DE3634637A1

DE3634637A1 - Differentiell geschalteter kondensator-integrator mit einem einzelnen integrationskondensator

Info

Publication number: DE3634637A1
Application number: DE19863634637
Authority: DE
Inventors: Plaza Alejandro De La
Original assignee: SGS Microelettronica SpA
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 1985-10-29
Filing date: 1986-10-10
Publication date: 1987-04-30
Anticipated expiration: 2006-10-11
Also published as: DE3634637C2; FR2589266B1; IT8522641A0; IT1186340B; FR2589266A1; US4746871A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein geschaltete Kondensatorfilter für Abtastwerte und insbesondere einen verbesserten vollständig differentiell geschalteten Kondensator- Integrator, der weniger Kapazität und eine kleinere Anzahl von Kondensatoren für monolitische Systeme und Untersysteme verwendet, der auf einem einzelnen Chip aus Halbleitermaterial verwirklicht ist gemäß z. B. einer der modernen MOS (Metall-Oxid-Semiconductor)-Technologien.

Der geschaltete Kondensator-Integrator stellt den Basisschaltungsblock dar, der zum Aufbau von geschalteten Kondensator- Filtern für Abtastwerte verwendet wird.

Vollständig differentiell geschaltete Kondensator-Integratoren weisen im allgemeinen einen Eingangspfad auf, der zwei Abtastkondensatoren, einen vollständigen Differentialverstärker, zwei Integrationskondensatoren und acht Schalter aufweist. Ein typisches Beispiel eines differentiell geschalteten Kondensator-Integrators, der entsprechend der bekannten Technik ausgeführt ist, ist in Fig. 1 erläutert, worin die Abtastkondensatoren jeweils C _s1 und C _s2 sind, die jeweils eine Kapazität von C _s haben.

Während einer gewissen Zeitperiode, die Phase-1 genannt werden kann, zwingt der Taktgenerator V _c11 die Schalter S _w1, S _w2, S _W3 und S _w4 in die Betriebsweise mit niedrigem Widerstand. Gleichzeitig zwingt der Taktgenerator V _c12 die Schalter S _w5, S _w6, S _w7 und S _w8 in die Betriebsweise mit hohem Widerstand. Während solch einer Zeitperiode oder Phase-1 laden sich die Abtastkondensatoren auf die Eingangsspannung auf und erreichen eine elektrische Ladung, die gleich ist zu:

1/2 · V _i · C _s

Während der nachfolgenden Zeitperiode, die Phase-2 genannt wird, zwingt der Taktgenerator V _c11 die Schalter S _w1, S _w2, S _w3 und S _w4 in die Betriebsweise mit hohem Widerstand, und der Taktgenerator V _c12 zwingt die Schalter S _w5, S _w6, S _w7 und S _w8 in die Betriebsweise mit niedrigem Widerstand. Der Differentialverstärker bestimmt die Ladungsübertragung von dem Abtastkondensator in den Integrationskondensator C _i, der eine Kapazität C hat.

Unter der Annahme, daß die Ladungsübertragung vollständig ist, ist ein Ausdruck der z-Transformierten, der eine solche Funktion darstellt, der folgende:

Dieser Ausdruck ist typisch für einen Abtastwert-Integrator, der eine Zeitkonstante hat, die gegeben ist durch T · (C _s/C), worin T das Zeitintervall ist, das gleich der Summe der Zeitperioden ist, die jeweils Phase-1 und Phase-2 entsprechen.

Die Zuflucht zu Diffentialsignalverarbeitung vermindert möglicherweise Rauschen, das sich von Energieversorgungsleitungen einkuppelt und vergrößert den dynamischen Bereich. Aus Gründen der Fabrikationstechnologie wird der Integrationskondensator, der immer einige Male größer ist als der Abtastkondensator, in der Praxis gebildet durch Parallelschalten von Kondensatoren eines Einheitswertes, der gleich C _s ist. Die Anzahl n der parallel geschalteten Kondensatoren ist gleich der größten Zahl, die kleiner ist als C/C _s. Ein zusätzlicher Kondensator der Kapazität gleich: C - n · C _s ist ebenfalls parallel geschaltet. Diese Zusammenschaltung von Kondensatoren ist bekannt als Kondensatorfeld. In Anordnungen des Standes der Technik sind zwei Felder von Einheitswertkondensatoren erforderlich, um einen Differentialintegrator zu bilden.

