DE3027331A1

DE3027331A1 - Spannungspolaritaetsumschaltschaltung

Info

Publication number: DE3027331A1
Application number: DE19803027331
Authority: DE
Inventors: Kazuo Yamakido
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-07-20
Filing date: 1980-07-18
Publication date: 1981-01-22
Also published as: DE3027331C2; JPS6318769B2; US4338656A; JPS5616320A

Description

-A-

BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf eine Polaritätsumschalt-Schaltung. Sie richtet sich im einzelnen auf eine Spannungspolar itätsumschaltschaltung, die für eine integrierte Halbleiterschaltung geeignet und in der Lage ist, selektiv positive und negative Ausgangsspannungen zu erzeugen, deren Absolutwerte einander gleich sind.

Positive und negative Referenzspannungen oder Referenzströme miteinander gleichen Absolutwerten werden in sogenannten A/D-Wandlern zur Umwandlung elektrischer Analogsignale positiver oder negativer Polarität in Digitalcodes oder in sogenannten D/A-Wandlern für die umgekehrte Um-Wandlung benötigt. Bei der Herstellung von A/D- oder D/AWandlern kleiner Größe und hoher Genauigkeit mittels monolitischer Halbleiter-ICs ist es jedoch weder vom Standpunkt der Fabrikationstechnik noch vom Stand der Fabrikationsökonomie vorteilhaft, sowohl eine Quelle für eine positive Referenzspannung als auch eine solche für eine negative Referenzspannung in den Wandler einzubauen. Es ist daher gängige Praxis, allein entweder eine Quelle für eine positive Referenzspannung oder eine solche für eine negative Referenzspannung einzubauen und sie mit einer Spannungspolaritätsumschaltschaltung für ein selektives Umschalten der Polarität der Eingangsspannung zu kombinieren, was dann die oben erwähnte Referenzquelle darstellt und womit sich Referenzspannungen sowohl positiver als auch negativer Polarität gewinnen lassen.

Da jedoch ein herkömmlicher Schaltungsaufbau dieser Art durch die in der integrierten Schaltung auftretenden Streukapazitäten beeinträchtigt wird, lassen sich, wie weiter unten noch im einzelnen erläutert wird, die Absolutwerte der positiven und der negativen Spannung nicht gleichmachen. Um diese beiden Spannungswerte soweit wie

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möglich einander anzunähern, muß der Ladekondensator eine große elektrostatische Kapazität haben und zur Ausbildung eines solchen Kondensators ein großer Bereich auf einem Halbleitersubstrat gesichert werden.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer Spannungspolaritätsumschaltschaltung, bei welcher die erwähnten Nachteile der herkömmlichen Schaltung beseitigt sind, welche in der Lage ist, die Absolutwerte der positiven und der negativen Ausgangsspannung einander gleichzumachen und die Kapazität eines benötigten Ladekondensators zu vermindern, und welche so für eine integrierte Schaltung (IC) geeignet ist.

Die erfindungsgemäß zur Lösung dieser Aufgabe vorgeschlagene Polaritätsumschaltschaltung umfaßt einen ersten Kondensator, einen Eingangsanschluß für den Empfang einer Eingangsspannung zur Aufladung des ersten Kondensators, einen Ausgangsanschluß zur Lieferung einer Ausgangsspannung, einen zwischen einem Ende des ersten Kondensators und dem Eingangsanschluß liegenden ersten Schalter, einen zwischen dem anderen Ende des ersten Kondensators und Masse liegenden zweiten Schalter, einen zwischen dem einen Ende des ersten Kondensators und dem Ausgangsanschluß liegenden dritten Schalter, einen zwischen dem einen Ende des ersten Kondensators und Masse liegenden vierten Schalter, einen zwischen dem anderen Ende des ersten Kondensators und dem Ausgangsanschluß liegenden fünften Schalter, einen mit dem einen Ende mit dem Ausgangsanschluß verbundenen zweiten Kondensator und einen zwischen dem anderen Ende des zweiten Kondensators und Masse liegenden sechsten Schalter, wobei nach Aufladung des ersten Kondensators durch Schließen des ersten, zweiten, fünften und sechsten Schalters bei offenen anderen Schaltern zur Erzeugung einer Ausgangsspannung einer ersten Polarität an dem Ausgangsanschluß der zweite, dritte und sechste Schalter bei offenen anderen Schaltern geschlossen sind und zur Erzeugung einer Ausgangsspannung

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einer zweiten Polarität an dem Ausgangsanschluß der vierte und fünfte Schalter bei geschlossenen anderen Schaltern geschlossen sind.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung beschrieben. Auf dieser ist

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Beispiels eines A/D-Wandlers als Anwendungsbeispiel für die Spannungspolaritätsumschaltschaltung,

Fig. 2 ein Schaltbild einer bekannten Spannungspolaritätsumschaltschaltung, und

Fig. 3 ein Schaltbild einer Ausführungsform der Spannungspolar it ätsumschaltschaltung gemäß der Erfindung.

