DE2950433A1

DE2950433A1 - Elektronische schaltung mit geschalteten kapazitaeten

Info

Publication number: DE2950433A1
Application number: DE19792950433
Authority: DE
Inventors: Spaeter Genannt Werden Wird
Original assignee: Centre Electronique Horloger SA
Current assignee: Centre Electronique Horloger SA
Priority date: 1978-12-18
Filing date: 1979-12-14
Publication date: 1980-06-26
Also published as: US4352069A; CH625373A5; DE2950433C2; JPS5583322A

Description

Pat£iitanwälte Dipl.-ing. Curt Wallach

Dipl.-Ing. Günther Koch

9 5 0 A 3 3 Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

ο ^ Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 ■ Kaufingerstraße 8 ■ Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 14. Dezember 1979

Unser Zeichen: 16 76j5 - Pk/Nu

Centre Electronique Horloger SA
NeuchÄtel / Schweiz

Elektronische Schaltung mit geschalteten Kapazitäten

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Die Erfindung bezieht eich auf eine elektronische Schaltung mit geschalteten Kapazitäten, die die Verarbeitung eines Analogsignals ermöglicht und ein Frequenzfilter bilden kann.

Elektronische Schaltungen mit geschalteten Kapazitäten wurden im wesentlichen mit dem Ziel entwickelt, elektronische Schaltungen, die sonst die Verwendung von Widerständen erfordern, in integrierte Schaltungen einfügen zu können. Integrierte Widerstände weisen in der Praxis Temperatureigenschaften und Eigenschaften hinsichtlich der Genauigkeit auf, die wenig befriedigend sind, und sie erfordern einen eehr großen Raumbedarf auf dem Silicium«·

ist allgemein bekannt, wie

plättchen.Es / dies in Fig. 1 gezeigt ist, die Widerstände durch Kapazitäten^ersetaen, die mit einer vorgegebenen Frequenz geschaltet werden. Wenn diese Kapazität C an V₁ gemäß Fig. 1 angeschaltet ist, wird sie geladen und nach dem Umschalten an V₂ wird sie um den Betrag von Q = C(V₁ - V₂) entladen.

Wenn das Schalten alle T_e Sekunden erfolgt und damit mit einer Schaltfrequenz oder Abtastfrequenz ί_Λ = 1/T-, so ergibt sich ein Strom in Richtung auf V₂ mit einem mittleren Wert von i, der durch die folgende Gleichung bestimmt ist:

i = Q/T_e - C(V₁ - V₂)/T_e.

Der äquivalente Widerstand dieser geschalteten Kapazität ist dann: R = TVC. Eine Vorbedingung für eine

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einwandfreie Betriebsweise besteht darin, daß die Abtastfrequenz f_e wesentlich größer als die Frequenz f des abgetasteten Eingangssignals V^ ist. Im allgemeinen ist zu fordern, daß f < f_e/2 ist, und zwar entsprechend der Regel für Abtastsysteme. Analogschalter, die durch digitale Signale von einer Taktsignalquelle gesteuert werden und durch den Schalter K dargestellt sind, ermöglichen im allgemeinen dieses Schalten.

Eine bekannte Schaltung mit geschalteten Kapazitäten ist in Fig. 2 gezeigt. Diese Schaltung besteht aus einem Integrator mit einem Operationsverstärker I und einer Kapazität C, aus einer geschalteten Kapazität oLC und zwei Schaltern K. Das aufeinanderfolgende Schalten der geschalteten Kapazität cxC, die in einer ersten Phase an V^ und Vp und in einer zweiten Phase an Masse und den invertierenden Eingang des Integrators angeschaltet wird, entspricht der Abtastfrequenz f des Eingangssignals V^ mit der Frequenz f. In Abhängigkeit von dem Wert von öl verhält sich die Schaltung mit geschalteten Kapazitäten wie eine Verzögerungsschaltung (οι. = 1), wie eine Bandsperrschaltung (O < ex < 1) oder wie eine Bandpaßschaltung (1 < (X < 2), wobei in den beiden letzteren Fällen die Resonanz der Schaltung mit f = (f_/2)»(1 + 2k) verwendet wird, wobei k eine ganze Zahl ist. In diesen beiden Fällen bildet eine derartige elektronische Schaltung um die Resonanzfrequenz herum ein übliches Bandsperrfilter oder ein übliches Bandpaßfilter, und sie ist weiterhin vollständig integrierbar, insbesondere in C-MOS-Technik. Es ist daher einfach, integrierbare selektive Filter aufzubauen, deren Abtastfrequenz so ausgewählt wird, daß die Resonanzfrequenz f = f_/2 bestimmt wird, bei der

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gearbeitet werden soll.