Auf der anderen Seite würde es in der Mehrzahl der Fälle viel bequemer und technologisch viel einfacher sein, einen differentiell geschalteten Kondensator-Integrator machen zu können, der lediglich ein einzelnes Kondensatorfeld erfordert, das von kleinerer Gesamtkapazität ist.

Es ist deswegen eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen geschalteten Kondensator-Integrator für Abtastwerte anzugeben, der lediglich ein Integrationskondensatorfeld verwendet.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen differentiell geschalteten Kondensator-Integrator für Abtastwerte anzugeben, der lediglich einen Integrationskondensator verwendet, wobei unterdessen eine Gesamtkapazität kleiner als die, die normalerweise gemäß dem Stand der Technik erforderlich ist, erforderlich ist.

Diese und andere Ziele und Vorteile der Erfindung werden erhalten durch Vorsehen eines schwebenden (floating) Integrationskondensators, der in Verbindung mit zwei Abtastkondensatoren und zwei Verstärkern arbeitet, die als Einheitsverstärkungspuffer geschaltet sind. Jeder Abtastkondensator ist anfangs auf eine Spannung aufgeladen, die gleich der Differenz zwischen der Eingangsspannung und der Spannung über den Integrationskondensator ist. Im folgenden Schritt werden die beiden Abtastkondensatoren in Reihe geschaltet und ihre Kombination wird parallel zu dem schwebenden Integrationskondensator geschaltet. Die Spannung über den Integrationskondensator nach der nachfolgenden Ladungsrückverteilung entspricht dem Wert, der in einem Abtastwert- Integrator erforderlich ist.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der nachfolgenden detailierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf Fig. 2, die das Schaltbild eines differentiell geschalteten Kondensator- Integrators erläutert, der in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist.

Damit darf nicht beabsichtigt sein, die Erfindung auf diese bevorzugte Ausführungsform zu beschränken. Tatsächlich können verschiedene Modifikationen der Ausführungsform, die in folgenden beschrieben wird, durch den Fachmann ausgeführt werden, ohne den Bereich der Erfindung, die hier beansprucht wird, zu verlassen.

Ein differentiell geschalteter Kondensator-Integrator für Abtastwerte gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 2 erläutert. Er weist einen Integrationskondensator C _i einer Kapazität C - C _s auf, der eine Platte mit dem Eingang eines ersten Einheitsverstärkungspuffers A 1 verbunden hat und eine zweite Platte mit dem Eingang eines zweiten Einheitsverstärkungspuffers A 2 verbunden hat. Ein Einheitsverstärkungspuffer (Verstärker) ist eine Schaltungsblock, der in der Technik bekannt ist, daß er einen Eingangsknoten mit sehr hoher Eingangsimpedanz hat und einen Ausgangsknoten, der eine Leerlaufspannung hat, die im wesentlichen gleich der Spannung ist, die am Eingangsknoten vorhanden ist, und eine sehr niedrige Ausgangsimpedanz. Der Ausgang von A 1 ist verbunden mit dem ersten Ausgangsanschluß OUT⁺, während der Ausgang von A 2 verbunden ist mit dem zweiten Ausgangsanschluß OUT ^-. Die Abtastkondensatoren sind jeweils C _s1 und C _s2 und beide haben eine Kapazität C _s. Der Schalter S _w1, der durch den Taktgenerator V _c11 gesteuert wird, verbindet die erste Platte von C _s1 mit dem Ausgangsanschluß OUT⁺. Der Schalter S _w2, der durch den Taktgenerator V _c11 gesteuert wird, verbindet die erste Platte des Kondensators C _s2 mit dem Ausgangsanschluß OUT ^-. Der Schalter S _w3, der durch den Taktgenerator V _c11 gesteuert wird, verbindet die zweite Platte von C _s1 mit dem Eingangsanschluß IN⁺.

