DE2835388A1

DE2835388A1 - Analog-multiplexschaltung

Info

Publication number: DE2835388A1
Application number: DE19782835388
Authority: DE
Inventors: John Carlisle Conover; Larry Joseph Kendall
Original assignee: Fairchild Camera and Instrument Corp
Current assignee: Fairchild Semiconductor Corp
Priority date: 1977-08-16
Filing date: 1978-08-12
Publication date: 1979-03-01
Also published as: FR2400806A1; GB2002998B; JPS5443451A; GB2002998A; DE2835388C2; US4196358A

Description

. FRIEDRICH B. FISCHER SOoO KÖLN 50

PATENTANWALT IAAtSTtASSIn

Fairchild Camera and Instrument

Corporation

464 Ellis Street

Mountain View, California 94040, V.St.A. P 7837

Analog-Multiplexschaltung

Die Erfindung bezieht sich auf Analog-Multiplexschaltungen, und sie bezieht sich insbesondere auf eine Analog-Multiplexschaltung, welche mehrere Eingangszellen, eine Abtastschaltung und eine Sägezahnverstärkerschaltung aufweist.

Multiplexschaltungen sind nach dem Stande der Technik bekannt; sie werden im allgemeinen entweder als Zextmultiplexschaltungen (time-divison multiplexing circuits) oder als Prequenzmultiplexschaltungen (frequency-division multiplexing circuits) gekennzeichnet. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Zeitmultiplexschaltung, welche benutzt wird zur periodischen Abtastung der Eingangssignale, welche an eine Reihe von Eingangsklemmen' eines Mehrfachkopplers geliefert werden. Zeitmultiplexschaltungen benutzen das Prinzip der Zeitverteilung unter den verschiedenen Meßkanälen. Abtastschaltungen und Haltestromkreise werden immer dann benutzt, wenn es erwünscht ist, eine Messung eines Signals vorzunehmen und genau zu wissen, wann das Eingangssignal dem Ergebnis der Messung entspricht. Abtastschaltungen und Haltestromkreise leisten auch nützliche Dienste bei der Erhöhung der Dauer eines Signals, welches gemessen oder in anderer Weise verarbeitet wird. ■ .

Die meisten bekannten Multiplexschaltungen sind Strommultiplexschaltungen, bei welchen der gewählte Eingang mit der gemeinsamen Ausgangsleitung über eine niedrige Impedanz verbunden ist, im Regelfalle einen ohmschen Widerstand in der Größenordnung von 1 bis 1 000 Ohm. Bei diesen Multiplexschaltungen ist eine nisirige Impedanz erwünscht, weil sie ein schnelleres Laden der Ausgangsbelastungsschaltung erlaubt und gegenüber der.Ausgangsbelastung eine niedrigere Nettoimpedanz (net lower impedance) darstellt» Diese Art von Multiplexschaltungen hat den Nachteil, daß die

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Eingangsklemmen stets getrennt sind, außer wenn ein einzelner Eingang gewählt wird. Der Wählprozeß ändert unvermeidbar die Belastung auf dem jeweiligen Kanal, und er kann Einschwingsignale einführen, welche das an der Eingangsklemme gelieferte-Signal verzerren. . -

Ein weiterer Nachteil vieler bekannter Multiplexschaltungen ist, daß Wechselstrom oder Gleichstrom von nicht gewählten Kanälen zu den gewählten Kanälen hindurchgeführt werden kann. Diese Erscheinung führt zu unerwünschten Fehlern und Störungen in dem Ausgangssignal, insbesondere wenn es mit einer hohen Impedanz belastet ist. Ein weiterer Nachteil einiger bekannter Schaltungen tritt auf, wenn ein nicht gewähltes Eingangssignal eine bestimmte Größenordnung überschreitet, insbesondere wenn das Signal die Leistung überschreitet, welche der Multiplexschaltung zugeführt wird. Dieser Zustand kann dazu führen, daß nicht gewählte Eingangsklemmen mit dem einzelnen Ausgang und mit der gewählten Eingangsklemme verbunden werden, so daß Fehler, Störungen oder andere unerwünschte Effekte auftreten.

Als Beispiel für eine nach dem Stande der Technik bekannte Multiplexschaltung wird die Harris-Halbleiteranordnung, Produkt Nr. HA-2400/2404/2405, genannt.

