DE3706104A1

DE3706104A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zum multiplexen eines digital programmierbaren kapazitiven elements

Info

Publication number: DE3706104A1
Application number: DE19873706104
Authority: DE
Inventors: Douglas Reid Holberg; Eric John Swanson
Original assignee: Crystal Semiconductor Corp
Current assignee: Crystal Semiconductor Corp
Priority date: 1986-04-14
Filing date: 1987-02-25
Publication date: 1987-10-22
Also published as: US4849662A; GB8702984D0; JPS62245813A; GB2189102A; FR2597279A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf elektronische Systeme und insbesondere betrifft sie ein Verfahren zum Time-Sharing-Betrieb eines kapazitiven Elements zwischen verschiedenen Anschlußpunkten eines elektronischen Schaltkreises und sie betrifft geschaltete Kondensatoren enthaltende Filter, die ein derartiges Verfahren benutzen.

Bei integrierten MOS-Schaltkreisen ist es wünschenswert, die Chip-Fläche, die erforderlich ist, um eine vorgegebene Funktion durchzuführen, möglichst klein zu halten. In dieser Hinsicht ist es im allgemeinen vorteilhaft, den Gesamtbetrag der Kapazität auf dem Chip zu vermindern.

Ein Schaltkreis, der typischerweise mehrere Kondensatoren verwendet und der herkömmlicherweise in einem integrierten MOS-Schaltkreis verkörpert ist, ist ein Filter mit geschaltetem Kondensator. Das Filter mit geschaltetem Kondensator ist eine Art eines Analog-Filters, bei dem Widerstände durch Kombinationen von Kondensatoren und Schaltern ersetzt sind. Verschiedene Konfigurationen wurden bisher für diese Schaltkreise entwickelt. In derartigen Schaltkreisen ist es üblicherweise der Fall, daß die Antwortcharakteristiken der Filter mehr durch Kapazitätsverhältnisse als durch absolute Kapazitätswerte bestimmt werden. Es ist auch üblicherweise bei diesen Schaltkreisen der Fall, Differenzverstärker vorzusehen und die Schalter des Schaltkreises durch MOS-Anreicherungsmodus(enhancement-mode)transistoren aufzubauen.

Unter diesen verschiedenen Filterschaltkreisen mit geschaltetem Kondensator, die bisher entwickelt worden sind, ist einer, der ein Filterschaltkreis vierten Grades (Biquad) genannt wird und der zwei Differenzverstärker enthält, die als Integratoren angeschlossen sind. Der Filterschaltkreis vierten Grades mit geschaltetem Kondensator erfordert typischerweise die Verwendung von wenigstens fünf geschalteten Kondensatoren. Die Werte dieser Kondensatoren zusammen mit der Auswahl einer von verschiedenen möglichen Anordnungen der Kondensatoren bestimmt die Art des Filters (z. B. Hochpaß, Tiefpaß oder Bandpaß) und andere Charakteristika des Filters.

Für eine fest vorgegebene, besondere Filteranwendung können geeignete Kapazitätswerte berechnet werden und der Schaltkreis kann mit festen Kapazitäten aufgebaut werden. Für eine größere Vielseitigkeit wurde jedoch bereits gezeigt, daß die Anwort eines Filters mit geschaltetem Kondensator durch die Verwendung veränderbarer Kondensatoren in dem Schaltkreis dynamisch verändert werden kann.

Es würde sich ein äußerst vielseitiges, dynamisch änderbares Filter ergeben, wenn jeder geschaltete Kondensator in einem herkömmlichen Filter vierten Grades über einen weiten Bereich von Kapazitätswerten veränderbar oder programmierbar wäre. Jedoch würde eine beträchtliche Chip-Fläche erforderlich sein, um einen derartigen Schaltkreis in einem integrierten MOS-Schaltkreis aufzubauen. Da es darüber hinaus häufig wünschenswert ist, mehrere Filter in einem integrierten Schaltkreis unterzubringen (beispielsweise um Filter höherer Ordnung zu erzeugen), könnte sich das Chip-Flächenproblem damit lösen.

Eine bisher bekannte Technik zum Reduzieren der Anzahl von Bauteilen, die für eine Gruppe von Filtern mit geschaltetem Kondensator erforderlich ist, ist das Teilen eines Verstärkers mit einer Anzahl von Filtern in einem Zeitmultiplexbetrieb, um dadurch die Anzahl der erforderlichen Verstärker zu vermindern und damit die Chip-Fläche zu reduzieren. Diese Lösung reduziert jedoch nicht die Anzahl der Kondensatoren oder den gesamten Betrag der Kapazität, die für ein Filter mit geschaltetem Kondensator erforderlich ist, und diese Lösung liefert auch kein vielseitiges, dynamisch änderbares Filter.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Vermindern der Anzahl der kapazitiven Elemente anzugeben, die in elektronischen Schaltkreisen und insbesondere in Filterschaltkreisen mit geschaltetem Kondensator erforderlich sind. Weiterhin liegt der Erfindung auch die Aufgabe zugrunde, einen vielseitigen, dynamisch änderbaren Schaltkreis anzugeben, der in herkömmlicher Weise in einem integrierten MOS-Schaltkreis verkörpert werden kann und bei dem die erforderliche Anzahl von kapazitiven Elementen möglichst klein ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Verfahren durch die in den kennzeichnenden Teil der Patentansprüche 1 und 5 angegebenen Merkmale gelöst. Weiterhin wird die Aufgabe bei dem Schaltkreis durch die in den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche 2 und 6 angegebene Merkmale gelöst.

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren und einen Schaltkreis für den Time-Sharing-Betrieb eines digital programmierbaren kapazitiven Elements zur Verfügung, die erlauben, daß die Anzahl der in einem elektronischen Schaltkreis erforderlichen Kondensatoren vermindert wird. Das Verfahren und der Schaltkreis sind insbesondere von Vorteil für die Verwendung in Filterschaltkreisen mit geschaltetem Kondensator, die als integrierte MOS-Schaltkreise aufgebaut sind. Bei einer derartigen Anwendung kann die Erfindung eine Einsparung an Chip-Fläche zur Folge haben, während gleichzeitig ein in hohem Maße vielseitiges und dynamisch änderbares Filter zur Verfügung gestellt wird.

Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung wird ein programmierbares kapazitives Element, dessen Kapazität in Abhängigkeit von digitalen logischen Signalen verändert werden kann, dadurch in einem Time-Sharing-Betrieb betrieben oder gemultiplext, daß zwei Anschlüsse des programmierbaren kapazitiven Elements nacheinander mit vorgegebenen Anschlußpunkten eines elektronischen Schaltkreises verbunden werden, während synchron dazu gewünschte Kapazitätswerte für das programmierbare kapazitive Element ausgewählt werden.

Gemäß einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung enthält ein Filterschaltkreis vierten Grades mit geschaltetem Kondensator zwei digital programmierbare kapazitive Elemente, von denen jedes wahlweise sequentiell mit geeigneten Anschlußpunkten des Filterschaltkreises in Abhängigkeit von logischen Steuerungs- und Zeitgebersignalen verbunden wird.

Wie aus der vorangehenden Zusammenfassung zu ersehen ist, ist es eine generelle Absicht der vorliegenden Erfindung, ein neues und verbessertes Verfahren und einen Schaltkreis für ein multiplexbetriebenes kapazitives Element zur Verfügung zu stellen.

Das Verfahren gemäß der Erfindung und Ausführungsbeispiele von Schaltungsanordnungen zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung werden im folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Funktionsschaltbild nach dem Stand der Technik, das ein herkömmliches Filter vierten Grades mit geschaltetem Kondensator zeigt;

Fig. 2 ein Blockschaltbild und ein Funktionsschaltbild, das ein Filter vierten Grades mit geschaltetem Kondensator gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 3A ein Blockschaltbild und ein Funktionsschaltbild, das digital programmierbares kapazitives Element zeigt, das in dem Filter vierten Grades mit geschaltetem Kondensator nach Fig. 2 verwendet wird;

Fig. 3B eine Ausgestaltung des Schaltkreises eines Schaltelements, das in dem digital programmierbaren kapazitiven Element nach Fig. 3A verwendet wird;

Fig. 4 eine logische Darstellung eines Schalters desjenigen Typs, der in dem Filter mit geschaltetem Kondensator nach Fig. 2 verwendet wird;

Fig. 5 ein Satz von Wellenformen, die den grundsätzlichen Zeitablauf und die Funktionsweise des Filters mit geschaltetem Kondensator nach Fig. 2 zeigen;

Fig. 6 ein Funktionsschaltbild nach dem Stand der Technik, das eine andere Ausführungsform eines Filters vierten Grades mit geschaltetem Kondensator zeigt;

Fig. 7 ein Blockschaltbild und ein Funktionsschaltbild, das eine andere bevorzugte Ausführungsform eines Filters vierten Grades mit geschaltetem Kondensator gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, und das funktionsmäßig ähnlich dem Filterschaltkreis nach Fig. 6 ist; und

Fig. 8 ein Satz von Wellenformen, die den grundsätzlichen Zeitablauf und die Funktionsweise des Filters mit geschaltetem Kondensator nach Fig. 7 zeigt.

Es wird nun Bezug auf Fig. 1 genommen. Dort ist ein herkömmliches Filter vierten Grades mit geschaltetem Kondensator gezeigt. Dieses enthält zwei Differenzverstärker, bei denen jeweils ein unveränderbarer Kondensator zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang angeschlossen ist. Der nicht-invertierende Eingang jedes Differenzverstärkers ist mit Erde verbunden. Das Filter enthält weiterhin, wie dargestellt, sieben geschaltete Kondensatoren, die hier als Kondensatoren A, C, F, G, H, I und J bezeichnet sind. Jeder Anschluß jedes der geschalteten Kondensatoren kann in Abhängigkeit von Taktsignalen CLKe und CLKo entweder mit Erde oder mit einem Signalanschluß verbunden werden. Die Signale CLKe und CLKo sind gerade oder ungerade nicht überlappende Taktphasen, die ständig laufen. Diese Taktphasen weisen typischerweise eine Frequenz auf, die wenigstens zehnmal höher ist als die höchste Frequenz, die für das EINGANGSsignal zugelassen sind. Für eine vorgegebene Taktfrequenz wird die Übertragungscharakteristik des Schaltkreises im wesentlichen durch die Kapazitätsverhältnisse bestimmt. Eine Auswahl von geeigneten Werten für die Kondensatoren erlaubt die Realisierung von Tiefpaß-, Hochpaß-, Bandpaßfiltern, Bandsperren und anderen Arten von Filtern. Für viele der möglichen Filter ist es nicht notwendig, jede Art von geschalteten Kondensatoren vorzusehen; beispielsweise ist es im allgemeinen nur notwendig, entweder den H-Kondensator oder den J-Kondensator, aber nicht beide vorzusehen. Somit werden bei dem herkömmlichen Filter vierten Grades (Biquad) mit geschaltetem Kondensator derart, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, nicht mehr als sechs geschaltete Kondensatoren typischer Weise erforderlich.

Wie in Fig. 1 zusätzlich dargestellt ist, können die in dem Schaltkreis verwendeten Schalter herkömmlicher Weise als MOS-Anreicherungsmodus(enhancement-mode)transistoren ausgebildet sein. Da Kondensatoren und Differenzverstärker herkömmlicher Weise durch die MOS-Herstellungstechnologie für integrierte Schaltkreise hergestellt werden können, ist der Schaltkreis dazu geeignet, in einem integrierten MOS- Schaltkreis verkörpert zu werden.

Es wird nun Bezug auf die Fig. 2 genommen. Ein Blockschaltbild und ein Funktionsschaltbild zeigen ein Filter vierten Grades mit geschaltetem Kondensator gemäß der vorliegenden Erfindung, bei dem nur zwei geschaltete Kondensatoren erforderlich sind. Der Filterschaltkreis nach Fig. 2 ist allgemein durch das Bezugszeichen 10 gekennzeichnet.

