DE3441476A1

DE3441476A1 - Integrierte halbleiterschaltung

Info

Publication number: DE3441476A1
Application number: DE3441476A
Authority: DE
Inventors: Toshiro Tama Tokio/Tokyo Suzuki; Hiroshi Kokubunji Tokio/Tokyo Takatori; Masashi Kokubunji Tokio/Tokyo Tamakoshi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1983-11-18
Filing date: 1984-11-13
Publication date: 1985-05-30
Anticipated expiration: 2004-11-14
Also published as: GB8421200D0; IT8423632A1; US4835482A; KR930007299B1; IT8423632A0; DE3441476C2; KR850004359A; JPH0793553B2; IT1177241B; GB2149990A; JPS60109321A; US4769612A; FR2555377A1

Description

_-- -"Beschreibung ~

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Technik bei integrierten Halbleiterschaltungen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Technik, die effektiv auf den Aufbau—eines aktiven Filters angewendet werden kann wie z.B. bei der Konstruktion eines . Filters mit geschalteter Kapazität bei einer integrierten Halbleiterschaltung, die eine Filterschaltung umfaßt. Filter, die für Übertragungsleitungen verwendet werden, sind aus einzelne Teile verwendenden LC-Filtern zu aktiven RC-Filterη entwickelt worden, bei denen Operationsverstärker eingesetzt werden. In den letzten Jahren sind Filter mit geschalteter Kapazität verwendet worden, bei denen ein Widerstandselement im aktiven Filter durch einen Schalter und eine Kapazität ersetzt worden sind. _N

Wenn ein aktives Filter mit einem gewünschten Frequenzgang aufgebaut werden soll, so wird allgemein zunächst . eine Übertragungsfunktion gefunden, die die gewünschten Filtereigenschaften erfüllt, die Übertragungsfunktion wird in einen primären oder einen sekundären rationalen Ausdruck zerlegt, es wird ein Grundblock konstruiert, der die Eigenschaften des rationalen Ausdruckes realisiert, und diese Grund-Blocks werden in Kaskade geschaltet.

Bei der Konstruktion eines Filters mit geschalteter Kapazität wird zum Ausdrücken der übertragungsfunktion eine Z-Funktion anstelle einer Laplace-transformierten S-Funktion verwendet. Die Beziehung zwischen der Z-Funktion

ST und der S-Funktion ist durch Z = e gegeben (e = Basis der natürlichen Logarithmen, T = Abtastperiode). Wenn zum Ausdrücken in Form einer komplexen Zahl S durch Jüj (ω = Kreisfrequenz) ersetzt wird, so ist diese Beziehung durch Z = e-*" gegeben.

Als primäre Filter mit geschalteter Kapazität, die _ Γ"

durch eine übertragungsfunktion H(Z) = (C + DZ ) / (A + BZ~ ) und durch eine Z-Funktion repräsentierte Eigenschaften

realisieren, sind die in den Figuren 1 und 2 darge-
<"" stellten Schaltungen vorgeschlagen worden (IEEE, Solidstate circuits, Vcrtr-SC-1 4, No. 6, December, 1979,
pp. 1020-1033, MOS Switched-Capacitor Analog Sampled Data Direct Form Recursive Filters, Ian. A. Young;

ISCAS, 1980, General Active Switched-Capacitor Biquad ^ .Topology For Precision MOS Filters, K.R. Laker, pp. 304-308)

Bei der Schaittmgsform in Figur 1 ist jedoch, wenn man die einzelnen Kapazitäten mit C_Q, C₁ , C₂ und C₁.
bezeichnet, die Ladungsübertragungsgleichung in einem Augenblick (nT), in dem die einzelnen Schalter in dem in Figur 1 dargestellten Zustand sind, gegeben durch

-IiV₁ (nT) - V₁ (n - 1) T}.

C₁ + V₁ (nT) · C₂ ] + V₂ {(n - 1) T} C₀ = (C₅ + C₀) · V₂ (nT) . (1)

Wenn die Ladungsübertragungsgleichung der Z-Konversion unterworfen wird, um die Übertragungsfunktion H(Z) zu finden, so erhält· man die folgende Gleichung (2):

H(Z) = V₂Zv₁ = ((C₁ + C₂) - C₁ · z"¹}/

{ (C₅ + C₀) - C₀ * Z"¹} (2)

Demzufolge sind die Koeffizienten A bis D in der allgemeinen Gleichung H(Z) = (C + DZ~¹)/(A + BZ~¹) für die Übertragungsfunktion des primären Filters gegeben durch A = C₅ + C_Q, B = -C_Q, C = C₁ +C₃, D= -Cj.

Bei der Schaltungsform der Figur 1 ist daher, wenn man ein Filter realisieren will, dessen Eigenschaften einen sehr niedrigen"sogenannten Nullpunkt zeigen (die Frequenz, zu der der Zähler der Übertragungsfunktion 0 wird), es notwendig, C/D, d.h. (C₁ + C₂)/C. auf ungefähr "1" zu bringen. (C₁ + C₃)ZC₁ in die Nähe von "1" zu

bringen bedeutet, daß die Kapazität C₂ reduziert werden muß damit sie kleiner wird als die Kapazität C₁. Bei

integrierten Halbleiterschaltungen besteht jedoch eine Grenze bezüglich—der-Reduktion der Fläche eines Konden- _.. sators, die durch die minimale verarbeitbare Dimension beim Herstellungsprozeß bestimmt wird. Um (C₁ +C₂)/C. auf "1" zu bringen, muß'daher die Kapazität C. vergrößert werden, damit sie sehr viel größer als die

Kapazität C₂ istn

Bei einer Schaltung, die ein Filter der in Figur 1 ' dargestellten Art aufweist, besitzt daher der Kondensator C₁ eine vergrößerte Fläche,-und damit wächst die Chipgröße an. Weiterhin vergrößert sich die Last-Kapazität für den Operationsverstärker, der das Eingangssignal V- in der vorangehenden Stufe bildet, die hier nicht dargestellt ist. Damit arbeitet der Operationsverstärker OP- mit einer herabgesetzten Goschwindicjkei t und vorbraucht eine erhöhte Menge an elektrischer Leistung.

