DE69219749T2

DE69219749T2 - Zeit-konstante Detektionsschaltung und Zeit-konstante Regelungschaltung

Info

Publication number: DE69219749T2
Application number: DE69219749T
Authority: DE
Inventors: Masaki Ichihara
Original assignee: NEC Corp; Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1991-12-26
Filing date: 1992-12-24
Publication date: 1998-01-08
Anticipated expiration: 2012-12-25
Also published as: CA2085528C; DE69219749D1; JPH05180881A; CN1036096C; JP2715770B2; CA2085528A1; CN1077800A; AU654418B2; EP0549354B1; EP0549354A2; EP0549354A3; AU3026592A; US5466976A

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zeitkonstante- Detektionsschaltung und eine Zeitkonstante-Regelungsschaltung. Die Zeitkonstante-Detektionsschaltung dient dazu, Änderungen einer Zeitkonstanten einer Schaltung, die Widerstände und Kondensatoren aufweist, wie zum Beispiel eines in eine LSI- Schaltung eingebauten aktiven RC-Filters, zu detektieren und die Zeitkonstante-Regelungsschaltung dient dazu, die Änderungen einer solchen Zeitkonstanten zu regeln.

2. Beschreibung des Stands der Technik

Eine monolithische LSI-Schaltung enthält eine Schaltung, die als Bestandteile Widerstände und Kondensatoren aufweist, zum Beispiel ein aktives RC-Filter. Dies verursacht jedoch das Problem, daß Fehler der Elementwerte in ihren Absolutwerten sehr groß sind, wie im Stand der Technik gut bekannt ist. Insbesondere sind Änderungen der Elementwerte von Widerständen und Kondensatoren in dem gleichen Chip so klein wie 1% oder weniger, jedoch zwischen verschiedenen Chips so riesig groß wie 20% - 40%.
Der Aufbau eines solchen aktiven Filters unter Verwendung von Widerständen und Kondensatoren verursacht Schwankungen einer Grenzfrequenz im Bereich von 40% bis 100%, falls Schwankungen dieser Elementwerte im Bereich von +/-30% liegen, und somit ändert sich die Grenzfrequenz stark und es ist sehr unwahrscheinlich, Filter, die Präzision erfordern, zu realisieren.
Um ein solches Problem vom Stand der Technik zu lösen, ist seit kurzem Praxis, Filter, die in monolithischen LSI- Schaltungen eingebaut werden, in Form von Schaltungen des Typs geschalteter Kondensatorfilter anstelle derer des RC-Typs zu konstruieren. Solche Schaltungen des Typs geschalteter Kondensatorfilter erfordern jedoch sicherlich wegen einer Konstruktion als Samplingtyp an einer vorausgehenden Stufe und an einer nachfolgenden Stufe Filter zur Verhinderung des Aliasingeffekts und Glättungsfilter, die jeweils nur aus aktiven RC-Filtern aufgebaut sein müssen. Die vorstehend erwähnten Änderungen der Grenzfrequenz sind somit unvermeidbar und verursachen mehrere ernsthafte Probleme beim Schaltungsentwurf.
Ein Merkmal einer zu beschreibenden Anordnung ist die Bereitstellung einer Zeitkonstante-Detektionsschaltung, die in der Lage ist, Änderungen der Elementwerte in Form einer Zeitkonstanten einer RC-Schaltung zu detektieren, unter dem Aspekt, daß Widerstände und Kondensatoren, die in einer LSI- Schaltung gebildet sind, sehr kleine Fehler ihrer Elementwerte besitzen.
Ein anderes Merkmal ist die Bereitstellung einer Zeitkonstante-Regelungsschaltung, die in der Lage ist, auf der Basis eines Detektionsergebnisses von der Zeitkonstante- Detektionsschaltung eine genaue Regelung dieser Elementwerte sicherzustellen.
Eine zu beschreibende Zeitkonstante-Detektionsschaltung ist als Teil einer angeschlossenen Schaltung in eine LSI- Schaltung eingebaut und weist auf: eine Spannungsteilungswiderstandschaltung, die aus einer Reihenschaltung eines Pseudo-Widerstands, der mit einer geschalteten Kondensatorschaltung gebildet ist, und eines gewöhnlichen Widerstands besteht, um eine angelegte vorgegebene Gleichstromspannung zu teilen; und einen Glättungskondensator zum Glätten der geteilten Spannung von der Spannungsteilungswiderstandschaltung.
