DE2933643C2

DE2933643C2 - Abtastintegrator mit elektronischen Schaltern, insbesondere zur Realisierung getakteter aktiver Filterschaltungen

Info

Publication number: DE2933643C2
Application number: DE19792933643
Authority: DE
Inventors: Josef Dipl.-Ing. 8000 München Nossek
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1979-08-20
Filing date: 1979-08-20
Publication date: 1982-10-28
Also published as: DE2933643A1

Description

Kondensator (5) den Kapazitätswert — C aufweist,

wobei /7—1 die Zahl der weiteren Kondensatoren und λ die Integrationskonstante bedeuten (F i g. 1).

Die Erfindung betrifft einen Abtastintegrator mit elektronischen Schaltern, insbesondere zur Realisierung getakteter aktiver Filterschaltungen, bestehend aus einem Operationsverstärker, dessen Ausgang mit dem invertierenden Eingang über einen Kondensator verbunden ist, bei dem weiterhin der nichtinvertierende Eingang an Massepotential liegt und ein weiterer Kondensator über Schalter während einer ersten Taktphase an ein Klemmenpaar geschaltet ist, an dessen einzelnen Klemmen Spannung gegenüber Massepotential auftritt und der während einer zweiten Taktphase zwischen invertierendem und nichtinvertierendem Eingang des Operationsverstärkers geschaltet ist.

Abtastintegratoren der vorstehend genannten Art und insbesondere auch deren Verwendung in aktiven Filterschaltungen sind bereits durch den Aufsatz »Design Techniques for MOS Switched Capacitor Ladder Filters« in der Zeitschrift »IEEE Transactions on Circuits and Systems, Vol. CAS-25, Nr. 12, Dez. 1978, Seiten 1014 bis 1021 und dort insbesondere Seite 1015 bekannt geworden.

Es handelt sich dabei um solche Filter, die nicht zeitkontinuierliche Analogsignale im eigentlichen Sinn verarbeiten, sondern zeitdiskrete Signale, die in Form von Abtastproben vorliegen, wobei die Abtastproben im Rhythmus einer Taktfrequenz F erzeugt werden und über die Beziehung T= 1/Fwird dementsprechend Tdie Taktperiode genannt. Schaltungen zur Erzeugung solcher Abtastproben sind für sich bekannt, so daß sie an dieser Stelle nicht im einzelnen erläutert werden müssen. Es ist jedoch auch im folgenden davon auszugehen, daß den dargestellten Schaltungen solche Abtastschaltungen jeweils vor- bzw. nachgeschaltet sein können, so daß es also einerseits gelingt aus einem Analogsignal entnommene Abtastproben der Filters schaltung eingangsseitig zuzuführen und die ausgangssei tig zur Verfügung stehenden Signale wieder in zeitkontinuierliche Analogsignale umzuwandeln. Der wesentliche technische Vorteil solcher Filter ist darin zu sehen, daß Spulen durch aktive Schaltelemente und Kondensatoren nachgebildet werden, so daß sie sich zur monolithischen Integration von größeren Filterschaltungen eignen. Als Verstärker werden dabei überwiegend die bekannten Operationsverstärker eingesetzt und es wird dabei angestrebt, einerseits eine möglichst geringe Anzahl von Schaltelementen anwenden zu müssen und andererseits auch die Stabilität solcher Schaltungen zu gewährleisten.

Die in der vorstehend genannten Literaturstelle angegebene Integratorschaltung ist für die praktische Implementierung in ^-Kanal-MOS-Technologie an sich gut geeignet, da die unvermeidlichen parasitären Erdkapazitäten nahezu unwirksam sind und der Operationsverstärker als stets gegengekoppelter invertierender Verstärker betrieben wird. Wenn man jedoch verhältnismäßig hohe Taktfrequenzen verwenden will, dann haben die Kondensatoren verhältnismäßig große Unterschiede in ihren Kapazitätswerten, d. h. ein relativ hohes Kapazitätsverhältnis, das zur Erzielung der erforderlichen Integrationskonstanten benötigt wird.

