DE3301792A1

DE3301792A1 - Geschaltete kondensatorkette mit verminderter kapazitaet

Info

Publication number: DE3301792A1
Application number: DE19833301792
Authority: DE
Inventors: Tadakatsu Kodaira Tokyo Kimura; Yoshiaki Kuraishi; Takayoshi Makabe; Kenji Tokyo Nakayama
Original assignee: Nippon Telegraph & Telephone Public Corp Tokyo; Nippon Telegraph and Telephone Corp; Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: Nec Corp Nippon Telegraph And Telephone Corp To
Priority date: 1982-01-21
Filing date: 1983-01-20
Publication date: 1983-08-11
Also published as: JPS58125909A; US4498063A; CA1194945A

Description

Die Erfindung betrifft eine geschaltete oder getaktete Kondensatorkette zum Filtern eines Eingangssignals und Erzeugen eines Ausgangssignals, und zwar durch Signalabtastung (sampling).

Wie nachstehend noch im Zusammenhang mit der anliegenden Zeichnung näher erläutert wird, weist eine übliche geschaltete Kondensatorkette einen Kondensator, einen Abtastschaltkreis zum Abtasten des Filtereingangsignals mit einer Abtastrate, um ein Schaltsignal mit der Abtastrate, sowie einen integrierten Schaltkreis auf, um zum Erzeugen eines Filterausgangssignals das geschaltete Signal zu integrieren. Der Integrierschaltkreis weist einen Operationsverstärker und einen integrierenden Kondensator auf, der sich im Rückkoppelkreis des Operationsverstärkers befindet. Die getaktete Kondensatorkette wird gekennzeichnet durch eine übertragungsfunktion in Abhängigkeit vom Kapazitätsverhältnis des integrierenden Kondensators relativ zu einem Einheits- oder Minimalkondensator .

Eine derartige geschaltete Kondensatorkette ist in dem folgenden technischen Aufsatz beschrieben: "MOS SWITCHED CAPACITOR HIGHPASS/NOTCH LADDER FILTERS" von Titkwan Hui und David J. Allstot in "IEEE International Symposium on Circuits and Systems, April 1980, Zeilen 309 bis 312.

In dem genannten Aufsatz von Hui et al. ist ausgeführt, daß ein sehr großes Kapazitätsverhältnis bei einer derartigen geschalteten Kondensatorkette erforderlich ist, wenn die Abtastrate im Vergleich zu einer Audio-Baseband-Freguenz hoch wird, beispielsweise 50 oder 60 Hz beträgt. Dies bedeutet, daß bei Großintegration ein sehr großer Bereich vom integrierenden Kondensator eingenommen wird . Um den eingenommenen

L J

. 6.

Bereich zu minimalisieren, muß die Einheitskapazität so niedrig wie möglich gewählt werden. Wie ferner im Zusammenhang mit einer anderen Figur der anliegenden Zeichnung ausgeführt wird, wird in dem Aufsatz von Hui et al ferner die Verwendung eines Kapazitätsteilers gelehrt, um das Kapazitäts verhältnis zu reduzieren.

Ein derartiger Kapazitätsteiler ist jedoch, wie nachstehend noch näher erläutert wird, zwangsläufig von einer Streukapazität begleitet. Soweit die Streukapazität die Filtercharakteristik nachteilig beeinflußt, ist es notwendig, diese Streukapazität durch Erhöhen der Einheitskapazität zu reduzieren. Daher sollte der integrierende Kondensator eine große Kapazität aufweisen. Die Gesamtkapazität wird dadurch zwangsläufig groß. Daher wird die von den Kondensatoren eingenommene Fläche relativ groß bei der Großintegration der geschalteten Kondensatorkette. Der Halbleiterchip muß daher relativ große Abmessungen haben.

Ferner ist die erforderliche elektrische Leistung bei der geschalteten Kondensatorkette erhöht, da der Operationsverstärker eine große Kapazität ansteuern muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine geschaltete Kondensatorkette (Kondensatorfilter) mit verringerter Gesamtkapazität zu schaffen. Dadurch ist es möglich, eine Kondensatorkette mit geringen Abmessungen, etwa in Form eines integrierten Schaltkreises, herzustellen. Diese erfindungsgemäße, geschaltete Kondensatorkette hat ferner einen geringen elektrischen Leistungsbedarf.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird insbesondere mit den Merkmalen der Patentansprüche gelöst.

Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein Blockdiagramm einer bekannten geschalteten Kondensatorkette,

Figur 2 ein Blockdiagramm einer anderen bekannten geschalteten Kondensatorkette,

Figur 3 eine erste, zweite bzw. dritte Ausführungsform einer

bis

p. c erfindungsgemäßen, geschalteten Kondensatorkette,

Figur 6 ein Taktsignal zur Erläuterung der geschalteten Kondensatorkette gemäß Figur 5 und

Figur 7 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Freguenzkennlinie der geschalteten Kondensatorkette.

Gemäß Figur 1 kann eine übliche geschaltete Kondensatorkette erster Ordnung als Integrator bezeichnet werden, der ein Filtereingangssignal V. zugeführt wird, um ein Filterausgangssignal V . zu erzeugen. Sowohl das Filtereingangssignal V. als auch das Filterausgangssignal V . ist ein Analogsignal. Die geschaltete Kondensatorkette weist einen geschalteten oder getasteten Kondensator 10 (Kapazität C) mit einer ersten und einer zweiten Elektrode 11 bzw. 12 auf. Ein Taktkreis weist einen ersten Schalter 16, der mit der ersten Elektrode 11 verbunden ist, und einen zweiten Schalter 17 auf, der mit der zweiten Elektrode 12 verbunden ist. Dem ersten Schalter 16 wird direkt das Filtereingangssignal

V. zugeführt und schaltet dieses in einer ersten Phase mit xn ^

einer vorgegebenen Abtastrate. Der zweite Schalter 17 erzeugt ein Taktsignal mit einer Abtastrate in einer zweiten Phase in Form einer Gegenphase relativ zur ersten Phase.

Das Taktsignal wird einem Integrierschaltkreis zugeführt, bestehend aus einem Operationsverstärker 18 und einem Integrationskondensator 19, der sich im Rückkoppelkreis des

L J

1 Operationsverstärkers 18 befindet. Der Integrationskondensator 19 habe eine Kapazität aC, wobei α das Kapazitätsverhält nis relativ zu einer Einheitskapazität ist. Der Integrator erzeugt das Filterausgangssignal V .. .

Die geschaltete Kondensatorkette hat eine übertragungsfunktion, die durch das Verhältnis des Ausgangssignals V . zum Eingangssignal V. bestimmt ist, und zwar:

,0 V_out/V_ln= 1/[α_Ζ ¹/²(1 -ζ"¹)] (D

wobei ζ = ^

f = Abtast- oder Taktfrequenz gleich dem Reziproken der Abtastrate,
f = Frequenz des Filtereingangssignals V. .

Daher wird die übertragungsfunktion (1) durch die ζ-Transfor mierte spezifiziert und durch das Kapazitätsverhältnis α und die Abtastfrequenz f bestimmt. Ferner ist die Gesamtkapazitat der dargestellten geschalteten Kondensatorkette folgendermaßen gegeben:

(C + aC)/C = 1 +α (2)

Wenn die geschaltete Kondensatorkette als Hochpassfilter verwendet wird, bei der die Abtastfrequenz hoch ist, so muß das Kapazitätsverhältnis α groß sein. Daher wird die durch den integrierenden Kondensator 19 eingenommene Fläche bei der Großintegration der getakteten Kondensatorkette zwangsläufig

3Q groß. Soweit der integrierende Kondensator 19 eine hohe Kapazität aufweist, wird der elektrische Leistungsbedarf des Operationsverstärkers 18 erheblich.

Die in Figur 2 dargestellte, andere bekannte, geschaltete Kondensatorkette entspricht im wesentlichen der aus dem Aufsatz von Hui et al, und die gekennzeichneten Bauelemente ha-

L J

ben entsprechende Bezugszeichen und arbeiten mit ähnlichen Signalen. Anstelle des Abtastkondensators 10 gemäß Figur 1 ist ein Kapazitätsteiler zwischen dem ersten und dem zweiten Schalter 16 bzw. 17 angeordnet. Der Kapazitätsteiler weist einen ersten, zweiten und dritten Kondensator 21, 22 bzw. 23 auf. Die eine Elektrode 11 des ersten Kondensators 21 ist mit dem ersten Schalter 16 verbunden; die andere Elektrode dieses ersten Kondensators ist mit der ersten Elektrode des zweiten Kondensators 22 verbunden, dessen andere Elektrode geerdet ist; der dritte Kondensator 23 ist mit seiner einen Elektrode gemeinsam mit dem ersten und dem zweiten Kondensator 21 und 22 verbunden, und die andere Elektrode 12 des dritten. Kondensators 23 ist mit dem zweiten Schalter 17 verbunden. Die drei Kondensatoren 21, 22 und 23 haben Kapazitäten Cw C bzw. C_, die gleich k C, k C bzw. k_C sind, wobei k.., k_ und k₃ Konstanten und C die Einheitskapazität sind. Die geschaltete Kondensatorkette weist ferner einen dritten Schalter 24 zwischen Masse und der einen Elektrode des dritten Kondensators 23 auf. Bei diesem Aufbau dienen der erste und der zweite Kondensator 21 und 22 zum Steuern der Gesamtkapazität der geschalteten Kondensatorkette, während der dritte Kondensator 23 als geschalteter oder getakteter Konden sator betrieben wird, wie bei dem Kondensator 10 gemäß Figur 1.

