DE69419538T2

DE69419538T2 - Programmierbarer Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten

Info

Publication number: DE69419538T2
Application number: DE69419538T
Authority: DE
Inventors: Ian Craig Macbeth; Douglas Martin Pattullo
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1993-02-12
Filing date: 1994-02-11
Publication date: 2000-03-23
Anticipated expiration: 2014-02-12
Also published as: AU676520B2; EP0611165B1; SG49710A1; KR100301875B1; AU5485494A; TW366139U; GB2275144B; EP0611165A1; JPH0746087A; DE69419538D1; RU94004985A; CA2115330A1; US5608345A; ATE182429T1; GB9302881D0; GB9402579D0; GB2275144A; JP3481286B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen programmierbaren Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten und insbesondere, aber nicht ausschließlich auf eine programmierbare analoge Zelle, die einen Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten enthält, sowie auf ein Array solcher Zellen.
Schaltkreise mit geschalteten Kapazitäten sind bekannt, und sie werden in Filterschaltkreisen verwendet, um das Verhalten eines Widerstands zu simulieren, indem mittels Wechselschaltkreisen auf jeder Seite des Kondensators Ladung in und aus einem Kondensator heraus geleitet wird. Sie werden insbesondere in Filterschaltkreisen verwendet, um den Widerstandsanteil eines RC-Zeitglieds für einen Filter zu bilden. Das heißt, der Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten wird verwendet, um einen zweiten Kondensator mit einer bestimmten Rate aufzuladen, wobei die Rate, mit der der zweite Kondensator aufgeladen wird, vom Verhältnis der Werte zwischen der geschalteten Kapazität und dem zweiten Kondensator abhängt. Ein bekannter Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten umfaßt einen Kondensator (die "geschaltete" Kapazität), die zwischen dem ersten und zweiten Wechselschaltkreis eingesetzt ist. Jeder Wechselschaltkreis hat außer einem Anschluß, der ihn mit der geschalteten Kapazität verbindet, zwei Anschlüsse. Der Wechselschaltkreis, der mit dem zweiten Anschluß der geschalteten Kapazität verbunden ist, hat einen Anschluß, der mit dem Ausgang des Schaltkreises mit geschalteter Kapazität verbunden ist, und einen Anschluß, der mit Masse verbunden ist. Die Wechselschaltkreise können von Taktsignalen gesteuert werden, die sich nicht überlappen, die die Schalter zwischen den beiden Anschlüssen umschalten. Dieses hin- und herschalten schickt Ladungspakete in die Kapazität hinein und heraus, um so das Verhalten eines Widerstands zu simulieren.
Nachfolgende Entwicklungen haben zur Verwendung von Schaltkreisen mit geschalteten Kapazitäten in vielen ver schiedenen Strukturen geführt, die über die Simulation des eines Widerstands hinausgehen. Diese Strukturen verhalten sich auf eine definierbare Weise, obwohl manche keine analog ausführbare Entsprechung haben.
In gängigen Schaltkreisen mit geschalteten Kapazitäten werden die benötigten, nicht-überlappenden Taktsignale an alle Wechselschaltkreise im Schaltkreis abgegeben. Dies wird mittels eines fest verdrahteten Busses erreicht, der von einem Taktsignalgenerator zu jedem Wechselschaltkreis führt. Die Wechselschaltkreise werden daher bei der Herstellung des Chips eingerichtet, da zu dieser Zeit die fest verdrahtete Aufteilung des Busses festgelegt wird.
In einigen gängigen Schaltkreisen gibt es die Möglichkeit, den Wert der Komponenten von außen zu programmieren oder den Wert der Komponenten zu steuern, so daß die Abstimmung des Schaltkreises angepaßt werden kann. Zu diesen Schaltkreisen gehören programmierbare Filter mit geschalteten Kapazitäten, abstimmbare Transconductor-C-Schaltkreise und analoge neuronale Netzwerke, bei denen die Gewichte der Synapsen durch das Einstellen der Werte der Komponenten angepaßt werden. Die bekannten Schaltkreise haben jedoch alle die Einschränkung, daß sie nur eine bestimmte Topologie und Funktion darstellen können.