Dies ist eine Folge der wegen des gewählten Simulationsprinzips, nämlich der sogenannten sinh-Transformation, für Schalter-Kondensator-Filter erforderlichen hohen Taktfrequenz und führt zu erhöhtem Platzbedarf bei der monolithischen Integration.

Aus der Literaturstelie AEÜ, Band 24 (1970), Heft 12, Seiten 539 bis 544 ist eine Resonanztransferschaltung bekannt, die aus einem Verstärker bzw. einem Dreitor besteht, der bzw. das mit in Serie geschalteten Kondensatoren verbunden ist; diese Kondensatoren werden von taktgesteuerten Schaltern periodisch kurzgeschlossen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Abtastintegrator-Schaltung anzugeben, mit der sich eine Reduktion der Kapazitätssumme erzielen läßt und damit auch günsti gere Verhältnisse bei der monolithischen Integration solcher Schaltungen.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von dem einleitend erwähnten Abtastintegrator, erfindungsgemäß in der Weise gelöst, daß der periodisch geschaltete Kondensa tor über wenigstens einen weiteren Kondensator an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers angeschlossen ist, und daß diesem Kondensator jeweils ein Schalter parallel liegt, der während der ersten Taktphase geschlossen ist.

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung nachstehend noch näher erläutert. Es zeigt in der Zeichnung F i g. 1 eine erfindungsgemäße Schaltung, F i g. 2 das zur Schaltung von F i g. 1 gehörende Taktschema mit den sich nicht überlappenden Taktphasen Φ und Φ.

Bei der in F i g. 1 dargestellten Schaltung liegt an den Klemmen 6 und 7 eine Spannung Lh und an den Klemmen 6', 7 die Spannung U\. Die Ausgangsklemmen sind mit 8 und 9 bezeichnet und es tritt dort die Spannung L'3 auf. Im Ausführungsbeispiel liegen die Klemmen 7 und 9 als durchgehende Masseleitung auf Bezugspotential 10, wie dies ebenfalls kenntlich

10

gemacht ist. Als Verstärker ist ein Operationsverstärker 1 verwendet, dessen invertierender bzw. dessen nichtinvertierender Eingang mit den Bezugsziffern 3 bzw. 2 bezeichnet sind. Dabei liegt zwischen den Anschlüssen 3 und 4 des Operationsverstärkers 1 ein Kondensator 5. In der Schaltung sind ferner zu erkennen eine Reihe von Schaltern, die vorzugsweise in MOS-Technologie (Metall-Oxid-Silizium) ausgebildet sind und deren Schließungsphase lediglich durch die Taktphasen Φ bzw. Φ entsprechend Fig.2 kenntlich gemacht ist. Die praktische Realisierung solcher elektronischer Schalter ist für sich bekannt, so daß an dieser Steile nicht im einzelnen darauf eingegangen werden muß. Geht man von den Anschlußklemmen 6 bzw. 6' aus, dann ist zu erkennen, daß der Kondensator CI während der ersten Taktphase Φ an der Differenzeingangsspannung Ui-U\ zwischen den Klemmen 6_und 6' liegt, während er in der zweiten Taktphase Φ zwischen dem invertierenden Eingang 3 und dem nichtinvertierenden Eingang 2 des Operations-Verstärkers 1 liegt Diese Bedingung muß für den zwischen den Klemmen 6 und 6' liegenden, getakteten Kondensator C1 eingehalten werden^o daß ihm also Schalter mit der Taktphase Φ bzw. Φ in den zu den Eingängen 2 und 3 des Operationsverstärkers 1 führenden Leitungen vor- bzw. nachgeschaltet sein müssen. Zwischen dem Ausgang 4 und der nicht auf Bezugspotential liegenden Ausgangsklemme 8 liegt ein weiterer Schalter, der im Ausführungsbeispiel während der Taktphase iF geschlossen ist. Jedoch ist es auch möglich, diesen Schalter mit der Taktphase Φ zu betreiben.