Eine derartige selektive Schaltung weist insbesondere dann Nachteile auf, wenn sie als Bandpaßfilter arbeitet.

Einerseits ist bekannt, daß die erste Resonanz für f = *_e/2 auftritt, und weil dies der theoretische Grenzwert ist, für den das Eingangssignal zweimal pro Periode abgetastet wird, ergibt sich, wie dies anhand der Fig. 3 zu erkennen ist, eine Unsicherheit hinsichtlich der relativen Phase des Eingangs signals V/. bezüglich der Abtastzeitpunkte. So ist es möglich, daß das Eingangssignal zum Zeitpunkt der Abtastung gleich Null ist, was das Ausgangssignal der Schaltung beeinflußt.

Andererseits erscheinen die Frequenzen f des Eingangssignals V^ oberhalb von f_e/2 am Ausgang um f_ß/2 umgesetzt, wie dies bei allen Abtastschaltungen der Fall ist, weshalb gefordert wird, daß das Spektrum des Eingangssignals auf Frequenzen unterhalb von f./2 begrenzt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beseitigen und eine elektronische Schaltung mit geschalteten Kapazitäten zu schaffen, deren Eingangsfrequenz sich über die Resonanzfrequenz f _/2 hinaus ändern kann und die eine Verzögerungsschaltung, eine Bandsperrschaltung oder eine Bandpaßschaltung bildet, die vollständig integrierbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebene Erfindung gelöst.

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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäBe elektronische Schaltung ist vollständig und in einfacher Weise integrierbar und die Eingangsfrequenz kann größer sein als die Resonanzfrequenz f /2. Diese elektronische Schaltung kann sowohl eine Vorzögerungsschaltung als auch eine Bandsperrschaltung oder eine Bandpaßschaltung bilden.

Ee ist zwar bereits eine Lösung hinsichtlich des Problems der Begrenzung auf die halbe Abtastfrequenz bekannt, deren Prinzip jedoch vollständig von der erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung verschieden ist. Es handelt sich hierbei um die sogenannten N-Pfad-Schaltungen, die jedoch den Nachteil aufweisen, daß sie bei einer Abtastfrequenz arbeiten, die gleich der Frequenz des zu empfangenden

daß sie Signals ist, und/damit Störeinstreuungen aufgrund des

Abtastsignals aufweisen.

Sie erfindungsgemäße elektronische Schaltung weist zumindest zwei selektive Schaltungen mit geschalteter Kapazität der oben beschriebenen Art auf, die parallel angeordnet sind. Weiterhin weist die elektronische Schaltung eine Steuerschaltung auf, die Steuersignale liefert, die die Schalter derart steuern, daß die aufeinanderfolgenden Schaltvorgänge der geschalteten Kapazitäten sichergestellt sind. Das Eingangssignal der elektronischen Schaltung ist mit den Eingängen der selektiven Schaltungen verbunden und die Ausgänge dieser selektiven Schaltungen sind mit einem Bauteil verbunden, das das Ausgangssignal der elektronischen Schaltung bildet. Weiterhin weist die

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die Steuersignale für die Schalter liefernde Steuerschaltung derartige Einrichtungen auf, daß diese Steuersignale so geliefert werden, daß jeder der einer geschalteten Kapazität entsprechenden aufeinanderfolgenden Schaltvorgänge zeitlich gegenüber jedem der der anderen geschalteten Kapazität entsprechenden Schaltvorgänge versetzt ist.

Sie Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine bekannte geschaltete Kapazität,

Fig. 2 eine bekannte selektive Schaltung mit geschalteten Kapazitäten,

Fig. 3 eine Darstellung zur Erläuterung der Grenzen der Abtastung des Eingangssignals mit einer Frequenz f. = 2f bei der Schaltung nach Fig. 2,

Fig. 4 eine Aueführungsform der erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung,

Fig. 5 eine Darstellung der Abtasteignale e^Ct) und

e₂(t) sowie des Eingangssignals V^(t), das gemäß e^(t) und ep(t) abgetastet wird,

Fig. 6 eine Darstellung der Steuersignale der Schalter,

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die die Schaltvorgänge durchführen, sowie der Positionen des Ausgangsschalters in Abhängigkeit von diesen Signalen,

Fig. 7 eine Ausführungsform einer Einrichtung zur Erzeugung einer Folge von Abtastfrequenzen,

Fig. 8 eine Ausführungsform einer Einrichtung zur Änderung der Kapazitätswerte der Kapazitäten <XC oder C.