In EP 450 863 wird ein integrierter Schaltkreis beschrieben, der ein Array von konfigurierbaren analogen Zellen enthält, wobei jede Zelle mit allen anderen Zellen im Array verbunden werden kann.
In WO 82/03955 wird ein Operationsverstärker beschrieben, mit dem selektiv verschiedene Funktionen eines Schaltkreises gebildet werden können.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten zu schaffen, der programmierbar ist, so daß seine Funktion vom Anwender festgelegt werden kann.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten zu schaffen, der am Einsatzort programmierbar ist oder der umprogrammiert werden kann, wobei ein Anwender sowohl die Funktionen als auch die Abstimmung der Reaktionen des Schaltkreises vor Ort am Schaltkreis einstellen kann.
Entsprechend eines Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten, der eine Kapazität in einer Schaltung mit einem ersten und zweiten Wechselschaltkreis auf gegenüberliegenden Seiten der Kapazität und eine Steuerschaltung, die zum Betrieb mit wenigstens einem von dem ersten und zweiten Wechselschaltkreis verbunden ist, umfaßt, geschaffen, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Steuerschaltung betreibbar ist, um eines von mehreren alternativen Steuersignalen für die Steuerung des wenigstens einen Wechselschaltkreises auszugeben, wobei eines der alternativen Steuersignale ein periodisch wechselndes Signal ist, um den Zustand des Wechselschaltkreises zwischen zwei alternativen Zuständen zu verändern, und ein anderes der alternativen Steuersignale dafür sorgt, daß der Wechselschaltkreis in einem festen Zustand bleibt, und eine Auswahlschaltung vorgesehen ist, um eines der alternativen Steuersignale auszuwählen, wobei die Auswahlschaltung programmierbar ist, so daß die Auswahl zwischen den alternativen Steuersignalen durch den Anwender vorgegeben werden kann.
Die Erfindung stellt somit einen Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten bereit, der durch selektives Bereitstellen von Steuersignalen zum Festlegen der Betriebsart der Wechselschaltkreise wirksam konfiguriert werden kann, um eine von vielen möglichen Standardfunktionen für geschaltete Kapazitäten auszuführen. Die Auswahl der Steuersignale kann entsprechend mehrerer Programmauswahlen spezifiziert werden, die zum Beispiel entsprechend digitaler Daten ausgewählt werden, die von außerhalb bereitgestellt werden oder die in einem digitalen Speichermittel (z. B. in ein RAM) gespeichert sind und die optional zusätzlich entsprechend einem oder einer Anzahl von dynamischen Signaleingaben ausgewählt werden können.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Kondensator so programmiert werden, daß sich die Kapazität im Schaltkreises zwischen dem ersten und zweiten Wechselschaltkreis ändert. Dies ermöglicht es, daß der Wert der Komponenten des Schaltkreises angepaßt werden kann.
Dieser Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten bildet einen Basisschaltkreis für ein System, bei dem nicht nur die Werte der Komponenten, sondern auch die Topologie und die Funktionen vor Ort programmiert werden können. Dies kann ohne einen Verlust an Leistung gegenüber gängigen Entsprechungen mit fester Topologie erreicht werden.
Im vorliegenden Zusammenhang bezieht sich der Ausdruck Topologie eines Schaltkreises auf die Verbindungen innerhalb der Schaltung, und insbesondere meint er die Weitergabe von bestimmten Eingabesignalen an bestimmte Ausgänge durch geeignetes Auswählen der Steuersignale, um die Wechselschaltkreise zu steuern, um die programmierten festen Verbindungen bereitzustellen. Der Ausdruck Funktion des Schaltkreises bezieht sich auf die Art, wie der Schaltkreis ein Signal modifiziert, wenn es ihn durchläuft. Es ist bekannt, daß ein Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten bestimmte Funktionen bilden kann, die das Verhalten einer Reihe von Widerständen mit positiven oder negativen Werten simulieren, oder die eine Reihe von Kondensatoren implementieren.
