DE1802501B2 - Schaltungsanordnung zum Durchschalten und Speichern eines zu diskreten Zeitpunkten auftretenden elektrischen Signales - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 oder 3. 5'.

Bei vielen Anwendungsfällen, insbesondere bei der Prozeßsteuerung, werden Analogspannungen zur Steuerung der Prozesse benutzt Es ist häufig nötig, diese Spannungen in sehr kurzen Zeitabständen abzutasten und sie bis zum nächsten Abtastzeitpunkt zu hi speichern. In der heutigen Prozeßsteuerungstechnik werden diese Analogspannungen im Multiplexbetrieb mit einem Digital-Computer erfaßt und gespeichert. Durch diesen Multiplexbetrieb wird jedoch ein zusätzliches Schaltnetzwerk nötig.

Um die Vorteile des Einsatzes eines Digital-Computers voll ausnützen zu können, sollte das Schaltnetzwerk sowohl hinsichtlich der Geschwindigkeit als auch der Zuverlässigkeit an den Computer angepaßt sein. Darüber hinaus muß auf jeden Fall ein Abfließen der der Analogspannung entsprechenden Ladung verhindert werden.

Ein Festkörperschalter ermöglicht zwar von sich aus eine sehr hohe Schaltgeschwindigkeit, läßt jedoch hinsichtlich der notwendigen Ladungsisolierung zu wünschen übrig. Demgegenüber bietet ein elektromechanischer Schalter zwar die notwendige Ladungsisolierung, z. B. bei einem Maschinenausfall über längere Zeit, aber seine Schaltgeschwindigkeit ist verglichen mit einem Festkörperschalter äußerst gering, ebenso ist die Lebensdauer erheblich kürzer.

Bisher eingeschlagene Wege zur Lösung dieses Problems benötigten einen sehr großen Schaltungsaufwand, waren daher teuer, und blieben dennoch in mancher Hinsicht unbefriedigend.

Zum Beispiel ist bereits in der älteren Patentanmeldung P 15 24 897.2 vorgeschlagen worden, einen elektromechanischen Schalter in Reihe mit einem Festkörperschalter zu schalten. Der Festkörperschalter wird geschlossen und leitet einen Analogspannungswert von einer Analogspannungsquelle über den leitenden elektromechanischen Schalter zu einem zugehörigen Ladungsspeicher, wobei die hohe Schaltgeschwindigkeit des Festkörperschalters ausgenützt wird. Anschließend wird der Festkörperschalter geöffnet und verhindert in diesen". Fail — jedenfalls für eine kurze Zeitspanne — den Ladungsabschluß. Für den Fall jedoch, daß der Festkörperschalter aus irgendeinem Grund für eine längere Zeitspanne geöffnet wird, wird zusätzlich der elektromechanische Schalter geöffnet. Auf diese Weise wird für eine relativ lange Zeitspanne ein äußerst hochohmiger möglicher Entladungspfad für den Ladungsspeicher gebildet, so daß die Ladung im wesentlichen unvermindert bleibt. Die Nachteile dieser zuletzt genannten Lösung liegen jedoch auf der Hand, sie ergeben sich durch den Einsatz des elektromechanischen Schalter.

Eine Schaltungsanordnung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art ist aus der US-Patentschrift 30 75 086 bekanntgeworden. Dort wird eine Abtast-/Speicherschaltung behandelt, die jedoch auf die Lösung der besonderen Probleme bei Verwendung einer Diodenbrücke als Aufladungsschaltstufe ausgerichtet ist. Wegen der praktisch unvermeidlichen Leckstromunterschiede der Dioden werden dort über Rückkopplungsverbindungen vom Ausgang her möglichst konstante Spannungen über den Dioden im betreffenden Brückenzweig, d. h. am Verbindungspunkt zweier in einem Aufladungspfad hintereinandergeschalteter Schaltstrecken, eingestellt. Die über die Rückkopplung angelegten Diodenvorspannungen bestehen dabei wegen der geforderten relativen Gleichheit jeweils aus einer um die Speicherspannung verschobenen relativ großen zusätzlichen Batteriespannung. Nach dieser Lösung werden die Leckströme nicht verringert, sondern lediglich durch Angleichung nach oben einander möglichst gleichgemacht, so daß sie sich bei dem speziellen Fall der dort gewählten Brückenanordnung in ihrer Auswirkung gerade kompensieren. Die damit erreichbaren Genauigkeiten sowie der erforderliche schaltungsmäßige Aufwand lassen eine solche Lösung als noch nicht voll befriedigend erscheinen. Die lerner aus der US-Patentschrift 32 49 925 bekanntgewordene Abtast-/Speicherschaltung sieht eine Umschaltung der Speicherkapazität für die Abtast- und Speicherphase durch Einschaltung eines Zusatzkonden-