Wenn das Verhältnis der Kapazität C. zu der Kapazität C₂ verkleinert wird um die Fläche zu verkleinern, so verschlechtern sich die Frequenzeigenschaften des Filters und die Genauigkeit nimmt ab. .

Im Fall der in Figur 2 dargestellten Schaltung arbeiten Schalter S₃-, S__, die an die Kapazität C₃ angeschlossen sind, entsprechend der- Figur 3 mit einer Synchronisierung, die um eine halbe Periode gegenüber den Schaltern S₄-, S₄₂ versetzt ist, welche an die Kapazität C. angeschlossen sind. Daher wird die Information einer halben Periode vorher in der Kapazität C₄ gespeichert,

Bei der Schaltungsart nach Figur 2 gilt daher die folgende Ladungsübertragungsgleichung (3):

- [V₁ (nT) · C₃ - V₁ {(η

- 1/2) T } · C₄ ]+ V₂ {(η - 1) Τ} ·

(nT) ' (C₀ +C₅)

Wenn die Gleichung (3) der Z-Konversion unterzogen wird, um die übertragungsfunktion H(Z) aufzufinden, so erhält man die folgende Gleichung (4):

COPY

H(Z) = (C₃ -C₄-Z ²) / ((C₀ + C₅) - C₀Z

(4)

-1 "2
wobei Z und Z Operatoren darstellen, die

- mathematisch Informationen (Größen von Analogsignalen) einer Periode zuvor und einer halben Periode zuvor darstellen.

Nimmt man bei der Gleichung (3) an, daß V₁ { (n - 1/2)T} = V₁ {(n - 1)T}, so erhält man eine Gleichung (5) der Form von Primär/Primär, d.h.

H(Z) = - (C₃ - C₄ · Z"¹) / ((C₀ + C₅) - C₀ · Z"¹}

(5)

Wenn man versucht, ein Filter mit dem in Figur dargestellten Schaltungsaufbau mit Eigenschaften, die wie oben beschrieben einen niedrigen Nullpunkt haben, zu realisieren, so muß man C₃/C. in die Nähe von "1" bringen, wie man anhand der Gleichen 5 ersehen kann. Dies kann relativ leicht erreicht werden, d.h. C₃ = C₄ sollte realisiert werden. Anders als bei dem Schaltungsaufbau der Figur 1 wird das· Verhältnis der Kapazitäten nicht groß, und die Chipgröße wächst auch nicht an.

Hierbei bedeutet die oben erwähnte Annahme

- V₁ { (n-1/2)T} = VJ(Ii-I)Tj, daß die Information, die eine Periode zurückliegt, gleich der Information ist, die eine halbe Periode zurückliegt. Bei dem Schaltungsaufbau nach Figur 2 gilt dieses obige Erfordernis jedoch nicht. Um die obige Annahme zu erfüllen ist es daher notwendig, eine Abtast- und Halteschaltung in einer der Schaltung der Figur 2 vorangehenden Stufe vorzusehen, um die Informationen, die eine Periode zurückliegen bis zu dem Moment aufrechtzuerhalten, der eine halbe Periode zurückliegt. Die Abtast- und Halteschaltung ist beispielsweise unter Verwendung eines geschalteten Kondensators und eines Operationsverstärkers aufgebaut. Das bedeutet, daß

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das eine integrierte Halbleiterschaltung bildende

Substrat zusätzliche Fläche für die Abtast- und Halteschaltung erfordert, was ebenfalls zu einem Anwachsen des Leistungsverbrauches führt. Wenn beispielsweise ein tertiäres Filter unter Verwendung der Schaltung der -— Figur 2 aufgebaut werden soll, so wird die von der Abtast- und Halteschaltung besetzte Fläche wie auch ihr Leistungsverbrauch zu etwa 1/4 der entsprechenden Gesamtwerte.

- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist dement-

sprechend, eine Technik für integrierte Halbleiterschaltungen anzugeben, die gegenüber dem Stand der Technik unterschiedliche Wirkungen zeigt.

Insbesondere ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Filter mit einer geschalteten Kapazität anzugeben, das eine reduzierte Fläche besetzt, wenn es an eine integrierte Halbleiterschaltung angepaßt wird, und das ermöglicht, die Chipgröße zu verringern und ebenfalls den Verbrauch an elektrischer Leistung zu verringern. Weiter ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Filter mit geschalteter Kapazität anzugeben, das gute Freguenzeigenschaften und hohe Genauigkeit besitzt.

Diese Aufgabe wird mit der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen integrierten Halbleiterschaltung gelöst, die erfindungsgemäß nach der im kennzeichnenden Teil dieses Anspruches angegebenen Weise ausgestaltet ist.

Weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein repräsentatives Beispiel der Erfindung, das später beschrieben wird, wird nachfolgend kurz zusammengefaßt.