Die dargestellte geschaltete Kondensatorkette hat eine übertragungsfunktion gemäß der nachstehenden Formel:

V_out/V_in = Oc₁-Jc₃)ZKk₁ + k₂ + k₃).(az^1/2(1 - z"¹))] (3) 30

Damit die Gleichung (3) zur Gleichung (1) äquivalent wird, sollte die folgende Gleichung gelten:

+ k₂ + k₃) =1 (4)

L j

	= 11,	^k2	= 99	-"'	*-Λ0>*	-.„. jju'iva	= 11C	(5)
	und	für	und k_ =	= 11,	W - * WW -	= 99C
				ν « www «<· >· «	= 11C
Wenn k₁			so ist die Gleichung (4)
erfüllt,			die entsprechenden Kapazitäten C₁, C„ und
gilt:

	I
	^C3

Danach wird die.Gesamtkapazität der in Figur 2 dargestellten geschalteten Kondensatorkette folgendermaßen wiedergegeben:

(C₁ + C₂ + C₃ + aC)/11C = (121 + α)/11 (6)

Setzt man ei = 99 in den Gleichungen (2) und (6) , so erhält man Werte von 100 bzw. 20. Hieraus ergibt sich, daß die in Figur 2 dargestellte geschaltete Kondensatorkette eine Gesamt kapazität aufweist, die 1/5 der der in Figur 1 dargestellten Kondensatorkette beträgt.

Bei der in Figur 2 dargestellten Kondensatorkette weist der zweite Kondensator 22 zwangsläufig eine Streukapazität (mit C bezeichnet) parallel zum zweiten Kondensator 22 auf.

Daher ist die Kondensatorkette entsprechend den vorstehenden· Ausführungen nachteilig.

Die erste erfindungsgemäße Ausführungsform einer geschalteten Kondensatorkette gemäß Figur 3 kann als Filter erster Ordnung betrieben werden; entsprechende Teile sind durch entsprechende Bezugszeichen gekennzeichnet und werden mit ähnlichen Signalen betrieben. Diese erfindungsgemäße, geschaltete Kondensatorkette weist ferner einen spannungsteiler 30 auf, der auf das Filtereingangssignal V. anspricht, um dieses Eingangssignal V. in ein spannungsgeteiltes Signal umzuwandeln und dieses als Eingangssignal dem ersten Schalter 16 zuzuführen. Der Spannungsteiler 30 dient daher als Eingangskreis zum Modifizieren des Filtereingangsignals V. zum Eingangssignal. Der Spannungsteiler 30 weist einen ersten Widerstand 31 und

L J

• AA ·

einen zweiten Widerstand 32 auf; das Filtereingangssignal V. wird dem ersten Anschluß des Widerstandes 31 zugeführt, dessen zweiter Anschluß mit dem ersten Schalter 16 verbunden ist; der eine Anschluß des zweiten Widerstandes 32 ist gemeinsam mit dem zweiten Anschluß des ersten Widerstandes 31 verbunden, während der zweite Anschluß des zweiten Widerstandes 32 geerdet ist. Das Eingangssignal, d.h. das spannungsgeteilte Signal, liegt über den zweiten Widerstand 32 an. Die beiden Widerstände 31 und 32 haben Widerstandswerte R bzw. R_.

Das spannungsgeteilte Signal wird an den Abtastkondensator über den ersten Schalter 16 entsprechend Figur 1 abgegeben. Die Kapazität des Abtastkondensators 10 unterscheidet sich jedoch von der des Abtastkondensator 10 gemäß Figur 1 wegen der Verwendung des Spannungsteilers 30 und wird daher mit C bezeichnet und wird folgendermaßen wiedergegeben:

= k₄C (7)

wobei k. = konstant.

Wie bei Figur 1 wird das geschaltete Signal vom Abtastkondensator 10 über den zweiten Schalter 17 zum integrierenden Schaltkreis abgegeben. Der integrierende Schaltkreis weist den Operationsverstärker 18 und den integrierenden Kondensator 19 mit der Kapazität aC auf und erzeugt das Filterausgangs signal V . als Analogsignal wie bei Figur 1.