Die Analog-Multiplexschaltung gemäß der Erfindung enthält mehrere Zellen, von denen jede so geschaltet ist, daß sie ein Signal von einer einzelnen Analog-Eingangsklemme empfängt. Jede Zelle enthält ein Transistorpaar und einen Schalter. Die Basis eines der Transistoren ist derart geschaltet, daß sie die Eingangssignale aufnimmt, und der Strom, welcher durch das Transistorpaar fließt, wird zu einem Stromspiegel (current mirror) gelenkt, welcher allen Zellen gemeinsam ist. Der Stromspiegel ermöglicht, daß der Ausgang der Multiplexschaltung das Potential annimmt, welches an den Eingang der gewählten Zelle angelegt ist«,

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Die Analog-Multiplexschaltung gemäß der Erfindung enthält auch einen Abtast- und Sägezahnverstärker. Der Sägezahnverstärker ist ein schaltbarer Spannnngsfolger, welcher sich während der Abtastperioden in Aktivität befindet, um die Spannung auf den· Kondensator gleich der Eingangsspannung zu machen.

Die Multiplexschaltung puffert jede Eingangsklemme derart, daß jede Klemme einer konstanten Belastung ausgesetzt ist, und zwar isoliert von der Belastung benachbarter Klemmen oder Kanäle. Auch wird durch die Erfindung die Signaldurchführung reduziert, indem zwei Isolationspegel verwendet werden und ein Zwischenpunkt in den Signalweg der nicht gewählten Kanäle zur Erde eingeschaltet wird, so daß irgendwelche Einwirkungen von Signalen, welche auf nicht gewählten Eingangsklemmen vorhanden sind, eliminiert werden. Die Multiplexschaltung erlaubt, daß Signale auf nicht gewählten Eingangsklemmen die Spannung der verwendeten Stromquelle überstägen, wobei diese Spannungen der nicht gewählten Eingangsklemmen nur durch den Durchbruch des Eingangstransistors begrenzt werden. Wenn ein Eingangssignal die negative Stromquelle übersteigt wird das Signal blockiert (damped). Daher werden Signale an einer nicht gewählten Eingangsklemme keine nachteilige Wirkung auf das Ausgangssignal ausüben, und sie werden nicht rückgekoppelt zu. irgendwelchen gewählten Eingangsklemmen oder anderen Teilen der Schaltung. ·

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein schematisches Schaltbild von drei Zellen einer bevorzugten Ausführungsform einer Analog-Multiplexschaltung gemäß der Erfindung einschließlich eines Stromspiegels.

Fig. 2 zeigt schematisch eine bevorzugtelAusführungsform der Abtast- und Sägezahnverstärkerschaltung der Analog-Multiplexschaltung gemäß der Erfindung.

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Fig. 3 ist ein Blockschaltbild, welches ein Ausführungsbeispiel für die Anwendung der Analog-Multiplexschaltung gemäß der Erfindung im Zusammenwirken mit einem Mikroprozessor zum Abfühlen mehrerer Eingänge und zur Steuerung mehrerer Einrichtungen in Abhängigkeit von der abgefühlten Information darstellt.

Ein Teil der schematischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Analog-Multiplexschaltung gemäß der Erfindung ist in Fig. 1 enthalten. Obgleich nur drei Zellen der Analog-Multiplexschaltung gemäß der Erfindung dargestellt sind, kann jede beliebige Zahl k von Zellen vorhanden sein, wobei k eine ganze Zahl ist. Die Zahl k der zu benutzenden Zellen hängt ab von dem jeweiligen Anwendungsfall der Analog-Multiplexschaltung. Jede Zelle, beispielsweise Zelle' 1, besitzt eine Eingangsklemme IN^, zwei Multiplextransistoren 11 und 12, eine Stromquelle, beispielsweise Transistor 40, und ein Schaltelement, beispielsweise Transitor 33. Eine Stromquelle liegt auch an Schaltungspunkt A, und bei bestimmten Ausführungsformen kann auch eine Ausgleichsspannungsquelle (off-set voltage source), beispielsweise Transistor 50, in der Schaltung vorhanden sein.

Im Betrieb werden nach Eingang von Signalen aus einer Steuereinrichtung, beispielsweise einem Mikroprozessor oder einem Steuerschalter (controller) oder anderen geeigneten Einrichtungen alle Schalter 33, 34, 35 in der Reihe von k Zellen geschlossen, außer demjenigen Schalter, welcher dem gewählten Eingang entspricht, und dieser wird geöffnet sein. Es sei beispielsweise angenommen, daß aufgrund von Signalen, welche von einem Mikroprozessor eingehen, die Eingangsklemme IN₂ gewählt worden ist als Eingang, welcher zu einer Schaltung außerhalb der Multiplexschaltung geliefert werden soll, beispielsweise einem Analog-Digital-Umsetzer. Schalter 34 wird daher durch den Steuerschalter geöffnet und erlaubt, daß das Eingangssignal bei Klemme IN„ in der nachstehend beschriebenen Weise zur Klemme E geliefert wird.

