner wurden die nativen NMOS mn16, d16 und r1 hinzugefügt und ersetzen N2 und INV. Diese Ersetzung bewirkt, dass der Standardzustand des Schalter „aus“ lautet, so dass selbst dann, wenn keine Stromversorgung vorliegt, der Schalter aus bleibt, was eine wünschenswerte Eigenschaft in vielen Anwendungen ist, da sie die Fehlertoleranz des Systems erhöht, wenn also z. B. die Stromversorgung plötzlich verloren geht, schaltet sich der Schalter automatisch aus und schützt so den Verstärker 32, den ADW 34 und andere Vorrichtungen, die mit dem Schalter verbunden sein können.
  • Der Betrieb des Schaltkanals 200 kann wie folgt sein. Der native NMOS mn16 ist standardmäßig eingeschaltet, um 0 Vgs am Schalter 210 beizubehalten, so dass der Schalter 210 standardmäßig aus ist. Wenn der Schalter angewiesen wird, sich einzuschalten, werden ndrwa und pdrwa erzeugt, um die Schaltung 204 einzuschalten und die erdfreie Versorgungs-GND auf die CMV des ausgewählten Kanals zu bringen.
  • Die Schaltung 206 erkennt, wann GND etwa gleich der CMV ist, und an diesem Punkt liegen auch die erdfreien Versorgungssignale VSS und VDD um die CMV herum. In Reaktion auf die Erkennung dieses Zustands sendet die Schaltung 206 ein Signal zum Aktivieren des Schaltertreibers 212.
  • Der Schaltertreiber 212 schaltet in Reaktion auf das Signal von der Schaltung 206 den Schalter 212 anhand der Steuersignale midna und ngatea ein, die beide anhand der erdfreien Versorgungsspannungen VSS und VDD erzeugt werden. Wie bereits erwähnt, werden VDD und VSS unter Bezugnahme auf GND erzeugt. Daher sind auch die Steuersignale midna und ngatea auf GND bezogen. Sobald der Schalter eingeschaltet ist, schalten ndrwa und pdrwa die Schaltung 204 aus, der Gleichtaktdetektor 50 übernimmt die Aufgabe, GND zur CMV hin zu bringen und das System kann sich einschwingen, z. B. wenn sich der Spannungspegel von GND stabilisiert hat, bevor der MCU 80 die Messvorrichtung 30 anweist, eine Messung des ausgewählten Kanals durchzuführen.
  • 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines einzelnen Kanals 300 einer gemultiplexten Schalterarchitektur gemäß der vorliegenden Erfindung. Anders als der Kanal 200 in 2 weist der Kanal 300 die Schaltung 204, um GND auf die CMV zu bringen, und die Messschaltung 206 nicht auf und ist daher leichter zu implementieren, jedoch möglicherweise weniger genau als der Kanal 200. Anstelle der Schaltung 204 wird GND mithilfe eines parasitären Wegs auf die CMV gebracht, um die positive Versorgung VDD auf die CMV zu ziehen. Der Betrieb des Kanals 300 kann wie folgt sein. Wenn der Schalter aus ist, ist midna aufgrund der parasitären Dioden an mn18 und mn19 etwa gleich dem negativsten Wert von sa und da. Wenn also der Eingang sa auf einer Spannung ist, die positiver als sowohl die positive Versorgung VDD als auch der Ausgang da ist, ist midna etwa gleich da. In einer gemultiplexten Konfiguration, wie in den hier beschriebenen Ausführungsformen liegt da bereits innerhalb des erdfreien Versorgungsbereichs, der durch einen zuvor ausgewählten Kanal festgelegt worden sein kann. Selbst wenn alle Kanäle aus sind, ist, wenn GND auf einer niedrigeren Spannung als sa ist, midna etwa gleich da, das wiederum etwa gleich GND ist. Dies wird durch die Widerstände des Gleichtaktdetektors 50 erreicht. Daher kann der Schalter 210 sofort ausgeschaltet werden, ohne dass er der Gefahr einer unnötig hohen Spannung unterliegt. Der Kanal 300 weist einen Schaltertreiber 312, auf, der analog zum Schaltertreiber 212 aus 2 ist. Da der Kanal 300 di Schaltungen 204 und 206 nicht aufweist, aktiviert der Schaltertreiber 312 den Schalter 210 unabhängig davon, ob das Massesignal auf einer Spannung etwa gleich der CMV des Kanals ist.