In der gezeigten Schaltung wird nun wenigstens ein zusätzlicher Kondensator C2 in die zum invertierenden Eingang 3 führende Leitung geschaltet und es liegt parallel zu diesem Kondensator C2 ein Schalter, der während der ersten Taktphase Φ geschlossen ist, d. h. also in der gleichen Zeit, in der auch die den Klemmen 6 und 6' nachgeschalteten Schalter geschlossen sind. Durch die gestrichelten Linien in der zum invertierenden Eingang 3 führenden Leitung soll kenntlich gemacht werden, daß an sich mehrere solcher Schaltungskombinationen zugeschaltet werden können, so daß der letzte kondensator mit C_n bezeichnet ist, dem ebenfalls der in der Taktphase Φ geschlossene Schalter parallel liegt. Wie sich zeigt, ist eine vorteilhafte Bemessung in folgendem zu sehen. Wenn der geschaltete Kondensator C1 den Kapazitätswert C hat, dann soll auch der weitere Kondensator C2 den Kapazitätswert C haben. Für den Fall, daß mehrere Kondensatoren zugeschaltet werden, sollen diese ebenfalls den Kapazitätswert C haben Der Kondensator 5 nimmt dabei den Kapazitätswert — · C an, wobei χ die Integrationskonstante und /i

n— 1 die Zahl der zugeschalteten Kondensatoren C2 bis C_n bedeutet.

Zur physikalischen Wirkungsweise sei noch auf folgendes hingewiesen.

Ausgehend von der einleitend genannten, bekannten Anordnung, die die Strom-Spannungs-Beziehung einer Reaktanz eines LC-Prototypen-Filters nachbildet, erhält man folgende Übertragungsfunktion:

(D

U₁-U₂ a \-z '

Über die Beziehung ζ = e^/>rund φ
man die Integrationsfunktion

U₁-U₂

2 αφ aTs

sin *γ erhält

(2)

wobei 5= — φ gilt. Dabei ist im allgemeinen das

Kapazitätsverhältnis «>1. Der Absolutwert von C ist durch die technologischen Grenzen und die erforderliche Genauigkeit von « bestimmt und im folgenden invariant vorausgesetzt. F i g. 1 zeigt nun eine Schaltung, die eine η-fache Reduktion des großen Gegenkopplungskondensators xC erlaubt. Eine solche Herabsetzung von «Cauf — · C ist natürlich nur soweit sinnvoll,

als η < i/a gilt Die damit erreichbare minimale Kapazitätssumme ist (n+&/n)C=2]/öi C gegenüber (κ + I)C bei der einleitend genannten bekannten Schaltung. Unter Berücksichtigung der parasitären Erdkapazitäten erweist sich vor allem die praktische

bedeutsame Reduktion von «Cauf — C d.h. π=2, als besonders vorteilhaft

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Abtastintegrator mit elektronischen Schaltern, insbesondere zur Realisierung getakteter aktiver Filterschaltungen, bestehend aus einem Operationsverstärker, dessen Ausgang mit dem invertierenden Eingang Ober einen Kondensator verbunden ist, bei dem weiterhin der nichtinvertierende Eingang an Massepotential liegt und ein weiterer Kondensator über Schalter während einer ersten Taktpiiase an ein Klemmenpaar geschaltet ist, an dessen einzelnen Klemmen Spannung gegenüber Massepotential auftritt und der während einer zweiten Taktphase zwischen invertierendem und nichtinvertierendem Eingang des Operationsverstärkers geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der periodisch geschaltete Kondensator (Ci) über wenigstens einen weiteren Kondensator (C2 bzw. C2 bis Cn) an den invertierenden Eingang (3) des Operationsverstärkers (f) angeschlossen ist, und daß diesem Kondensator (C2) jeweils ein Schalter parallel liegt, der während der ersten Taktphase (Φ) geschlossen ist

2. Abtastintegrator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der geschaltete Kondensator (Cl) den gleichen Kapazitätswert (C) hat wie der bzw. die weiteren Kondensatoren (C2 bis Cn) und daß der vom Ausgang (4) des Operationsverstärkers (1) zum invertierenden Eingang (3) geschaltete