Bei einem Filter mit geschalteter Kapazität, das in Form einer integrierten Halbleiterschaltung aufgebaut besteht eine Eingangsschaltung aus zwei geschalteten '35 Kapazitäten vom Inversionstyp und einer geschalteten

Kapazität vom Nicht-Inversionstyp, die parallel geschal-. _ tet sind. Hierbei werden wenigstens die geschalteten Kapazitäten vom Inversionstyp durch Taktimpulse einer doppelten Periode betätigt. Dies ermöglicht es, die Informationen, die eine Periode zurückliegen, in der Eingangsschaltung zu haltenyöhne daß man eine Abtast- und Halteschaltung verwendet. Die damit festgehaltene Information wird einem—Rückkopplungskondensator zusammen mit der Information zugeführt, die um eine Periode verzögert ist. Dementsprechend ist es möglich, ein Primär-Grundfilter zu erhalten, das eine Filtercharakteristik mit einem niedrigen Nullpunkt zeigt, ohne daß das Verhältnis der Kapazitäten in der Eingangsschaltung ansteigt. Gemäß diesem Aufbau können die oben erwähnten Ziele erreicht werden, d.h. die Chipgröße kann reduziert werden und der Verbrauch an elektrischer Leistung kann erniedrigt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben und näher erläutert.

Figur 1 zeigt ein Schaltbild für den Aufbau eines

konventionellen Primärfilters; Figur 2 zeigt in einem Schaltbild den Aufbau eines

weiteren konventionellen Primärfilters; Figur 3 ist ein Zeitdiagramm, das den Synchronisations-

vorgang der Schalter für die geschalteten Kapazitäten in der Filterschaltung der Figur 2 darstellt;

Figur 4 ist ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispieles, bei dem die vorliegende. Erfindung

auf ein Primärfilter angewendet ist;

Figur 5 zeigt in einem Zeitdiagramm die Synchronisations-Betriebsweise der Schalter bei den geschalteten Kapazitäten;

- 11⁷-

^^ Figur 6 zeigt ein Schaltbild eines zweiten Ausführ ungsheispißles, bei dem die Erfindung auf ein Primärfilter angewendet ist; Figur 7 zeigt ein Zeitsteuerimpulsdiagramm, das 5· den Vorgang der-Zeitsteuerung der Schalter

in den "Schalterkapazitäten" darstellt, und Figur 8 zeigt JLn_einem Schaltbild ein Ausführungsbeispiel, bei dem die vorliegende Erfindung auf eine tertiäre Filterschaltung angepaßt ist.

(Ausführungsbeispiel 1)

Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Primär/ "Primär-Filters, auf das die vorliegende Erfindung angewendet ist.
Die Schaltung dieses Ausführungsbeispieles und anderer Ausführungsbeispiele, die später beschrieben werden, - sind auf einem Halbleitersubstrat mit der Technik der CMOS-integrierten Schaltungen ausgebildet.

In der folgenden Beschreibung bezeichnet der Ausdruck "Schalterkapazität" eine Einheitsschaltung, die aus einem Kondensator und daran angeschlossenen Schaltelementen besteht oder eine Schaltung, die aus einer Kombination von einer Anzahl von solchen Einheitsschaltungen besteht.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Eingangssschaltung 2, die aus zwei "Schalterkaoazitäten" SC,., SC₀ vom Nicht-Inversionstyp und zwei dazu parallelgeschalteten "Schalterkapazitäten" SC₇, SC₉ vom Inversionstyp besteht, zwischen einen Eingangsanschluß 1 und einen invertierten Eingangsanschluß 3 eines Operationsverstärkers OP^ geschaltet.

" Hierbei stellt die "Schalterkapazität" vom Inversionstyp diejenige dar, bei der eine elektrische Ladung, deren Absolutwert gleich der in der Kapazität gespeicherten Ladung ist.aber eine dazu entgegengesetzte Polarität (+ oder -) besitzt, zu der Rückkopplungskapazität C_Q der nächsten Stufe übertragen wird. Die "Schalterkapazität" vom

.fticht-Inversionstyp repräsentiert jene, bei der die ^ in der Kapazität gespeicherte Ladung direkt zu dem RückkopplungskondHnsator C_ übertragen wird. Die Kondensatoren Cg, Cg in den "Schalterkapazitäten" SCg/ SCg haben relativ zueinander die gleiche Kapazität, und die Kondensatoren C₇, Cg Haben ebenfalls relativ zueinander die gleiche Kapazität.

Bei der Figur~4"~s"i~nd~Tdie Schalter S₅₁ bis S₉₂ zur Vereinfachung der Zeichnung mit dem Symbol eines Umschalt-Schalters bezeichnet. In der Praxis werden diese Schalter durch MOSFETs gebildet, die mit der Technik für integrierte Schaltungen hergestellt sind. In diesem Fall werden Einheits-Einzelausschalter durch die einzelnen-MOSFETs gebildet. Die in der Figur dargestellten Schalter sind daher alle mit einer Anzahl von MOSFETs aufgebaut.

Wie später ausgeführt wird, können von den Schaltern Sr-., bis S_no die Schalter S_C1 bis S,_o, S₀₁ und S_o« in den "Schalterkapazitäten" SC₅, SCg und SCo vom Nicht-Inversiqnstyp ein Schaltverhalten wie das eines Schnappschalters haben.

Im Gegensatz dazu können die Schalter S₇₁, S₇-, Sg- und Sg₂ iⁿ ^en Schalter-Kapazitäten SC₇ und SC_g vom Inversionstyp einen Offen-Zustand annehmen, d.h. einen Zustand, bei dem einer der drei Anschlüsse elektrische Leitung macht.

"""-"■ In der nachfolgenden Beschreibung werden aus Gründen der Vereinfachung die Schaltzustände der Schalter wie nachfolgend angegeben bezeichnet.

Der Zustand, bei dem die Schalter entsprechend der Figur 4 stehen, wird als erster Schaltzustand bezeichnet und der Zustand, bei dem die Schalter bezüglich des Zustandes der Figur 4 invertiert stehen, wird als zweiter Schaltzustand bezeichnet. Der ¹Of f en-Zustand der Schalter S₇₁, S₇₂, S_gl oder S_g2 wird als Offen-Zustand bezeichnet.