Eine zu beschreibende zeitkonstante-Regelungsschaltung ist als Teil einer angeschlossenen Schaltung in eine LSI-Schaltung eingebaut, welche aufweist: die vorstehend erwähnte Zeitkonstante-Detektionsschaltung, eine Beurteilungsschaltung zur Beurteilung des Bereichs der Ausgangsspannung der Zeitkonstante-Detektionsschaltung und zur Ausgabe eines Steuersignals als Antwort auf den so beurteilten Bereich, und Einrichtungen, die in einer angeschlossenen Schaltung angeordnet sind, die Widerstände und Kondensatoren als Bestandteile aufweist, zum Ändern der Werte der entsprechenden Widerstände und Kondensatoren durch Empfang des Steuersignals.
Die oben erwähnte Zeitkonstante-Detektionsschaltung und oben erwähnte Zeitkonstante-Regelungsschaltung funktionieren wie folgt:
In der Zeitkonstante-Detektionsschaltung weist die geschaltete Kondensatorschaltung, obwohl sie auf verschiedene Arten aufgebaut sein kann, einen Kondensator und mehrere analoge Schalter zum Laden und Entladen des Kondensators in einer Zeit T auf, wobei der Widerstand Rp des Pseudo- Widerstands Rp=T/C beträgt, unter der Annahme, die Kapazität des Kondensators sei C. Die vorgegebene Spannung wird durch eine Reihenschaltung aus einem Pseudo-Widerstand Rp und einem gewöhnlichen Widerstand geteilt und wird ferner durch einen Glättungskondensator geglättet. Die geglättete Spannung ist durch eine Zeitkonstante τ=1/RC eindeutig definiert.
Insbesondere kann die vorliegende Schaltung die Änderungen der Werte von Bauteilen wie von in eine LSI-Schaltung eingebauten Widerständen und Kondensatoren als Änderungen der Zeitkonstanten τ detektieren. Diese Änderungen sind als Daten wirkungsvoll, um die Änderungen der Kennlinien einer Schaltung mit Widerständen und Kondensatoren zu schätzen, da der relative Fehler im gleichen Chip sehr klein ist.
In der Zeitkonstante-Regelungsschaltung wird der Bereich der Ausgangsspannung der Zeitkonstante-Detektionsschaltung beurteilt und als Antwort auf den beurteilten Bereich werden
Werte der entsprechenden Widerstände und Kondensatoren in einer Zielschaltung geändert und genau geregelt. Insbesondere wird beim Einbau eines gewünschten aktiven RC-Filters in eine LSI-Schaltung die Grenzfrequenz der Schaltung automatisch regulierbar gemacht.
Ausführungsformen der Erfindung, die beispielhaft gegeben sind, werden nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 ein Schaltungsdiagramm einer Zeitkonstante Detektionsschaltung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 2 Öffnen/Schließen-Steuersignale zum Öffnen/Schließen eines in Fig. 1 dargestellten analogen Schalters sind;
Fig. 3 ein Schaltungsdiagramm einer Zeitkonstante Detektionsschaltung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 4 eine Zeitkonstante-Regelungsschaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 5 ein Schaltungsdiagramm ist, das beispielhaft eine in Fig. 4 dargestellte Beurteilungsschaltung darstellt; und
Fig. 6 ein Schaltungsdiagramm ist, das beispielhaft ein aktives Filter mit einer Regelungsfunktion darstellt.
Mit Bezug auf Fig. 1 ist eine Zeitkonstante-Detektionsschaltung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. In der ersten Ausführungsschaltung bilden eine Reihenschaltung aus einem gewöhnlichen Widerstand 4 und einem Pseudo-Widerstand 6 eine Widerstandsspannungsteilungsschaltung, in welcher der gewöhnliche Widerstand 4 auf der Seite einer DC-Spannungsversorgung angeordnet ist und der Pseudo-Widerstand 6 auf der Seite der Erdung angeordnet ist, und ein Glättungskondensator 5 ist zwischen einem Knoten (einem Ausgangsanschluß 7) zwischen sowohl den vorausgehenden Widerständen 4 und 6 und der Erdung vorgesehen. Für die DC- Spannungsversorgung kann entweder eine Spannungsversorgung für eine LSI-Schaltung oder jede andere DC-Spannungsversorgung vorhanden sein.