sators vor, womit eine schnelle Aufladung der Speicherkapazität erreicht wird, wobei für die Speicherphase durch eine entsprechende Umschaltung die nunmehr große Speicherkapazität parallel zu einem Operationsverstärker geschaltet wird. Das Problem eines etwaigen Ladungsabflusses über die Aufladungsschaltstrecke während der Speicherphase wird in dieser Literaturstelle nicht angesprochen. Schließlich befaßt sich der Aufsatz von Harris und Simmons »DC Accuracy in a Fast Boxcar Circuit Via a Comparator«, in der Zeitschrift IEEE Transactions on eL computers, Juni 1964, Sehen 285 bis 288 mit einer Genauigkeitsverbesserung derartiger Schaltungen, soweit diese von Gleichspannungsverschiebungen herrühren. Dieses ausschließlich für die Abtastphase maßgebliche Problem wird dort durch Vorsehung einer zusätzlichen Vergleicherschaltung gelöst, so daß das Eingangssignal nicht direkt zum Speicherkondensator durchgesdialtet sondern die Aufladung des Kondensators statt aus der mit dem Eingangsanschluß verbundenen Signalquelle lediglich indirekt aus davon unabhängigen festen Spannungsquellen lediglich unter Steuerung vom Eingang her erfolgt Eine Anregung zur Genauigkeitsverbesserung durch Verringerung der in der Speicherphase maßgeblichen Leckströme ist dieser Literaturstelle nicht zu entnehmen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine hinsichtlich der Verhältnisse in der Speicherphase verbesserte Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben. Sie soll dabei insbesondere ohne Vorsehung elektromechanischer Schalter auskom.nen können und trotz Verwendung von Festkörperschaltern hinsichtlich der Isolation bzw. Aufrechterhaltung der gespeicherten Ladung mit einem elektromechanischen Schalter vergleichbare Verhältnisse ermöglichen.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden nach der Erfindung die beiden in den Patentansprüchen 1 oder 3 näher gekennzeichneten Maßnahmen vorgeschlagen.

Es wird darauf hingewiesen, daß die erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen sich in wichtigen Punkten von den bekannten rückgekopppelten Ladungsspeicherschaltungen unterscheiden. Die bisher bekannten Rückkopplungen in derartigen Schaltungen hatten lediglich den Zweck, die Aufladungskurve zu linearisieren. Der Aufladevorgang wird durch die erfindungsgemäße Schaltung jedoch nicht beeinflußt Die Erfindung bezieht sich demgegenüber lediglich darauf, der AufladungsschaUstufe ein solches Potential zuzuführen und dort stabil zu halten, daß der Ladungsabfluß über diese Schaltstufe minimal wird.

Die Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden deutlich aus der folgenden genaueren Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigt

F i g. 1 das grundsätzliche Schaltbild gemäß der Erfindung,

Fig.2, 3, 4 weitere Ausführungsbeispiele unter Anwendung der erfinderischen Maßnahmen.

In der Schaltung nach F i g. 1 stellen die Klemmen 22 und 23 die Eingangsklemmen und die Klemmen 34 und 35 die Ausgangsklemmen der Schaltung dar. Die abzutastende Spannung wird an die Eingangsklemmen 22 und 23 gelegt. Diese Spannungsquelle hat einen genügend niedrigen Eingangswiderstand verglichen mit dem nachfolgenden Schaltkreis.