Vor der Erfindung werden zunächst ein Gerät, in welchem eine Spannungspolaritätsumschaltschaltung praktisch angewandt ist, und der herkömmliche Schaltungsaufbau derselben unter Bezugnahme auf die Fign. 1 und 2 beschrieben.

Fi.g 1 zeigt schematisch den Aufbau eines PCM-Codierers zur Umwandlung von Telefon-Sprachsignalen in digitale Codes als Beispiel eines Geräts, in welchem die Polaritätsum-Schaltschaltung praktisch eingesetzt ist.

Gemäß der Zeichnung werden in digitale Codes umzusetzende analoge Eingangs signale V™ (Sprachsignale in diesem Fall) über einen Anschluß 1 auf einen Spannungskomparator 2 gegeben und mit einer Ausgangsspannung eines lokalen D/A-Wandlers 3 verglichen. Das Vergleichsergebnis wird auf eine Logikschaltung 4 gegeben. 6 bezeichnet eine temperaturstabilisierte Referenzspannungsquelle, die aus einer BandabstandsreferenzSpannungsquelle besteht, welche beispielsweise die Temperaturcharakteristik der Stromdichte am pn-übergang einer Diode ausnutzt, und 7 eine Polaritätsumschaltschaltung,

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welche die Polarität der Ausgangsspannung E der erwähnten temperaturstabilisierten Referenzspannungsquelle umschaltet, die Ausgangsspannung E geeignet verstärkt und den lokalen D/A-Wandler mit einer positiven oder negativen Referenzspannung ^V _REF versorgt, die einen Wert hat, der in Übereinstimmung mit dem Maximalwert des analogen Eingangssignals V_1n ist.

Die Logikschaltung 4 erhält sequentiell die Ausgangssignale des erwähnten !Comparators 2 synchron mit an einem Anschluß 5 gelieferten Taktimpulsen und erzeugt gleichzeitig Ausgangssignale T , T , mit welchen sie die Polaritätsumschaltschaltung? und den lokalen D/A-Wandler 3 steuert. Beispielsweise erhält, während zunächst die Ausgangsspannung des lokalen D/A-Wandlers 3 zu Null gemacht wird, die Logikschaltung das Ausgangssignal des Spannungskomparators 2 zur Bestimmung der Polarität des analogen Eingangssignals V_1n und erzeugt ein dem Ergebnis der Bestimmung entsprechendes Steuersignal T-, um so die Polarität der Ausgangsspannung V_REp der Polaritätsumschaltschaltung 7 in Übereinstimmung mit der Polarität des analogen Eingangssignals V_JN zu bringen. Danach erzeugt die Logikschaltung 4 unter Bezugnahme auf das Ausgangssignal des Spannungskomparators 2 das Steuersignal T₂ , so daß sequentiell ein aus Kondensatoren oder Widerstandselementen bestehender Netzaufbau, der den lokalen D/A-Wandler bildet, geändert und an einem Ausgang 8 ein dem Zustand des Netzaufbaus entsprechender Digitalwert als A/D-gewandelter Wert des erwähnten analogen Eingangssignals ^VIN ^erzeu9t wird, wenn die beiden Eingangsspannungen des Spannungskomparators 2 einander ausgleichen.

Als eine die obige Spannungspolaritätsumschaltschaltung 7 enthaltende Referenzspannungsschaltung ist eine Schaltung bekannt, die den Aufbau entsprechend Fig. 2 hat und in "Electronics", 1. März 1979, Seite 108 beschrieben ist. Diese Schaltung besteht aus einer Referenzspannungsquelle 6, einem Ladekondensator C , 6 Schaltelementen S₁-S--, von

O Ib

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denen jedes beispielsweise aus einem MOS-Transistor besteht, und einem Verstärker (SpannungsverStärkung G) 10 mit hoher Eingangsimpedanz. Wenn unter der Steuerung durch ein von außen angelegtes Steuersignal (beispielsweise das Ausgangssignal T. der Logikschaltung der Fig. 1) die einzelnen Schaltelemente geöffnet oder geschlossen werden, arbeitet die Schaltung in drei Betriebsweisen, d.h. der Ladebetriebsweise I des Kondensators C , der die Ausgangsspannung nicht-invertierenden Betriebsweise II oder der die Ausgangsspannung invertierenden Betriebsweise III. Die Beziehungen zwischen diesen drei Betriebsweisen und den Zuständen der Schalter S₁-Sg sind in Tabelle 1 aufgelistet.