  • Wenn der Schalter aus ist und der Eingang sa kleiner als sowohl die niedrigste Versorgungsspannung (z. B. VSS) als auch da ist, ist midna etwa gleich sa, was unterhalb der minimalen Versorgungsspannung ist. Wenn der Schaltertreiber in dieser Situation aktiviert wird, kommt es an der Zener-Diode d13 zwischen ngatea und midna aufgrund der äußerst negativen Spannung zu einem Durchbruch, so dass Strom von ngatea an sa fließt, und damit von der positiven Versorgung VDD durch den Schaltertreiber, durch die Zener-Diode d13 und die parasitären Diode an sa, wie durch den Pfeil 33 in 4 gezeigt. Dies zieht die positive Versorgung VDD auf CMV, damit der Schalter sicher ausgeschaltet werden kann. Das Ziehen von VDD bewirkt, dass sich GND zusammen mit VDD ändert. Wenn beispielsweise die Potenzialdifferenz zwischen VDD und GND +10 V ist, werden +10 V zwischen VDD und GND beibehalten, wenn VDD auf die CMV gezogen wird. Das gleiche gilt für VSS. Sobald der Schalter eingeschaltet wird, kann der Gleichtaktdetektor 50 übernehmen, indem er GND zur CMV hin einstellt.
  • 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Systems 400 gemäß der vorliegenden Erfindung. Das System 400 gleicht dem System 100 aus 1, ist jedoch in verschiedener Hinsicht unterschiedlich. Das System 400 weist nicht den Gleichtaktdetektor 50 auf. Außerdem ist pro Kanal nur ein Schalter 24 vorgesehen, im Gegensatz zu 1, wo jede Leitung jedes Kanals einen Schalter 24 aufweist. Ferner kann jeder Schalter 24 entweder mit GND oder einer Bezugsspannung VREF verbunden sein. VREF kann dazu benutzt werden, die einzelnen Eingangskanäle auf eine bestimmte Spannung vorzuspannen. Dies ist in Systemen nützlich, in denen VSS gleich GND ist. Wenn beispielsweise VDD = 5 V und VSS = GND = 0 V ist, kann das System auf 2,5 V vorgespannt werden, um die Spannung der Eingangskanäle 12/14 innerhalb des Versorgungsspannungsbereichs des Systems zu zentrieren. Die anderen GNDs aus 1 würden gleich bleiben. Das Ersetzen von GND durch VREF in der oben beschriebenen Weise ändert also nichts daran, dass die Steuersignale für die Schalter 22 auf GND bezogen sind. Die optionale Verwendung von VREF kann in 2 übernommen werden, indem GND (dargestellt auf der Unterseite der Transistoren mn26 und mp21 und an den Eingängen von i5 und i6) durch ein entsprechendes Signal „GND oder VREF“ ersetzt wird.
  • Ein Beispiel für den Betrieb des Systems 400 ist wie folgt. Um vom TC-Eingang 1 zum TC-Eingang 2, zu wechseln, werden der Schalter 22 für Eingang 1 und der Schalter 24 für Eingang 1 ausgeschaltet. Als nächstes wird der Schalter 24 für Eingang 2 eingeschaltet, um GND zur CMV von Kanal 14 hin zu bringen. In Reaktion darauf, dass erkannt wird, dass GND etwa gleich der CMV ist, schaltet der MUX 20 den Schalter 22 für Eingang 2 ein. Der Schalter 24 für Eingang 2 bleibt eingeschaltet, um die CMV kontinuierlich zu verfolgen, ähnlich wie der Gleichtaktdetektor 50 in 1.
  • 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Schaltertreibers 412 gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Treiber 412 ähnelt dem Treiber 212 aus 3, ist jedoch hinsichtlich der Steuerlogik für die Transistoren mp15 und mn17 unterschiedlich. Die Signale sa_mp_gnd und sa_mn_gnd werden in ein OR-Gate i12 eingespeist, dessen Ausgang einen Eingang für ein NAND-Gate i13 bildet. Ein zweiter Eingang des NAND-Gate i13 ist das Signal swon_pgate. Der Ausgang von i13 ist der Gate-Eingang von mp15. Der Ausgang von OR-Gate i12 bildet auch einen Eingang für ein AND-Gate i9. Ein zweiter Eingang des UND-Gate i9 ist das Signal swon_ngate. Der Ausgang von i9 ist der Gate-Eingang von mn17.