Das Filter 10 enthält einen ersten Differenzverstärker 12, dessen nicht-invertierender Eingang mit Erde verbunden ist. Ein erster Rückkopplungskondensator 14 ist zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang des ersten Differenzverstärkers 12 angeschlossen.

Das Filter 10 enthält auch einen zweiten Differenzverstärker 16, dessen nicht-invertierender Eingang mit Erde verbunden ist. Der Ausgang des zweiten Differenzverstärkers 16 ist mit einem Ausgangsanschluß 18 verbunden. Der Ausgangsanschluß 18 gibt ein AUSGANGssignal des Filterschaltkreises ab. Ein zweiter Rückkopplungskondensator 20 ist zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang des zweiten Differenzverstärkers 16 angeschlossen.

Ein erstes digital programmierbares kapazitives Element 22 hat einen ersten Anschluß 24 und einen zweiten Anschluß 26. Eine Steuerungs- und Zeitgeberlogik 28 gibt Ausgangssignale 30 zum Steuern der Funktionsweise des kapazitiven Elements 22 ab. Ein erster Schalter 32 hat einen gemeinsamen Anschluß 34, der mit dem ersten Anschluß 24 verbunden ist. Der gemeinsame Anschluß 34 kann wahlweise mit (1) einem offenen Kreis, (2) einem Eingangsanschluß 36, der das EINGANGssignal des Filters 10 empfängt, oder (3) Erde verbunden werden. Ein zweiter Schalter 38 hat einen gemeinsamen Anschluß 40, der mit dem zweiten Anschluß 26 des kapazitiven Elements 22 verbunden ist. Der gemeinsame Anschluß 40 kann wahlweise mit (1) einem offenen Kreis, (2) dem invertierenden Eingang des zweiten Differenzverstärkers 16, (3) dem invertierenden Eingang des ersten Differenzverstärkers 12 oder (4) Erde verbunden werden.

Ein zweites digital programmierbares kapazitives Element 42 hat einen ersten Anschluß 44 und einen zweiten Anschluß 46. Die Steuerungs- und Zeitgeberlogik 28 liefert Ausgangssignale 48 zum Steuern der Funktionsweise des zweiten kapazitiven Elements 42. Ein dritter Schalter 50 hat einen gemeinsamen Anschluß 52, der mit dem ersten Anschluß 44 verbunden ist. Der gemeinsame Anschluß 52 kann wahlweise mit (1) einem offenen Kreis, (2) dem Ausgang des ersten Differenzverstärkers 12, (3) dem Ausgang des zweiten Differenzverstärkers 16 oder (4) Erde verbunden werden. Ein vierter Schalter 54 hat einen gemeinsamen Anschluß 56, der mit dem zweiten Anschluß 46 des kapazitiven Elements 42 verbunden ist. Der gemeinsame Anschluß 56 kann wahlweise mit (1) einem offenen Kreis, (2) dem invertierenden Eingang des zweiten Differenzverstärkers 16, (3) dem invertierenden Eingang des ersten Differenzverstärkers 12 oder (4) Erde verbunden werden.

Die Steuerungs- und Zeitgeberlogik 28 liefert Ausgangssignale 58 (A 1) bis 58 (D 3) zum Steuern der Funktionsweise des ersten Schalters 32, des zweiten Schalters 38, des dritten Schalters 50 und des vierten Schalters 54.

Die Elemente der bevorzugten Ausführungsform nach Fig. 2 sind in einem integrierten MOS-Schaltkreis verkörpert.

Der erste Differenzverstärker 12 und der zweite Differenzverstärker 16 sind in herkömmlicher Weise ausgeführt. Bei einer typischen Ausgestaltung ist die Grenzfrequenz des Filters 10 durch die Einschwingzeiten der Differenzverstärker begrenzt. Somit ist es im allgemeinen erwünscht, die Einschwingzeit jedes Verstärkers möglichst klein zu machen.

Der erste Rückkopplungskondensator 14 und der zweite Rückkopplungskondensator 20 sind bei der bevorzugten Ausführungsform jeweils als Kondensatoren mit festen Werten ausgebildet. Bei einer anderen Ausführungsform könnten entweder einer oder beide Rückkopplungskondensatoren variabel ausgebildet sein. Bei dem monolitischen integrierten Schaltkreis, der das Filter 10 verkörpert, wird jeder der Rückkopplungskondensatoren aus einer Schicht von Siliziumdioxid hergestellt, die zwischen zwei Schichten von leitendem Polysilizium schichtweise ausgebildet ist. Obwohl es nicht notwendig ist, daß die Kapazität des ersten Rückkopplungskondensators 14 gleich ist derjenigen des zweiten Rückkopplungskondensators 20, ist bei der bevorzugten Ausführungsform jeder derart ausgestaltet, daß er eine Kapazität von 12,8 pF hat.

Die Fig. 3A gibt ein Blockschaltbild und ein Funktionsschaltbild des kapazitiven Elements 22 an. Das kapazitive Element 22 enthält ein binär gewichtetes Feld von sechs Kondensatoren 60, 62, 64, 66, 68 und 70. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der Kondensator 60 derart ausgebildet, daß er eine typische Kapazität von 0,4 pF aufweist. Die Kondensatoren 62, 64, 66, 68 und 70 sind derart ausgebildet, daß sie typische Kapazitäten von 0,8 pF, 1,6 pF, 3,2 pF, 6,4 pF bzw. 12,8 pF aufweisen. Das kapazitive Element 22 enthält weiterhin ein weiteres binär gewichtetes Feld von fünf Kondensatoren 72, 74, 76, 78 und 80. Der Kondensator 72 ist derart ausgebildet, daß er eine typische Kapazität von 0,4 pF hat, und die Kondensatoren 74, 76, 78 und 80 sind derart ausgebildet, daß sie typische Kapazitäten von 0,8 pF, 1,6 pF, 3,2 pF bzw. 6,4 pF aufweisen. Jeder der Kondensatoren 60, 62, 64, 66, 68 und 70 hat einen Anschluß, der direkt mit dem zweiten Anschluß 26 verbunden ist. Jeder der Kondensatoren 72, 74, 76, 78 und 80 hat einen Anschluß, der mit einem Anschlußpunkt 82 verbunden ist. Ein Kondensator 84 ist zwischen dem zweiten Anschluß 26 und dem Anschlußpunkt 82 angeschlossen. Der Kondensator 84 ist derart ausgebildet, daß er eine typische Kapazität von 0,4 pF aufweist. Jeder der in dem digital programmierbaren kapazitiven Element 22 enthaltenen Kondensatoren wird in dem integrierten MOS-Schaltkreis aus einer Schicht von Siliziumdioxid, das zwischen zwei Schichten aus leitendem Polysilizium schichtartig angeordnet ist, in derselben Weise aufgebaut wie die Rückkopplungskondensatoren 14 und 20.