Die geschaltete Kondensatorkette gemäß Figur 3 hat die folgende übertragungsfunktion:

^Vout^/Vin ⁼ <^R2^k4^)/l(Ri ^{+ R}2^)cxz1/2<¹ - ²"¹^

Damit die Gleichung (8) äquivalent zur Gleichung (1) ist, sollte die folgende Gleichung gelten:

+ R₂) = 1 (9)

L J

. ο ο υ ι / gi

'xjy -. - π

Gleichzeitig sollten die Konstante k. sowie die Kapazität C, folgende Werte annehmen:

^R2^)/R2

= C(R₁ + R₂)

Die Konstante k., die die Gleichung (9) erfüllt, kann leicht berechnet werden. Wenn beispielsweise R^ * R = 9 : 1 ist, so wird die Konstante k. = 10. Daher kann die Gleichung (7) folgendermaßen umgeschrieben werden:

C₄ = 10C (10)

Dabei erhält man für die Gesamtkapazität der geschalteten

Kondensatorkette den folgenden Wert: 15

(10C + cxC)/(10C) = (TO + a)/1o. (11)

Wenn α = 99 in die Formel (11) wie bei den Formeln (2) und (6) eingesetzt wird, so wird die Formel (11) nahezu gleich 2Q 11. Daher kann die Gesamtkapazität der geschalteten Kondensatorkette gemäß Figur 3 auf 1/9 des Wertes des in Figur 1 dargestellten Filters reduziert werden.

Hieraus ergibt sich, daß nicht nur die von den Abtast- und Integrationskondensatoren 10 und 19 eingenommene Fläche bei Großintegration sondern auch der elektrische Leistungsbedarf vermindert werden können.

Die zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen, geschalteten Kondensatorkette' gemäß Figur 4 dient als Hochpassfilter zweiter Ordnung. Dieser Kondensatorfilter weist ähnliche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen auf und wird mit ähnlichen Signalen betrieben. Zur Erleichterung der Beschreibung wird das Filterausgangssignal V. gemäß Figur 3 als erstes Filter signal V .. bezeichnet. Ferner werden der Spannungsteiler 30, der Abtastkondensator 10, der Schalter 14 und

der integrierende Schaltkreis als erster Spannungsteiler, als erster Kondensator, als erster Schalter, bzw. als erster integrierender Schaltkreis bezeichnet.

Gemäß Figur 4 weist die geschaltete Kondensatorkette ferner einen dritten und einen vierten Schalter 33 bzw. 34 auf, die als zweiter Umschaltkreis zum Zusammenwirken mit dem zweiten Kondensator 36 bezeichnet werden können, der zwischen dem dritten und dem vierten Schalter 33 und 34 angeordnet ist. Die erste Elektrode des zweiten Kondensators ist mit dem dritten Schalter 33 und die zweite Elektrode mit dem vierten Schalter 34 verbunden. Der dritte Schalter 33 ist mit dem ersten integrierenden Schaltkreis verbunden, um das erste Filtersignal V ₁ in der ersten Phase mit der

Abtastrate zu schalten. Der vierte Schalter 34 kann ebenfalls mit der Abtastrate betrieben werden, um ein zweites oder zusätzliches Schaltsignal einem zweiten integrierenden Schaltkreis in der ersten Phase zuzuführen. Der zweite integrierende Schaltkreis weist einen Operationsverstärker 37 und einen integrierenden Kondensator 38 auf, der sich im Rückkoppelkreis des Operationsverstärkers 37 befindet (entsprechend der Ausfaulung des ersten integrierenden Schaltkreises) .Das zweite geschaltete Signal wird durch den zweiten integrierenden Schaltkreis integriert, so daß man ein zweites Filtersignal V erhält. Das zweite Filtersignal V wird an einen nicht dargestellten äußeren Schaltkreis zur Weiterverarbeitung sowie an einen zweiten Spannungsteiler 42 abgegeben. Dieser zweite Spannungsteiler 42 weist einen dritten Widerstand 43 und einen vierten Widerstand auf; die eine Elektrode des dritten Widerstandes ist mit einem Ausgangsanschluß des zweiten integrierenden Schaltkreises verbunden, während die andere Elektrode mit der einen Elektrode des vierten Widerstandes 44 verbunden ist; die . andere Elektrode des vierten Widerstandes 44 ist geerdet.

