DE3120669A1

DE3120669A1 - A/d - und d/a - wandler

Info

Publication number: DE3120669A1
Application number: DE19813120669
Authority: DE
Inventors: Adrian Swindon Wiltshire Worseman
Original assignee: Mitel Corp
Current assignee: Microsemi Semiconductor ULC
Priority date: 1980-08-27
Filing date: 1981-05-23
Publication date: 1982-04-15
Also published as: US4380756A; GB2082858B; FR2489627B1; JPS5762626A; FR2489627A1; DE3120669C2; GB2082858A; JPS6159015B2; CA1144653A

Description

A/D - und D/A - Wandler

Die Erfindung betrifft einen A/D- und D/A-Wandler mit mehreren ersten Kondensatoren, bei denen ein Anschluß zusa-imengeschal tet ist, wobei der gemeinsame Anschluß über Schaltmittel mit einer ersten Bezugsspannung verbindbar ist und wobei jedem ersten Kondensator ein Schaltmittel zugeordnet ist, •mit dem der jeweils andere Anschluß wahlweise mit einer ersten Leitung oder einer zweiten Leitung verbindbar ist, mit Schaltmitteln,mit denen die erste Leitung wahlweise mit einem Anschluß für ein analoges Eingangssignal oder der ersten Bez'ugsspannung verbindbar ist, mit mehreren zweiten Kondensatoren, bei denen ein Anschluß zusammengeschaltet ist,, wobei der gemeinsame Anschluß .am Eingang, eines- Puffers liegt, dessen Ausgang mit der zweiten Leitung verbunden ist und wobei dieser Eingang über Schaltmitte.1 mit der ersten Bezugsspannung verbindbar ist, mit jedem der zweiten Kondensatoren zugeordneten Schaltmitteln, mit denen der andere Anschluß jedes zweiten

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Kondensators wahlweise mit einer dritten Leitung oder einer vierten Leitung verbindbar ist.

.Derartige Wandler werden benötigt an der Schnittstelle von analogen und digitalen Übertragungs- ■ kanälen.. Wandler, welche sowohl ein analoges Signal in ein digitales Signal umwandeln als auch ein digitales Signal in ein analoges Signal werden nachfolgend als. Codec bezeichnet.

Die Übertragungscharakteristik eines Codec wurde standardisiert in Form einer Annäherung an eine Exponentialkurve. Eingangssignale werden hierbei komprii.iiert und Aussgangssignale expandiert entsprechend den Kurven an den entsprechenden Enden des Digitalkanales. Gem. einem Standard wird die Annäherung an die ideale exponentielle Übertragungskurve erhalten durch acht positive und acht negative binärwichtende Segmente wobei jedes Segment unterteilt ist in 16 Stufen.' Die Stufen haben eine Beziehung zueinander derart, daß die Länge eines Segments das zweifache ist der Länge des vorhergehenden Segments mit Ausnahme der ersten Stufe im ersten Segment welche das 0,5fache der Größe der nächsten Stufe ist um einen allmählichen Übergang der Übertragungseigenschaft im Bereich des Nullpunkts zu ermöglichen. Die Länge der letzten Stufe in jedem Dekodersegment beträgt das 1,5-fache der vorhergehenden Stufe. Auf diese Weise entstehen 255 Ent- · scheidungspegel, so daß die vorgenannte Funktionsweise als u255 Gesetz bezeichnet wird.

Wandler der eingangs genannten Art arbeiten .nach dem Prinzip der Ladungsrückverteilung. Ein Beispiel eines bekannten Wandlers wird später im einzelnen beschrie-

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ben. Die Ladungsrückverteilungstechnik ist beispielsweise beschrieben in dem Artikel NON-LIN¹EAR CONVERTERS FOR PULS-CODE-MODULATING SYSTEMS von G. Smarandoiu, Electronics Research Laboratory, College of Engineering, University of California, Berkeley, California, mit •dem Datum 24. Mai 1978.

Es besteht die Aufgabe, den Wandler der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß die erforderlichen Kondensatorflächen vermindert vi/erden/ Weiterhin sollen die beim Stand der Technik erforderlichen zwei Bezugsspannungsquellen entfallen.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den , Unteransprüchen entnehmbar.

Äusführiingsbeispiele u/erden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert..

Es zeigen:

Fig. la · '

und Ib die Übertragungscharakteristiken eines nach dem u255 Gesetz arbeitenden Codec;'

Fig. 2 ein Schaltbild eines nach dem

Ladungsverteilungsgesetz arbeitenden bekannten'Codecs;

Fig. 3 das Schaltbild eines Ausführungs-

' beispiels des erfindungsgem. Codecs;

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Fig. 4

und 5 Blockdiagramme eines Kodierers und •eines Dekodierers unter Verwendung ■ einer Schaltung nach Fig. 2 und

Fig. 6 das Blockschaltbild eines Codecs unter Verwendung der Schaltung nach Fig. 3.

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Die Figuren la und Ib zeigen die Hauptmerkmale der Analog-Digital und der Digital-Analogumsetzungseigenschaften. Diese Kurven sind zusammengesetzt aus linearen Abschnitten, welche sich in Näherung idealen Exponentialkurven annähern. Die Kurven sind unterteilt in acht positive und acht negative binärwichtende Segmente 100, von denen jedes mit Ausnahme des ersten in 16' Stufen unterteilt ist. In der .Zeichnung ist lediglich eine Stufengruppe 101 dargestellt. Die letzte Stufe in den Digital-Analogdekodersegmenten ist 1,5 mal langer als die vorhergehenden Stufen. ' .

Für eine Analog- Digitalumsetz'ung liegt das analoge Eingangssignal längs der Abszisse A. in Fig. 1 an. Die resultierende Ordinatenstellung durch Spiegelung an der näherungsweise exponentiellen Kurve entspricht der Stufenlage innerhalb eines Segments, welche die Digitalkodierung des Ausgangssignals D bestimmt. Wird das System getaktet, dann tritt ein impulskodiertesmodüliertes Ausgangssignal auf, welches- übermittelt wird' und welches digitale Werte enthält, die representiert werden durch die Segmente und Stufen bei Sign'alintervallen des analogen Eingangssignals. Eine Amplitudenkompression wird erreicht.

In umgekehrter Richtung wird gem.' Fig. Ib ein Digitalsignal längs der Abszisse D erhalten und nach Deko.dierung des Segments und der Stufenlage wird für jeden Digitalwert ein Ausgangssignal erzeugt, welches durch Spiegelung an der Ordinate A auftritt. Auf diese Weise wird eine Amplitudenexpansion erreicht.

In beiden Figuren sind die Stufen 101 für lediglich ein Segment dargestellt. Die Stufen sind jedoch bei allen Segmenten vorhanden.

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Die Figur 2 zeigt ein schematisches Diagramm eines bekannten Codecschaltkreises, bei welchem die Leitungsverteilungstechnik Anwendung findet. Jeder der darge-.stellten Schalter dient lediglich der Vereinfachung und Erläuterung und besteht in Wirklichkeit aus einem analogen MOS-Übertragungsgatter. Da Codecs dieser Art bekannt sind, wird nachfolgend lediglich ihre Funktion beschrieben.