Es wird noch Bezug auf die Fig. 3A genommen. Zweiundzwanzig Schaltelemente 86, 88, 90, 92, 94, 96, 98, 100, 102, 104, 106, 108, 110, 112, 114, 116, 118, 120, 122, 124, 126 und 128 sind paarweise mit den anderen Anschlüssen der elf Kondensatoren 60, 62, 64, 66, 68, 70, 72, 74, 76, 78 und 80 verbunden und ermöglichen es, daß der nicht-gemeinsame Anschluß jedes dieser Kondensatoren wahlweise entweder mit Erde oder mit dem ersten Anschluß 24 verbunden werden kann. Jedes der elf Paare von Schaltelementen wird durch Ausgangssignale von einem RAM 130 mit drei Wörtern zu je elf Bits gesteuert. Die Auflösung von elf Bits für das kapazitive Element 22 ermöglicht es, daß 2,048 verschiedene Kapazitäten zwischen dem ersten Anschluß 24 und dem zweiten Anschluß 26 auftreten. Entsprechend der Verwendung bei der vorliegenden Erfindung speichert jedes der drei Wörter in dem RAM 130 die Information für die Schaltkonfiguration für einen von drei Kondensatoren und jeder der drei Kondensatoren ist digital programmierbar über einen binären Bereich von 2,048 verschiedenen Werten. Bei einer anderen Ausführungsform könnte anstelle des RAMs 130 ein Festwertspeicher vorgesehen werden.

Die Fig. 3B zeigt eine Schaltungsausführung eines Schaltelements von der Art, wie es in dem Schaltbild nach Fig. 3A verwendet wird. Das Schaltelement wird aus einem N-Kanal- MOS-Anreicherungsmodus(enhancement-mode)transistor und einem P-Kanal-Anreichungsmodustransistor gebildet, die in herkömmlicher Weise als ein Übertragungsgatter verbunden sind.

Es wird nochmals auf die Fig. 2 Bezug genommen. Die Steuerungs- und Zeitgeberlogik 28 enthält einen kristallgesteuerten Oszillator und herkömmliche Speicherglieder und digitale logische Gatter. Ein (nicht gezeigter) Quarzkristall ist abseits von dem integrierten MOS-Schaltkreis- Chip angeordnet. Die manuell aufgebaute Steuerungs- und Zeitgeberlogik 28 für die bevorzugte Ausführungsform kann in einer einfachen unkomplizierten Weise entworfen und aufgebaut werden. Alternativ hierzu kann die Steuerungsfunktion der Steuerungs- und Zeitgeberlogik 28 mit einer einen Mikrokomputer enthaltenden Steuerung aufgebaut sein.

Die logische Ausgestaltung für den ersten Schalter 32 ist in Fig. 4 dargestellt. In einem integrierten MOS-Schaltkreis wird die offene Stellung des ersten Schalters 32 erreicht, wenn die Ausgänge 58 (C 1) und 58 (C 3) von der Steuerungs- und Zeitgeberlogik 28 beide den logischen Wert Null haben, der bewirkt, daß die Schaltelemente des ersten Schalters 32 sperren. Der zweite Schalter 38, der dritte Schalter 50 und der vierte Schalter 54 werden in derselben Weise aufgebaut und gesteuert.

Nun wird unter Bezugnahme auf Fig. 5 die Funktionsweise des Filters 10 nach Fig. 2 als nächstes beschrieben. Die Fig. 5 ist ein Satz von elektrischen Wellenformen, die den grundsätzlichen Zeitablauf und die Funktionsweise des Filterschaltkreises nach Fig. 2 zeigen. Jede der Wellenformen stellt das Ausgangssignal der Steuerungs- und Zeitgeberlogik dar, das jeweils einem Schaltelement der Schalter 32, 38, 50 und 54 zugeordnet ist. Sechs Phasen, die mit P 1, P 2, P 3, P 4, P 5 und P 6 bezeichnet sind, sind erforderlich, um eine Abtastperiode des Filters 10 zu vervollständigen. Zum Vergleich erfordert das herkömmliche mit einem geschalteten Kondensator versehene Filter nach Fig. 1 nur die Vollständigkeit von 2 Phasen für jede Abtastperiode. Für eine geeignete Funktionsweise sollten diejenigen Signale, die die Schaltelemente steuern, von einer Phase zur nächsten nicht überlappend sein. Somit wird bewirkt, daß die Anschlüsse der kapazitiven Elemente 22 und 42 elektrisch schwebend sind, da alle Schaltelemente der Schalter 32, 38, 50 und 54 sperren. Kurz danach, während der Phase 1 wird der erste Anschluß 44 des kapazitiven Elements 42 mit dem Ausgang des ersten Differenzverstärkers 12 verbunden, während der zweite Anschluß 46 etwa gleichzeitig mit Erde verbunden ist. Folglich wird nach einer hinreichenden Zeit das kapazitive Element 42 auf die Ausgangsspannung des ersten Differenzverstärkers 12 aufgeladen. Zu Beginn der Phase 2 wird wieder bewirkt, daß die Anschlüsse des kapazitiven Elements 42 elektrisch schwebend sind, so daß die Ladung an dem Kondensator in geeigneter Weise aufrechterhalten wird. Als nächstes wird der erste Anschluß 44 mit Erde verbunden, während der zweite Anschluß 46 mit dem invertierenden Eingang des zweiten Differenzverstärkers 16 verbunden wird.