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Bei allen nicht gewählten Zellen, also denjenigen Zellen, deren Eingangssignale nicht bei Klemme E auftreten sollen, werden die entsprechenden Schalter 33. und 35 geschlossen, und dadurch wird bewirkt, daß der bei den Schaltungspunkten A und C gelieferte Strom direkt zur Erde abfließt. Bei diesen nicht gewählten Zellen wird daher kein Strom durch die Transistoren 11, 12, 15 und 16 fließen. .

Bei der gewählten Zelle, bei dem vorliegenden Beispiel Zelle 2, wird Strom, welcher von Klemme B zufließt, zu gleichen Teilen aufgeteilt zwischen Transistor 13 und Transistor 14. Der Strom durch die Transistoren 13 und 14 wird wiederum zu dem aus Transistoren 17 und 18 bestehenden gemeinsamen Stromspiegel gelenkt, so daß die Ausgangsklemme E das bei Klemme IN₂ gelieferte Eingangspotential annehmen kann.

Bei einigen Ausführungsformen wird das bei Schaltungspunkt E erscheinende Ausgangssignal unmittelbar zu anderen Schaltungen geliefert, welche mit diesem Ausgangssignal in gewünschter und geeigneter Weise arbeiten. Bei anderen Ausführungsbeispielen ist jedoch gefordert, dieses Ausgangssignal unmittelbar mit zusätzlichen Schaltungen der Multiplexschaltung zu koppeln, wie es beispielsweise Fig. 2 zeigt. Fig. 2 ist eine schematische Darstellung der Abtast- und Sägezahnverstärkerschaltungen der Analog-MuItipiexschaltung.

Die in Fig. 2 dargestellte Schaltung arbeitet in folgender Weise: Die Ausgangsklemme E der Schaltung gemäß Fig. 1 ist gekoppelt mit der Eingangsklemme E der Fig. 2. Schalter 22 ist normalerweise geöffnet, und es wird daher Strom zu Schaltungspunkt G geliefert. Wenn das Eingangssignal bei Klemme E in Fig. 2 erscheint, wird Transistor 19 weniger leitfähig, während Transistor 29 eine höhere Leitfähigkeit erhält. Hierdurch wird das Potential am Schaltungspunkt D veranlaßt, sich dem Potential des. Schaltungspunkts E zu nähern. Wenn sich das Potential am Schaltungspunkt D dem Potential

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am Schaltungspunkt E nähert, wird von V_cc ausgehender Strom,
welcher zu den Transistoren 19 und 29 gelangt, derart ausgeglichen werden, daß gleiche Strombeträge von Schaltungspunkt G zum Transistor 29 und vom Schaltungspunkt G zum Transistor. 19 fließen. In bekannter Weise wird dies durch Transistoren 23, 24,
28 und 30 erreicht, welche ähnlich wie die Transistoren 17 und (Fig. 1) als Stromspiegel arbeiten.

Wenn die Potentiale an den Schaltungspunkten D und E gleich sind, kann Schaltungspunkt E von Schaltungspunkt D durch Schließen des Schalters 22 getrennt werden. Hierdurch werden Transistoren 20
und 21 zum Ausschaltung veranlaßt, und dies führt zum Ausschalten der Transistoren 19 und 20. Transistoren 26 und 27 werden
gesättigt, und hierdurch wird bewirkt, daß Schaltungspunkte H
und I ihr Potential sehr nah dem Erdpotential annähern. Transistoren 24 und 30 werden auch abgeschaltet. Das Potential am Schaltungspunkt E kann dann geändert werden, ohne daß das Potential
am Schaltungspunkt D beeinflußt wird.