Der Schalter S _w4, der durch den Taktgenerator V _c11 gesteuert wird, verbindet die zweite Platte des Kondensators C _s2 mit dem Eingangsanschluß IN ^-.

Der Schalter S _w5, der durch den Taktgenerator V _c12 gesteuert wird, verbindet die erste Platte des Kondensators C _s1 mit der ersten Platte des Integrationskondensators C _i. Der Schalter S _w6, der durch den Taktgenerator V _c12 gesteuert wird, verbindet die erste Platte des Kondensator C _s2 mit der zweiten Platte des Integrationskondensators C _i. Der Schalter S _w7 der durch den Taktgenerator V _c12 gesteuert wird, verbindet die zweite Platte des Kondensators C _s1 mit dem gemeinsamen Masseanschluß. Der Schalter S _w8, der durch den Taktgenerator V _c12 gesteuert wird, verbindet die zweite Platte des Kondensator C _s2 mit dem gemeinsamen Masseanschluß. Die Taktspannungsgeneratoren V _c11 und V _c12 erzeugen Steuerspannungen, die zwei verschiedene Zustände oder Spannungspegel aufweisen.

Wenn die Steuerspannung, die durch die Generatoren erzeugt wird, in den hohen Zustand oder hohen Pegel ist, sind alle Schalter, die einer solchen Steuerspannung unterworfen sind, in ihre Betriebsweise mit niedrigem Widerstand gezwungen. Umgekehrt, wenn die Steuerspannung einen niedrigen Zustand oder Pegel annimmt, werden alle zugeordneten Schalter in ihre Betriebsweise mit hohem Widerstand gezwungen.

Die Taktspannungsgeneratoren ändern ihren Zustand zwischen dem hohen und dem niedrigen Zustand in einer besonderen Folge, gemäß der die Spannung der beiden Taktgeneratoren niemals gleichzeitig in dem hohen Zustand sind. D. h., daß die Taktgeneratoren nicht überlappend sind. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die Schalter ein oder mehrere MOS-Transistoren auf, wobei die Gates als Steuerelektroden verwendet werden und die Sources und Drains als gesteuerter Verbindungsknoten verwendet werden.

Wie man leicht aus Fig. 2 entnehmen kann, sind die Anfangsbedingungen für die Analyse der Betriebsweise der Schaltung folgende:
- der Integrationskondensator C _i ist mit einer Spannung V ₀ geladen und hat eine elektrische Ladung gleich V ₀ · (C - C _s),
- der Taktspannungsgenerator V _c11 ist in dem hohen Zustand,
- der Taktspannungsgenerator V _c12 ist in dem niedrigen Zustand.

Deswegen zwingt der Taktspannungsgenerator V _c11 die Schalter S _w1, S _w2, S _w3 und S _w4 in ihre Bedingung der Betriebsweise mit niedrigem Widerstand, während der Taktspannungsgenerator V _c12 die Schalter S _w5, S _w6, S _w7 und S _w8 in ihre Bedingung der Betriebsweise mit hohem Widerstand zwingt. Folglich lädt sich jeder Abtastkondensator, d. h. C _s1 und C _s2, auf eine Spannung auf, die gleich ist zu der Hälfte der Differenz zwischen der Eingangsspanung V _in und der Ausgangsspannung V ₀ wobei sie eine elektrische Ladung speichern, die gleich ist zu:

1/2 · (V ₀ - V _in) · C _s

In der folgenden Zeitperiode (Phase-2) ist der Taktspannungsgenerator V _c11 in dem niedrigen Zustand und der Taktspannungsgenerator V _c12 ist in dem hohem Zustand, wobei er S _w5, S _w6, S _w7 und S _w8 in die Betriebsweise mit niedrigem Widerstand zwingt, und die Schalter S _w1, S _w2, S _w3 und S _w4 in die Betriebsweise mit hohem Widerstand. Die elektrische Ladung verteilt sich selbst zurück entsprechend der neuen Anordnung, die durch die genannten Schalter in ihren jeweiligen Bedingungen der Betriebsweise mit niedrigem und hohem Widerstand gebildet wird. Der Ausdruck der z-Transformierten für die elektrischen Ladungen führt zu folgendem:

C · V ₀ = V ₀ · z ^-1 · (C - C _s) + (V ₀ - V _in) · z ^-1 · C _s

Während der Ausdruck für die Ausgangsspannung zu folgendem führt: die der Funktion eines Abtastwert-Integrators entspricht, der eine Zeitkonstante gleich zu T · C _s/C hat, worin T die Summe der Zeitperioden ist in denen V _c11 in dem hohen Zustand ist, V _c12 in dem hohem Zustand und beide Generatoren V _c11 und V _c12 in dem niedrigen Zustand sind. Die Schaltung verwendet nur einen Integrationskondensator C _i der Kapazität C - C _s und die Gesamtkapazität führt zu C + C _s.

Von der obigen Beschreibung der vorliegenden Erfindung kann leicht verifiziert werden, daß die Ziele wirksam erreicht werden. Insbesondere verwendet der differentiell geschaltete Kondensator-Integrator für Abtastwerte der Erfindung einen einzelnen Integrationskondensator und die Gesamtkapazität ist ein halb der Gesamtkapazität, die gemäß den Verfahren des Standes der Technik erforderlich sind.

Claims

1. Differentiell geschalteter Kondensator-Integrator dadurch gekennzeichnet, daß er zwei Pfade, die mit zwei Eingangsanschlüssen (IN⁺, IN ^-) und zwei entsprechenden Ausgangsanschlüssen (OUT⁺, OUT ^-) bei einem schwebenden Potential bezüglich des gemeinsamen Masseanschlusses in Verbindung stehen, die im wesentlichen identisch sind und jeweils einen ersten Schalter (S _w3, S _w4), der zwischen den jeweiligen Eingangsanschluß und die erste Platte eines Abtastkondensators (C _s1, C _s2), geschaltet ist, einen zweiten Schalter (S _w7, S _w8), der zwischen die erste Platte und Masse geschaltet ist, einen dritten Schalter (S _w1, S _w2), der zwischen die zweite Platte des Abtastkondensators (C _s1, C _s2) und den jeweiligen Ausgangsanschluß (OUT⁺, OUT ^-) geschaltet ist, und einen vierten Schalter (S _w5, S _w6) aufweisen, der zwischen der zweiten Platte des Abtastkondensators (C _s1, C _s2) und einer ersten Platte eines schwebenden Integrationskondensators (C _i) geschaltet ist, dessen zweite Platte symmetrisch verbunden ist mit dem Anschluß des entsprechenden vierten Schalters (S _w5, S _w6) des anderen Pfades, und zwei verschiedene Einheitsverstärkerpfuffer A 1, A 2), deren Eingangsanschlüsse jeweils mit den Platten des Integrationskondensators (C _i) verbunden sind, aufweist, wobei der Differentialintegrator weiterhin Taktspannungserzeugungseinrichtungen zum Synchronisieren des Öffnens und des Schließens der Schalter (S _w1-S ₈) entsprechend einer gewünschten Folge aufweist.

2. Differentialintegrator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er gänzlich aus Halbleiterbauelementen zusammengesetzt ist und er als monolithisch integrierte Schaltung gebildet ist.

3. Differentialintegrator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterbauelemente Bauelemente des MOS-Typs sind.

4. Differentialintegrator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (S _w1-S ₈) durch einen MOS- Transistor gebildet sind, der ein Gate hat, das als Steueranschluß arbeitet, und die beiden funktionellen Anschlüsse des Schalters dargestellt werden durch Source und Drain dieses Transistors.

5. Differentialintegrator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Takteinrichtung mindestens zwei nicht-überlappende Taktspannungssignalgeneratoren (V _c11, V _c12) aufweisen und das Signal, das durch einen der Generatoren erzeugt wird, an das Gate der MOS-Transistoren, die den ersten und dritten Schalter (S _w1-S _w4) bilden, angelegt wird, und worin das Signal, das durch den anderen der Generatoren erzeugt wird, an das Gate der MOS-Transistoren, die den zweiten und vierten Schalter (S _w5-S _w8) bilden, angelegt wird.