Der Pseudo-Widerstand 6 ist in der vorliegenden Erfindung aus einer parallelen geschalteten Kondensatorschaltung aufgebaut. Insbesondere weist der Pseudo-Widerstand 6 einen an seinem einen Ende geerdeten Lade/Entlade-Kondensator 2, einen zwischen dem anderen Ende des Kondensators 2 und der Erdung angeordneten analogen Schalter 1 und einen analogen Schalter 2 auf, der zwischen dem anderen Ende des Kondensators 2 und dem Ausgangsanschluß 7 der vorliegenden Widerstandsteilungsschaltung angeordnet ist.
In der geschalteten Kondensatorschaltung werden die analogen Schalter 1,3 in einer Zeit T gemäß den in Fig. 2 dargestellten Öffnen/Schließen-Steuersignalen φA und φB jeweils abwechselnd ein- und ausgeschaltet, um das Laden und Entladen des Kondensators 2 zu steuern. Angenommen, die Kapazität des Kondensators sei C und die Anschlußspannung (geteilte Ausgangsspannung der Widerstandsspannungsteilungsschaltung) des Kondensators 5 sei Vout, dann fließt aufgrund der Operation des Kondensators 2 während einer Zeitspanne, in welcher der analoge Schalter geschlossen ist, entsprechend ein Strom 1, ausgedrückt durch den Ausdruck
I = C*Vout/T
aus dem Ausgangsanschluß durch den Kondensator 5 zur Masse.
Dementsprechend wird der Widerstand Rp des Pseudo- Widerstands 6 durch einen Ausdruck
Rp = T/C
ausgedrückt.
Die Ausgangsspannung Vout, die an dem Ausgangsanschluß 7 erscheint, nachdem sie von dem Kondensator 5 geglättet wurde, wird ausgedrückt durch:
Vout = Vdd*(T/C)/{T/(C+R)}.
Darin ist Vdd die Spannung der DC-Spannungsversorgung und R ist ein Widerstand des gewöhnlichen Widerstands 4. Der Ausdruck wird unter Verwendung einer Zeit-Konstanten τ (τ=1/RC) geändert in:
Vout = Vdd*τ/{τ+(1/T)}
Mit anderen Worten, die mittlere Ausgangsspannung Vout ist eindeutig durch die Zeitkonstante τ definiert, die mit dem gewöhnlichen Widerstand 4 und dem Kondensator 2 gebildet wird, und es folgt, daß mit einer Messung der Spannung Vout die Zeitkonstante τ geschätzt und detektiert werden kann.
Mit Bezug auf Fig. 3 ist eine Zeitkonstante-Detektionsschaltung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt.
In der zweiten Ausführungsschaltung sind die Lage des gewöhnlichen Widerstands 4 und die des Pseudo-Widerstands 6 miteinander vertauscht, wobei der Pseudo-Widerstand 6 auf der Seite der DC-Spannungsversorgung angeordnet ist und der gewöhnliche Widerstand 4 auf der Seite der Erdung angeordnet ist.
In der zweiten Ausführungsschaltung fließt entsprechend ein Strom I, ausgedrückt durch
I = C*(Vdd-Vout)/T
von der DC-Spannungsversorgung (Vdd) zum Ausgangsanschluß 7.
Die Ausgangsspannung Vout wird demgemäß ausgedrückt durch:
Vout = Vdd*R/{(T/C)+R},
was unter Verwendung der Zeitkonstanten τ umgeschrieben wird zu:
Vout = Vdd*(1/T)/{τ+(1/T)}.
Es wird somit verständlich, daß die Zeitkonstante wie im Falle der ersten Ausführungsschaltung detektiert werden kann.
Mit Bezug auf Fig. 4 ist eine Zeitkonstante-Regelungsschaltung zum Regeln einer solchen Zeitkonstanten unter Verwendung der vorstehenden beschriebenen Zeitkonstante- Detektions schaltung beispielhaft dargestellt.
Mit Bezug auf Fig. 4 ist bei 34 ein aktives RC-Filter bezeichnet, das in eine LSI-Schaltung eingebaut ist, um ein Eingangssignal eines Eingangsanschlusses 32 mit einer vorgegebenen Grenzfrequenz zu filtern und dasselbe an einem Ausgangsanschluß 33 auszugeben. Um die Grenzfrequenz des aktiven Filters 34 zu regeln, sind in der LSI-Schaltung eine Zeitkonstante-Detektionsschaltung 8 und eine Beurteilungsschaltung 9 zusammengestellt. In diesem Fall ist das aktive Filter 34 mit einigen zusätzlichen Funktionen entworfen.
Die Beurteilungsschaltung 9 empfängt eine am Ausgangsanschluß 7 der Zeitkonstante-Detektionsschaltung 8 erscheinende detektierte Spannung (vorausgehende Ausgangsspannung Vout), um zu beurteilen, wie sich die Zeitkonstante τ geändert hat und um mehrere Steuersignale 10, die ein Beurteilungsergebnis anzeigen, auszugeben, um Eingangsanschlüsse (φ&sub1; bis φn) des aktiven Filters 34 zu steuern. Die Beurteilungsschaltung 9 kann mit einem AID-Umsetzer aufgebaut sein oder kann mit einer Kombination aus mehreren Spannungskomparatoren und einer Logikschaltung aufgebaut sein.