_ ₁₃ - ' 3UH76

Der Operationsverstärker OP₃ der Figur 4 besteht aus einer Differenzverstärkerschaltung, die einen invertierten Eingangsanschluß - und einen nicht-invertierten Eingangsanschluß + besitzt. Im Fall eines aus einer Differenzverstärkerschaltung bestehenden Operationsverstärkers kann man annehmen, daß der invertierte Eingangsanschluß und der nicht-invertierte Eingangsanschluß sich unter dem imaginären Kurzschlußzustand befinden, und das Arbeiten der gesamten Schaltung kann leicht -verstanden werden. Die Bezeichnung "Operationsverstärker" repräsentiert jedoch nicht exklusiv eine Verstärkerschaltung mit einem Paar von Eingangsanschlüssen wie z.B. eine Differenzverstärkerschaltung. Falls notwendig, kann der in Figur 4 dargestellte Operationsverstärker.

OPo auch durch eine Inverterschaltung gebildet werden, die einen Ausgangsanschluß und einen Eingangsanschluß besitzt, der als invertierter Eingangsanschluß angesehen werden kann, oder kann aus einer Anzahl von Inverterschaltungen bestehen, die in Kaskade geschaltet sind.

In diesem Fall kann man zum Zwecke des leichteren Verständnisses der Betriebsart der Schaltung annehmen, daß die Inverterschaltung einen Eingangsanschluß wie auch einen imaginären nicht-invertierten Eingangsanschluß besitzt. Bezüglich einer "Schalterkapazität" vom Nicht-Inversionstyp, beispielsweise der "Schalterkapazität" SCg vom Nicht-Inversionstyp in der Figur 4, wird eine elektrische Ladung, die proportional einem Eingang V-ist, in den Kondensator C_g eingeschrieben, wenn die Schalter Sg-, Sg2 den zweiten Schaltzustand annehmen. Bei der "Schalterkapazität" vom Nicht-Inversionstyp wird die in den Kondensator eingeschriebene elektrische Ladung direkt zu einem Ausgangsanschluß übertragen. Bei der "Schalterkapazität" vom Nicht-Inversionstyp werden daher das ,' Schreiben eines Signals und das Lesen des Signals simultan ausgeführt.

Bezüglich einer "Schalterkapazität" vom Inversions- ~~ typ," beispielsweise der "Schalterkapazität" SC₇, wird andererseits eine dem Eingang V- proportionale elektrische Ladung in den Kondensator C-, eingeschrieben, wenn die Schalter S--, S₇₂ den ersten Schaltzustand entsprechend der Figur 4 errichten. Die elektrische Ladung' des Kondensators C₇ wird dem invertierten Eingangsanschluß des Operationsverstärkers OP 3 zugeführt, wenn die Schalter S₇₁, S₇₂ den zweiten Schaltzustand herbeiführen. Bei der "Schalterkapazität" vom Inversionstyp werden daher das Schreiben eines Signals und das Lesen eines Signals unabhängig voneinander ausgeführt.

Die Figuren 5A bis 5E sind Einsatzzeitdiagramme der Schalter. Die ausgezogenen Linien in den Figuren 5A bis 5E repräsentieren die Schreib-Zeitsteuerungen der "Schalterkapazitäten". Die gestrichelten Linien der Figuren 5C bis 5E repräsentieren die Lese-Zeitsteuerungen der "Schalterkapazitäten" vom Inversionstyp.

Wie man anhand der Impulsdiagramme der Figuren 5A bis 5E erkennen kann, werden bei dem Primär/Primärfilter nach diesem Ausführungsbeispiel dann, wenn die Schalter S_n... , Sj-o der Rückkopplungs-Schalter kapazität SC₁- durch Abtast-Taktimpulse mit einer Referenzperiode T_ betrieben werden, die Schalter Sg₁, Sg₂ bis S₉₁, S₉₂ der Schalterkapazitäten SCg bis SC₉, die die Eingangsschaltung 2 bilden, durch Abtast-Taktimpulse einer Periode 2T betätigt, die doppelt so lang ist wie die Referenzperiode T .

Die Schalter Sg-j, S^₂ und Sg.., S_ß2 und die Schalter S₇-, S₇₂ und S_gw S₉₂ werden durch Abtast-Taktimpulse betätigt, die zueinander um eine Periode versetzt sind, was man anhand eines Vergleichs der Figuren 5B bis 5E erkennen kann. In diesem Fall werden weiterhin die Schalter S₇₁, S₇₂ und die Schalter Sg-, Sg₂ zu den ;■ 5 gleichen Zeitpunkten betätigt, und die Schalter Sg-, S₆₂ und Sq-, Sg₂ werden synchron betätigt.

Daher wird eine dem Eingangssignal V- proporionale elektrische Ladung den Kondensatoren c_fi bis C_g der Eingangsschaltung 2 zu den in Figur 5 dargestellten Zeitpunkten zugeführt. Der Kondensator C_fi ist also zwischen den Eingangsanschluß V₁ und den invertierten Eingangsanschluß des Operationsverstärkers OP ~ geschaltet, wenn die Schalter S₆-, Sg₂ den zweiten Schaltzustand zu dem Zeitpunkt t₂ annehmen. Daher wird eine dem Eingangssignal V₁ proportionale elektrische Ladung dem .Kondensator C_fi zugeführt. Die in dem Kondensator C_fi gespeicherte elektrische Ladung wird zum gleichen Zeitpunkt zu dem Rückkopplungskondensator C_n übertragen.

Wenn die Schalter Sg₁, Sg₂ ^^en ersten-Schaltzustand zu der Zeit t, annehmen, so wird die in dem Kondensator C_c gespeicherte Ladung über die Schalter Sg₁, S_g2 entladen (rückgesetzt).

Der Kondensator Cn wird entsprechend dem Impulsdiagramm der Figur 5D geladen und entladen.