In Fig. 4 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung mit geschalteten Kapazitäten gezeigt. Bei dieser Ausführungsform sind nur zwei selektive

Schaltungen nach Fig. 2 verwendet, die Reihenschaltung einer größeren Anzahl derartiger selektiver Schaltungen ist jedoch ohne weiteres möglich. Die beiden selektiven Schaltungen sind parallel geschaltet und die Schalter der geschalteten Kapazitäten (1C)₁ und (--JiC)₂ sind durch zwei Schalterpaare A^, B^ bzw. zwei Schalterpaare A₂, B₂ dargestellt.

Das Ziel besteht darin, das Eingangssignal V^(t) mit der Frequenz f_ einerseits durch die erste selektive Schaltung Λ und andererseits durch die zweite selektive Schaltung 2 abzutasten, jedoch derart, daß die von der selektiven Schaltung 2 erzeugten Abtastproben gegenüber den Abtastproben phasenverschoben sind, die von der selektiven Schaltung 1 erzeugt werden. Bei dem dargestellten Beispiel ist eine Phasenverschiebung von einer halben Periode sowie eine Frequenz des Eingangssignals V_x, (t)

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gewählt, die gleich der halben Abtastfrequenz f ist. Der Abtastvorgang verläuft so, als ob das Eingangssignal V^(t) viermal pro Periode abgetastet würde. Die Fig. 5a und 5b zeigen, was hiermit gemeint ist, und sie zeigen die Abtastung O₁ (t) und e₂(t) mit einer Phasenverschiebung von einer halben Periode. Die Fig. 5c und 5« zeigen eine Abtastung des Eingangssignale V₁(t), bei der eine Serie von Abtastproben gleich Null ist, während die andere Serie von Abtastproben aufgrund des Aufbaus der Ausführungsform der Schaltung nach Fig. 4 nicht Null ist. Abgesehen von diesen Grenzwerten, erfolgt eine Abtastung des Eingangssignalβ viermal pro Periode, wie dies in Fig. 5d gezeigt ist.

Um diese spezielle Abtastung zu ermöglichen, muß ein geeignetes Schalten der geschalteten Kapazitäten (λ C)₁ bzw. (XC)₂ sichergestellt werden. Zu diesem Zweck sind in Fig. 6 die die Schalter A₁, B₁, A₂ und B₂ steuernden Signale mit 0_A1» 0jji» 0_A2 ¹^ ^B2 ^bezeicnnet» wobei die Schalter durch MOS-Transistoren gebildet sein können. In der selektiven Schaltung 1 steuert das Signal 0_A1 die Schalter A₁ mit einer Abtastfrequenz f und bei jedem Schließen dieser Schalter A₁ mit der Dauer /^T erzeugt die selektive Schaltung 1 eine Abtastprobe des Eingangssignals V₁Ct). Das Signal 0_ß1 schließt die Schalter B₁ mit der gleichen Frequenz f., jedoch nach dem Offnen der Schalter A^, wodurch (^-C)₁ einerseits mit Masse und andererseits mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers I verbunden wird. 0.^ und 0_ß1 wirken daher durch die Versetzung des Schaltens der Schalter A^ und B^ das Umschalten von (OLC)₁ und die Abtastung von V₁(t) mit der Frequenz f , wie dies bereits eingangs erläutert

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wurde.

Die selektive Sch alt ting 2 muß Abtastproben V^ (t) erzeugen, die um eine halbe Periode gegenüber den Abtastproben phasenverschoben sind, die von der selektiven Schaltung 1 erzeugt werden. Daher schließt das Signal 0^₂ ^die Schalter Ag der selektiven Schaltung 2, während die Schalter Ay. der eelektiven Schaltung 1 geöffnet sind, und zwar mit der gleichen Viederholfrequenz f_A. Weiterhin schließt, wenn die Schalter A~ offen sind, 0_B2 ^ie Schalter B₂, um auf diese Weise das Schalten der Kapazität (IC)₂ zu bewirken. Es ist zu erkennen, daß für 0_A2 ^dae Signal 0^ und für 0_B2 das Signal 0.^ verwendet werden kann, wodurch die Erzeugung der Steuersignale für die Schalter A^, B^., A₂ und Bp vereinfacht wird.

