DE3711604A1 - Phasentrennvorrichtung fuer mos-integrierte schaltkreise, insbesondere zur steuerung von filtern mit geschalteter kapazitaet - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Phasentrennvorrichtung für MOS-integrierte Schaltkreise, insbesondere Schaltkreise der Digital-Analogmischart in VLSI-Technologie. Insbesondere kann die Phasentrennvorrichtung gemäß der Erfindung bei integrierten Schaltkreisen verwendet werden, die eingebaute Filter mit geschalteter Kapazität aufweisen, bei denen es zum richtigen Betrieb der Filter notwendig ist, daß bei nur öffnenden und schließenden elektronischen Schaltern auch ein kurzes gleichzeitiges Schließen vermieden wird.

In den letzten Jahren wurden integrierte Schaltkreise entwickelt, die auf dem gleichen Chip mit digitalen Abschnitten und mit analogen Abschnitten versehen waren, die alle in der gleichen MOS-Technologie in VLSI (Very Large Scale Integration) hergestellt waren. Unter den analogen Abschnitten sind meistens immer Filter mit geschalteter Kapazität vorgesehen, bei denen in bekannter Weise integrierte Kondensatoren abwechselnd durch Eingangssignale geladen und zur Erdung entladen werden, wobei elektronische Schalter verwendet werden, die durch ein Taktsignal mit einer geeigneten Frequenz angetrieben werden, die nebenbei zu Durchgangsfrequenzen des Filters in Beziehung steht.

Derartige elektronische Schalter bestehen in bekannter Weise aus Transistoren, deren Gates durch das von einer geeigneten Quelle zugeführten Taktsignal angetrieben werden. Bei der Ein-Kanal-Technologie (PMOS oder NMOS) sind die Schalter einzelne Transistoren, während in der Doppel-Kanal- Technologie (CMOS) sie aus einem Paar Transistoren bestehen, die parallel durch die entsprechende wahre Form ( Φ ) und durch die umgekehrte Form () des Taktsignals gesteuert werden.

Wieder sind im Fall der CMOS-Technologie und insbesondere im Fall von Filtern mit geschalteter Kapazität zwei Schalter oder zwei Paare von Transistoren, parallel geschaltet, vorgesehen, die an einem Ende gemeinsam mit der geschalteten Kapazität und mit dem anderen Ende zum einen mit dem Eingangssignal und zum anderen mit der Erde verbunden sind. Auf diese Weise wird eines der Transistorpaare durch die Taktsignale Φ₁ und ₁ gesteuert, während das andere durch die Taktsignale Φ₂ und ₂ gesteuert wird, die die entgegengesetzte Phase in bezug zu den ersten aufweisen. Die zwei Transistorpaare dürfen niemals gleichzeitig freigegeben werden, auch nicht momentan, um das Auftreten von momentanen Widerstandsbahnen zu vermeiden, die die zu den zu filternden Eingangssignalen gehörenden Grundladungen zerstreuen.

Mit anderen Worten, Φ₁ und Φ₂ dürfen "nicht überlappen", d. h., wenn eine Phase hochgeht (der entsprechende Schalter schließt), muß die andere Phase bereits unten sein (der entsprechende Schalter muß bereits offen sein). Aus diesem Grund werden sogenannte "Phasentrennvorrichtungs"-Schaltkreise verwendet, die ausgehend von einem Grundtaktsignal, zwei Signale in gegenüberliegender Phase erzeugen, die aus einer Impulsfolge bestehen, die näher aneinanderliegen als die, die das Grundtaktsignal bilden. Die Zeitdifferenz zwischen der ansteigenden Kante von Φ₂ und der fallenden Kante von Φ₁ (oder zwischen der ansteigenden Kante von Φ₁ und der fallenden Kante von Φ₂) ist als "Trennzeit" t _DIS bekannt.