Eine analoge Eingangssignalspannung V liegt am EingangsanschluQ 1 an. Über den Schalter 2 gelangt das Eingangssignal zu einer ersten Leitung 3, an welche ein Anschluß von acht der Kondensatoren CX₁ bis CX₁₀₀ über

1 XZo

Schalter 4 angeschlossen sind. Gleichzeitig sind die anderen Anschlüsse aller Kondensatoren CX₁ bis CX₁₀₀

X IZo

zusammen über den Schalter 5 an Masse gelegt. Das Eingangssignal wird somit in allen Kondensatoren CX, bis CXj₂O gespeichert. Der über dem Komparator 8 geschaltete Schalter' 13 dient zur Einstellung.des Nullwertes des Verstärkers. Bei dieser Nulleinstellung ist der Schalter 5 nicht mit Masse verbunden, jedoch nehmen die zusammengeschalteten Anschlüsse der Kondensatoren das Potential des Ausgangs des Verstärkers 8 an. Eine Strombelastung des Verstärkers 8 wird hierdurch verhindert. '

Die Schalter 2 und 5 werden sodann betätigt, wobei der Schalter 2 umgeschaltet und der Schalter 5 geöffnet wird. Die zuvor beaufschlagten Anschlüsse der Kondensatoren werden mit Masse verbunden während die zusammengeschalteten Anschlüsse der Kondensatoren gegenüber Masse negativer uerden für einen positiven Wert V.. Der Ausgang des Verstärkers 8 bestimmt das Zeichen -

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bit für das abgehende PCM Wort. ·

Der an den Kondensator CX, angeschlossene Schalter 4 •wird nunmehr mit einer zweiten Leitung 6 verbunden, welche über einen Schalter 7.mit einer Spannuhgsquelle ■+V verbunden ist. Der resultierende Schaltkreis bildet einen kapazitiven Teiler welcher geschaltet ist.

z.wischen +V über den Kondensator CX₁ und dierestr 1

liehen Kondensatoren CX₀ bis CX₁₀₀ nach Masse. Die

L Xi. O ·

zusammengeschlossenen Anschlüsse aller Kondensatoren sind verbunden mit dem Invertereingang des Komparators. 8. ■ Das Potential +V wird somit zu den gespeicherten Eingangsspannungswerten hinzugefügt. . ■

Infolge der Ladungsrückverteilung zwischen den Kondensatoren wird eine Spannung an den-Eingang des Komparators 8 gelegt, welche in Bezug steht zur Eingangssignalspannung. Falls diese Spannung ausreichend ist, um den Verstärker zu schalten, dann tritt eine Änderung des Ausgangspegels in der Ausgangsleitung 9 auf.

Für den Fall, daß keine Änderung des Ausgangspegels erhalten wird, dann wird der mit dem Kondensator· CX„ verbundene Schalter 4.betätigt, der diesen parallel · zum Kondensator CX₁ an die zweite Leitung 6 schließt. Zusätzliche Ladung wird zurückverteilt zwischen den Kondensatoren und die Spannung am Eingang des Komparators 8 ändert sich. In entsprechender Weise werden aufeinanderfolgend die Kondensatoren CX., CX_ß usw. parallel zum Kondensator CX, geschaltet, wodurch die '. Ladung des ursprünglichen Eingangssignals verteilt wird, bis der Komparator 8 schaltet. Da jeder Kondensator parallel zum Kondensator CX, geschaltet wird, findet

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ein Fortschreiten längs der Abszisse in Fig. la statt und der Eingang des Komparators 8 wird fortschreitend .in aufeinanderfolgenden Segmenten \i/eg vom Nullpunkt betrieben. Das Verhältnis der Werte der Kondensatoren ist 2 .zu n, wobei η von 0 bis 7 variiert, so daß acht Umwandlungscharakteristiksegmente entstehen.

Ein Verfahren der aufeinanderfolgenden Annäherungen kann ebenfalls verwendet werden. Bei diesem. Verfahren wird ein mittlerer Kondensator als· erster geschaltet, gefolgt von einem· Kondensator an jeweils einer Seite. Dieses Verfahren arbeitet schneller- als das obige Verfahren, da hierbei nur drei Schaltungen und keine acht Schaltungen wie oben beschrieben benötigt werden.

Falls das Eingangssignal negativ ist, dann schaltet . der Schalter 7 auf eine Spannung -V und somit wird der Verstärker 8 im Bereich der negativen Segmente der Fig. la betrieben.

Sobald der. Komperator 8 bezüglich seines Ausganges 'umschaltet , wird die Lage innerhalb des Segments beatimmt durch Überprüfen der einzelnen Stufen. Hierzu werden die. Anschlüsse derjenigen Kondensatoren CX, welche mit der Bezugsspannung +V verbunden sind, mit einer dritten Leitung 10 verbunden, welche mit dem Ausgang eines Puffers 11 verbunden ist.Jeweils ein Anschluß der Kondensatoren CYT, CY₁, CY,., CY. und CY_fl sind zusammen an den Nichtinvertereingang des Puffers 11 angeschlossen. Der andere Anschluß des Kondensators CY, ist über einen Schalter 12 mit dem Potential +V oder -V verbindbar und somit in Serie schaltbar mit den Kondensatoren CX, welche zwischen

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dem Eingang des Komparators 8 und dem Potential + V oder -V geschaltet sind. Abermals wird die Ladung verteilt und da der Kondensator CY, klein ist wird eine erste Stufe in der entgegengesetzten Span-•nungsrichtung am Eingang des Operationsverstärkers erhalten. Falls der Komperator 8 nicht, umschaltet (oder seine Leitfähigkeit beendet wird), wird der Kondensator CY₂ über den Schalter 12 parallel zum Kondensator CY-. geschaltet, was mit den anderen Kondensatoren CY ebenfalls nacheinander erfolgt,·bis der Komparator 8 umschaltet, also sein Ausgangspotential ändert. Die Jerte der Kondensatoren CY variieren mit einer Potenz von 2 wobei sich die Potenz von null · bis drei ändert.so daß sich ein Potentialbereich von 16 einzelnen Spannunnsstufen ergibt.

Nachdem die entsprechende Lage auf der Eingangsachse der Fig. la, d.h. der Abszisse festgelegt wurde, wurde sodann das genaue Segment und die Stufe innerhalb dieses Segments der logarithmischen Kurve bestimmt. Externe logische Schaltkreise, welche feststellen, welche Kondensatoren geschaltet wurden können nunmehr den digitalen Code für den digitalen Ausgang erzeug en.

Da die Amplitude jedes Segements der Übertragungs-· kurve doppeln so groß ist wie diejenige des vorhergehenden Segnents ist der Wert jedes Kondensators CX 2 mal einer Konstanten, wobei η die Anzahl der Segmente der Kurve ist. Bedingt ist dies dadurch, da die Kurvenform durch das Verhältnis der Kandensatorwerte und weniger durch deren Absolutwerte bestimmt ist. Weist die Kurve acht 'Segmente auf, dann

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sind die Kondensatorwerte, das einfache, doppelte., 4fache, Sfache,. 16fache, 32fache, oAfache und 128fache einer Konstanten.

In entsprechender Weise weisen die Kondensatoren CY einen binären Bezug zueinander auf, wodurch 16 Stufen erhalten werden. .Da die Kondensatoren CY lediglich parallel miteinander verbunden werden wobei der resultierende Parallelschaltkreis in Serie liegt mit der Spannung V ,welche an den Kondensatoren CX anliegt, werden verschiedene Kombinationen dieser Kondensatoren CY in binärer Progression verwendet.

