DE2933667C3

DE2933667C3 - Verlustbehafteter Abtastintegrator mit elektronischen Schaltern. insbesondere zur Realisierung getakteter aktiver Filterschaltungen

Info

Publication number: DE2933667C3
Application number: DE19792933667
Authority: DE
Inventors: Josef Dipl.-Ing. 8000 Muenchen Nossek
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1979-08-20
Filing date: 1979-08-20
Publication date: 1982-03-25
Also published as: DE2933667B2; DE2933667A1

Description

Die Erfindung betrifft einen veriustbehafteten Abtastintegrator mit elektronischen Schaltern, insbesondere zur Realisierung getakteter Filterschaltungen, bestehend aus einem parallel zu den Ausgangsklemmen liegenden Integrationskondensator und einem weiteren Kondensator, der während einer ersten Taktphase an eine Eingangsspannung angeschaltet ist und während einer zweiten Taktphase dem Integrationskondensator parallel geschaltet ist.

Abtastintegratoren der vorstehend genannten Art und insbesondere auch deren Verwendung in aktiven Filterschaltungen sind bereits durch die Arbeit »Analog Sample-Data Filters« in der Zeitschrift IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. SC-7, August 1972, Seiten 302 bis 304, insbesondere Seite 303 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 Ferzeugt werden und über die Beziehung T= l/^wird dementsprechend Tdie Taktperiode genannte. 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 Filterschaltung eingangsseitig zuzuführen und die ausgangsseitig zur Verfügung stehenden Signale wieder in

b^r> 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. Es wird auch bei solchen Schaltungen angestrebt, einerseits eine möglichst geringe Anzahl von Schaltelementen anwenden zu müssen und andererseits auch die Stabilität solcher Schaltungen zu gewährleisten.

Zur Simulation verlustbehafteter Reaktanzen eines LC-Referenzfilters genügen verlustbehaftete Abtastintegratorschaltungen, die ohne Verstärker realisiert werden können.

Die in der vorstehend genannten Literaturstelle angegebene Integratorschaltung ist für die praktische Implementierung in n-Kanal-MOS-Technologie an sich gut geeignet, da die unvermeidlichen parasitären Erdkapazitäten nahezu unwirksam sind. 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.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine verlustbehaftete Abtast- bzw. Differenz-Abtastintegratorschaltung ohne Verwendung von Verstärkern anzugeben, mit der sich eine Reduktion der Kapazitätssumme erzielen läßt und damit auch günstigerer Verhältnisse bei der monolithischen Integration solcher Schaltungen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der periodisch geschaltete Kondensator über wenigstens einen weiteren Kondensator an den Integrationskondensator angeschaltet ist, und daß dem (den) weiteren Kondensatoren) jeweils ein Schalter parallel liegt, der während der ersten Taktphase geschlossen ist.

Vorteilhafte Ausführungsformen sind auch in den Unteransprüchen angegeben.

Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung nachstehend noch näher erläutert.

Es zeigt in der Zeichnung

F i g. 1 eine erfindungsgemäße Schaltung für einen verlustbehafteten Abtastintegrator,

F i g. 2 das zur Schaltung von F i g. 1 und F i g. 3 gehörende Taktschemajnit den sich nicht überlappenden Taktphasen Φ und Φ,

Fig.3 eine erfindungsgemäße Schaltung für einen verlustbehafteten Differenz-Abtastintegrator,

Fig.4 ein an sich bekanntes ÄC-Halbglied zur Erläuterung,

F i g. 5 eine aus F i g. 4 herleitbare Realisierung in Schalter-Kondensator-Technik zur Erläuterung.

Bei der in F i g. 1 dargestellten Schaltung liegt an den Eingangsklemmen 6 und 7 eine Spannung U\. Die Ausgangsklemmen sind mit 8 und 9 bezeichnet und es tritt dort die Spannung Ui an dem im Querzweig liegenden Integrationskondensator 5 auf. Im Ausführungsbeispiel liegen die Klemmen 7 und 9 als durchgehende Masseleitung auf Bezugspotential 10, wie dies ebenfalls durch das Massesymbol kenntlich gemacht ist. 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 F i g. 2 kenntlich gemacht ist. Die praktische Realisierung solcher elektronischer Schalter ist für sich bekannt, so daß an dieser Stelle nicht im einzelnen darauf eingegangen werden muß. Geht man von der Anschlußklemme 6 aus, dann ist zu erkennen, daß der Kondensator C1 während der ersten Taktphase Φ an der Eingangsspannung U\ zwischen den Klemmen 6 und 7 liegt, während er in der zweiten Taktphase Φ mit dem nachfolgenden Schaltungsabschnitt und damit auch mit dem Integrationskondensator 5 verbunden ist

In der gezeigten Schaltung wird nun wenigstens ein zusätzlicher Kondensator C2 in die zum Integrationskondensator 5 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 de:i Klemmen 6 und 6' (vgl. hierzu F i g. 3) nachgeschalteten Schalter geschlossen sind. Durch die gestrichelten Linien in der zum Integrationskondensator 5 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 C 2 den Kapazitätswert C haben. Für den Fall, daß mehrere Kondensatoren zugeschaltet werden, sollen diese ebenfalls den Kapazitätswert C haben. Der Integrationskondensator 5 nimmt dabei den Kapazitätswert — - C an, wobei λ+I die Integrationskonstante und