Mit Bezug auf Fig. 5 ist die mit der gerade erwähnten Kombinationsschaltung aufgebaute Beurteilungsschaltung 9 beispielhaft dargestellt.
In Fig. 5 sind bei 35 bis 38 Komparatoren bezeichnet, die Referenzwerte haben, die durch die Spannungsteilungswiderstände 40 bis 44 definiert sind, 39 ist eine Kombinationslogikschaltung zur Verarbeitung von Ausgangssignalen der Komparatoren 35 bis 38, welche UND-Schaltungen und NOR- Schaltungen aufweist.
Ein aus dem Ausgangsanschluß 7 herausgenommenes Ausgangssignal der Zeitkonstante-Detektionsschaltung 8 (dargestellt in Fig. 1 oder Fig. 3) wird von den Komparatoren 35 bis 38 mit den jeweiligen Referenzwerten verglichen, die durch Teilen der Versorgungsspannung Vdd mit den Spannungsteilungswiderständen 40 bis 44 erzeugt werden. Ausgangssignale der Komparatoren 35 bis 38 werden mit einer vorgegebenen Logik von der Kombinationsschaltung 39 verarbeitet und als Steuersignale φ&sub1;, φ&sub2;,...,φn ausgegeben.
Zurück zu Fig. 4. Das aktive Filter 34 ändert als Antwort auf das Steuersignal 10 Elementwerte der angeschlossenen Widerstände und Kondensatoren. Hierdurch wird das aktive Filter 34 automatisch geregelt, so daß es sich einer vorgegebenen Grenzfrequenz aufs äußerste nähert. Dies ist die zusätzliche Funktion des hinzugefügten Filters 34. Ein konkretes Beispiel dafür wird mit Bezug auf Fig. 6 beschrieben.
Fig. 6 zeigt beispielhaft die Anordnung eines zweiten aktiven RC-Tiefpaßfilters zur genauen Regelung der Grenzfrequenz.
In Fig. 6 ist bei 31 ein Operationsverstärker als Hauptkomponente bezeichnet, an dessen Eingangsseite Widerstände 13, 16 und Kondensatoren 19, 22, die im wesentlichen erforderlich sind, und ferner Widerstände 11, 12, 14, 15, mit denen jeweils Kurzschlußschalter 23, 24, 27, 28 parallel angeordnet sind, und Kondensatoren 17, 18, 19, 20, 30 angeordnet sind, wobei die Schalter von den vier Steuersignalen φ&sub1; bis φ&sub4; 10 geöffnet und geschlossen werden.
In dem dargestellten Beispiel werden die Schalter 25, 29 von φ&sub1; der Steuersignale 10 geöffnet und geschlossen, um die Kondensatoren 17, 20 zu verbinden und zu trennen, werden die Schalter 26, 30 von φ&sub2; geöffnet und geschlossen, um die Kondensatoren 18, 21 zu verbinden und zu trennen, werden die Schalter 23, 27 geöffnet und geschlossen, um die Widerstände 11, 14 kurzuschließen und zu verbinden, werden die Schalter 24, 28 von φ&sub4; geöffnet und geschlossen, um die Widerstände 12, 15 kurzuschließen und zu verbinden.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Zeitkonstante- Detektionsschaltung der vorliegenden Erfindung wird eine vorgegebene DC-Spannung durch eine Reihenschaltung aus dem Pseudo-Widerstand, der mit der geschalteten Kondensatorschaltung gebildet ist, und dem gewöhnlichen Widerstand geteilt und eine mittlere Spannung der geteilten Spannungen wird ausgegeben.
Demgemäß kann die Ausgangsspannung eindeutig durch eine Zeitkonstante bestimmt werden, die durch den Kondensator in der geschalteten Kondensatorschaltung und den gewöhnlichen Widerstand definiert ist, um zu ermöglichen, daß Änderungen von Elementwerten von Widerständen und Kondensatoren, die in einer LSI-Schaltung gebildet sind, als Änderungen der Zeitkonstanten detektiert werden.
In der Zeitkonstante-Regelungsschaltung, die beschrieben worden ist, können die Änderungen einer Zeitkonstanten einer Schaltung, die Widerstände und Kondensatoren als Bestandteile aufweist, automatisch genau geregelt werden, um den Einbau eines Filters mit geringen Änderungen seiner Grenzfrequenz in eine LSI-Schaltung zu ermöglichen.
Es versteht sich von selbst, daß, obwohl die vorliegende Erfindung anhand eines Beispiels mit Bezug auf spezielle Ausführungsformen beschrieben worden ist, Änderungen und Abwandlungen davon sowie andere Ausführungsformen innerhalb des Bereichs des beantragten Schutzes, so wie in den angefügten Ansprüchen definiert, hergestellt werden können.