Der vorerwähnte Codec ist auf einem oder mehreren integrierten Schaltkreischips angeordnet. Es wurde gefunden, daß ein auf "einer Ladungsverteilung basierender Codec erhalten werden kann, bei welchem beträchtlich weniger integrierte Schaltkreischipbereiche erforder- · lieh sind.

Da die Kapazität in direktem Bezug steht zum Bereich,den der Kondensator einnimmt, benötigt der Kondensator CX₁₀₀ etwa die gleiche Fläche wie alle anderen Kondensatoren CX zusammen. Wird die Umsetzungscharakteristik des Codec durch ein oder mehrere zusätzliche Segmente erhöht bedeutet dies,·daß für jeden zusätzlichen Kondensator · die er forderliche■Chipfläche exponentiell anwächst.

Die Spannungsquellen +\l und -V müssen genau zueinander übereinstimmen und Temperaturänderungen in gleicher Weise folgen. Um einen gleichen Temperaturgang zu erhalten, werden diese Spannungsquellen nahe beieinander und'nahe dem übrigen Schaltkreis angeordnet was

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jedoch den Nachteil aufweist, daß in die·Spannungsquellen Rauschspannungen und Verzerrungen einstreuen.

Bei dem bekannten Schaltkreis kann die positive- und die negative Spannungsquelle +V und -V ersetzt M/erden durch eine einzige Spannungsquelle, wobei der Codec nach wie vor die Übertragungseigenschäften bezüglich des negativen und positiven Kurvenanteils aufweist. Auf diese Weise können die kostspieligen und nicht zufriedenstellenden Maßnahmen entfallen, die erforderlich sind, wenn zwei Spannuhgsquellen unterschiedlicher Potentialvqrzeichen den gleichen Temperaturgang aufweisen sollen* Als Spannungsquelle kann dann eine Analogleitung herangezogen werden, in welcher ein unipularer Gleichstrom fließt.

Die Erfindung bezieht sich also auf einen Codec zum Umsetzen eines Eingangssignals, bestehend aus einer ersten Vielzahl von Kondensatoren, deren eine Anschlüsse miteinander verbunden sind und weiterhin bestehend aus einem Schaltkreis mit welchem der gemeinsame Anschluß der Kondensatoren mit einer ersten Bezugsspannung verbindbar ist. Ein weiterer Schaltkreis dient zum wahlweisen verbinden des anderen Anschlusses jedes Kondensators zwischen einer ersten und einer zweiten Leitung. Ein weiterer Schaltkreis verbindet die erste Leitung wahlweise mit dem Eingangssignal, der ersten Bezugsspannung und einer großen Impedanz. Eine zweite Vielzahl von Kondensatoren ist mit einem ihrer Anschlüsse zusammengeschalte.t. Ein Puffer ist mit einem Eingang mit dem gemeinsamen Anschluß der zweiten Vielzahl von Kondensatoren·verbunden. Sein Ausgang ist mit der vorerwähnten zweiten

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Leitung verbunden. Ein Schaltkreis ■ verbindet den Eingang des Puffers mit der ersten Bezugsspannung und ein weiterer Schaltkreis verbindet wahlweise den anderen Anschluß jedes Kondensators der zweiten Vielzahl von Kondensatoren mit einer dritten oder einer vierten Leitung. Ein zusätzlicher Schaltkreis verbindet die dritte und vierte Leitung untereinander austauschbar mit der ersten und der zweiten Bezugs^ spannung. Nach einer Folgeschaltung der anderen Anschlüsse der Kondensatoren der ersten Vielzahl von Kondensatoren zwischen der ersten und zweiten Leitung wird eine Ladungsverteilung zwischen diesen •bewirkt. Nach einer Folgeschaltung der anderen Anschlüsse der Kondensatoren der zweiten Vielzahl von Kondensatoren zwischen der dritten und der vierten ■ Leitung wird zwischen diesen eine Ladungsverteilung bewirkt. Einem Ausgangsschaltkreis wird vom vorerwähnten einen Anschluß der ersten Vielzahl von Kondensatoren ein Ausgangssignal zugeführt, welches resultiert von der Ladiingsverteilung zwischen den ersten Kondensatoren und der Ladunqsverteilung zwischen den zweiten Kondensatoren. Wenn die erste .Bezugsspannung aus Mässepotential. besteht, dann wird lediglich eine einzige Spannungsquelle benötigt.

Gern. einem.bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt die Kapazität der Kondensatoren der-ersten Vielzahl von Kondensatoren C, C, 2C, 4C, 8C, 16C, 32C und 64C, wobei .C eine Konstante ist. Der erste Kondensator C ist hierbei verbindbar mit dem gemeinsamen Anschluß der restlichen Kondensatoren der ersten Vielzahl von Kondensatoren. Die Kapazität jedes Kondensators der zweiten Vielzahl von Kondensatoren beträgt 1/2C, 1/2C, C, C, 2C, 4C, 8C, und 16C, wobei : wiederum eine

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Konstante darstellt.

Gem. einem u/eiteren Ausführungsbeispiel umfasst der Umsetzungsschaltkreis, durch welchen zur Erzeugung eines digitalen Ausgangssignals die Kondensatoren der ersten Vielzahl von Kondensatoren won der ersten Leitung auf die zweite Leitung geschaltet werden können nach dem Anlegen eines analogen Eingangssignals, bis der Komparator seinen Schaltzustand ändert, wobei jeder Kondensator der zweiten Vielzahl von Kondensatoren fortschreitend verbunden wird von der vierten Leitung auf die dritte Leitung, nachdem die erste Vielzahl von Kondensatoren mit Ausnahme des· ersten Kondensators C von der zweiten Leitung zur großen Impedanz geschaltet wurde, bis der Komparator abermals seinen Schaltzustand ändert. Die Spannungsamplitude, bei welcher der Komparator zuletzt seinen Schaltzustand änderte, ist der Entscheidungswert · größerer Amplitude welcher gleich ist zu .

'+ V_r C-0,5/128 + (2^"¹VlZB χ (17+n)/3.3)}.

Hierbei ist V .die zweite Bezugsspannung, s ein Wert ■von 1 bis 8, entsprechend der Umschaltung der ersten .Vielzahl von Kondensatoren von der.ersten zur zweiten Leitung und η ein Wert zwischen 0 und 15 entsprechend der Umschaltung der zweiten Vielzahl von Kondensatoren von der vierten zur dritten Leitung.·.

Hierbei bestimmen die geschalteten Kondensatoren, welche beim letzten Umschalten des Komparators ge- . schaltet sind das Ausgangswort PCH entsprechend dem analogen Eingangssignal.