Es soll bemerkt werden, daß die Zwei-Phasenfunktionsweise, die eben in bezug auf das kapazitive Element 42 beschrieben wurde, analog ist zu der Funktionsweise des Kondensators A bei dem herkömmlichen Filter nach Fig. 1. Insbesondere wird während der ersten Phase das Laden des geschalteten Kondensators initialisiert und während der nächsten Phase wird diese Ladung zu der Rückkopplungskapazität übertragen, die zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang des zweiten Differenzverstärkers angeschlossen ist. Für das Verständnis des Ladungsübertragungsmechanismus sollte beachtet werden, daß der Differenzverstärker einen derartigen Aufbau aufweist, bei dem der Verstärker versucht, eine virtuelle Erde an seinem invertierenden Eingang aufrechtzuerhalten. Somit bewirkt die Verbindung des Kondensators A oder seines Äquivalents mit dem invertierenden Eingang des zweiten Differenzverstärkers, daß die Ladung des Kondensators A entladen wird. Da aber der invertierende Eingang des Differenzverstärkers nur eine virtuelle anstelle einer richtigen Erde ist, wird bewirkt, daß eine gleichgroße, aber entgegengesetzte Ladung dem Rückkopplungskondensator hinzuaddiert wird. Gemäß dem grundsätzlichen Prinzip, daß die Ladung an einem Kondensator gleich ist der Kapazität, multipliziert mit der Spannung an dem Kondensator, ist eine sich ergebende Änderung der Ausgangsspannung des Differenzverstärkers gleich dem Negativen der ursprünglich an dem Kondensator A anliegenden Spannung, multipliziert mit dem Verhältnis der Kapazität des Kondensators A zu der Kapazität des Rückkopplungskondensators.

Die Zeit, die erforderlich ist, um den Kondensator A oder sein Äquivalent, wie es in dem kapazitiven Element 42 enthalten ist, zu entladen, ist eine Funktion des Widerstands der mit seinen Anschlüssen verbundenen Schalter. Bei der bevorzugten Ausführungsform nach Fig. 2 sind die P-Kanal- und N-Kanal-Transistoren, die für den Aufbau des ersten Schalters 32, des zweiten Schalters 38, des dritten Schalters 50 und des vierten Schalters 54 verwendet werden, jeweils derart ausgebildet, daß sie ein Breite-zu-Länge- Verhältnis von 50 haben.

Wenn der Kondensator A oder sein Äquivalent einmal entladen worden ist, ist er ruhend in dem Schaltkreis, wobei er Nichts tut und keine Wirkung auf irgendein Signal des Schaltkreises hat. Folglich kann er von den Anschlüssen getrennt werden, mit denen er verbunden ist, und er kann anderweitig in dem Schaltkreis verwendet werden. Vor dem Verbinden des Kondensators mit einem anderen Paar von Anschlußpunkten des Schaltkreises kann es jedoch wünschenswert sein, seine Kapazität zu ändern.

Wie es in den Wellenformen der Fig. 5 dargestellt ist, wenn diese in Verbindung mit Fig. 2 betrachtet wird, wird zu Beginn der Phase 3 der erste Anschluß 44 des kapazitiven Elements 42 von Erde getrennt, und der zweite Anschluß 46 wird von dem invertierenden Eingang des zweiten Differenzverstärkers 16 getrennt. Die Ausgänge 48 der Steuerungs- und Zeitgeberlogik 28 bewirken dann, daß das kapazitive Element 42 seine Kapazität auf einen neuen Wert ändert, wenn dies gewünscht wird. Fortfahrend in Phase 3 werden beide Anschlüsse des kapazitiven Elements 42 mit Erde verbunden. Zu Beginn der Phase 4 sind die Anschlüsse des kapazitiven Elements 42 noch einmal freigeschaltet; und kurz danach wird der erste Anschluß 44 mit dem Ausgang des zweiten Differenzverstärkers 16 verbunden und der zweite Anschluß 46 wird mit dem invertierenden Eingang des zweiten Differenzverstärkers 16 verbunden. Im Vergleich mit dem herkömmlichen Filterschaltkreis nach Fig. 1 wird eingesehen, daß die Funktionsweise der bevorzugten Ausführungsform nach Fig. 2 während der Phasen 3 und 4 analog ist der Funktionsweise des F-Kondensators.

Die Ladung an dem Rückkopplungskondensator 20 wird wieder aufgeteilt oder während der Phase 4 übertragen, wenn das kapazitive Element 42 parallel zu dem Rückkopplungskondensator 20 geschaltet wird, was eine weitere Änderung der Spannung an dem Ausgang des zweiten Differenzverstärkers 16 zur Folge hat. Wenn die Ladung des Rückkopplungskondensators 20 einmal einen eingeschwungenen Zustand erreicht hat, kann das kapazitive Element 42 abgetrennt werden, ohne daß eine weitere Änderung der Spannung an dem Ausgang des zweiten Differenzverstärkers 16 bewirkt wird; dies kommt daher, daß sowohl die Kapazität als auch die Ladung, die der Kapazität zugeordnet ist, gleichzeitig entfernt werden. Das kapazitive Element 42 ist nun frei, um anderweitig in dem Filterschaltkreis verwendet zu werden.

Bei der bevorzugten Ausführungsform nach Fig. 2 wird, wie es durch die Wellenform in Fig. 5 dargestellt ist, während der Phase 5 der Kapazitätswert des kapazitiven Elements 42 wieder auf einen neu gewünschten Wert geändert und die Ladung an dem kapazitiven Element 42 wird durch Verbinden der beiden Anschlüsse mit Erde initialisiert. Während der Phase 6 werden die Anschlüsse des kapazitiven Elements 42, in analoger Weise wie zu der Funktionsweise des Kondensators C des herkömmlichen Filters nach Fig. 1, augenblicklich freigeschaltet und kurz danach wird der erste Anschluß 44 mit dem Ausgang des zweiten Differenzverstärkers 16 verbunden, während der zweite Anschluß 46 mit dem invertierenden Eingang des ersten Differenzverstärkers 12 verbunden wird.