Claims

1. Zeitkonstante-Dektektionsschaltung, die als Teil einer zugehörigen Schaltung in einer LSI-Schaltung vorhanden ist, mit:

einer Widerstandsteilungsschaltung (4,6), die aus einer Reihenschaltung eines mit einer Schaltkondensatorschaltung (2) gebildeten Pseudo-Widerstands (6) und eines gewöhnlichen Widerstands (4) besteht, zum Teilen einer angelegten Gleich-

spannung (Vdd); und

einem Glättungskondensator (5) zum Glätten der von der Widerstandsteilungsschaltung (4,6) geteilten Spannung.

2. Zeitkonstante-Detektionsschaltung nach Anspruch 1, wobei der Pseudowiderstand (6) einen an seinem einen Ende mit Masse verbundenen Kondensator (2) und zwei analoge Schalter (1,3) aufweist, die mit dem anderen Ende des Kondensators (2) verbunden sind, wobei ein zur Seite des Kondensators (2) gegenüberliegender Anschluß des einen analogen Schalters (1) geerdet ist und ein zur Seite des Kondensators (2) gegenüberliegender Anschluß des anderen analogen Schalters (3) mit einem Knoten zwischen dem gewöhnlichen Widerstand (4) und dem Glättungskondensator (5) verbunden ist, wobei die zwei analogen Schalter wechselweise an- und ausgeschaltet werden.

3. Zeitkonstante-Einstellschaltung, die als Teil einer zugehrigen Schaltung in einer LSI-Schaltung vorhanden ist, mit: einer Zeitkonstanten-Detektionsschaltung (8) nach Anspruch 1;

einer Beurteilungsschaltung (9) zur Beurteilung des Bereichs einer Ausgangsspannung aus der Zeitkonstanten- Detektionsschaltung und zur Ausgabe eines Steuersignals als Antwort auf den so beurteilten Bereich; und

Einrichtungen (34), die in einer Schaltung vorgesehen sind, die Widerstände und Kondensatoren als Bestandteile aufweist, zum Empfangen des Steuersignals, um die Elementwerte der entsprechenden Widerstände und Kondensatoren zu ändern.

4. Zeitkonstante-Einstellschaltungnach Anspruch 3, wobei die Beurteilungsschaltung (9) mehrere Komparatoren (35,36,37,38), wobei jeder Komparator verschiedene Referenzwerte (40,41,42,43) hat, und eine Kombinationslogikschaltung (39) aufweist, zur Verarbeitung der Ausgangssignale aus den Komparatoren in Übereinstimminung mit einer vorgegebenen Logik.