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Gem. einem weiteren Ausführungsbeispiel, umfasst der Umsetzungsschaltkreis einen Schaltkreis, bei welchem das Eingangssignal ein PCM Wort ist, welches bestimmt, welche der Kondensatoren zu schalten sind. Die Kapazitäten der Kondensatoren der ersten Vielzahl von Kondensatoren beträgt C, C, 2C, 4C, 8C, 16C, 32C und 64C. Ein Anschluß des eine Kapazität C aufweisenden ersten Kondensators ist verbindbar mit dem ersten AnschluG der restlichen der ersten Vielzahl von Kondensatoren. Die Kapazitäten der Kondensatoren der zweiten Vielzahl -von Kondensatoren beträgt 1/2C, •1/2C, C, C, 2C, 4C, 8C, und 16C, wobei C eine· Konstante ist. Der Codecschaltkreis umfasst weiterhin Schaltmittel zum Verbinden der ersten und zweiten Vielzahl von Ko.ndensatoren von der ersten Leitung mit der zweiten Leitung bzw. von der dritten Leitung mit der vierten Leitung entsprechend der Bestimmung durch das PCM Wort. Die Ausgangsspannung ist gleich

Q-O-, 5/128 +(2^(s"¹⁾/128 x(l6,5 + n)/33j?

wobei V die zweite Referenzspannung ist. s ist eine Zahl zwischen 1 und 8 entsprechend den signifikantesten Kondensator'der ersten Vielzahl von Kondensatoren, welcher von der ersten auf die zweite Leitung geschaltet wurde und η ist eine Zahl zwischen 0 und 15 entsprechend dem signifikantesten Kondensator der zweiten Vielzahl von Kondensatoren,' welcher von der vierten auf die dritte Leitung geschaltet wurde. Die resultierende Spannung ist ein Analogsignal wobei Folgen von Analogsignale einem Glättungsfilter zugeführt werden, der . einen kontinuierlichen Kurvenverlauf bewirkt.

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Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, ist anstelle von z\i/ei Bezugsspannungen nur eine Bezugsspannung V notwendig. Weiterhin wird der große Kondensator eliminiert, welcher eine Kapazität von dem 128fachen der Konstanten C aufweist. Es wird lediglich ein Kondensator hinzugefügt mit einer Kapa- · zität vom 16fachen der Konstanten C. Da die für die Kondensatoren erforderlichen Chipflächen in direktem Bezug stehen zur Kapazität ist die Verminderung des ." Chipbereiches sehr wesentlich. Hieraus entsteht eine Verminderung der Herstellkosten.

Die Fig." 3 zeigt einen Schaltkreis zum Ausführen einer Kodierung und einer Dekodierung unter V-e.ru/endung der Ladungsverteilungstechnik. Als erstes ist bei dem Schaltkreis nach Fig. 3 festzustellen, daß bei den . Kondensatoren CX der Kondensator CX,₂g entfallen ist, welcher beim Stand der Technik notwendig war und welcher eine Fläche benötigte, .welche gleich der Fläche der übrigen Kondensatoren ist.

Dieser großflächige Kondensator CX,„o konnte entfallen durch Hinzufügen eines Kondensators CY,,. zu den Stufenkondensatoren, dessen Kapazität das 16fache der Konstanten C ist. Die Stufenkondensatoranordnung nach dem Stand der Technik enthält ausreichend Kondensa-. toren, um die Spannung der Se.gmentkond.ensatoren bis zu einem vollständigen Segment zu erhöhen, d.h. von 1 bis 16 Stufen. Das Hinzufügen des Kondensators CY₁V .hat die Wirkung,.die Segmentspannüng durch ein kom_r ple.ttes zusätzliches Segment zu erhöhen, d.h. von 16 auf 32 Stufen. Mit den restlichen Segmentkondensatoren erfolgt eine Spannungserhöhung um 32 Potential-

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stufen, wodurch zwei Segmente insgesamt umfasst werden. Beim Stand der Technik wird lediglich ein Segment erfasst. Mit dieser Umsetzungscharakteristik wird die gesamte u255 Gesetzkurve umfasst. Die Arbeitsweise der Schaltung wird nachfolgend im einzelnen näher beschreiben.

Durch das Entfallen des Kondensators CX,„_Q und das Hinzufügen eines Kondensators CY₁, wird eine 8fache Verminderung des von den Kondensatoren eingenommenen Bereichs ermöglicht, wobei jedoch- die Umsetzungscharakte.ristiken nach dem u255 Gesetz voll erhalten bleiben.

Die Kondensatoren CX, bis CX-. sind mit einer Elektrode zusammehgeschaltet. Die zusammengeschalteten Elektroden liegen am Umkehreingang des Komparators 16 an. Die Indizes an den Kondensatoren besagen um wieviel deren Kapazität größer ist als eine gemeinsame Konstante. Die miteinander verbundenen Elektroden können weiterhin über einen Schalter 15 an Massepotential gelegt werden.

Mit dem gemeinsamen Anschluß der Kondensatoren CX, bis CX„. ist weiterhin über einen Schalter 18 ein sample and hold Verstärker 17 verbindbar. Der Ausgang dieses Verstä-rkers 17 ist verbunden mit einem Filterzur Erzeugung eines analogen Ausgangssignals bei der Zufuhr digitaler Eingangssignale . Am.Ausgang 20 des Komparators 16 liegt das digitale Ausgangsschaltsignal an, falls die Eingangssignale Analogsignale sind.

Der andere Anschluß jedes Kondensators ist an einem der Schalter 21 angeschlossen. Mittels dieser Schalter

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können die Kondensatoren jeweils entweder mit der ersten Leitung 22 oder der zweiten Leitung 23 verbunden w^:erden. Die Leitung 22 ist mit einem Schalter 24 verbunden, u/elcher die Leitung 22 entweder mit Masse, mit dem Eingangssignal V oder mit keinem

ei

Potential verbindet. Der Masseanschluß kann mit einem bestimmten Potential verbunden sein, falls gewünscht wird, die Umsetzungseigenschaften zu verschieben.

Die Leitung 23 ist mit dem Ausgang eines Pufferverstärkers 25 verbunden.

Jeweils ein Anschluß jeder der Kondensatoren ACY bis CY,,. sind zusammengeschaltet und liegen am Eingang des Pufferverstärkers 25. Dieser Eingang ist über einen Schalter 27 mit Masse verbindbar.

Die· jeweils anderen Anschlüsse der Kondensatoren ACY bis CY₁^ sind jeweils über einen Schalter 28. entweder mit der dritten oder vierten Leitung 28 bzw. 29 verbindbar. Die Leitungen 29 und 30 sind über einen Umschalter 31 mit Masse oder einem Bezugspotential +U verbindbar.

Die Funktionsweise bezüglich der Ladungsverteilung ist im wesentlichen die gleiche wie beim Stand der Technik mit Ausnahme des negativen Teils der Umsetzungscharakteristik. Die spezielle Eingan.gssignaltranslation ist jedoch unterschiedlich zum Stand der Technik und basiert auf den nachfolgenden Umsetzungsformeln.

Für eine Dekooierung beträqt die analocje Ausgangsspannung

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V •^■0,5/128+(2^(s~¹⁾/128 χ (16,5 + n)/33^ Gleichung (1)

Die .obere Entscheidungsfunktion für die Kodierung entspricht der Formel

' Y₁. 11-0,5/128 + (2^(s"^1}/128 χ (17 + n)/33)J . Gleichung (2)

Die untere Entscheidungsfunktion für die Kodierung entspricht der folgenden Gleichung

V_r [.-0,5/128 + (2^(s"¹⁾/128 χ (16 + n)/33)] Gleichung (3)

Hierbei entspricht s der Segmentnummer, welche von 1 bis 8 variiert, η entspricht der Stufenzahl innerhalb eines Segments und variiert zwischen 0 und 15.

Diese Gleichungen geben die Transfercharakteristik nach dem' u255 Gesetz an, wobei der Schaltkreis entsprechend diesen Gleichungen arbeitet.