Ein sehr einfacher bekannter Phasentrennvorrichtungsschaltkreis besteht aus nur vier logischen Gates (die geeignet bemessen sind, entsprechend der kapazitiven Last, gesehen für die vier Leitungen der Phasen), wobei jedoch die Trennzeit niemals von den Kanten unabhängig ist (die aufsteigenden Zeiten und die fallenden Zeiten der erzeugten Phasen) und somit ist nur eine sehr genaue Dimensionierung der logischen Gates möglich, um zu verhindern, daß Φ₁ und Φ₂ (oder ₁ und ₂) sich in einem bestimmten Zeitpunkt überlappen.

In bestimmten Fällen ist dies ein sehr großer Nachteil, insbesondere, wenn Filter mit unterschiedlichen Frequenzen miteinander verbunden werden müssen (ein bei 8 kHz abgetasteter Filter und ein bei 128 kHz abgetasteter Filter), da, um die Änderung der gesamten Frequenzantwort der zwei in Kaskadenschaltung miteinander verbundenen Filter zu vermeiden, es erforderlich ist, die einem Filter zugehörigen Phasen während den Trennzeiten der zueinander gehörigen Phasen zu schalten, wobei es nicht möglich ist, dies sicherzustellen, wenn eine vollständig unkorrelierte Trennzeit für die Flanke bzw. Kante der erzeugten Phasen nicht erhalten wird.

Um diesen Nachteil zu überwinden, wurde eine Phasentrennvorrichtung der digitalen Art vorgeschlagen (im folgenden unter Bezug auf Fig. 1 und 2 beschrieben), bei der zur Erzeugung der Trennzeit ein Hilfstaktsignal CLKRIT mit einer höheren Frequenz als das Grundsignal und hierzu voreilend verwendet wird. Es ist dann jedoch notwendig, in der Nähe eine zusätzliche Leitung für das Hilfstaktsignal vorzusehen, wodurch Platz bei der Auslegung des integrierten Schaltkreises verschwendet wird, und wobei weitere Schwierigkeiten in der Auslegung infolge der Tatsache entstehen, daß es erforderlich ist, die gewünschte Voreilung am Ende sowohl der Bahnen von Φ und von CLKRIT zu erhalten. Weiter wird die Trennzeit fest während der Auslegung des Schaltkreises eingestellt, und es ist nicht erforderlich, sie später zu ändern, ohne daß große Änderungen in der Auslegung erforderlich sind.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Phasentrennvorrichtung zu schaffen, die, obwohl sie die Vorteile der digitalen Phasentrennvorrichtung beibehält, die Verwendung von Hilfstaktsignalen vermeidet, und weiter den Platz für die Einnahme einer zugeordneten Leitung vermeidet, und die entsprechend ebenfalls die kritische zeitliche Abstimmung zwischen Φ und CLKRIT ausschaltet.

Weiter soll mit der vorliegenden Erfindung eine Phasentrennvorrichtung geschaffen werden, mit der es einfach und sofort möglich ist, den Schaltkreis zur Änderung der Phasentrennzeit zu ändern.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst, d. h. mit einer Phasentrennvorrichtung für MOS-integrierte Schaltkreise, insbesondere zur Steuerung von Filtern mit geschalteter Kapazität mit einem NAND-Gate und einem NOR-Gate, die jeweils mit einem ersten direkt durch ein Taktsignal gesteuerten Eingang und mit einem zweiten durch einen Schaltkreis gesteuerten Eingang versehen sind, wobei der Schaltkreis eine verzögerte Form des gleichen Taktsignals liefert, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkreis zur Schaffung der verzögerten Form des Taktsignals ein analoger Verzögerungsschaltkreis ist, der einen durch das Taktsignal gesteuerten Eingang aufweist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild der Phasentrennvorrichtung der digitalen Art gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 2 verschiedene Diagramme der während des Betriebs der Phasentrennvorrichtung von Fig. 1 auftretenden Wellenformen;

Fig. 3 ein Schaltbild der Phasentrennvorrichtung gemäß der Erfindung; und

Fig. 4 eine Reihe von Diagrammen der Wellenform während des Betriebs der Phasentrennvorrichtung von Fig. 3.

Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Phasentrennvorrichtung nach dem Stand der Technik umfaßt ein NAND-Gate 10 und ein NOR-Gate 12, die jeweils an entsprechenden ersten Eingängen ein gleiches Taktsignal Φ (dessen Verlauf in Fig. 2 dargestellt ist) über entsprechende Leitungen 14, 16 empfangen. Das Signal Φ liegt ebenfalls an einem Verzögerungsschaltkreis an, der einen elektronischen Schalter 18 aufweist, an dem sich zwei kaskadengeschaltete Inverter 20, 22 anschließen, zu denen eine direkte Verbindung vorgesehen ist, die einen zweiten elektronischen Schalter 24 umfaßt. Der Ausgang des zweiten Inverters 22 liegt an den entsprechenden zweiten Anschlüssen der zwei Gates 10, 12 an. Der Schalter wird mittels eines Hilfstaktsignals CLKRIT mit einer höheren Frequenz als Φ angetrieben, während seine negierte Form den Schalter 24 antreibt. Das Signal CLKRIT und seine negierte Form werden durch nicht dargestellte Mittel erzeugt und dem Schaltkreis zugeführt.

Wie man aus den Bildern von Fig. 2 sieht, führt das Hilfstaktsignal CLKRIT eine Verzögerung in die Wellenform Φ _RIT ein, die am Ausgang des zweiten Inverters 22 erscheint, der dem Signal Φ identisch ist, jedoch um eine Zeit t _DIS verzögert ist, die der Voreilung t _ANT der Flanke des Hilfstaktsignals in bezug auf Φ komplementär ist. Die zwei Wellenformen Φ und Φ _RIT , die den entsprechenden NAND- und NOR-Gates 10 und 12 zugeführt werden, erzeugen, wie dies für den Fachmann ersichtlich ist, die Ausgangswellenformen ₁ und Φ₂ und durch weiteres Umkehren in den Invertern 38, 40, erzeugen sie wieder die Signale Φ₁ und ₂, und somit insgesamt die wahre Form und die negierte Form von Φ₁, die Φ verdoppelt, und die wahre und die negierte Form von Φ₂, die die nichtüberlappte Form von ist.

Die Ausgänge der Gates 10 und 12 werden weiter durch die Inverter 26, 28 umgekehrt, und bilden entsprechend die Signale Φ₁ und ₂ während die wahren Ausgänge der Gates 10 und 12 die entsprechenden Signale ₁ und Φ₂ bilden.

In Fig. 3 und 4 wird nun eine bevorzugte Ausführungsform der Phasentrennvorrichtung gemäß der Erfindung beschrieben. Die Phasentrennvorrichtung umfaßt ein NAND-Gate 30 und ein NOR-Gate 32, die an entsprechenden ersten Eingängen ein gleiches Taktsignal Φ (dessen Diagramm in Fig. 4 dargestellt ist) über entsprechende Leitungen 34, 36 empfangen. Das Signal Φ wird ebenfalls einem analogen Verzögerungsschaltkreis, bestehend aus einem Inverter 38 mit einem sehr hohen Widerstand (z. B. in dem CMOS-Fall versehen mit P-Kanal- und N-Kanal-Transistoren mit einem sehr kleinen Verhältnis der Kanalbreite und -länge), woraufhin ein kaskadengeschalteter zweiter normaler Inverter 40 folgt, dessen Ausgang Φ _RIT den zweiten Eingängen der Gates 30 und 32 zugeführt wird. Der Ausgang des ersten Inverters 38 ist mit der Erde mittels eines Kondensators 42 verbunden. Das Laden und Entladen des Kondensators 42 unter Berücksichtigung des hohen Widerstandes durch den Inverter 38 bewirkt das Ansteigen und Abfallen der Flanken des Taktsignals Φ, das am zweiten Inverter mit einer Verzögerung anliegt, die von der RC-Zeitkonstanten der Häufungsstelle abhängt. Am Ausgang des zweiten Inverters 40 erscheint somit die Wellenform Φ _RIT , die dem Signal Φ identisch, jedoch um die Trennzeit t _DIS (Fig. 4) verzögert ist. Man sieht, daß die Zeitanpassung zwischen Φ und Φ _RIT in bezug auf den bekannten Schaltkreis von Fig. 1 unverändert bleibt.