Bei einigen Ausführungsformen der Multiplexschaltung sind Transistoren 25 und 31 vorgesehen, um ein Sägezahnsignal zu erzeugen. Transistor 31 bewirkt, daß das Potential des Schaltungspunkts D linear abfällt, abhängig von der Kapazität eines Kondensators und dem Stromfluß durch Transistor 31. Transistor 25 sorgt dafür, daß bei den Transistoren 19 und 29 gleiche Ströme fließen, wenn die Potentiale der Schaltungspunkte D und E gleich sind. Da das Sägezahnsignal eine Zeitumsetzung bewirkt, welche dem Potential am Schaltungspunkt E äquivalent ist, kann das Sägezahnsignal in digitalen Schaltungen von Nutzen sein, welche mit der in Fig. 2 dargestellten Schaltung verbunden sind. Im Regelfall wird das
Sägezahnsignal einem Vergleicher (comparator) 60 zugeführt. Der Vergleicher 60 vergleicht das Sägezahnsignal an Klemme 64 mit dem bei Klemme 63 vorhandenen Signal.

Die Zeit, v/elche die Sägezahnspannung benötigt, um auf die Vergleichsspannung abzunehmen, also das Potential an Klemme 63,

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wird proportional der Differenz zwischen dem Potential des gewählten Eingangs und der Vergleichsspannung sein.. Diese Zeit kann in einer Schaltung, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, gemessen werden, um ein digitales Äquivalent der Eingangsspannüng zu erhalten. - . -

Bei weiteren Ausführungsformen der Analog-Multiplexschaltung gemäß der Erfindung wird eine Versetzungs- oder Ausgleichsspannung (off-set voltage) an den Vergleicher durch Transistor 54 angelegt und angelegt an die Eingangsklemmen IN., IN₂, IN, der in Fig. 1 dargestellten Multxplexschaltung, um den Dynamikbereich der Analog-MuItiplexschaltung zu vergrößern.

Transistoren 50, 51 und 52 halten die Schaltungspunkte A, B und C wenigstens zwei V_ßE über Erdpotential, und sie verhindern dadurch die Sättigung der Transistoren 11, 12, 13, 14, 15 und Transistor .54 stellt eine Kompensationsverschiebung für Vergleicher 60 zur Verfugung und ermöglicht, daß Transistor 31 in einem linearen Bereich arbeitet. . .

Fig. 3 zeigt im Blockschaltbild ein Ausfuhrungsbexspiel für eine Anwendung der Analog-Multiplexschaltung gemäß der Erfindung, und zwar im.Zusammenwirken mit einem Mikroprozessor zum Abtasten mehrerer Eingänge und zum Steuern mehrerer Einrichtungen in Abhängigkeit von der ausgesandten Information. Wie in Fig. 3 dargestellt ist, ist Analog-Multiplexschaltung 82 derart geschaltet, daß sie eine Anzahl von Eingangssignalen auf Leitungen a ... η empfängt. Im Regelfall wird der Eingang repräsentativ sein für das Verhalten eines bestimmten Systems. Das System kann wiederum durch eine Gruppe von Einrichtungen gesteuert werden, beispielsweise Einrichtungen 90, 91, 92, 93, 94 und 95. Der Ausgang aus der Multxplexschaltung 82 gelangt zu einem Analog-Digital—Umsetzer 86, welcher seinerseits die Information zu einem Mikroprozessor 80 weitergibt. In Abhängigkeit von den Eingangssignalen aus dem Analog-Digital-Umsetzer 86 wird Mikroprozessor 80 die Einrichtungen 90 bis 95 regeln oder steuern, und er wird steuern, welcher der Eingänge der Multxplexschaltung 82 dem Analog-Digital-Umsetzer

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86 zugeführt wird. Der Mikroprozessor 80 wird im Regelfall programmiert sein mit Informationen, welche repräsentativ sind für die Abhängigkeit zwischen dem zur Multiplexschaltung 82 gelieferten Eingangssignal und dem zu den gesteuerten Einrichtungen 90 bis 95 gelieferten Ausgangssignal. Wenn beispielsweise eines der Eingangssignale zur Multiplexschaltung 82 eine Temperaturinformation ist, so wird Mikroprozessor 80 derart programmiert sein, daß er in der gewünschten Weise Temperaturen steuert, indem er geeignete Signale zu einer der Steuereinrichtungen 90 bis 95 liefert.