Gemäß dem vorhergehenden wird das kapazitive Element 42 im Time-Sharing-Betrieb betrieben oder unter den verschiedenen ausgewählten Anschlüssen des Filters 10 gemultiplext. In einer ähnlichen Weise und wie es durch die Wellenformen der Fig. 5 dargestellt ist, wenn diese in Verbindung mit dem Schaltbild der Fig. 2 betrachtet wird, wird das erste kapazitive Element 22 in gleicher Weise im Time-Sharing- Betrieb unter verschiedenen ausgewählten Anschlüssen des Filters 10 betrieben, während die Kapazität des kapazitiven Elements 22 digital wie gewünscht ausgewählt wird. Das kapazitive Element 42 arbeitet in analoger Weise wie die Kondensatoren A, F und C des herkömmlichen Filters und das kapazitive Element 22 arbeitet in ähnlicher Weise wie die Kondensatoren G, I und entweder J oder H.

Der Time-Sharing-Betrieb der Kapazitätswerte, die zu denjenigen von I und G äquivalent sind, wird als nächstes beschrieben. Während der Phase 3 wird der erste Kapazitätswert, der demjenigen des I-Kondensators entspricht, für das kapazitive Element 22 ausgewählt und beide Anschlüsse des kapazitiven Elements 22 werden mit Erde während einer Dauer verbunden, die ausreicht, um im wesentlichen jede Ladung von dem kapazitiven Element 22 zu entfernen. Zu Beginn der Phase 4 wird bewirkt, daß das kapazitive Element 22 augenblicklich durch Trennen seiner Anschlüsse von Erde elektrisch schwebend wird. Das kapazitive Element 22 wird dann zwischen dem Eingangsanschluß 36 des Filters 10 und dem invertierenden Eingang des zweiten Differenzverstärkers 16 während einer Dauer angeschlossen, die ausreichend ist, um das kapazitive Element 22 im wesentlichen auf einen Wert der Spannung an dem Eingangsanschluß 36 aufzuladen. Gemäß dem grundsätzlichen Schaltungsprinzip wird eine gleiche aber entgegengesetzte Ladung dem zweiten Rückkopplungskondensator 20 hinzuaddiert. Danach wird während der Phase 5 bewirkt, daß das kapazitive Element 22 durch Trennen seiner Anschlüsse von dem Eingangsanschluß 36 und dem invertierenden Eingang des zweiten Differenzverstärkers 16 elektrisch schwebend wird. Ein zweiter Kapazitätswert, der demjenigen entspricht, der für einen äquivalenten Kondensator G gewünscht ist, wird für das kapazitive Element 22 ausgewählt und beide Anschlüsse des kapazitiven Elements 22 werden während einer Zeitdauer, die ausreichend ist, um im wesentlichen jede Ladung von dem kapazitiven Element 22 zu entfernen, mit Erde verbunden. Es sollte ersichtlich sein, daß es keinen Unterschied macht, ob der Kapazitätswert zuerst geändert wird und dann die Anschlüsse des kapazitiven Elements geerdet werden oder umgekehrt. Nachdem jede Ladung von dem kapazitiven Element 22 entfernt wurde, wird bewirkt, daß es zu Beginn der Phase 6 durch Trennen seiner beiden Anschlüsse von dem Erdungsanschluß elektrisch schwebend wird. Es sollte weiterhin ersichtlich sein, daß die Auswahl eines neuen Kapazitätswerts auch während dieser Zeit ausgeführt werden könnte. Um die Übertragung der Ladung analog zu der Funktionsweise eines G-Kondensators abzuschließen, wird das kapazitive Element 22 zwischen dem Eingangsanschluß 36 und dem invertierenden Eingang des ersten Differenzverstärkers 12 während einer Dauer verbunden, die ausreichend ist, um das kapazitive Element 22 im wesentlichen auf einen Spannungswert an dem Eingangsanschluß 36 aufzuladen, was zur Folge hat, daß eine gleiche aber entgegengesetzte Ladung zu dem ersten Rückkopplungskondensator 14 übertragen oder hinzuaddiert wird und dadurch bewirkt wird, daß die Ausgangsspannung des ersten Differenzverstärkers 12 entsprechend eingestellt wird.

Die vorangehende Funktionsweise ist in Tabelle I summarisch zusammengefaßt. Hier sollte bemerkt werden, daß der Ausgang des Filters 10 an dem Ausgangsanschluß 18 während aller sechs Phasen des Abtastzyklus kein gültiger Ausgang ist. Der Ausgang ist nur gültig, wenn die Ladungsübertragung, die den Kapazitäten zugeordnet ist, die analog sind zu den Kondensatoren A, J, F und I, abgeschlossen worden ist. Diese Bedingung wird am Ende der Phase 4 erreicht. Der Ausgang bleibt gültig während der Phasen 5, 6 und der Phase 1 des nächsten Abtastzyklus, jedoch wird der Ausgang ungültig während der Phase 2 des nächsten Abtastzyklus, wenn die Ladung, die der Kapazität zugeordnet ist, die äquivalent ist derjenigen des Kondensators A, zu dem Rückkopplungskondensator des zweiten Differenzverstärkers 16 übertragen wird. Der Ausgang bleibt dann ungültig, bis in der Phase 4 genügend Zeit verstrichen ist, daß die Ladung beendet ist, die den Äquivalenten der "F"- und "I"-Übertragungen zugeordnet ist. Ein herkömmlicher Abtast- und Halteschaltkreis, der abtastet, wenn der Ausgangsanschluß 18 eine gültige Ausgangsspannung abgibt, kann an dem Ausgang des Filters 10 angeschlossen werden, wenn ein ständig gültiges Abtastdatenausgangssignal gebraucht wird.