Der Kondensator C_ ist zwischen den Eingangsanschluß V₁ und dem Massepunkt der Schaltung geschaltet, wenn die Schalter S₇₁ und S₇₂ den ersten Schaltzustand zum Zeitpunkt t_Q annehmen. Daher wird eine dem Eingangssignal V₁ proportionale elektrische Ladung dem Kondensator C₇ zugeführt. Die Schalter S₇₁ und S₇₂ werden in der Periode zwischen dem .Zeitpunkt t₁ und dem Zeitpunkt t~ geöffnet. Die Schalter S₇₁, S₇₂ nehmen weiter den zweiten Schaltzustand zu der Zeit t₂ an. Daher wird die elektrische Ladung, die zuvor in dem Kondensator C₇ eingeschrieben worden ist, zu dem Rückkopplungskondensator C_n übertragen.

Die in den Kondensator C₇ eingeschriebene elektrische Ladung wird nämlich zu dem Rückkopplungskondensator C_n mit einer Zeitabstimmung übertragen, die um eine Periode eines Taktimpulses gegenüber der Zeitsteuerung für das Schreiben nachläuft.

In ähnlicher Weise wird die in dem Kondensator C_g zur Zeit t₂ eingeschriebene Ladung zu der Zeit t^, el ί<r um eine Periode gegenüber der Zeit t~ verzögert ist, zu

dem Rückkopplungskondensator C_Q übertragen.

- Bei der Schaltung nach diesem Ausführungsbeispiel" werden ein Paar von—Schalter kapazitäten SC_g und SC- . sowie ein weiteres Paar von Schalterkapazitäten SCg und SC_g abwechselnd nach jeder zweiten Periode betätigt, um die gleiche Funktion wie bei der Filterschaltung nach Figur 2 zu erzeugen, bei der eine Abtast- und Halteschaltung in einer—Vorstufe vorgesehen ist, um die Information einer um· eine halbe Periode zurückliegenden Periode zwischenzuspeichern, und die Schalterkapazität SC. wird bezüglich der Schalterkapazität SC₃ um eine halbe Periode versetzt betätigt.

Die Ladungsübertragungsgleichungen zu den Zeitpunkten nT und (n+1)T der Filterschaltung der Figur 4 sind wie folgt:

-V₁ (n) ' C₈ + V₁ (n-1) · C₉ + V₂ (n-1) · C_Q = V₂ (n) · (C₅ + C₀) (6)

-V₁ (n+1) · C₆ + V₁ (n) · C₇ + V₂ (n) · C_Q = V₂ (n+1) * (C₅ + C₀) (7)

Ohne hierauf beschränkt zu sein, ist in diesem Ausführungsbeispiel die Kapazität Co so gewählt, daß sie gleich der Kapazität Cg ist, und die Kapazität Cg ist gleich der Kapazität C₇ gewählt. Daher werden die Ladungsübertragungsgleichungen (6) und (7) zu den Zeiten nT und (n+1)T einander gleich. Jede von den Gleichungen (6) und (7) muß nämlich gelöst werden, um eine Übertragungsfunktion zu finden.

Es wird nun versucht, eine Übertragungsfunktion H(Z) zu finden, indem die Ladungsübertragungsgleichung zur Zeit nT der Z-Konversion unterworfen wird. Wenn die Gleichung (6) der Z-Konversion unterworfen wird, so erhält man die folgende Gleichung (8):

(-Cg + Ζ"¹ C₉) = V₂ (C₅ + C₀ - Z ¹ C₀) ... (8)

. Die folgende Gleichung 9 erhält man aus der Gleichung (8) : ^-

H(Z) = V₂ZV₁.= - (C₈ - Z"¹ · C₉) / {(C₅ + C₀)

- Z"¹ * C₀ } ■ ... (9)

Die von der Gleichung 9 dargestellte Übertragungsfunktion nimmt die gleiche Form an wie die für die Schaltung der Figur 2 gefundene Übertragungsfunktion. Aus dieser übertragungsfunktion kann man eine Schaltung mit einer Filtercharakteristik mit niedrigem Nullpunkt konstruieren, wenn der Zähler in der obigen Gleichung auf 0 gesetzt wird. Es sollte nämlich Cg/C_q = 1 erfüllt sein. Dies kann man leicht realisieren, indem man die Kapazität Cg gleich der Kapazität C₉ setzt.

Damit kann entsprechend der Schaltung der Figur 4 der Term Z~2 im Zähler der übertragungsfunktion eliminiert werden ohne daß man die bei der Schaltung der Figur 2 vorgesehene Abtast- und Halteschaltung einsetzt. Dementsprechend kann man ein Filter mit der Eigenschaft eines niedrigen Nullpurktes realisieren, indem das Kapazitätsverhältnis auf "1"_gebracht wird. Da die Kapazitäten der Kondensatoren nicht ungewöhnlich stark vergrößert werden müssen, können die Kondensatoren im Vergleich zu jenen der Figur 1 mit verkleinerter Größe ausgebildet werden, d.h. die von der Schaltung besetzten Flächen können reduziert werden, um damit die Chipgröße herabzusetzen. Die Schaltung bildet relativ zu dem Operationsverstärker der vorangehenden Stufe eine kleine kapazitive Last und damit arbeitet der Operationsverstärker OP₃ mit erhöhter Geschwindigkeit.