Es ist zu vermerken, daß im Vergleich zum Stand der Technik nach Fig. 2 zu den Stufenkondensatoren zusätzlich die Kondensatoren ACY, und ACY, ,„ hinzugefügt sind. Die Arbeitsweise des Kondensators CY', /2 entspricht derjenigen des Kondensators CYT in Fig. 2. "Die vorgenannten zusätzlichen Kondensatoren, sind erforderlich, damit die Gleichungen exakt das u255 Gesetz erfüllen. Es sei vermerkt, daß die Dekodierungsschaltpegel beim l/2fachen der Amplitudendifferenz zwischen benachbarten Kodierentscheidungspegeln liegen. Um den Pegel des Eingangssignals an den erforderlichen Punkten zu erfassen,wurden die zusätzlichen Kondensatoren hinzugefügt. Die Kapazität

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dieser zusätzlichen Kondensatoren ist jedoch sehr gering, so daG sie nur einen kleinen Bereich des Chiρsubstrate einnehmen. Bei den Segmentkondensatoren wurde der Kondensator ACX, hinzugefügt, der die gleiche Größe wie der Kondensator CX-, aufweist und welcher eine Spannungserhöhung von (-0,5/128)V_ bewirkt. Dessen einer Anschluß liegt an einem Schalter 32, der diesen Anschluß wahlweise verbindet mit Masse oder mit den gemeinsamen Anschlüssen der übrigen Segmentkondensatoren.

Für die Kodierung wird ein analoges Eingangssignal V über den Schalter 24 an die Leitung 22 gelegt. D.ie Kondensatoren CX, bis CX,,. werden mit der Spannung des Eingangssignals geladen. Während dieser Ladung liegen die miteinander verbundenen Anschlüsse dieser' Kondensatoren über den Schalter 15 an Masse. Der Komparator 16 kann nunmehr genullt werden durch Schließen des Schalters 26 zwischen seinem Ausgang 20 und seinem Invertereingang wobei der Sehalter 15 geöffnet ist.

Nach Abschalten der gemeinsamen Anschlüsse der Kon_T densatoren CX, bis CX-. von Masse wird die Leitung 22 über den Schalter 24 an Masse angeschlossen. Das Potential -\1 liegt somit am Eingang des Komparators 16 an. Der Ausgang des Komparators 16 gibt das Vorzeichenbit des abgehenden PCM-Wortes wieder. Das Vorzeichenbit muß dazu verwendet werden, den Umschalter 31 zu steuern. Wenn das abgehende Vorzeichen des Komparators 16 anzeigt, daß der Eingang ₊V ist, dann wird die Leitung 29 mit Masse verbunden. Ist das Eingangssignal V dagegen negativ, dann wird die Lei-

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tung 29 verbunden mit V . Beim nachfolgend beschriebenen Beispiel wird vorausgesetzt, daß das zu kodierende analoge Eingangssignal eine negative Polarität auf-' u/eist.

Der Schalter 27 wird nunmehr mit Masse verbunden, .\nas bewirkt, daß die Kondensatoren CY geladen werden auf das Potential V oder auf Massepotential. Ist das Eingangssignal negativ, wird die Leitung 29 verbunden mit V . Demgemäß werden bei den Kondensatoren CY die unteren Kondensatorhälften positiver al.s die oberen Kondensatorhälften, deren Anschlüsse miteinander verbunden sind.·

Der Schalter 27 wird nunmehr geöffnet, und die Kondensatoren CY,, .und ACY, ,_ werden über die zugehörigen Schalter 28 mit der Leitung 30 verbunden, welche an Masse liegt. Demgemäß wird ein kapazitiver Teiler gebildet zwischen Masse durch die Kondensatoren CY,,

Xo

und ACY, >2 (16>5 kapazitive Einheiten), in Serie mit den restlichen Kondensatoren CY, uelche parallel geschaltet sind, und der Potentialquelle V . Die gemeinsamen Anschlüsse der Kondensatoren sind mit dem Eingang des Puffers 25 verbunden. Die resultierende Ausgangsspar.nung des Puffers 25 beträgt + .(16,5/33)V . Die Voraussetzung für das Vorstehende ist natürlich, daß bei diesem Arbeitspunkt die Stufe im Segment null ist.

Der Ausgang des Puffers 25 ist über die Leitung 23 mit dem unteren Anschluß des Kondensators ACX, verbunden. Dessen oberer Anschluß liegt über den Schalter 32 an Masse. Die unteren Anschlüsse der Kondensatoren CX, bis CX,,, sind jeweils über die zugehörigen Schalter 21

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mit der Leitung 22 verbunden. Diese ist über den offenen Schalter 24 an kein Potential angeschlossen. Deren gemeinsame Anschlüsse sind über den Schalter 15 an Hasse, gelegt. Der Schalter 32 wird sodann mit den gemeinsamen Anschlüssen der Kondensatoren CX verbunden. Da die. .Kapazität von ACX, gleich dem halbfachen der Kapazitätseinheit C ist und die Gesamtkapazität der Kondensatoren CX gleich 127 ist,, ergibt die resultierende S ρ a nnuagsteilung ein Signal an der Verbindung zwischen .den Kondensatoren ACX, und dem gemeinsamen Anschluß der'restlichen Kondensatoren CX von -(Q,5/128)V . Dies entsteht, da die vom Kondensator ACX, gehaltene Spannung gleich (16.,5/33)V_r = (1/2) V_r beträgt.

Der Schalter 15 wird geöffnet und der Schalter 24 an Masse gelegt. Der Kondensator ACY, ,„ wird nunmehr zu den restlichen Kondensatoren CY., ,„ bis CY„ .parallel geschaltet wodurch der Teil + (16/33) U der Gleichung am; Ausgang des Puffers 25 auftritt. Diese Spannung wird wie nachstehend den Kondensatoren CX zugeführt. Der Kondensator CX, liegt parallel mit dem Kondensator . ACX, an der Leitung 23. Falls der Komparator 16 seinen Schaltzustand nicht ändert, dann wird der Kondensator CX„ über den Schalter 21 an die Leitung 23 angeschlossen, wodurch die mit der Leitung 23 verbundene Kondensatorkapazität erhöht wird.· Diese. Parallelzuschaltung der Kondensatoren CX. erfolgt solange', bis der Komparator 16 seinen Schaltzustand ändert. Wenn der Komparator seinen Schaltzustand ändert,.dann wird hierdurch das dem Eingangswert V zugehörige .Segme.nt der Übertragungscharakteristik definiert.

Durch das Zurückschalten des signifikantesten Kondensators auf die Leitung 22 wird der Gesamtwert der mit

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der Leitung 23 verbundenen Kondensatoren CX um 0,5 reduziert. Die Kondensatoren CY u/erden sodann aufeinanderfolgend mit der Leitung 30 verbund.en, bis der Komparator 16 abermals seinen Schaltzustand ändert.

Das Identifizieren derjenigen Kondensatoren, welche zu dem Zeitpunkt geschaltet sind, wenn der Komparator 16 ein zweites'Mal seinen Schaltzustand ändert, bestimmen .die Werte des PCM-Wortes. Diese Identifikation erfolgt vom Ausgang eines logischen Steuerschaltkreises,

Zum Dekodiere.ri bewirkt ein eingehendes PCM-Wort den logischen Schaltkreis die Kondensatoren CX und CY in einem Spannungsteiler zwischen + V ■ und Masse zu schalten, so daß eine Spannung entsprechend dem PCM-Wort über den Schalter 18 und dem Puffer 17 der Ausgangsleitung 19 zugeführt wird. Da jedes PCM-Wort ein analoges resultierendes Ausgangssignal definiert, sollte eine Filterung der analogen Ausgangssignale vorgenommen werden, nie Ladungsverteilung zur Bildung des Analogsignales ■ wird erhalten indem der Kondensator ACX₁ zuerst auf + U /2 geladen wird. Dieses ■ 1 . - r ³

Signal wird sodann mit der Kondensatoranordnung CX verbunden, wobei die Verbindung mit den Kondensatoren erfolgt, welche aufgrund des PCM-Codes geschaltet sind.