L J

U I I

~λ

Der dritte und der vierte Widerstand 43 und 44 sind im wesentlichen äquivalent zum ersten bzw. zweiten Widerstand 31 und 32. Der Verbindungspunkt zwischen dem dritten und vierten Widerstand 43 und 44 ist mit einem fünften, als Hilfsschalter ausgebildeten Schalter 45 verbunden, der in der ersten Phase Her Abtastrate betätigt wird. Dadurch wird das zweite Filtersignal V₂ durch den zweiten Spannungsteiler 42 in ein zweites oder zusätzliches spannungsgeteiltes Signal geteilt, dasT dem fünften Schalter 45 zugeführt wird. 10

Der fünfte Schalter 45 schaltet das zweite spannungsgeteilte Signal in der ersten Phase mit der Abtastrate und erzeugt in der ersten Phase ein drittes geschaltetes Hilfssignal.

Ein dritter Hilfskondensator 46 ist zwischen dem fünften und vierten Schalter 45 und 34 geschaltet, so daß das dritte geschaltete Signal vom fünften Schalter 45 zum vierten Schalter 34 übertragen wird.

Ein vierter zusätzlicher Kondensator 47 ist zwischen dem fünften und dem zweiten Schalter 45 bzw. 17 geschaltet. Die Rückkoppelkreise zwischen dem zweiten integrierenden Schaltkreis und dem vierten Schalter 34 sowie zwischen dem zweiten Umschaltkreis und dem zweiten Schalter 17 werden betrieben, um eine Frequenzkennlinie der geschalteten Kondensatorkette gemäß Figur 4 zu ermitteln.

Die geschaltete Kondensatorkette weist ferner einen Nebenschluß (Bypass)-Kondensator 48 zwischen dem vierten Schalter 34 und dem ersten Anschluß des ersten Widerstandes 31 auf, um das zweite geschaltete Signal zum ersten Widerstand 31 zurückzukoppeln.

Bei diesem Aufbau wird die Frequenzkennlinie kaum durch den Einfluß von Streukapazitäten beeinflußt. Die Gesamtkapazität ist daher in der geschalteten Kondensatorkette im Vergleich

L J

zum üblichen Filter gemäß Figur 2 reduziert. Daher ist es möglich, einen klein bemessenen Halbleiterchip bei der Groß integration einer geschalteten Kondensatorkette zu verwenden. Ferner kann der elektrische Stromverbrauch in jedem Operationsverstärker vermindert werden, da jeder dieser Operationsverstärker nur eine kleine Kapazität ansteuert, wie den integrierenden Kondensator.

Die in Figur 5 dargestellte dritte Ausführungsform einer ge schalteten Kondensatorkette wird als Hochpassfilter vierter Ordnung betrieben. Diese Kondensatorkette weist einen ersten Filterabschnitt 51 entsprechend der geschalteten Kondensatorkette gemäß Figur 4 sowie einen zweiten Filterabschnitt 52 auf, der mit dem ersten Filterabschnitt 51 verbunden ist. Wie bei der geschalteten Kondensatorkette gemäß Figur 4 weist der erste Filterabschnitt 51 einen ersten und einen zweiten Spannungsteiler 30 bzw. 42 auf und wird als Hochpassfilter zweiter Ordnung betrieben. Der dargestellte erste Spannungsteiler 30 weist einen ersten Widerstand 31 mit 17,74 kiL und einen zweiten Widerstand 32 mit 2,26 k,o- auf, während im zweiten Spannungsteiler 42 der dritte und der vierte Widerstand 43 bzw. 44 Widerstandswerte von 14,12 kjfL bzw. 5,88 k/l. aufweisen.

Die ersten bis vierten Kondensatoren 10, 36, 46 und 47 ge- : maß Figur 5 haben gleiche Kapazität von 0,3 pF, während die Kapazitäten der Kondensatoren 19 und 38 des ersten und des zweiten integrierenden Schaltkreises 10,39 bzw. 35,3 pF betragen. Die Kapazität des Nebenschlußkondensators 48 beträgt 23,3 pF.