Bei der früher beschriebenen Schaltung der Figur 1 mußte das Verhältnis der Kapazität T₁ zu der Kapazität C₂ reduziert werden, um die besetzte Fläche in einem

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vorgegebenen Bereich zu halten, was zu verschlechterten Filtereigenschaften- und einer herabgesetzten Genauigkeit führt-.—Mit-der Filterschaltung nach dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel kann hingegen das' Kapazitätsverhältnis entsprechend den gewünschten Filtereigenschaften festgelegt werden, so daß die Filtereigenschaften verbessert und die Genauigkeit erhöht

werden. :

Bei der Schaltung nach dem oben beschriebenen ' Ausführungsbeispiel, die keine Abtast- und Halteschaltung erfordert, kann weiterhin die von der.Abtast- und Halteschaltung, besetzte Fläche und der Verbrauch an elektrischer Leistung im Vergleich zu der Schaltung nach der Figur 2 reduziert werden. Wenn beispielsweise ein tertiäres Filter unter Verwendung der Schaltung der Figur 4 aufgebaut wird, so kann die besetzte Fläche und der Leistungsverbrauch um etwa 25 % im Vergleich zu dem die Schaltung von Figur 2 verwendenden Fall reduziert werden.

Bei diesem Ausführungsbeispiel müssen Taktimpulse erzeugt werden, indem die Frequenz der Referenz-Taktimpulse halbiert wird, um die Schalterkapazitäten SC_fi bis SO« zu betätigen, was zu einem Anwachsen der Arten von Taktimpulsen im Vergleich zu jenen der Schaltung der Figur 1 führt. Die Schaltung der Figur 2 er-'fordert jedoch zwei Arten von Taktimpulsen, deren Phasen relativ zueinander um eine halber Periode versetzt sind. Daher erfordert dieses Ausführungsbeispiel nicht mehr Arten von Taktimpulsen als bei der Schaltung der Figur 2.

(Ausführungsbeispiel 2)

Die Figuren 6 und 7 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. '

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel vollführt eine Schalterkapazität einen Schaltvorgang, der entsprechend

dem ersten Ausführungsbeispiel durch zwei Schalterkapazitäten SC ₆, SCg vom Nicht-Inversionstyp ausgeführt wurde. Die beiden Schalterkapazitäten können gemäß den nachfolgenden Gründen durch eine Schalterkapazität ersetzt werden.^Bei dem ersten Ausführungsbeispiel werden nämlich die parallelgeschalceten Schalterkapazitäten SCg und SCg vom Nicht-Inversionstyp abwechselnd nach jeder zweiten Periode betätigt. Wenn daher die Kapazitäten C_g, Co einander gleich gemacht werden, so können die Schalterkapazitäten SC_fi und SCg durch eine Schalterkapazität vom Nicht-Inversionstyp ersetzt werden, die mit einer halben Periode arbeitet.

In der Eingangsschaltung 2' des zweiten Ausführungsbeispieles sind die in der Figur 4 eingesetzten Schalterkapazitäten SCg, SCo durch eine Schalterkapazität SC. ersetzt, die entsprechend dem Impulsdiagramm der Figur mit der halben Periode der Schalterkapazitäten SC₇, SCg vom Inversionstyp arbeitet. Daher arbeitet die-Filterschaltung der Figur 6 in der gleichen Weise wie jene der Figur 4 und erzeugt die gleichen Funktionen und Wirkungen.

In Figur 6 sind zur Vereinfachung der Zeichnung die Schalter S₁-, S.-, S₇₁, S₉₁ und S₉₃, die die .Schalterkapazitäten SC_1Q, SC₇ und. SC₉ bilden, wie in der Figur.4 durch das Symbol .eines Umschalt-Schalters dargestellt. Die einzelnen Schalter können jedoch auch -den Offen-Zustand annehmen. Dies sollte also so verstanden werden, daß jeder der beiden Schalter aus zwei Aus-Schaltern besteht, die unabhängig voneinander gesteuert werden können.

Die Schaltzustände von jedem der Schalter können anhand der Impulsdiagramme der Figuren 7A bis 7D erkannt werden. Die Figur 7A zeigt ein Impulsdiagramm, bei dem die Schalter S₁₁, S₁₂ an den Eingangsanschluß 1 und nil dtui invert ItM t ttii Kl mjmuju.-iiiurlil iiM dou Opoj «t lonu-

copy

Verstärkers 0P~ der Figur 6 angeschlossen sind. Mit anderen Worten zeigt die Figur 7A die Zeitsteuerung, mit der der Lese- und~der~Schreibvorgang der Schalterkapazität SC₁₀ ausgeführt wird. Die Figur 7B zeigt die Zeitsteuerung, mit der die Schalter S₁₁, S₂ mit der Masseseite verbunden werden, d.h. zeigt die Zeit-

punkte, zu denen die elektrische Ladung des Kondensators C_1n entladen wird". Die Figur 7C zeigt die Zeitsteuerung, mit der die Schalter S₇₁, S_g2 mit dem Eingangsanschluß 1 und mit dem invertierten Eingahgsanschluß des Operationsverstärkers verbunden werden, und die Schalter S₇-/ Sg₁ mit der Masseseite verbunden werden. Mit anderen Worten zeigt die Figur 7C die Zeitsteuerung, mit der die elektrische Ladung in die Schal- terkapazitäten SC₇ eingeschrieben und die elektrische Ladung aus der Schalterkapazität SC_g ausgelesen wird. Die Figur 7D zeigt die Zeitsteuerung, mit der die Schalter S₇₁, S_g2 mit der Masseseite verbunden werden und die Schalter S₇₂, S_gi mit dem invertierten Eingangsanschluß des Operationsverstärkers und dem Eingangsanschluß 1 verbunden werden. Mit anderen Worten zeigt die Figur 7D die Zeitsteuerung, mit der die elektrische Ladung aus der Schalterkapazität SC₇ ausgelesen und die elektrische Ladung in die Schalterkapazität SC_g eingeschrieben wird.