Die Transistor-Aufladungsschaltstufe 36-1 enthält die Feldeffekttransistoren (FETs) 38-1 und 40-1. Der Abtastschaltvorgang in der Größenordnung von Mikrosekunden wird gesteuert durch eine annähernd rechteckförmige Spannung, die an der Klemme 46 anliegt Der Kondensator 44 ist über die Ausgangsstufe, bestehend aus dem Entkoppeltransistor 52 mit seinem Arbeitswiderstand 56 und dem nachfolgenden Transistor 58 mit seinem Arbeitswiderstand 62, mit den Ausgangsklemmen 34 und 35 verbunden.

Die Schalttransistoren 38-1 und 40-1 sind Isolierschicht-Feldeffekt-Transistoren (IGFETs) mit Substrat-

lu Anschlüssen 79 und Steuer-Anschlüssen 72 sowie jeweils einem Quellen- und Senkenanschluß. Der Senkenanschluß 75 des Eingangsschalttransistors 40-1 ist mit der Eingangsklemme 21 verbunden. Die Quellenanschlüsse 76 und 77 des Transistors 40-1 bzw.

π 38-1 sind ebenfalls verbunden. Der Aufladungsschaltkreis wird geschlossen, indem der Kondensator 44 an den Senkenanschluß 78 angeschlossen ist Die Substratanschlüsse 79 sind jeweils mit den entsprechenden Quellenanschlüssen 76 und 77 verbunden.

Zwischen dem Verbindungspunkt des Transistors 52 und des Transistors 58 der Ausgangsstufe und der Verbindung zwischen den Transistoren 38-1 und 40-1 ist ein sehr hochohmiger Strombegrenzungswiderstand 80 eingefügt Auf diese Weise wird die über dem Arbeitswiderstand 56 auftretende Spannung, die der Ladung des Kondensators 44 folgt, auf die Quellenanschlüsse 76 und 77 der Schalttransistoren der Aufladungsschaltstufe geführt. Bei positivem Potential an der Klemme 46 wird die Ladung über die Schalttransistoren

ίο 38-1 und 40-1 auf den Kondensator 44 aufgebracht Der Aufladevorgang über den niederohmigen Aufladungskreis wird dabei im wesentlichen nicht durch den hochohmigen, den Widerstand 80 enthaltenden Rückkopplungspfad beeinflußt. Wenn die Schalttransistoren 38-1 und 40-1 geöffnet sind, wird die Ladung auf dem Kondensator 44 durch den relativ hohen Sperrwiderstand der Schalttransistoren daran gehindert, über den niederohmigen Pfad über die Eingangsklemmen 22 und 23 abzufließen. Diese Isolation ist vollauf ausreichend für eine relativ kleine Zeitspanne. Gemäß der Erfindung wird nun durch die eine Rückkopplungsspannung zuführende Rückkopplungsleitung mit dem Widerstand 80 die Ladungshaltezeit im wesentlichen unbegrenzt ausgeweitet. Dies wird dadurch erreicht, daß in der

r> gezeigten Schaltung die Spannungen am Quellenanschluß 77 und am Senkenanschluß 78 des Schalttransistors 38-1 im wesentlichen gleich sind, oder zumindest nur unwesentlich voneinander abweichen, nämlich um die Spannung zwischen Steuer- und Quellenanschluß

>o des nachfolgenden Feldeffekt-Transistors 52. Auf diese Weise kann keine Ladung vom Kondensator 44 abfließen, bzw. der geringe Wert des Ladungsabflusses wird konstant gehalten.

Da es bereits in früheren Anwendungen bekannt war, zwei Halbleiter-Schalter zu benutzen, kann man sagen, daß die Vorteile der Erfindung lediglich auf Kosten eines einzigen zusätzlichen Widerstandes 80 erhalten werden.

Der Wert des Widerstandes 80 ist nicht kritisch, er muß einmal einen kleinen Strom zur Aufrechterhaltung der Isolierspannung fließen lassen und andererseits muß er so groß sein, daß er nicht beim beabsichtigten Laden der Kondensators 44 als Nebenschluß wirkt. Praktische Werte sind etwa 1 bis 2 MOhm.