Di.e Fig. 4 und 5 sind Blockdiagramme von Zusatzschaltkreisen zum Betrieb der bekannten Schaltung nach Fig. als Kodierer (Fig. 4) und als Dekodierer (Fig. 5).

Gem. Fig. 4 ist eine Steuer- und Schaltertreiberschaltung 35 verbunden mit einer Vielzahl von analogen Schaltern 36, welche den Schaltern 4 der Fig. 2 ent-

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sprechen. Die Treiberschaltung kann entweder ein logischer Schaltkreis oder ein Mikroprozessor sein, Die Analogschalt.er 36 bestehen üblicherweise aus' MOS Schaltern welche von der Treiberschaltung 35 über eine Datenleitung 37 angesteuert werden. Mit den . Analqgschaltern ist ein Dekoder- integriert. Ein Anschluß jedes der Kondensatoren CX-, bis CX,-₂₈ ist an einen Änalogschalter 36 entsprechend Fig. 2 angeschlossen. Die anderen Anschlüsse der Kondensatoren CX, bis CX₁₂₈ sinrl miteinander und mit dem Invertereingang eines Operationsverstärkers 8 verbunden. Dessen Ausgangsanschluß 9 ist mit der Steuer- und Schaltertreiberschaltung 35 verbunden. Ein Ausgang ■ der Treiberschaltung 35 ist mit dem'Eingang eines Ausgangsregisters 38 verbunden, an dessen Ausgangsleitung das impulskodierte modulierte Ausgangssignal auftritt, bei welchem es sich "um das PCM-Wort handelt.

Über eine Datenlei'tung 39 ist die Treiberschaltung weiterhin verbunden mit Analogschaltern 40, welche den Schaltern 12 der Fig. 2 entsprechen. An jeden dieser Analogschalter 40 ist ein Anschluß der Kondensatoren CYT und CY-, bis CY„ angeschlossen. Die anderen An- · Schlüsse dieser Kondensatoren CY liegen zusammen am Nichtinvertereingang des Puffers 11. Der Ausgang des Puffers 11 ist ve.rbunden mit einem Eingang der Analogschalter 36. Über einen Umschalter 41 ist ein weiterer Eingang der Analogschalter 36 verbindbar entweder mit der analogen Eingangssignalquelle V oder mit Masse. Dies entspricht der Verbindung von V" und- Masse mit den Schaltern 4 über den Schalter. 2 in Fig. 2. Die Potentiale +V und -V sind über einen Schalter 42 mit

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den Analogschaltern 36 und 40 verbindbar entsprechend der Verbindung über den Schalter 7 in Fig. 2. Die Schalter41 und 42 werden geschaltet über die Treiberschaltung 35. Die Taktung, Synchronisation und Signalzufuhr wird ebenfalls durch die Treiberschaltung 35 gesteuert.

.Die Arbeitsweise des Schaltkreises nach Fig. 4 als Kodierer ist die gleiche wie in Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben. Die Arbeitsweise und die Zeitfolge der in Fig. 4 beschriebenen Schalter wird vom Treiberschaltkreis 35 bestimmt. Das PCM-Ausgangssignal wird erhalten durch Ableiten der PCM-Worte, welche bestimmt werden durch diejenigen Analogschalter 36, welche geschaltet sind, wenn der Komparator 8 seinen Ausgangszustand ändert.

Bei dem bekannten Dekodierschaltkreis nach Fig. 5 wird ein impulskodiertes moduliertes Signal dem Eingängsregister 43 zugeführt. Dessen Ausgang ist verbunden mit einer Steuer- und Schaltertreiberschaltung 44. An dieser liegen weiterhin Takt- und Synchronisationssignale an. Die Treiberschaltung 44 ist über eine Datenleitung 37 wie in Fig. 4 verbunden mit dem Eingang der Analogschalter 36, welche wie in Fig. 4 mit Kondensatoren CX₁ bis CX₁₀₀ verbunden sind. Die gemeinsamen Anschlüsse der Kondensatoren CX, bis CX,₂₈ sind an einen Operationsverstärker.45 angeschlossen und über einen Schalter 46, der vom Treiber 44 geschaltet wird, mit Masse verbindbar. Der Ausgang des Operationsverstärkers 45 ist über einen Schalter

47 mit dem .Invertereingang eines Operationsverstärkers

48 verbunden. Der .Ausgang dieses Verstärkers 48 ist mit dem Nichtinvertereingang des Verstärkers 45 und

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über einen Kondensator 49 mit dem Invertereingang dieses Verstärkers 48 verbunden. Die Verstärker 45 und 48, der Schalter 47 und der Kondensator 49 bilden einen sample and hold Schaltkreis. Der Schalter 47 wird natürlich vom Treiber 44 geschaltet.

Über eine Datenleitung 39 ist der Treiber 44 mit den Analogschaltern 40 verbunden. An diesen Analogschaltern 40 liege'n die Kondensatoren CYT bis CY_ß entsprechend' der Fig. 4. Die gemeinsamen Anschlüsse der Kondensatoren CYT bis CYg sind an den Nichtinvertereingang des Puffers 11 angeschlossen, dessen Ausgang mit einem Eingang der Analogschalter 36 verbunden ist.

Die Potentiale + V und -V sind über einen Schalter

r r

50, welcher vom Treiber 44 gesteuert wird, mit den Analogschaltern 36 und 40 verbindbar. Der Schalter 51, über welchen Masse mit dem Nichtinvertereingang des Puffers 11 verbindbar ist, wird, ebenfalls gesteuert vom Treiber 44 und zwar über einen·Dekoder im Analogschaltkreis 40.

Das PCM-Eingangssignal wird über das Eingangsregister 43 der Steuer- und Schaltertreiberschaltung 44 zugeführt. Das Kodierte Eingangssignal bewirkt eine Betätigung der Analogschalter 36 und 40 entsprechend der Anwahl durch die Treiberschaltung 44 nach der Dekodierung. Die Kondensatoren CX, bis CX₁₂₈ und CYT bis CYq werden so geschaltet, daß die Spannung + V nach Masse geteilt wird. Die resultierende Ladungsverteilung in diesen Kondensatoren führt-zu einer Spannung am Eingang des sample and hold Schaltkreises für jedes der PCM-Eingangswörter. Auf diese. Weise wird ein gestuftes analoges Ausgangssignal am Ausgang

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des Operationsverstärkers 48 erhalten.

Da für jedes PCM-Eingangswort eine bestimmte Ladungsverteilungsspannung erzeugt wird hält der sample and hold Schaltkreis eine Spannung am Kondensator 49, solange, bis das nächste PCM-Wort eingegeben wird. Bei Eingabe des nächsten PCM-Wortes wird der' Schalter 47 durch den Treiber 44 geschlossen, wodurch das nächste analoge Ausgangssignal gespeichert werden kann. Da das analoge Ausgangssignal gebildet wird durch eine Folge von Stufen, ist eine Filterung des Ausgangssignals notwendig.