TABELLE 1

^^^■^^ Betriebs- ^~^\^ weise Schalter ^*^\^	I	II	III
^S1 ^S2 ^S3 ^S4 ^S5 ^S6	EIN EIN AUS AUS EIN AUS	AUS AUS EIN AUS AUS EIN	AUS AUS AUS EIN EIN AUS

Bei Herstellung des obigen Schaltungsaufbaus als integrierte Schaltung (IC) treten jedoch zwischen beiden Enden des Kondensators C und Masse und zwischen jedem Knoten des Verstärkereingangsanschlusses 11 und Masse mit C.., C₂ und C- in Fig. 2 wiedergegebene Streukapazitäten auf. Die Streukapazitäten bewirken einen Unterschied in den Absolutwerten der

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Ausgangsspannungen zwischen der die Ausgangsspannung nicht invertierenden Betriebsweise II und der die Ausgangsspannung invertierenden Betriebsweise III. Bei Anwendung dieser Schaltung bei einem A/D- oder D/A-Wandler, etwa einem PCM-Codierer bzw. einem PCM-Dekodierer, verursacht er das Problem einer Verzerrung in der Signalumwandlungschrakteristik durch die erste Oberwelle.

Wenn nämlich die Schaltung zunächst in der Ladebetriebsweise I mit geschlossenen Schaltern S-, S2 und S^ sowie geöffneten anderen Schaltern betrieben wird, wird durch die Ausgangsspannung E der Spannungsquelle 6 nicht nur die Kapazität C , sondern auch die Streukapazität C-geladen. Da die Streukapazitäten C₂ und C₂ zu dieser Zeit über die Schalter S₂ und S^ an Masse liegen, geht der Anschluß 11 auf Massepotential und die Ausgangsspannung VreF des Verstärkers 10 wird 0 Volt.

Wenn als nächstes die die Ausgangsspannung nicht invertierende Betriebsweise II mit geschlossenen Schaltern S3 und S₆ und im übrigen geöffenten Schaltern ausgewählt wird, bewegt sich ein Teil der Ladungen von C und C-in die Streukapazität C-., so daß die Ausgangsspannung ^VREFi+l ^^es Verstärkers 10 durch die folgende Gleichung (1) gegeben ist: _{c + c}

V-. = G · — - -E (1)

REF(+)

°o ⁺ H ^C3

Wenn andererseits die die Ausgangsspannung invertierende Betriebsweise III direkt aus der erwähnten Ladebetriebsweise I ausgewählt wird, werden die Schalter S₄ und S₅ bei im übrigen geöffneten Schaltern geschlossen, wodurch sich die Ladung des Kondensators C in dLe Streukapazitäten C₂ und C^ bewegt und die Ladung der Streukapazität C- nach Masse entladen wird. Dementsprechend hat die Ausgangsspannung V_REF, . einen Absolutwert, der sich von der nichtinvertierten Ausgangsspannung V_REF, . unterscheidet und

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durch die folgende Gleichung (2) gegeben ist:

^REF( ' C + C, + C.

Wenn das Ausgangssignal der erwähnten Schaltung so, wie es ist, als Referenzspannung des A/D- (oder D/A-) Wandlers verwendet wird, erscheint daher die Verzerrung durch die erste Oberwelle in der ümwandlungscharakteristik Das Verzerrungsverhältnis χ ist in diesem Beispiel nach der Literatur (IEEETrans. on Circuit and Systems, Bd. CAS-25, Nr. 7, Juli 1978, S. 427) durch folgende Gleichung gegeben:

χ = 20 1Og₁₀ — · <K (3)

wobei

^VREF(-)l (4)

|^VREF(-)

Wenn das Verzerrungsverhältnis χ durch die erste Oberwelle kleiner als 55 dB gehalten werden soll, einen Wert, den ein Sprach-PCM-Dekodierer ungefähr benötigt, ist es erforderlich, daß <* ^ 0,008 ist. Im Falle der herkömmlichen Schaltung ist, wie aus den Gleichungen (1), (2) und (4) folgt, (χ gegeben durch