Die Signale 0_A1, 0_B^, 0_A2 und 0_ß2 werden derart erzeugt, daß die Schalter A^, B_x. bzw. A₂, B₂ niemals zur gleichen Zeit geschlossen sind, sondern im Gegensatz hierzu sogar während einer Zeit At alle geöffnet sind. Diese Dauer At kann gegen Null streben, wodurch die Schließdauer Δ Τ vergrößert wird, sie kann jedoch niemals Null sein, wodurch in jedem Fall ein Kurzschluß verhindert wird. ■ *

Es war zu erkennen, daß der Ausgang V₂(t) die Summe der Ausgänge jeder der eelektiven Schaltungen 1 und 2 sein kann. Ein anderes, einfacheres Verfahren zur Bildung von V₂(t) besteht darin, abwechselnd mit Hilfe eines Schalters S den Ausgang der selektiven Schaltung 1 und dann den Ausgang der selektiven Schaltung 2 abzunehmen, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist. Der Schalter S befindet sich zunächst in der Stellung S^ und dann in der Stellung S₂

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und verbindet den Ausgang abwechselnd mit einer der selektiven Schaltungen 1 und 2, vorzugsweise mit der Schaltung, bei der kein Übergang erfolgt: Die Fig. 6 zeigt die Position des Schalters S bezüglich insbesondere der Signale 0_A/j und 0_B/|» 0j^2 ^ym& 0ß2* ^Eine derartige Umschaltung kann in gleicher Weise durch ein Paar von Schaltern wie z. B. in Form von MOS-Transistoren erfolgen, die durch geeignete Signale gesteuert werden, die beispielsweise von 0^ und 0_B1 abgeleitet werden.

Wie dies bereits erwähnt wurde, besteht das ursprüngliche Ziel darin, daß die Resonanzfrequenz gleich der halben Abtastfrequenz ist. Diese Abtastfrequenz wird von einem quarzgesteuerten Oszillator erzeugt, der die Erzielung einer großen Stabilität der Resonanzfrequenz ermöglicht· Diese Stabilität ermöglicht die Herstellung von Filtern mit sehr geringer Bandbreite, die die Feststellung eines Signals ermöglichen, dessen Frequenz ebenfalls durch einen $uarz$£steuertewerden kann. Da die Abtastfrequenz gleich der doppelten Frequenz des Eingangssignals ist, wird jede Gefahr einer Störeinstreuung bei der Frequenz des Eingangssignals beseitigt. Weiterhin ergibt die Kaskaden- oder Reihenschaltung einer größeren Anzahl von selektiven Schaltungen keine Schwierigkeiten hinsichtlich einer Fehlabstimmung einer Schaltung bezüglich der anderen.

Die beschriebene Ausführungsform der elektronischen Schaltung mit geschalteten Kapazitäten weist somit eine Resonanzfrequenz f_e/2 auf, die direkt auf die Abtastfrequenz f bezogen ist, und zwar unabhängig von der Ge- oder von Toleranzen der Schaltungselemente.

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Weiterhin kann durch Ändern der Abtastfrequenz f die Resonanzfrequenz der erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung geändert werden und es kann ein Filter mit anpaßbarer Abstimmfrequenz geschaffen werden.

Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform einer Einrichtung, die die Erzeugung einer Folge von Abtastfrequenzen für die Signale 0.,. und 0_ß1 ermöglicht. Ein Generator G_Q erzeugt eine Steuerfrequenz f_Q, die einen Frequenzgenerator G_n ansteuert, der verschiedene Frequenzen f^ bis f erzeugt, die zu f in ein·· festen Verhältnis stehen. Eine Steuerschaltung F wählt dann entsprechend einer vorgegebenen Folge eine der Frequenzen f,, bis f_Q aus und bestimmt somit die Abtastfrequenz f entsprechend dieser Folge. Siese Frequenz f ruft über die Vorrichtung Ώ die Steuersignale 0.* und 0L^. hervor. Die Steuerfrequenz f kann von einem Quarzoszillator erzeugt werden und die einzelnen Einrichtungen können mit Hilfe von ohne weiteres integrierbaren logischen Schaltungen, inabesondere in HOS-Technologie aufgebaut werden.