Die Tabelle II faßt summarisch die Funktionsweise der bevorzugten Ausführungsform zusammen, wenn ein Kondensator, der analog ist zu dem Kondensator H, anstelle des Kondensators J verwendet wird. Durch Vergleich mit der Funktionsweise, die in Tabelle I summarisch dargestellt ist, besteht die eigentliche Änderung während der Phase 2 und betrifft nur das Schließen des ersten Schalters 32 und des zweiten Schalters 38.

Es wird nun Bezug auf die Fig. 6 genommen. Dort ist ein Funktionsschaltbild einer alternativen Ausführungsform eines Zwei-Phasen-Filters vierten Grades mit geschaltetem Kondensator dargestellt. Der Unterschied dieses Filters zu dem nach Fig. 1 besteht darin, daß der F-Kondensator von dem Schaltkreis entfernt wurde und ein Paar von E-Kondensatoren zwischen dem Ausgang des Filters und dem invertierenden Eingang des ersten Differenzverstärkers angeschlossen ist. Es wurde zuvor bei dem Stand der Technik gezeigt, daß ein Paar von geschalteten Kondensatoren mit gleichem Wert und zueinander parallel geschaltet, wie die als E 1 und E 2 in Fig. 6 gezeigt sind, äquivaltent ist zu einer einzigen unveränderbaren Kapazität. In der Praxis ist es üblich, den Kondensator C und den Kondensator E 2 als einen einzigen geschalteten Kondensator zu kombinieren. In einer gewöhnlichen Bezeichnungsweise wird ein Schaltkreis von derjenigen Art, die in Fig. 1 dargestellt ist, als ein F-Schaltkreis bezeichnet, wohingegen der Schaltkreis nach Fig. 6 als ein E-Schaltkreis bezeichnet wird.

Es wird nun Bezug auf die Fig. 7 genommen. Dort sind ein Blockschaltbild und ein Funktionsschaltbild einer anderen bevorzugten Ausführungsform eines Filterschaltkreises vierten Grades mit geschaltetem Kondensator gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt, der hinsichtlich seiner Funktionsweise ähnlich ist dem Filterschaltkreis nach Fig. 6. Ein Unterschied der Ausführungsform nach Fig. 7 im Vergleich zu derjenigen nach Fig. 2 besteht in der Verbindung des Eingangs eines Abtast- und Halteschaltkreises 132 mit dem Ausgangsanschluß 18 und darin, daß der Ausgang des Abtast- und Halteschaltkreises 132 mit einem Anschluß eines modifizierten dritten Schalters 50 verbunden ist, um den Ausgang des Abtast- und Halteschaltkreises 132 wahlweise mit dem ersten Anschluß 44 des kapazitiven Elements 42 verbinden zu können. Die Funktion des Abtast- und Halteschaltkreises 132 besteht darin, eine gültige Ausgangsspannung von einem Abtastzyklus beizubehalten, bis die Ladung an der Kapazität, die äquivalent zu E 1 ist, während der Phase 3 des nächsten Abtastzyklus initialisiert worden ist.

Die Fig. 8 zeigt eine Gruppe von Wellenformen, die den grundsätzlichen Zeitablauf und die Funktionsweise des Filterschaltkreises nach Fig. 7 darstellt. Wie es in diesen Wellenformen gezeigt ist, tastet der Abtast- und Halteschaltkreis 132 seinen Eingang während der Phase 4 ab.

Die Funktionsweise des Filterschaltkreises nach Fig. 7 ist in Tabelle III für ein Filter summarisch zusammengefaßt, das das Äquivalent zu dem J-Kondensator verwendet, und sie ist in Tabelle IV für ein Filter summarisch zusammengefaßt, das das Äquivalent eines H-Kondensators verwendet.

Es wurden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Verschiedene Änderungen können jedoch durchgeführt werden. Beispielsweise kann die im Time-Sharing- Betrieb gemultiplexte Kondensatortechnik, die hier beschrieben wurde, auf andere Filter vierten Grades mit geschaltetem Kondensator und auf Filter höherer oder niedrigerer Ordnung angewandt werden.

Tabelle I

"F"-Schaltkreis mit einem J-Kondensator

Tabelle II

"F"-Schaltkreis mit einem HJ-Kondensator

Tabelle III

"E"-Schaltkreis mit einem J-Kondensator

Tabelle IV

"E"-Schaltkreis mit einem H-Kondensator

Claims

1. Verfahren zum Multiplexen eines digital programmierbaren kapazitiven Elements in einem elektronischen Schaltkreis, gekennzeichnet durch sequentielles Verbinden des digital programmierbaren kapazitiven Elements (22, 42) mit vorgegebenen Anschlußpunkten des elektronischen Schaltkreises, während gewünschte Kapazitätswerte für das kapazitive Element (22, 42) digital ausgewählt werden.

2. Elektronischer Schaltkreis mit einer Mehrzahl von Schaltungsanschlußpunkten, gekennzeichnet durch

a) ein digital programmierbares kapazitives Element (22, 42),
b) eine Einrichtung (32, 38, 50, 54) zum aufeinanderfolgenden Verbinden des kapazitiven Elements (22, 42) mit ausgewählten Anschlußpunkten des elektronischen Schaltkreises, während gewünschte Kapazitätswerte für das kapazitive Element (22, 42) digital ausgewählt werden.

3. Elektronischer Schaltkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schaltkreis in einem monolititschen intergrierten Schaltkreis beinhaltet ist.

4. Elektronischer Schaltkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (32, 38, 50, 54) zum aufeinanderfolgenden Verbinden des kapazitiven Elements (22, 42) mit ausgewählten Anschlußpunkten des elektronischen Schaltkreises beinhaltet:

a) eine erste Mehrzahl von MOS-Anreicherungsmodustransistoren, die als Übertragungsglieder zwischen den ausgewählten Anschlußpunkten des elektronischen Schaltkreises und einem Anschluß des kapazitiven Elements (22, 42) angeschlossen sind,
b) eine zweite Mehrzahl von MOS-Anreicherungsmodustransistoren, die als Übertragungsglieder zwischen ausgewählten Anschlußpunkten des elektronischen Schaltkreises und dem anderen Anschluß des kapazitiven Elements (22, 42) angeschlossen sind, und
c) eine Steuereinrichtung, die mit dem Gate-Elektroden der ersten und zweiten Mehrzahl von MOS-Anreicherungsmodustransistoren verbunden ist, um zu bewirken, daß die ausgewählten MOS-Transistoren leitend werden.