^C2 ^C3

Oi. ftJ —— + —— (C₁ - C₉)
CC \ t
ο °2

Wenn beispielsweise C. = C₂ = 0,5 pF und C₃ = 1,5 pF ist, muß der Ladekondensator C der Beziehung C \ 62,5 pF genügen, um das oben erwähnte Verzerrungsverhältnis zu verwirklichen. Ein Kondensator einer solchen Kapazität erfor-

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dert einen extrem großen Chip-Bereich, wenn die Spannungsinversionsverstärkungsschaltung als Halbleiter-IC oder mono1itischer IC aufgebaut ist, und beeinträchtigt damit die Wirtschaftlichkeit der Schaltungsvorrichtung erheblich. Wie in Fig. 3 gezeigt, enthält die Polaritätsumschaltschaltung gemäß der Erfindung, die obiges Problem der bekannten Vorrichtung löst, einen Ladekondensator C , sechs Schaltelemente S₁-S, und einen Kondensator C₄ zur Kompensation der Streukapazitäten, wobei für die Schaltung charakteristisch ist, daß ein Ende des Kondensators C-bei über den Schalter S, mit Masse verbundenem anderen Ende mit einem Ausgangsanschluß 11 (Eingang einer Verstärkungsschaltung -10) verbunden ist, und daß die Ladebetriebsweise I, die die Ausgangsspannung nicht-invertierende Betriebsweise II und die die Ausgangsspannung invertierende Betriebsweise III entsprechend den in Tabelle zusammengestellten Öffnungs- und Schließvorgängen der Schalter durchgeführt werden.

TABELLE

^\Betr iebs -	I	II	III

Schalter ^v.	EIN	AUS	AUS
^S1	EIN	EIN	AUS
^S2	AUS	EIN	AUS
^S3	AUS	AUS	EIN
^S4	EIN	AUS	EIN
^S5	EIN	EIN	AUS
^S6

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In der in Fig. 3 gezeigten Schaltung stellen C₁-C-, die bei jedem knoten in gleicher Weise wie in Schaltung zusätzlich vorhandenen Streukapazitäten dar.

Im folgenden wird nun die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Schaltung erläutert. Zunächst sind in der Ladbetriebsweise I die Schalter S-, S₂, S₅ und S_g bei geöffneten anderen Schaltern geschlossen, und die Ausgangsspannung E der Spannungsquelle 6 lädt den Kondensator C und die Streukapazität C₁ auf. Zu dieser Zeit sind C-, C₃ und C. allesamt entladen, und die Ausgangsspannung an den Anschlüssen 11 und 12 beträgt 0 Volt.

In der eine nicht-invertierte Ausgangsspannung ausgebenden Betriebsweise II sind die Schalter S₂, S₃ und S_g bei geöffneten anderen Schaltern geschlossen. Da die Ladüngen von C₁ und C sich nach C₃ und C- bewegen, nimmt dabei die Ausgangsspannung ^v _REP/₊\ am Anschluß 12 den durch die folgende Gleichung (5) ausgedrückten Wert an:

C +C

REF(+)

In der eine invertierte Ausgangsspannung ausgebenden Betriebsweise III sind umgekehrt die Schalter S. und S₅ bei geöffneten anderen Schaltern geschlossen und die Ladung des Kondensators C bewegt sich in C₂ und C₃, so daß die Ausgangsspannung ^V _REF(_\ ^am Anschluß 12 gegeben ist durch

REF(-) _r _

ο ^C2 ^{+ C}3
30

Setzt man die Gleichungen (5) und (6) in Gleichung (4) ein, ergibt sich für den Wert (X bei der erfindungsgemäßen Schaltung unter der Annahme C > C₁ csi C^ die folgende Gleichung (7):
35

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* ·* 1 — (c.+c-.+c,) + ,,(C₁₊C₃₊C,,) y (7)

Der zweite Klammerausdruck der Gleichung (7) ist für beliebige Werte von C , C. , C₃ und C. stets positiv. Mit dem ersten Klammerausdruck kann aber, wenn die Werte von C und C. so gewählt werden, daß zwischen C , C₁, C₂, C, und C. die Beziehung

C₄ = C₂ + — (C₂ + C₃) (8)

^Co
gilt, Oi. zu Null (CX= 0) gemacht werden.