Gemäß Figur 5 besteht jeder der ersten bis fünften Schalter 16, 17, 33, 34 und 45 aus einem Paar MOS (Metalloxidhalbleiter) -Transistoren, und ein Transistor jedes MOS-Transistorpaars wird durch eine Folge von ersten Taktimpulsen angesteuert, die mit der Abtastrate in der ersten Phase

L J

^₁ in Figur 6) anliegen; daher ist der jeweilige eine Transistor jedes Transistorpaars in Figur 5 durch einen Index 1 an jeder Bezugszahl des ersten bis fünften Schalters gekennzeichnet. Der andere Transistor jedes MOS-Transistorpaars wird durch eine Folge von zweiten Taktimpulsen angesteuert, die mit der Abtastrate in der zweiten Phase (vgl. Φ₂ in Figur 6) anliegen; die betreffenden Transistoren werden daher durch den anderen Index 2 gekennzeichnet. Jeder MOS-Transistor wird durchgeschaltet, wenn der Taktimpuls einen hohen Wert einnimmt. Daher werden die MOS-Transistoren 16.., 17.., 33., 34 und 45. in Gegenphase zu den anderen MOS-Transistoren 16₂, 17«/ 33_, 34₂ bzw. 45_ betrieben.

Bei dem dargestellten Beispiel haben beide Taktimpulse φ und φ₀ eine Wiederholfreguenz von 288 kHZ und ein Tastver-

«b

hältnis von 45 %. Diese Taktimpulse können mit Hilfe eines nicht dargestellten, üblichen Taktgenerators leicht erzeugt werden. Der Operationsverstärker 18 ist hinsichtlich seiner Größe und seiner Eigenschaften mit dem Operationsverstärker 37 identisch. Diese Eigenschaften sollten sich nicht von denen unterscheiden, die für die übliche geschaltete Kondensatorkette erforderlich sind.

Der erste Filterabschnitt 51 erzeugt das zweite Filtersignal V ₀ in Abhängigkeit vom ersten Eingangssignal V. ,

OlIiZ £ HX

das dem ersten Spannungsteiler 30 zugeführt wird.

In Figur 5 wird der zweite Filteräbschnitt 52 als Hochpassfilter zweiter Ordnung betrieben, wie der erste Filterabschnitt 51. Im zweiten Filterabschnitt 52 wird jedoch kein Spannungsteiler verwendet, da in diesem zweiten Filterabschnitt 52 bekanntlich kein großes Kapazitätsverhältnis erforderlich ist.
35

.33.01192

Der zweite Filterabschnitt 52 weist einen sechsten Schalter 56 mit einem Paar MOS-Transistoren 56.. und 56 auf, die durch den ersten und den zweiten Taktimpuls φ bzw. $L angesteuert werden. Der sechste Schalter 56 ist mit einem dritten integrierenden Schaltkreis verbunden, der einen Operationsverstärker 58 und einen integrierenden Kondensator 59 aufweist, der sich im Rückkoppelkreis des Operationsverstärkers 58 befindet.

Zwischen einem siebten und einem achten Schalter 62 bzw. 63 befindet sich ein fünfter Kondensator 60. Sowohl der siebte als auch der achte Schalter 62 bzw. 63 weisen MOS-Transistoren 62.. bzw. 63 , die auf die ersten Taktimpulse φ. ansprechen, und andere MÖS-Transistoren 62~ bzw. 63_ auf, die auf die zweiten Taktimpulse $L ansprechen.

Der achte Schalter 63 ist mit einem vierten integrierenden Schaltkreis verbunden, der einen Operationsverstärker 64 und einen integrierenden Kondensator 65 aufweist, der sich im Rückkoppelkreis des Operationsverstärkers 64 befindet. Ein Ausgangssignal des Operationsverstärkers 64 wird als Filterausgangssignal V . einen äußeren, nicht dargestellten Schaltkreis zur weiteren Verarbeitung sowie einem neunten Schalter 69 zugeführt, der aus einem Paar MOS-Transistoren

69₁ und 69_ besteht, die durch die ersten und zweiten Taktimpulse φ* bzw. Φ₂ angesteuert werden.

Ein sechster und ein siebter Kondensator 71 bzw. 72 befinden sich zwischen dem neunten Schalter 69 und dem achten Schalter 63 bzw. zw±schen dem neunten Schalter 69 und dem sechsten Schalter 56.

Die Kombination des neunten und des sechsten Schalters 69 und 56 ist ähnlich in der Betriebsweise zu einer anderen Kombination des ersten und des zweiten Schalters 16 und 17, während die Kombination des siebten und des achten Schalters 62 und 63 in der Betriebsweise ähnlich einer Kombina-

L J

tion des dritten und vierten Schalters 33 und 34 ist. Daher können der neunte und der sechste Schalter 69 und 56 als dritter Umschaltkreis und der siebte und der achte Schalter 52 und 63 als vierter Umschaltkreis bezeichnet werden.

Ein zweiter Filterabschnitt 52 filtert das zweite Filtersignal V , _o und erzeugt das Filterausgangssignal V ähnlich dem ersten Filterabschnitt 51, wenn das zweite Filtersignal V . ρ über einen Kondensator 73 an den vierten integrierenden Schaltkreis abgegeben wird.