  • Die hier beschriebenen Ausführungsformen können in miteinander kombinierter Weise in verschiedenen Kombinationen dargestellt werden. Die Beschreibung und die Zeichnungen sind daher im veranschaulichenden und nicht im einschränkenden Sinne zu verstehen.

Claims (10)

  1. Schaltung zum Verbinden mehrerer Eingangskanäle (12, 14) mit einer Empfangsvorrichtung (30), wobei die Schaltung Folgendes aufweist: mehrere Schalter (210), die in Reaktion auf ein jeweiliges Steuersignal jeweils einen jeweiligen der Eingangskanäle mit der Empfangsvorrichtung verbinden, wobei die Steuersignale auf ein Massesignal bezogen sind, und wobei jeder Eingangskanal eine Gleichtaktspannung einschließt, die nicht auf das Massesignal bezogen ist; und einen Schaltertreiber (212), der die Steuersignale derart erzeugt, dass die Eingangskanäle jeweils einzeln aktiviert werden, wobei der Schaltertreiber wartet, bis das Massesignal auf einer Spannung etwa gleich der Gleichtaktspannung eines ausgewählten Eingangskanals ist, bevor er einen Schalter aktiviert, der dem ausgewählten Eingangskanal entspricht.
  2. Schaltung nach Anspruch 1, wobei eine erdfreie Versorgungsspannung, die auf das Massesignal bezogen ist, ein Leistungssignal der Empfangsvorrichtung ist.
  3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend: eine Auswerteschaltung (206), die den Eingang des jeweiligen Eingangskanals mit dem Massesignal vergleicht und anhand des Vergleichs bestimmt, ob das Massesignal auf einer Spannung etwa gleich der Gleichtaktspannung des ausgewählten Eingangskanals ist.
  4. Schaltung nach Anspruch 3, wobei die Auswerteschaltung einen Komparator aufweist, der bestimmt, ob das Massesignal über der Gleichtaktspannung ist, und einen Komparator, der bestimmt, ob das Massesignal unter der Gleichtaktspannung ist.
  5. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend: eine Schaltung (204), die das Massesignal auf die Gleichtaktspannung des ausgewählten Eingangskanals einstellt.
  6. Schaltung nach Anspruch 5, wobei die Schaltung, die das Massesignal einstellt, Folgendes aufweist: einen PDMOS-Transistor, der das Massesignal einstellt, wenn die Gleichtaktspannung relativ zum Massesignal negativ ist; und einen NDMOS-Transistor, der das Massesignal einstellt, wenn die Gleichtaktspannung relativ zum Massesignal positiv ist.
  7. Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend: einen Controller (80), der ein codiertes Signal ausgibt, das auswählt, welcher der Schalter vom Schaltertreiber aktiviert wird; und Decodierungslogik, die das codierte Signal decodiert, um den Schaltertreiber anzuweisen, das Steuersignal zu erzeugen, das den ausgewählten Schalter aktiviert.
  8. Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Schaltertreiber die Steuersignale derart erzeugt, dass die Schalter jeweils einzeln aktiviert werden.
  9. System (100, 400), umfassend: eine Empfangsvorrichtung (30), die auf ein Massesignal bezogen ist; mehrere Eingangskanäle (12, 14); und eine Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die die Eingangskanäle mit der Empfangsvorrichtung verbindet.
  10. Verfahren zum Verbinden mehrerer Eingangskanäle (12, 14) mit einer Empfangsvorrichtung (30), das Verfahren mit den Schritten: Anpassen eines Massesignals hin zu einer Gleichtaktspannung eines ausgewählten Eingangskanals der mehreren Eingangskanäle, wobei die Gleichtaktspannung nicht auf das Massesignal bezogen ist; und wenn das Massesignal auf einer Spannung etwa gleich der Gleichtaktspannung des ausgewählten Eingangskanals ist, Aktivieren eines Schalters unter Verwendung eines Steuersignals, das auf das Massesignal bezogen ist, so dass der ausgewählte Eingangskanal mit der Empfangsvorrichtung verbunden wird.
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