Die Fig. 6 zeigt ein Blockdiagramm eines Codecsystems mit dem Schaltkreis nach Fig. 3.

Ein analoges Eingangssignal wird über den Filter 55 der Eingangsleitung zugeführt. Vom Ausgang des Filters gelangt das analoge Eingangssignal zum Schaltkreis 56,welcher besteht aus einer Reihe von Segmentkondensatoren und jeweils zugeordneten Analogschaltern.

Die Schaltungsanordnung 56 wird gesteuert .durch den Potentialschiebelogikschaltkreis'57, der seinerseits gesteuert wird durch die Steuerlogik 58. Bei der Steuerlogik 58 kann es sich um.einen Mikroprozessor oder um einen logischen Schaltkreis handeln. Die Schaltungsanordnung 59 umfasst die Stufenkondensatoren mit zugeordneten Analogschaltern und wird gesteuertdurch die Steuerlogik 58. Dieser Schaltkreis 59 ist mit dem Schaltkreis 56 verbunden.

Ein Näherungsregister, bestehend aus einer Serienschaltung mehrerer Flip-flops 60 arbeitet als Schieberegister

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ch-ha ·

zur Speicherung eines digitalen Eingangssignals und/ oder eines Ausgangssignals. Eine Rückstelleitung, eine Datenleitung sowie Eingangs- , .Ausgangs- und Taktleitungen sind zur Datenbusleitung 61 zusammengefasst, durch welche das Register mit der Steuerlogik 58 verbunden ist. Eine weitere Leitung führt ein Vorzeichenbit einem Flip-flop 62 zu. Sobald der Komparator 16 (Fig. 3 ) schaltet,,wird der Steuer-, logik' 58 angezeigt, daß das richtige Segment'und die richtige Stufe erreicht wurde.· Die Steuerlogik 58 erzeugt ein entsprechendes digitales PCM-Signal, welches '. über die Leitung 61 den Flip-flops 6.0 zugeführt wird. Dies führt zu einem seriellen digitalen Ausgängssignal welches dem Flip-flop 62 zugeführt wird, wenn die Flipflops 60 getaktet werden. Das Signal wird .weiterhin über ein drei Schaltzustände aufweisendes·Gatter 63 der Ausgangsleitung zugeführt. Der Steuereingang C dieses · Gatters 63 ist mit dem Ausgang des Dekoders 64 verbunden. Dieser Dekoder 64 wird eingeschaltet vom Puffer

65, dessen Eingang mit einer externen Einschaltquelle verbunden ist. Der Dekoder 64 wird weiterhin getaktet vom Ausgang des Puffers 66, dessen Einang mit einer Taktquelle verbunden ist. Der Tak.teingang der Steuerlogik 58 ist verbunden mit dem Ausgang des Puffers

66. . ■

Die Steuerlogik 58 betätigt die Segment- und die Stufenkondensatoren bzw. der zugehörige Analogschalter zu Zeitpunkten, welche bestimmt werden durch den Takt- und die Einschalteingänge der Puffer 65 und 66-, Die Steuerlogik 58 betätigt weiterhin das Register, welches aus den Flip-flops 60 besteht zur Erzeugung eines digitalen PCM-Ausgangssignals in der Ausgangsleitung

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des Gatters 63.

Beim Betrieb als Dekodierer wird ein digitales PCM-Eingangsüort über die Eingangsleitung und .dem Puffer 67 .einem Halbbit Flip-flop 68 zugeführt. Das Ausgangssignal des Flip-flops 68 u/ird dem Eingang des ersten Flip-flops 60 des Registers zugeführt und längs der aufeinander folgenden Flip-flops 60 verschoben. Die Äusgangssignale jedes der Flip-flops be\i/irkeB.:durch die Verschiebelogik 69 und den Dekoder 70 die Ansteuerung spezieller Segment- und Stufenkondensatoren. •Das resultierende Analogausgangssignal u/ird dem sample and hold Schaltkreis 71 und sodann einem Filter 72 zugeführt so daß an der analogen Ausgangsleitung ein analoges Ausgangssignal entsteht. Der sample and hold Schaltkreis 71 u/ird natürlich von der Potentialschiebelogik 57 unter der Steuerung der Steuerlogik 58 gesteuert.

Das Taktsignal zum Verschieben des Ausgangssignals wird abgeleitet vom digitalen Eingangssignal am Ausgang des Puffers 67. Es wird dem Dateneingang des Flip-flops 73 zugeführt. Das'Takteingangssignal wird erhalten von einem Ausgang des Taktgenerators 74, dessen Eingang verbunden ist mit dem Ausgang des Puffers 66, an welchem der Haupttakteingang auftritt. Der Ausgang des Flipflops 73 ist mit der Steuerlogik 58 verbunden. Ein Ausgangssignal des Taktgenerators 74 v/ird den Takteingängen der Flip-flops 60 zugeführt. Hierbei handelt es sich um die Verschiebetaktleitung. Der Takteingang des l/2bit Flip-flops 68 ist verbunden mit einem Ausgang des Taktgenerators 74 und bildet die digitale Eingangstaktleitung.

■ ' . -35-

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Es sei nochmals darauf hingewiesen, daß bei der Schaltung nur eine einzige Bezugsspannung in Bezug auf Masse erforderlich ist. Neben dem Wegfall einer zweiten Bezugsspannung wird ein rauschfreier Betrieb erhalten. Durch Wegfall des signifikantesten Kondensators großer Kapazität in einer Kondensätorgruppe und durch den Ersatz dieses Kondensators durch einen achtmal kleineren Kondensator in der anderen Kondensatorgruppe wird eine wesentliche Verminderung ■ der erforderlichen Substratfläche erreicht. Dies führt zu einer Kostenverminderung und einer Erhöhung der Zuverlässigkeit des Schaltkreises.

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Claims

Dipl.-Ing.

Rolf Charter

Patentanwalt

• Rehlingenstraße 8 · Postfach 260

D-8900 Augsburg 31
-' Telefon 0821/36015+3 6016
Telex 533275

P.,,^^0 München Nr.. 54789-80. _{Anm>: Mi t} el. CorpO Γ 31 i O Π

8178/12 Augsburg, den 22. Mai 1981

Ansprüche

(i/

A/D - und D/A - Wandler mit mehreren ersten Kon-' densatqren (CX), bei denen ein Anschluß zusammen-• geschaltet ist, wobei der gemeinsame-Anschluß über Schaltmittel (15) mit einer ersten Bezugsspannung verbindbar ist und wobei jedem ersten Kondensator (GX) ein Schaltmittel (21) zugeordnet ist, mit ' dem der jev/eils andere Anschluß wahlweise mit einer ersten. Leitung (22) oder einer zweiten Leitung (23) verbindbar ist, mit Schaltmitteln (24), mit denen die erste . Leitung (22) wahlweise mit einem Anschluß für ein analoges Eingangssianal (V ) oder der ersten Bezugsspannung verbindbar ist, mit mehreren zweiten Kondensatoren (.CY),' bei denen ein Anschluß zusammengeschaltet ist, wobei der gemeinsame Anschluß am Eingang eines Puffers (27) liegt, dessen Ausgang mit der zweiten Leitung (23) verbunden ist und wobei dieser Eingang über-Schaltmittel (27) mit der ersten Bezugsspannung verbindbar ist, mit jedem der zweiten Kondensatoren (CY) zugeordneten Schaltmitteln (28), mit denen der andere Anschluß jedes zweiten Kondensators (CY) wahlweise mit einer dritten Leitung (29) oder einer vierten Leitung (30) verbindbar ist, dadurch