Wie bisher gezeigt und beschrieben, wurde der Spannungsabfluß über den in Reihe liegenden Transistor 38-1 auf den sehr kleinen Wert der Steueranschluß-Quellenanschluß-Spannung des Transistors 52 verrin-

gert und im wesentlichen konstant gehalten. Eine kleinere Spannung kann von der Ausgangsstufe abgenommen werden durch Einsatz eines Spannungsteilers oder einer Diode. Eine geringfügige positive oder eine geringfügig negative Spannung kann an den in ^r> Reihe geschalteten Transistor 38-1 angelegt werden, um der natürlichen Tendenz des Speicherschaltkreises, entweder zu steigen oder zu fallen, entgegenzuwirken.

Die F i g. 2 zeigt eine Schaltung, in der Sperrschicht-Feldeffekt-Transistoren (JFETs) verwendet werden, i<> Um den Ladungsabfluß steuern zu können, muß das Potential am Steueranschluß des Transistors 38-2 und am Senkenanschluß 76-2 des Transistors 40-2 der Spannung am Kondensator 44 folgen. Diese Spannung wiederholt sich weiterhin über den Zenerdioden 81 und 82. Die Potentiometer S3 und 84 erlauben die Einstellung der Abschaltschwellen am Steueranschluß des Transistors 38-2 und am Senkenanschluß des Transistors 40-2. Der Wert der Isolierspannung kann auch an einem anderen Potentiometer 85 eingestellt werden. Alle Schaltungspunkte um den Speicherkondensator 44 folgen der Kondensatorspannung, und die Summe aller Leckströme vom Kondensator weg bzw. zum Kondensator hin wird äußerst niedrig und konstant gehalten. Lediglich der Leckstrom des Kondensators 44 selbst wird nicht durch diese Schaltung ausreguliert, er kann aber in erster Näherung vernachläßigt werden.

In der Schaltung nach F i g. 3 leistet ein einziger Isolierschicht-Feldeffekt-Transistor (IGFET) die nötige Schaltfunktion. Diese Schaltungsanordnung basiert auf der Tatsache, daß bei Anliegen einer Aus-Spannung am Substrat 71-3 des Transistors 36-3 der Quellenanschluß 76-3 vollkommen vom Senkenanschluß 78-3 isoliert ist. Irgendwelche Veränderungen der Eingangsspannung haben keinen Einfluß auf den Kondensator 44 außer π beim Aufladen des Kondensators. Durch Anlegen einer in ihrem Wert zur Spannung am Kondensator gleichen Isolierspannung an den Substratanschluß 79-3 wird der Ladungsabfluß vom Kondensator 44 äußerst klein gehalten. Von besonderem Vorteil an dieser Schaltung ->ⁿ ist, daß lediglich eine Spannungsquelle nur einer Poiariiät. in diesem Fall eine positive Spannung hinsichtlich des Massepotentials, benötigt wird. Die Ausgangsstufe umfaßt einen Differentialverstärker 48-3 und eine Verstärkerstufe 93-3. Der Vorteil dieser ■»· Schaltung liegt darin, daß der Spannungsabfall über der Steuer- und Quellenelektrode weitgehend kompensiert wird und daß zusätzlich ein niederohmiger Ausgang zur Verfügung steht. Die Ausgangsklemmen 94 und 95 sind beide über den Rückkopplungswiderstand 96-3 vom Masseanschluß getrennt.

Die über den Rückkopplungspfad und den Widerstand 80 angelegte Isolierspannung kann über den Rückkopplungswiderstand 96-3 oder über der Diode 97 und den Widerstand 98 oder über den Widerstand 98 allein abgenommen werden, und zwar je nach der Stellung des Schalters 99.