Wie in dem bekannten Schaltkreis von Fig. 1 werden zwei Wellenformen Φ und Φ _RIT entsprechend an die NAND- und NOR- Gates 30 und 32 angelegt, die zu Ausgangswellenformen ₁ und Φ₂ führen, und die durch weiteres Umkehren in den Invertern 38, 40 dann wieder die Signale Φ₁ und ₂ und somit insgesamt die wahre Form und die negierte Form von Φ₁ liefern, welches Φ verdoppelt, und die wahre und die negierte Form von Φ₂ liefern, welches die nichtüberlappte Version von ist (mit Ausnahme der leichten Verzögerungen in der Ausbreitung).

Es ist ersichtlich, daß neben dem Vorteil, daß kein Hilfstakt erforderlich ist, die Phasentrennvorrichtung gemäß der Erfindung eine sehr einfache Änderung der Trennzeit t _DIS durch Einwirken auf den Kondensator 42 ermöglicht, und aus diesem Grund kann in dem integrierten Schaltkreis eine mögliche metallisierte Schicht vorgesehen sein.

Es wurde eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben, es ist jedoch verständlich, daß äquivalente Änderungen und Abänderungen im Bereich der Lehre liegen. Insbesondere kann der die zwei Inverter 38, 40 und den Kondensator 42 umfassende Schaltkreis in unterschiedlicher Weise vorgesehen sein, und allgemein kann irgendein anderer geeigneter analoger Verzögerungsschaltkreis verwendet werden.

Claims (7)

1. Phasentrennvorrichtung für MOS-integrierte Schaltkreise, insbesondere zur Steuerung von Filtern mit geschalteter Kapazität mit einem NAND-Gate (30) und einem NOR-Gate (32), die jeweils mit einem ersten direkt durch ein Taktsignal gesteuerten Eingang und mit einem zweiten, durch einen Schaltkreis gesteuerten Eingang versehen sind, wobei der Schaltkreis eine verzögerte Form des gleichen Taktsignales liefert, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkreis zur Schaffung der verzögerten Form des Taktsignals ein analoger Verzögerungsschaltkreis ist, der einen durch das Taktsignal gesteuerten Eingang aufweist.

2. Phasentrennvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der analoge Verzögerungsschaltkreis als Verzögerungszeitkonstante die Ladung oder Entladung eines Kondensators (42) in bezug auf eine feste Bezugsspannung verwendet.

3. Phasentrennvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verzögerungsschaltkreis einen ersten und einen zweiten kaskadengeschalteten Inverter (38, 40) zwischen dem Taktsignal bzw. den zweiten Eingängen der NAND- und NOR-Gates (30, 32) umfaßt, und daß der Kondensator (42) zwischen dem Ausgang des ersten Inverters (38) und der festen Bezugsspannung geschaltet ist.

4. Phasentrennvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Inverter (38, 40) Inverter mit sehr hohem Widerstand sind.

5. Phasentrennvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Inverter (38, 40) mit sehr hohem Widerstand mit MOS-Transistoren versehen sind, die ein niedriges Verhältnis zwischen der Breite und der Länge der Kanäle aufweisen.

6. Phasentrennvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgängen der NAND- und NOR-Gates (30, 32) zwei weitere Inverter (44, 46) geschaltet sind.

7. MOS-integrierter Schaltkreis, insbesondere mit einem Filter mit geschalteter Kapazität, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einer eingebauten Phasentrennvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 versehen ist.