Es seien die folgenden Annahmen gemacht:

Der fünfte, der sechste und der siebte Kondensator 60, 71 und 72 haben die Kapazitäten 0,3/ 4,5 bzw. 0,3 pF; die integrierenden Kondensatoren 59 und 65 und der Kondensator 73 haben die Kapazitäten 28,5/ 29,7 bzw. 44,7 pF. Jeder der Operationsverstärker 58 und 64 ist hinsichtlich der Größenabmessung und der Eigenschaften identisch zu den Operationsverstärkern 18 oder 37.

In diesem Fall hat der geschaltete Kondensatorfilter gemäß Figur 5 eine Gesamtkapazität von 178,19 pF und eine Grenz- · frequenz von 0,4 kHz.

Die geschaltete Kondensatorkette gemäß Figur 5 hat nach Figur 7 eine Frequenz-Verlust-Kennlinie entsprechend der dort durchgezogenen Kurve, wenn die vorstehend genannten Schaltkreiselemente, wie Kondensatoren und Widerstände, in dem ersten und dem zweiten Filterabschnitt 51 bzw. 52 verwendet werden. Ein Simulationsergebnis ist ebenfalls durch die gestrichelte Kurve dargestellt. Es zeigt sich, daß die Grenzfrequenz des in Figur 5 dargestellten, geschalteten Kondensatorfilters bei 0,4 kHz liegt.

Um die Vorteile der geschalteten Kondensatorkette gemäß Figur 5 aufzuzeigen, wird-!.diese mit einem üblichen ge-

schalteten Kondensatorfilter vierter Ordnung vergleichen, bei dem der erste und der zweite Spannungsteiler 30 und 42 gegenüber dem Filter gemäß Figur 5 entfernt sind. Für diesen Vergleich werden gleiche Bezugszeichen bei einem derartigen bekannten, geschalteten Kondensatorfilter verwendet. Um eine ähnliche Frequenz-Verlust-Kennlinie wie in Figur 7 mit dem bekannten, geschalteten Kondensatorfilter zu erreichen, müssen der erste, der dritte, der fünfte und der siebte Kondensator 10, 46, 60 bzw. 72 jeweils eine Kapazitat von 0,3 pF aufweisen, während die Kapazitäten des zweiten, des vierten und des sechsten Kondensators 36, 47 bzw. 71, dann 1,02, 0,78 bzw. 4,5 pF betragen müssen. Ferner müssen die integrierenden Kondensatoren 19, 38, 59 und 65 Kapazitäten von 91,8, 120, 28,5 bzw. 29,7 pF und die Kondensatoren 48 und 73 Kapazitäten von 79,2 bzw. 44,7 pF aufweisen.

Die Gesamtkapazität der bekannten, geschalteten Kondensatorkette beträgt dann 401,4 pF. Der übliche, geschaltete Kondensatorfilter würde dann bei Großintegration Kondensatoren aufweisen, die eine Fläche einnehmen, die um mehr als zweimal so groß ist wie die Fläche der Kondensatoren bei der erfindungsgemäßen geschalteten Kondensatorkette.

Die erfindungsgemäße, geschaltete Kondensatorkette kann beispielsweise als Tiefpassfilter, als Bandpassfilter oder als Sperrfilter verwendet werden.

L J

Claims

VOSSIUS · VOSSIUS TAUG'hr^i^^'iH'EuKiE^ANN · RAUH

SI E B ERTSTRAS S E 4 · 8OOO MÜNCHEN 86 ■ PHONE: (O88) 47 4O 75 CABLE: BENZOLPATENT MDNCHEN · TELEX 5-29 453 VOPAT D

u.Z.: S 237 (He/kä) 20. Januar 1983

Case: WN - 710

NIPPON ELECTRIC Co., LTD, Tokio/Japan

NIPPON TELEGRAPH & TELEPHONE PUBLIC CORPERATION, Tokio, Japan

" Geschaltete SSgfigiysatorkette mit verminderter Kapazität "

Patentansprüche

Geschaltete Kondensatorkette zum Erzeugen eines Ausgangssignals (y .) aus einem Eingangssignal(v. )_f

a) mit einer auf das Eingangssignal ansprechenden Eingangsschaltung,

b) einem ersten Kondensator (10) mit einer ersten und einer zweiten Elektrode,

c) einer ersten Schalteinrichtung (16, 17), die mit den beiden Elektroden des ersten Kondensators (10) verbunden ist, um zum Erzeugen eines geschalteten

Signals mit vorgegebener Abtastperiode das Eingangssignal zu schalten, und mit

d) einem ersten Integrator (18, 19) zum Integrieren des geschalteten Signals und Erzeugen des Ausgangssignals (V ), dadurch gekennzeichnet,

e) daß die Eingangsschaltung einen auf das Eingangssignal (V. ) ansprechenden Spannungsteiler (31, 32) aufweist und mit dem ersten Schalter (16) verbunden ist, um ein spannungsgeteiltes Eingangssignal zu

erzeugen und dem ersten Schalter (16) als spannungsgeteiltes Eingangssignal zuzuführen.