In einer Zeitspanne T-, zwischen den Zeitspannen T₁ und T₂ zum Verbinden der in Figur 7C und 7D dargestellten Schalter befinden sich die Schalter S₇₁, S₇₂ und S_gi, S_g2 im floatenden (potentialfreien) Zustand (d.h. sie sind mit keinem der Anschlüsse verbunden). Die in den Kondensatoren C₇, C_g gespeicherten, elektrischen Ladungen werden während dieser Periode T^ festgehalten. Dieser Zustand kann realisiert werden, indem jeder der Schalter S₇₁, S₇₂, S₉₁ und S₉₂ unter Verwendung eines Paares von MOSFETs aufgebaut wird und indem beide MOSFETs gleichzeitig nichtleitend gemacht werden.

(Ausführungsbeispiel 3)

Die Figur~8~zeigt~ ein drittes Ausführungsbei- — spiel der vorliegenden Erfindung. Die Schaltung dieses Ausführungsbeispieles besteht aus einem Sekundär/ Sekundär-Filter F₂ und einem Primär/Primär-Filter F₁, die in Reihe geschaltet sind, und sie bildet insgesamt ein tertiäres Filter-

Das Filter F₂ besteht aus zwei Primär/Primär-Filtern der Figur 6, die miteinander über eine Schalter- -kapazität SC₁₁ verbunden sind. Eine Vorkopplung wird -■_____ von dem Eingang der vorangehenden Stufe an den Eingang der nachfolgenden Stufe angelegt, und eine Rückkopplung wird von dem Ausgang der nachfolgenden Stufe an den Eingang der vorangehenden Stufe angelegt. Das Filter F₁ besteht aus dem Primär/Primär-Filter der Figur 6. Die Eingangsschaltungen 2¹, die jeweils aus Schalterkapazitäten SC-, SC_g vom Inversionstyp und einer parallelgeschalteten Schalterkapazität SC₁₀ vom Nicht-Inversionstyp bestehen, sind also mit den invertierten Eingangsanschlüssen von jedem der Operationsverstärker OP₃ bis OP₅ verbunden. In der Eingangsschaltung 2¹ wird die Schalterkapazität SC. _ bei einer Periode der Referenztaktimpulse betätigt, und die Schalterkapazitäten SC₇, SCg werden durch Taktimpulse mit einer Periode betätigt, die doppelt so -lang ist wie die der Referenz-

taktiinpulse. Daher kann der Term Z~Z aus dem Zähler der Übertragungsfunktion eliminiert werden, ohne daß man eine Abtast- und Halteschaltung vorsehen muß. Dementsprechend können Filterkenngrößen mit einem niedrigen Nullpunkt mit Kondensatoren von kleinem Kapazitätsverhältnis realisiert werden.

Die Eingangsschaltung 2' der Figur 8 kann durch die Eingangsschaltung 2 ersetzt werden, die aus einem Paar .-.· von Schalterkapazitäten SC_g, SCg vom Nicht-Inversionstyp und einem Paar von Schallerkapazitäten SC₇, SC₉ beattiht, die in Fiyur 4 darguatel.lt sind.

Es ist weiter möglich, das Sekundärfilter F₂ der-Figur 8 mehrere Male in Kaskade zu schalten, um eine Filterschaltung der Ordnung 2n (n ist eine ganze . Zahl) zu bilden, oder das Sekundärfilter mit der Zahl η und ein Primärfilter in Kaskade zu schalten, um eine Filterschaltung der Ordnung (2n + 1) zu bilden.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 4 sind zwei Paare von Schalterkapazitäten vom Nicht-Inversionstyp und Schalterkapazitäten vom Inversionstyp parallel vorgesehen, um eine Eingangsschaltung zu bilden, die mit der doppelten Periode arbeitet, um dadurch ein Primär/Primär-Filter zu realisieren, bei dem der Zähler der Übertragungsfunktion durch C + CZ dargestellt wird. Es ist weiter zulässig, drei oder mehr Paare von Schalterkapazitäten vom Nicht-Inversionstyp und Schalterkapazitäten vom Inversionstyp parallel zu schalten, um sie mit einer dreifachen, vierfachen u.a. Periode zu betreiben, um ein Transversalfilter aufzubauen, das durch C + D₁Z"¹ + D₂Z~² + D₃Z"³ + dargestellt werden

kann. Bei Verwendung eines solchen Transversalfilters kann die Verzögerungszeit verkürzt (abgeflacht) werden, und die Zeitachse kann leicht bestimmt werden.

(Wirkungen)

(1) Eine Eingangsschaltung, die aus einer Anzahl von Schalterkapazitäten vom Inversionstyp und wenigstens einer parallelgeschalteten Schalterkapazität vom Nicht-Inversionstyp besteht, ist an einen Eingangsanschluß eines Operationsverstärkers angeschlossen, und wenigstens die Schalterkapazitäten vom Inversionstyp werden abwechselnd betätigt mit einem gegenseitigen Versatz von einer Periode, wobei diese Periode das Doppelte der Periode der Referenztaktimpulse beträgt. Daher wird die Information einer vorausgegangenen Periode ohne Verwendung einer Abtast- und Halteschaltung gespeichert und wird dem Rückkopplungskondensator zusammen mit der Information,

die.um eine Periode verzögert ist, zugeführt, wodurch es möglich ist-r—Fiiterkenngrößen zu erreichen, die einen niedrigen Nullpunkt besitzen, ohne daß es nötig ist, das Kapazitätsverhältnis der Eingangsschaltung' zu erhöhen. Daher wird von dem Filter eine kleinere Fläche besetzt, die Chipgröße wira reduziert" und der Verbrauch- an elektrischer Leistung wird reduziert.
(2) . Eine Eingangsschaltung, die aus einer Anzahl von Schalterkapazitäten vom Inversionstyp und wenigstens einer parallelgeschalteten Schalterkapazität vom"^ Nicht-Inversionstyp besteht, ist mit einem Eingangsanschluß eines Operationsverstärkers verbunden, und wenigstens die Schalterkapazitäten vom Inversionstyp werden abwechselnd mit einem gegenseitigen Versatz von einer Periode betrieben, wobei diese Periode das Doppelte von jener der Referenztaktimpulse beträgt. Daher ist es möglich, Filterkenngrößen mit einem niedrigen Nullpunkt zu realisieren, ohne daß es nötig ist, das Käpazitätsverhältnis in der Eingangsschaltung zu erhöhen. Dies ermöglicht die Verbesserung der Frequenzeigenschaften des Filters und eine Verbesserung der Genauigkeit im Vergleich mit jenen Filtern, bei denen bezüglich der Kapazitätsverhältnisse Beschränkungen auferlegt sind.

Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Die Erfindung ist auf diese Ausführungsbeispiele nicht beschränkt, sondern kann in verschiedener Art und Weise abgewandelt werden.

(Anwendungsgebiet)-

Die vorliegende Erfindung..kann für alle, integrierte HalbleiterSchaltungsvorrichtungen verwendet werden, die •Filter mit geschalteten Kapazitäten (voranstehend als

"Schal torknpn/. i lilt, on" bozo. J i-lmct.) , wie z.B. bei entzerrten LSI ¹S (Entzerrern) für digitale Telefoneinrichtungen, /F-Entzerrer und LSI's (hochintegrierte Schaltungen) für Bildverarbeitung und Sprachsignale.

RS/JG

IS

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COPY

Claims

Integrierte Halbleiterschaltung . PATENTANSPRÜCHE: -

1. Integrierte Halbleiterschaltung,
gekennz eichnet durch:

einen ersten Knoten (V-), an dem Eingangssignale angelegt werden; ' ;

einen zweiten Knotenpunkt (3), der Signale empfängt, die einem Eingangsanschluß eines Operationsverstärkers (OP,) zuzuführen sind;

eine erste Schalterkapazität (SC₇) vom Inversionstyp und eine zweite Schalter kapazität (SC_g)~ vom Inversions typ, die zueinander parallel zwischen den ersten Knoten (V₁) und den zweiten Knoten (3) geschaltet-sind, und durch

- eine zweite Schalterkapazität (SC₆) vom Nicht-Inversionstyp, die zwischen den ersten Knoten (V-) und den zweiten Knoten (3) geschaltet ist.

.-

2. Integrierte Halbleiterschaltung nach Anspruch 1 , - --dadurch g e k e η η ζ" e i c h η e t, daß die erste ■ Schalterkapazität (SC₇) vom inversionstyp und die

zweite Schalterkapazität (SC_g)_vom Inversionstyp so gesteuert werden, daß die Information mit einer Zeit-— ·—abstimmung eingeschrxeben-^wird, die sich von der Zeitabstimmung für das Lesen der Information unterscheidet.

3. Integrierte-Halbleiterschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ersten Knoten V₁ und dem zweiten Knoten

(3) eine zweite Schalterkapazität (SCg) vom Nichtinversionstyp geschaltet ist, wobei die zweite Schalterkapazität (SCg) vom Nichtinversionstyp so gesteuert wird, daß ihre Zeitsteuerungen für das Schreiben und das Lesen im wesentlichen mit jenen der ersten Schalterkapazität (SC₇) vom Inversionstyp übereinstimmen.

4. Integrierte Halbleiterschaltung nach einem der λ,,^.,Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein in der ersten Schalterkapazität (SCg) vom Nicht-Inversionstyp enthaltener Kondensator (C,-) und ein in der zweiten Schalterkapaz.ität (SCg) vom Nicht-Inversionstyp enthaltener Kondensator (C_g) im wesentlichen den gleichen Kapazitätswert besitzen.

344H76

5. - Integrierte Halbleiterschaltung nach einem der

Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein in der ersten Schalterkapazität (SC₇) vom Inversionstyp enthaltener Kondensator (C₇) und ein in —5 der zweiten Schalterkapazität (SCq) vom Inversionstyp

enthaltener Kondensator (C_g) im wesentlichen den gleichen • Kapazitätswert haben.

6. Integrierte Halbleiterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennz eichnet, daß der in der zweiten Schalterkapazität (SCg) vom Inversionstyp enthaltene Kondensator (Cg) und der in der zweiten Schalterkapazität (SC_g) vom Nicht-Inversionstyp enthaltene Kondensator (C_q) im wesentlichen gleichen Kapazitätswert haben.

7. Integrierte Halbleiterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennz eichnet, daß ein Operationsverstärker (OP.,) " vorgesehen ist, dessen Eingangsanschluß mit dem zweiten Knoten (3) verbunden ist, und daß eine dritte Schalterkapazität (SC₅) vom Nicht-Inversionstyp zwischen den Ausgangsanschluß (V-) des Operationsverstärkers (OPO und dessen Eingangsanschluß geschaltet ist, deren Schreib- und Lesevorgänge mit einer Periode ausgeführt werden, die die Hälfte der Schreibperiode der ersten Schalterkapazität (SC₇) vom Inversionstyp beträgt.

_₄'_ . . 3UH76

8. Integrierte Halbleiterschaltung, gekennzeichnet durch;

eine Eingangsschaltung (2, 2¹), die aus einer Anzahl von Schalterkapazitäten (SC,- ... SC₁₀) besteht, die zueinander parallelgeschaltet sind, einen Operationsverstärker (OP3), der an die Eingangsschaltung (2, 2¹) angeschlossen ist und durch

ein Schalterkapazitätsfilter, das aus einem Rückkopplungselement (SC₅, C») besteht, das an den ^ Eingangs/Ausgangsanschluß (V₂, 3) des Operationsverstärkers (OP3) angeschlossen ist, wobei wenigstens zwei Schalterkapazitäten (SC₇, SC„) in der Eingangsschaltung (2, 2¹) aus Schalterkapazitäten vom Inversionstyp bestehen, deren Zeitsteuerungen für das Schreiben und das Lesen sich voneinander unterscheiden.