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

Die vorstehenden Ausführungen gelten in entsprechender Weise auch für die in F i g. 3 gezeigte Schaltung, in der wirkungsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugsziffern wie in F i g. 1 bezeichnet sind und für die ebenfalls das in F i g. 2 gezeigte Taktschema Gültigkeit hat. Als mögliche Ausführungsform sind dem Integrationskondensator 5 zwei zusätzliche Kundensatoren C: und Ci zugeordnet, die in der Taktphase Φ kurzgeschlossen sind. Am Ausgang liegt_vor der Klemme 8 ein Schalter, der mit der Taktphase Φ betrieben wird, der jedoch auch mit der Taktphase Φ geschaltet werden kann. In F i g. 1 ist dieser Schalter nicht eigens eingezeichnet. Im Unterschied zu F i g. 1 liegt in F i g. 3 der getaktete Kondensator Cl an einer Differenzeingangsspannung U]-U]', wobei die Spannung U] zwischen einer Klemme 6' und Bezugspotential 10 liegt. Demzufolge muß die Klemme 6' über einen mit der Taktphase Φ gasteuerten Schalter an den zweiten Anschluß des Kondensators_Ci geführt werden, von dem aus ein mit der Taktphase Φ gesteuerter Schalter zum zweiten Anschluß des Integrationskondensators 5 und damit auf Massepotential 10 führt.

Zur physikalischen Wirkungsweise sei noch auf folgendes hingewiesen

Von den zeitinvarianten Netzwerken her ist der in Fig. 4 gezeigte ÄC-Tiefpaß erster Ordnung als Integrierglied bekannt, bei dem ein Widerstand R im Längszweig und ein Kondensator Cim Querzweig liegt und der folgende Übertragungsfunktion p—ja>, ω als Kreisfrequenz hat

U₂ - U₁

= υ.

+ R

pCR

für/» CA > 1

Die Multikplikation mit l/p stellt die Integration mit der Integrationskonstanten /?Cdar.

Da bei exakter Rechnung neben dem Term pCR noch eine Konstante im Nenner auftritt, handelt es sich um eine verlustbehaftete Integration.

Zur Realisierung von Schalter-Kondensator-Filtern sollen die sogenannten Signal-Fluß-Graphen von LC-Abzweigfiltern bzw. /?C-aktiven Referenzfiltern simuliert werden. Ein Weg besteht im Ersatz des Widerstandes R durch eine gemäß Fig.5 bzw. Fig. 2 geschaltete Kapazität mit Ci = T/R. Dabei ist T die 5 Taktperiode.

Als Übertragungsfunktion der geschalteten Anordnungerhält man

JL u,

(v =

(a +

bzw. —

1

(a+ I)

abhängig davon, ob die _Ausgangsspannung zu den Taktzeitpunkten Φ oder Φ abgetastet wird. Dabei gilt Für im Vergleich zur Signalfrequenz sehr hohen Taktfrequenz gilt

,-■ = _e-pr

- pTund damit

(p)

a+\ -(I -pT)(a+\ - 1)

pTa-

pCR+

Man erkennt, daß das erforderliche C-Verhältnis Oi = CZQ bei vorgegebenen Integrationskonstanten linear mit der Taktfrequenz wächst. Mit den in F i g. 1 und Fig. 3 dargestellten Schaltungen gelingt es. dieses für den Flächenbedarf bei integrierter Realisierung maßgebliche C-Verhältnis zu reduzieren.

Hier/u 2 likiti

Claims

Patentansprüche:

1. Verlustbehafteter Abtastintegrator mit elektronischen Schaltern, insbesondere zur Realisierung % getakteter Filterschaltungen, bestehend aus einem parallel zu den Ausgangsklemmen liegenden Integrationskondensator und einem weiteren Kondensator, der während einer ersten Taktphase an eine Eingangsspannung angeschaltet ist und während einer zweiten Taktphase dem Integrationskondensator parallel geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der periodisch geschaltete Kondensator (Cl) über wenigstens einen weiteren Kondensator (C2 bzw. C2 bis Cn) an den Integrationskondensator (5) angeschaltet ist, und daß dem (den) weiteren Kondensatoren) (C 2 bzw. C2 bis Cn) jeweils ein Schalter parallel liegt, der während der ersten Taktphase (Φ) geschlossen ist

2. Abtastintegrator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der geschaltete Kondensator (Ci) den gleichen Kapazitätswert (C) hat wie der bzw. die weiteren Kondensatoren (C2 bis Cn) und daß der Integrationskondensator (5) den Kapazitätswert— Cannimmt, wenn n— 1 die Zahl der weiteren ²ⁱ 71

Kondensatoren und λ+1 die Integrationskonstante bedeuien.

3. Abtastintegrator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der periodisch umgeschaltete Kondensator (Ci) während der ersten Taktphase (Φ) an eine Differenzeingangsspannung (U\ — LV) angeschaltet ist (F i g. 3).