L J
2. Kondensatorkette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler folgende Bestandteile aufweist:

a) einen ersten Widerstand (31) mit einem ersten Wider— Standsanschluß, de#7 das Filtereingangssignal (v. ) zugeführt wird, und mit einem zweiten Widerstandsanschluß , und

b) einen zweiten Widerstand (32), dessen einer Anschluß mit dem zweiten Anschluß des ersten Widerstandes (31) verbunden und dessen zweiter Anschluß geerdet ist, wobei das spannungsgeteilte Eingangssignal am zweiten Widerstand (32) erzeugt und dem ersten Schalter (16) zugeführt wird.
3. Kondensatorkette nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

a) daß die übertragungsfunktion zwischen dem Spannungsteiler (31, 32) und dem ersten Integrator (18, 19) durch eine ζ-Transformierte bezogen auf eine Einheitskapazität C in der folgenden Form gekennzeichnet ist:

1/[az^1/2(1 - z"¹)]

wobei α = Kapazitätsverhältnis bezogen auf die Einheitskapazität,

_ _eJ21T£/f
ζ - e c,

f = Abtastfrequenz gleich dem Reziprokwert der vorgegebenen Abtastperiode,

f = Frequenz des Filtereingangsignals V. ,

b) daß der erste Integrator (18, 19) einen Operations-3Q verstärker (18) mit einem Verstärkereingang und einem Verstärkerausgang und einen Integrationskondensator (19) aufweist, der zwischen den Verstärkereingang und den Verstärkerausgang geschaltet ist und dessen Kapazität aC beträgt,

c) daß dem Verstärkereingang das geschaltete Signal zugeführt wird und am Verstärkerausgang das Filterausgangssignal (V ) anliegt und

L J

. 3.

d) daß die Kapazität (C₄) des ersten Kondensators (10) gegeben ist durch

C₄ = C(R₁ + R₂)/R₂,

wobei R₁ und R₃ = Widerstandswerte des ersten bzw. zweiten Widerstandes (31 bzw. 32).
4. Kondensatorkette nach Anspruch 3 zum Erzeugen eines zweiten Filterausgangssignals (V „) aus dem ersten Filterausgangssignal (V = V ), gekennzeichnet durch
a) einen zweiten Kondensator (36) mit einem ersten oder einem zweiten Anschluß,

._ b) eine zweite Schalteinrichtung (33, 34), die mit den Anschlüssen des zweiten Kondensators (36) verbunden ist, um das erste Filterausgangssignal (V -) mit der vorgegebenen Abtastperiode zu schalten und ein weiteres geschaltetes Signal mit der vorgegebenen Abtastperiode zu erzeugen, und durch

c) einen zweiten Integrator zum Integrieren des zusätzlichen geschalteten Signals und Erzeugen des zweiten Filterausgangssignals (V . J) .
5. Kondensatorkette nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch

a) einen zweiten Spannungsteiler (42), der mit dem zweiten Integrator (37, 38) verbunden ist, um das zweite Filterausgangssignal (V .~) in ein zusätzliches spannungsgeteiltes Signal zu teilen,

b) eine dritte Schalteinrichtung (45), die mit dem zweiten Spannungsteiler (42) verbunden ist, um zum Erzeugen eines Hilfsschaltsignals das zusätzliche spannungsgeteilte Signal mit vorgegebener Abtastperiode zu schalten, und durch

c) einen dritten Kondensator (46) , der zwischen den dritten und zweiten Schalter (45 bzw. 36) geschaltet ist, um das Hilfsschaltsignal vom dritten Schalter (45) zum zweiten Schalter (36) zu übertragen.

L J
6. Kondensatorkette nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen vierten Kondensator (47) zwischen dem dritten und dem ersten Schalter (45 bzw. 17).
7. Kondensatorkette nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Nebenschluß-Kondensator (48) zwischen dem zweiten Schalter (34) und dem Eingangsanschluß des ersten Widerstandes' (31).