Wenn beispielsweise die Werte der Streukapazitäten C₁ = C₂ = 0,5 pF und C₃ = 1,5 pF sind, läßt sich ex = 0 erreichen, indem C₄ = 0,7 pF gemacht wird, wenn C = 5 pF ist,

Wie aus dem ^v.numerischen Beispiel ersichtlich, sind die in der erfindungsgemäßen Schaltung zu verwendenden Kapazitäten C und C₄ extrem klein, so daß sich diese Elemente in einem IC kleiner Chipgröße unterbringen lassen. Ferner ist es mit der Erfindung theoretisch möglich, Referenzspannungen gleichen Absolutwerts für die positive und die negative Richtung zu erhalten. Aus diesem Grund liefert, selbst wenn eine erhebliche Schwankungsbreite der Werte von C und C₄ gegenüber den Sollwerten aufgrund von Fehlern bei der IC-Herstellung vorliegt, die Schaltung gemäß der Erfindung nicht-invertierte und invertierte Spannungen mit bei weitem höherer Genauigkeit als die herkömmliche Schaltung.

Dementsprechend ist die Polaritätsumschaltschaltung ge-

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maß der Erfindung per se für eine integrierte Schaltung (IC) geeignet. Bei Kombination dieser Schaltung mit einer Referenzspannungsquelle und einem Verstärker läßt sich eine Referenzspannung mit wahlweise positivem und negativem Vorzeichen erzeugen. Die Spannungspolaritätsumschaltschaltung gemäß der Erfindung ist daher für die wirtschaftliche Schaffung von größenmäßig stark verminderten A/D-Wandlern oder D/A-Wandlern hoher Genauigkeit, wie sie insbesondere auf dem Gebiet der PCM-Nachrichtenübertragung benötigt werden, sehr nützlich.

Ki/fg

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Claims

SCHIFF ν. FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBBINGHAUS FlNCK

MARIAHILFPLATZ 2 & 3, MÖNCHEN 90 POSTADRESSE: POSTFACH 95 O1 6O, D-BOOO MÖNCHEN 95

HITACHI, LTD. 18. Juli 19 80

DEA-25 219

Spannungspolaritätsumsehaltschaltung

PATENTANSPRÜCHE

MJ Spannungspolaritätsumschaltschaltung mit einem ersten Kondensator, einem Eingangsanschluß zur Aufnahme einer Eingangsspannung für die Aufladung des ersten Kondensators, einem Ausgangsanschluß zur Lieferung einer Ausgangsspannung, einen zwischen dem einen Ende des ersten Kondensators und dem Eingangsanschluß liegenden ersten Schalter, einem zwischen dem anderen Ende des ersten Kondensators und Masse liegenden zweiten Schalter und einer Umschaltschaltung zur selektiven Umkehr der am Kondensator liegenden Aufladespannung und Lieferung

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der umgekehrten Spannung auf den Ausgangsanschluß, dadurch gekennzeichnet , daß die Umschaltschaltung einen zwischen dem einen Ende des ersten Kondensators (C ) und dem Ausgangsanschluß (11) liegenden dritten Schalter (S·,), einen zwischen einem Ende des ersten Kondensators und Masse liegenden vierten Schalter (S.), einen zwischen dem anderen Ende des ersten Kondensators und dem Ausgangsanschluß liegenden fünften Schalter (S₅), einen mit seinem einen Ende mit dem Ausgangsanschluß verbundenen zweiten Kondensator (C₄), und einen zwischen dem anderen Ende des zweiten Kondensators und Masse liegenden sechsten Schalter (S_fi) umfaßt, wobei nach Aufladung des ersten Kondensators durch Schließen des ersten, zweiten, fünften und sechsten-'" Schalters bei geöffneten anderen Schaltern, der zweite, dritte und sechste Schalter bei geöffneten anderen Schaltern zur Erzeugung einer Ausgangsspannung einer ersten Polarität am Ausgangsanschluß geschlossen werden, und der vierte und fünfte Schalter bei geöffneten anderen Schaltern zur Erzeugung einer Ausgangsspannung einer zweiten Polarität am Ausgangsanschluß geschlossen werden.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität C des ersten Kondensators (C ) und die Kapazität C. des zweiten Kondensators (C₄) im wesentlichen die Gleichung

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erfüllen, wobei C, , C- und CU die zwischen dem einen Ende des ersten Kondensators und Masse, die zwischen dem anderen Ende des ersten Kondensators und Masse bzw. die zwischen dem Ausgangsanschluß und Masse auftretende Streukapazität darstellen.

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