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Claims

0R..IN6. FRIEDRICH B. FISCHER SOOO KÖLN SO

PATENTANWALT SAARSTRASSE 71

Fairchild Camera and Instrument ο O O c ο ο ο

Corporation ^ ö J b J ö ö

464 Ellis Street
Mountain View, California 94040, V.St.A. F 7837

Analog-Multipiexschaltung

Ansprüche

/I^ Multiplexschaltung mit einer ersten Leitung, einer zweiten Xeitung und mehreren Eingangszellen, dadurch gekennzeichnet, daß jede Zelle enthält:

eint= Eingangsklemme zum Empfang elektrischer Signale, einen ersten Transistor, welcher mit der Eingangsklemme, einem Schaltungspunkt und der zweiten Leitung verbunden ist, einen zweiten Transistor, welcher zwischen dem Schaltungspunkt und der ersten Leitung liegt, und

eine Stromzuführung zur Lieferung von elektrischem Strom zu dem Schaltungspunkt während gewählter Perioden, wobei eine Ausgangsklemme mit der ersten Leitung verbunden ist.

2. Multiplexschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Potentialausgleicher, welcher bewirkt, daß das Potential der Ausgangsklemme gleich dem Potential der elektrischen Signale ist, welche zu einer von mehreren Eingangsklemmen während gewählter Perioden zugeführt werden.

3. Multiplexschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzuführung zur Lieferung von Strom zu dem Schaltungspunkt während gewählter Perioden eine Stromquelle enthält, welche mit dem Schaltungspunkt und einem zwischen dem Schaltungspunkt und Erde liegenden Schalter verbunden ist.

4. Multiplexschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter ein Transistor ist.

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ORIGINAL INSPECTED

5. Multiplexschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Potentialausgleicher, welcher dafür sorgt, daß das Potential der Ausgangsklemme gleich dem Potential des elektrischen Signals ist, welches der Eingangsklemme zugeführt wird, einen Stromspiegel enthält.

6. Multiplexschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromspiegel einen dritten Transistor enthält-, welcher mit der zweiten Leitung verbunden ist, und einen vierten Transistor', welcher zwischen dem dritten Transistor und der ersten Leitung liegt.

7« Multiplexschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste, der zweite, der dritte und der vierte Transistor Bipolartransistoren sind.

8. Multiplexschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor und die Basis des dritten Transistors mit der zweiten Leitung und der Basis des vierten Transistors verbunden sind, daß der Kollektor des vierten Transistors mit der ersten Leitung verbunden ist, und daß die Emitter des dritten und des vierten Transistors mit Erde verbunden sind»

9ο Multiplexschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des ersten Transistors mit der Eingangsklemme, der Emitter des ersten Transistors mit dem Schaltungspunkt und der Kollektor des ersten Transistors mit der zweiten Leitung verbunden sind, und

daß der Emitter des zweiten Transistors mit dem Schaltungspunkt und die Basis und der Kollektor des zweiten Transistors mit der ersten Leitung verbunden sind.

10. Multiplexschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis eines Transistors mit der Eingangsklemme, der Emitter des Ausgleichstransistors mit der Basis des ersten Transistors und der Kollektor des Ausgleichstransistors mit Erde verbunden sind.

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11. Multiplexschaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter aller Eingangszellen, außer einer, zu jeder gegebenen Zeit geschlossen sind, so daß die elektrischen Signale, welche zu der Eingangsklemme der Zelle mit offenem Schalter geliefert werden, zu der Ausgangsklemme geliefert werden können, welche mit der ersten Leitung verbunden ist.

12. Multiplexschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die Ausgangskiemme mit einem fünften Transistor verbunden ist, ein sechster Transistor mit dem fünften Transistor verbunden ist, ein Kondensator mit dem sechsten Transistor verbunden ist, und eine zweite Ausgangsklemme mit dem sechsten Transistor verbunden ist.

13. Multiplexschaltung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß

die Ausgangsklemme mit der Basis des fünften Transistors verbunden ist,

der Emitter des sechsten Transistors mit dem Emitter des fünften Transistors verbunden ist,

der Kondensator mit dem Kollektor des sechsten Transistors verbunden ist, und

die zweite Ausgangsklemme mit der Basis des sechsten Transistors verbunden ist.

14. Multiplexschaltung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß

der Kollektor des siebenten Transistors mit den Emittern des fünften und des sechsten Transistors verbunden ist, der Emitter des siebenten Transistors mit einer Stromquelle verbunden ist, und

die Basis des siebenten Transistors über einen Sägezahnschalter mit einer Stromquelle verbunden ist.

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15. Multiplexschaltung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß

der Kollektor des fünften Transistors mit dem Kollektor eines
achten Transistors verbunden ist,

der Kollektor des sechsten Transistors mit dem Kollektor eines
neunten Transistors verbunden ist,

die Basen des achten und des neunten Transistors miteinander verbunden sind, und

die Emitter des achten und des neunten Transistors mit Erde verbunden sind.

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