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gekennzeichnet, daß die Schaltmittel (24) für 'die erste Leitung (22) diese u/ahlweise mit hoher Impedanz verbinden, die dritte und die vierte Leitung (29, 30) zwischen der ersten Bezugsspannung und einer zuzeiten Bezugsspannung (V ) umschaltbar sind und am gemeinsamen AnschluQ der ersten Kondensatoren (CX) Ausgangsschaltmittel (16, 17) vorgesehen sind, denen von dem gemeinsamen Anschluß ein Ausgangssignal zugeführt wird, das von der Ladungsverteilung der ersten Kondensatoren (CX) bei der sequentiellen Schaltung der diesen zugeordneten Schaltmitteln (21) und von · der Ladungsverteilung der zu/eiten Kondensatoren (CY) bei der sequentiellen Schaltung der diesen zugeordneten Schaltmitteln (28) resultiert.
2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η -■ zeichnet, daß die Ausgangsschaltmittel (16) aus einem Komparator bestehen, dessen einer Eingang mit dem gemeinsamen Anschluß der ersten Kondensatoren (CX) und dessen anderer Eingang mit der ersten Bezugsspannung verbunden ist, wobei der Schaltzustand am Ausgang des Komparators das Vorzeichen des kodierten Ausgangssignals bestimmt .
3'. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Ausgangsschaltmittel ' einen sample and hold-Schaltkreis (17) umfassen, dessert Eingang am gemeinsamen Anschluß der ersten Kondensatoren (CX) liegt und der ein analoges Ausgangssignal erzeugt.

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4. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der eine Eingang der' Inyertereingang und der andere Eingang der Nichtinvertereingang sind, die erste Bezugsspannung Massepotential ist und die zweite Bezugsspannung (U ) dazu- positives Potential aufweist, dessen Amplitude mindestens gleich groß ist wie die Maximalamplitude des Eingangssignals (U ).

* 3
5. Wandler nach Anspruch 1,·dadurch gekennzeichnet , daß die Kapazitäten der ersten Kondensatoren (CX) im Uerhältnis C, C, 2C, 4C, 8C, 16C, 32C und 64C zueinander stehen und ein Anschluß des ersten Kondensators (ACX;) mit der Kapazität C über einen Schalter (32) den gemeinsamen Anschluß der übrigen ersten Kondensatoren · (CX) zuschaltbar ist.
6. Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitäten der zweiten Kondensatoren (CY) im Uerhältnis 1/2C; 1/2C, C, C, 2C, 4C, 8C und 16C zueinander stehen.
7. Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die den ersten Kondensatoren (CX).zugeordneten Schaltmittel (21) nach Anlegen eines analogen Eingangssignals (U ) in Aufeinanderfolge von der ersten Leitung (22) auf die · zweite Leitung (23) -umschalten, bis der Komparator (16) seinen Schaltzustand wechselt, nach Umschalten des ersten Kondensators (ACX,) von der zweiten Leitung (23) auf hohe Impedanz die den zweiten Kondensatoren (CY) zugeordneten Schaltmittel

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ch-ha

(28) in Aufeinanderfolge von der vierten auf die dritte Leitung (29, 30) umschalten, bis der Komparator (16) abermals seinen Schaltzustand ändert und hierbei die obere Entscheidungsfunktion U_r [_-0,5/128 + (2^(s"¹Vl28 χ (17 + n)/33)) beträgt, in u/elcher s eine Zahl von 1 bis 8 entsprechend der Anzahl der von der ersten auf die zweite Leitung (22, 23) geschalteten Kondensatoren (CX) ist und η eine Zahl von null bis 15 ist entsprechend der von der vierten auf die dritte Leitung (29, 30) geschalteten Kondensatoren' ■ (CY) und die bei abermaliger Schaltzustandsänderung des Komparators (16) geschalteten Kondensatoren (CX, CY) das PCM-Ausgangswort bestimmen.
8. Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangssignal ein PCM-Wort ist, das die zu schaltenden Kondensatoren (CX, CY) bestimmt, wobei die ersten Kondensatoren (CX) von der ersten auf die zweite Leitung (22, 23) und die zweiten Kondensatoren (CY) von der dritten auf die vierte Leitung (29, 30) geschaltet werden, wobei die· erzeugte Ausgangsspennuhg gleich V_r [-0,5/128. + (2^(s"¹⁾/128 χ '16,5 + n)/33)]' . · ist bei der V die zweite Bezigsspannung ist, s eine Zahl zwischen 1 und 8 ist, welche dem geschalteten Kondensator höchster Kapazität der ersten Kondensatoren (CX) entspricht und η eine Zahl zwischen null und 15 ist, welche den geschalteten zweiten Kondensatoren (CY) entspricht.
9. Wandler nach· einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das analoge Ein-

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eh.-. ha

gangssignal (V_) über die erste Leitung (22) und die Schaltmittel (21) den ersten Kondensatoren (CX) zugeführt wird und hierbei der gemeinsame Anschluß dieser Kondensatoren (CX) an Masse liegt, danach die erste Leitung (22) an Masse gelegt und der gemeinsame Anschluß von Masse getrennt wird , wobei das Ausgangssignal des Kamparators (16) das Vorzeichen des Ausgangssignals bestimmt. ■
10. Wandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß der gemeinsame Anschluß · der zweiten Kondensatoren (CY) an Masse gelegt wird, deren andere Anschlüsse mit Masse verbunden werden, falls das Ausgangssignal positiv ist oder mit der zweiten Bezugsspannung verbunden werden, falls das Ausgangssignal negativ ist mit Ausnahme der Kondensatoren mit der Kapazität 1/2C und 16C, deren andere Anschlüsse dazu umgekehrt geschaltet werden, wahrend der eine Anschluß eines ersten Kondensators (ACX,) mit der Kapazität C mit Masse und dessen anderer Anschluß über den Ausgang des Puffers (25) mit dem gemeinsamen Anschluß der zweiten Kondensatoren (CY) verbunden wird und die anderen Anschlüsse der übrigen ersten Kondensatoren (CX) auf hohe Impedanz -und • deren gemeinsame Anschlüsse auf Masse geschaltet werden. ■ '
11. Wandler .nach Anspruch 10, dadurch g e .k e h η zeichnet , daß der eine Anschluß des ersten Kondensators (ACX,) mit dem gemeinsamen Anschluß der ersten Kondensatoren (CX) verbunden wird, der Kondensator mit der Kapazität 1/2C zurückgeschaltet

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wird auf Masse oder die zweite Bezugsspannung, sodann die ersten Kondensatoren (CX) parallel tu dem ersten Kondensator (ACX, ) geschaltet werden, bis der Komparator (16) seinen Schaltzustand 'ändert , der hierbei geschaltete Κοη-ί densator vom ersten Kondensator (ACX,·) abgetrennt und parallel zu den nichtgeschalteten ersten Kondensatoren (CX) geschaltet wird, anschlieGend die zweiten Kondensatoren (CY) paral.lel zu dem Kondensator mit der Kapazität 16C geschaltet werden, bis der Komparator (16) abermals seinen Schaltzustand ändert und hierbei die geschalteten Kondensatoren (CX,CY) den Digitalinhalt des PCM-Ausgangsworts bestimmen.

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