5. Ein Verfahren zum Time-Sharing-Betrieb eines digital programmierbaren kapazitiven Elements in einem Filterschaltkreis mit geschaltetem Kondensator, wobei der Filterschaltkreis mit geschaltetem Kondensator einen Eingangsanschluß, einen Erdungsanschluß, einen ersten Differenzverstärker und einen zweiten Differenzverstärker aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren umfaßt:

a) das Auswählen eines ersten Kapazitätswerts für das kapazitive Element.
b) das Verbinden beider Anschlüsse des kapazitiven Elements mit einem Erdungsanschluß während einer Dauer, die ausreicht, um jede Ladung von dem kapazitiven Element im wesentlichen zu entfernen,
c) das Bewirken, daß das kapazitive Element durch Trennen beider Anschlüsse des kapazitiven Elements von dem Erdungsanschluß elektrisch schwebend wird,
d) das Verbinden des kapazitiven Elements zwischen dem Eingangsanschluß (36) und dem invertierenden Eingang des zweiten Differenzverstärkers (16) während einer Dauer, die ausreicht, um das kapazitive Element im wesentlichen auf einen Spannungswert an dem Eingangsanschluß (36) aufzuladen,
e) das Bewirken, daß das kapazitive Element durch Trennen der Anschlüsse des kapazitiven Elements von dem Eingangsanschluß (36) und dem invertierenden Eingang des zweiten Differenzverstärkers (16) elektrisch schwebend wird,
f) das Auswählen eines zweiten Kapazitätswerts für das kapazitive Element,
g) das Verbinden beider Anschlüsse des kapazitiven Elements mit dem Erdungsanschluß während einer Dauer, die ausreicht, um jede Ladung von dem kapazitiven Element im wesentlichen zu entfernen,
h) das Bewirken, daß das kapazitive Element durch Trennen beider Anschlüsse des kapazitiven Elements von dem Erdungsanschluß elektrisch schwebend wird, und
i) das Verbinden des kapazitiven Elements zwischen dem Eingangsanschluß (36) und dem invertierenden Eingang des ersten Differenzverstärkers (12) während einer Dauer, die ausreicht, um das kapazitive Element im wesentlichen auf den Spannungswert an dem Eingangsanschluß (36) aufzuladen.

6. Filterschaltkreis vierten Grades mit geschaltetem Kondensator, der einen Eingangsanschluß, einen Ausgangsanschluß und einen Erdungsanschluß aufweist, gekennzeichnet durch

a) einen ersten Differenzverstärker (12), dessen nicht-invertierender Eingang mit Erde verbunden ist,
b) einen ersten Rückkopplungskondensator (14), der zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang des ersten Differenzverstärkers (12) angeschlossen ist,
c) einen zweiten Differenzverstärker (16), dessen nicht-invertierender Eingang mit Erde verbunden ist und dessen Ausgang mit dem Ausgangsanschluß (18) des Filterschaltkreises (10) verbunden ist,
d) einen zweiten Rückkopplungskondensator (20), der zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang des zweiten Differenzverstärkers (16) angeschlossen ist,
e) ein erstes, digital programmierbares kapazitives Element (22), das erste und zweite Anschlüsse (24, 26) aufweist,
f) einen Steuerungs- und Zeitgeberschaltkreis (28) zum Steuern der Funktion des Schaltkreises (10),
g) eine erste Schalteinrichtung, die in Abhängigkeit von dem Steuerungs- und Zeitgeberschaltkreis (28) den ersten Anschluß (24) des ersten programmierbaren Kondensators (22) wählweise mit
- (1) einem offenen Kreis,
- (2) dem Eingangsanschluß (36) des Filterschaltkreises (10) oder
- (3) Erde
verbindet,
h) eine zweite Schalteinrichtung, die in Abhängigkeit von dem Steuerungs- und Zeitgeberschaltkreis (28) den zweiten Anschluß (26) des ersten programmierbaren Kondensators (22) wählweise mit
- (1) einem offenen Kreis,
- (2) dem invertierenden Eingang des zweiten Differenzverstärkers (16),
- (3) dem invertierenden Eingang des ersten Differenzverstärkers (12), oder
- (4) Erde
verbindet,
i) ein zweites, digital programmierbares kapazitives Element (42) mit ersten und zweiten Anschlüssen (44, 46),
j) eine dritte Schalteinrichtung, die in Abhängigkeit von dem Steuerungs- und Zeitgeberschaltkreis (28) den ersten Anschluß (44) des zweiten programmierbaren Kondensators (42) wählweise mit
- (1) einem offenen Kreis,
- (2) dem Ausgang des ersten Differenzverstärkers (12),
- (3) dem Ausgang des zweiten Differenzverstärkers (16), oder
- (4) Erde
verbindet,
k) eine vierte Schalteinrichtung, die in Abhängigkeit von dem Steuerungs- und Zeitgeberschaltkreis (28) den zweiten Anschluß (46) des zweiten programmierbaren Kondensators (42) wählweise mit
- (1) einem offenen Kreis,
- (2) dem invertierenden Eingang des zweiten Differenzverstärkers (16),
- (3) dem invertierenden Eingang des ersten Differenzverstärkers (12), oder
- (4) Erde
verbindet.

7. Filterschaltkreis vierten Grades mit geschaltetem Kondensator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß er weiterhin einen Abtast- und Halteschaltkreis (132) mit einem Eingang und einem Ausgang enthält, daß der Eingang des Abtast- und Halteschaltkreises (132) mit dem Ausgang (18) des Filterschaltkreises (10) verbunden ist und daß der Ausgang des Abtast- und Halteschaltkreises (132) wählweise durch die dritte Schalteinrichtung mit dem ersten Anschluß (44) des zweiten programmierbaren Kondensators (42) verbunden ist.