Andererseits können durch Einwirken auf die Kapazitäten (j.C)^, (Ot-C)₂ oder C und damit indirekt auf rjL die Eigenschaften der elektronischen Schaltungen, wie s. B. die Bandbreite und die Verstärkung, geändert werden. Fig. 8 zeigt eine einfache Möglichkeit zur Änderung der Kapazitätswerte dieser Kapazitäten. Die Kapazität C_Q, die die Ausgangekapazität ( OLC)₁, (OlC)₂ oder C darstellt, kann durch die Parallelschaltung von Kapazitäten C^ bis C_n geändert werden, und zwar mit Hilfe von Schaltern S^ bis S_Q. Diese Schalter können durch MOS-Transistoren gebildet sein, die durch logische Schaltungen gesteuert werden,

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wobei die Gesamtheit dieses Systems ebenfalls integrierbar ist.

Wie dies aus der vorstehenden Beschreibung ohne weiteres zu erkennen ist, weist die erfindungsgemäße elektronische Schaltung mit geschalteten Kapazitäten den Vorteil auf, daß sie vollständig in MOS-Technologie integriert werden kann, wobei diese Technologie insbesondere für diese Art von Schaltung geeignet 1st.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß die erfindungsgemäße elektronische Schaltung mit geschalteten Kapazitäten zumindest zwei selektive Schaltungen 1 und 2 mit geschaltet·]! Kapazitäten aufweist. Diese beiden selektiven Schaltungen 1 und 2 sind parallel angeordnet und das Eingangssignal V^,(t) ist mit den Eingängen der selektiven Schaltungen 1 und 2 verbunden, während die Ausgänge mit einem Element S verbunden sind, das das Ausgangssignal V₂Ct) der gesamten elektronischen Schaltung bildet. Sie die Schalter A^., B^., Ap und Bp steuernden Signale, die die aufeinanderfolgenden Schaltvorgänge der geschalteten Kapazitäten (IlC)^ und (dC)₂ bewirken, sind derart ausgebildet, daß jeder der aufeinanderfolgenden geschalteten Kapazität (clc)^ entsprechende Schaltvorgang zeitlich gegenüber jedem der aufeinanderfolgenden, der geschalteten Kapazität (dl C)₂ entsprechenden Schaltvorgänge versetzt ist.

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Claims

Patentanwälte Dipl.-!ng. Curt Wallach Dipl.-Ing. Günther Koch Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D -8000 München 2 ■ Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 ■ Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 14. Dezember 1979

Unser Zeichen: 16 763 F/Nu

Patentansprüche

1J Elektronische Schaltung mit geschalteten Kapazitäten, mit einer selektiven, eine geschaltete Kapazität aufweisenden Schaltung, die durch eine geschaltete Kapazität, mit den Klemmen der geschalteten Kapazität verbundene Schalter und einen Integrator gebildet ist, der einen Operationsverstärker und eine Kapazität aufweist, und mit einer Steuerschaltung, die Signale liefert, die die Schalter derart steuern, daß sich ein aufeinanderfolgendes Schalten der geschalteten Kapazität mit einer bestimmten Abtastfrequenz ergibt, dadurch gekennzeichnet , daß die elektronische Schaltung zumindest zwei derartige selektive Schaltungen (1, 2) aufweist, die parallel geschaltet sind, daß das Eingangssignal der elektronischen Schaltung den Eingängen der selektiven Schaltungen (1, 2) zugeführt wird, daß die Ausgänge der selektiven Schaltungen (1, 2) mit einem Bauteil (S) verbunden sind, die das Ausgangssignal der elektronischen Schaltung bildet, und daß die Steuerschaltung (G₀, G_n, P, D), die die Steuersignale für die

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ORIGINAL INSPECTED

Schalter (A,,, Ap, B_x., Bp) liefert, Einrichtungen (D) zur derartigen Lieferung der Steuersignale einschließt, daß jede?der aufeinanderfolgenden, der einen geschalteten Kapazität (xCj entsprechenden Schaltvorgänge zeitlich gegenüber jedem der aufeinanderfolgenden, der anderen geschalteten Kapazität ) entsprechenden Schaltvorgänge versetzt ist.
2. Elektronische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß Einrichtungen (G , F) zur Änderung der Abtastfrequenz vorgesehen sind, die den aufeinanderfolgenden Schaltvorgängen entspricht.
3. Elektronische Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß Einrichtungen (S bis S) zur Änderung des Kapazitätswertes der Kapazität (C) des Integrators (I) und der geschalteten Kapazität (dLC^, OLCp) vorgesehen sind.
4. Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet , daß alle Bauteile der elektronischen Schaltung in Form einer integrierten Schaltung ausgebildet sind.

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