Ein hinsichtlich der bisher besprochenen Schaltungen leistungsstarkerer und auch billigerer Schaltkreis ist in F i g. 4 gezeigt. Die Aufladungsschaltstufe wird von einem Sperrschicht-Feldeffekt-Transistor 40-4 und einem Isolierschicht-Feldeffekt-Transistor 38-4 gebildet. Sie werden beide zusammen während der Aufiadezcit durch das Schaltpotential zwischen den Anschlüssen 46-4 und 23 ein- bzw. ausgeschaltet. Wenn die beiden Schalttransistoren nicht leitend sind, wird kein Strom vom Steueranschluß 72-4 den Speicherkondensator 44 erreichen können. Durch die über den Widerstand 80 angelegte Isolierspannung wird ein Strom zum Speicherkondensator 44 über die Quelle-Senke-Strecke des Transistors 38-4 verhindert. Während der Zeitpunkte, zu denen keine Abtastung der Eingangsspannung vorgenommen wird, reicht der Sperrschicht-Feldeffekt-Transistor 40-4 vollständig zur Isolierung der Eingangsspannungsänderungen aus. Der Strom vom Steueranschluß 72-4 zum Quellenanschluß 76-4 ist in seinem Wert sehr gering und wird über den Widerstand 80 nach Masse abgeleitet, wobei über diesem Widerstand kein nennenswerter Spannungsabfall auftritt. Die Ausgangsklemmen dieser Schaltung sind die Klemmen 34 und 35. Die Diode 100 schließlich verringert noch einmal den Leckstrom über den Transistor 38-4.

Die experimentielle Untersuchung dieser Schaltung ergab, daß sie sehr viel weniger Drift zeigte, als die üblicherweise zugelassenen 1 % pro Stunde.

Zusammenfaßend läßt sich sagen, daß die Hauptvorteile der Erfindung im Wegfall des Relais liegen, in größerer Zuverlässigkeit, Geschwindigkeit und einer längeren Lebensdauer verglichen mit den bisher üblichen Schaltungen. Zudem sind die Kosten erheblich geringer, als bei den bisher verwendeten Schaltungen, insbesondere da der Preis von Feldeffekt-Transistoren sinkt und auch die Ansprüche an die erforderlichen Spannungsquellen niedriger liegen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Durchschalten eines zu diskreten Zeitpunkten auftretenden elektrischen Signals und zum Speichern einer diesem Signal entsprechenden elektrischen Ladung, bestehend aus einer zwei synchron gesteuerte Schaltstrecken enthaltenden Aufladungsschaltstufe, einem elektrischen Ladungsspeicher und einer Ausgangsstufe zur Bereitstellung eines zur gespeicherten Ladung ι ο proportionalen Ausgangssignals, bei welcher dem Verbindungspunkt der zwei Schaltstrecken während der Speicherphase und damit bei geöffneter Schaltstrecke zur Verhinderung des Ladungsabflusses eine dem Ausgangssignal folgende Spannung zugeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung von der Ausgangsstufe über einen relativ zum Aufladungspfad hochohmigen und relativ zum Sperrwiderstand der Schaltstrecke in der Speicherphase niederohmigen Rückkopplungspfad derart auf die Aufladungsschaltstufe zurückgeführt ist, daß die Spannung über der Schaltstrecke während der Speicherphase verringert wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufladungsschaltstufe zwei hintereinandergeschaltete Feldeffekt-Transistoren enthält

3. Schaltungsanordnung zum Durchschalten eines zu diskreten Zeitpunkten auftretenden elektrischen Signals und zum Speichern einer diesem Signal entsprechenden elektrischen Ladung, bestehend aus einer Aufladungsschaltstufe, einem elektrischen Ladungsspeicher und einer Ausgangsstufe zur Bereitstellung eines zur gespeicherten Ladung proportionalen Ausgangssignals, bei welcher die Aufladungsschaltstufe während der Speicherphase und damit bei geöffneter Schaltstrecke zur Verhinderung des Ladungsabflusses eine dem Ausgangssignal folgende Spannung zugeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufladungsschaltstufe einen Isolierschicht-Feldeffekt-Transistor enthält, auf dessen Substratanschluß die Spannung von der Ausgangsstufe über einen relativ zum Aufladungspfad hochohmigen und relativ zum Sperrwiderstand der Schaltstrecke in der Speicherphase niederohmigen Rückkopplungspfad derart zurückgeführt ist, daß die Spannung über der Schaltstrecke während der Speicherphase verringert wird (F i g. 3).