Um diese Funktionen zu implementieren, sind der erste und zweite Wechselschaltkreis jeweils einfache Kippschalter mit Anschlüssen, die jeweils mit einem Pol der Kapazität verbunden sind und die zwischen einer Spannung und Masse hin- und herschalten können. Andere Wechselschaltkreise sind in der vorliegenden Erfindung für eine Anordnung vorgesehen, mit der eine Funktion mit geschalteten Kapazitäten implementiert werden kann.
Der erste Wechselschaltkreis auf der Eingangsseite kann beispielsweise ein Kippschalter sein, und der zweite Wechselschaltkreis kann von einer Schaltung bereitgestellt werden, die einen Knoten mit niedriger Impedanz darstellt, der Ladungen aufnehmen kann, zum Beispiel eine virtuelle Masse, die am Eingangsanschluß eines Operationsverstärkers gebildet wird.
Die vorliegende Erfindung kann u. a. bei programmierbaren Filtern, Integratoren, Differenzierern, Verstärkerstufen, Addierern/Subtrahierern, Abtasthaltegliedern, Gleichrichtern, Oszillatoren mit geschalteten Kapazitäten eingesetzt werden.
Die Steuerschaltung kann angeordnet werden, um die alternativen Steuersignale aus einer Anzahl von Signalen bereitzustellen, die eingegeben werden, wobei die Auswahlschaltung dazu vorgesehen ist, Eingabesignale auszuwählen. Alternativ kann die Steuerschaltung dazu vorgesehen sein, von der Auswahlschaltung gesteuert verschiedene Steuersignale zu erzeugen.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Array von programmierbaren Zellen geschaffen, von denen jede einen Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten umfaßt, der mit einem aktiven Element verbunden ist, wobei jeder Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten eine Kapazität in einer Schaltung mit einem ersten und einem zweiten Wechselschaltkreis auf gegenüberliegenden Seiten der Kapazität umfaßt, wobei das Array eine Steuerschaltung, die zum Betrieb mit jedem des ersten und des zweiten Wechselschaltkreises verbunden ist, wobei die Steuerschaltung betreibbar ist, um eines von mehreren alternativen Steuersignalen für die Steuerung der Wechselschaltkreise auszugeben, wobei eines der alternativen Steuersignale ein periodisch wechselndes Signal ist, um den Zustand der Wechselschaltkreise zwischen zwei alternativen Zuständen zu verändern, und ein anderes der alternativen Steuersignale dafür sorgt, daß der Wechselschaltkreis in einem festen Zustand gehalten wird, und eine Auswahlschal tung zum Auswählen eines der alternativen Steuersignale umfaßt.
Die Steuerschaltung kann für alle Zellen des Arrays die gleich sein, oder sie kann für jede Zelle im Array vorgesehen werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Schaltkreises mit geschalteten Kapazitäten mit einer Kapazität in einer Schaltung mit einem ersten und einem zweiten Wechselschaltkreis auf gegenüberliegenden Seiten der Kapazität angegeben, wobei das Verfahren die Schritte Auswählen eines von mehreren Steuersignalen zum Bestimmen des Zustandes des ersten und des zweiten Wechselschaltkreises während des Betriebs des Schaltkreises, wobei die Steuersignale wenigstens ein periodisch wechselndes Signal und wenigstens ein Signal zum Halten des Wechselschaltkreises in einem festen Zustand umfassen, beinhaltet.
Entsprechend einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Array von programmierbaren analogen Zellen geschaffen, wobei jede mehrere Schaltkreise mit geschalteten Kapazitäten umfaßt, jeder einen Kondensator umfaßt, der zwischen dem ersten und zweiten Wechselschaltkreis liegt, wobei der Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten selektiv mit einem aktiven Element der Zellen verbunden werden kann, wobei das Array eine Steuerschaltung, die im Betrieb mit jedem Wechselschaltkreis verbunden ist, wobei die Steuerschaltung dazu dient, mindestens zwei alternative Steuersignale auszugeben, die den Betrieb der Wechselschaltkreise steuern, wobei mindestens eines der Steuersignale ein sich periodisch änderndes Signal zum Ändern des Zustands von mindestens einem der Wechselschaltkreise zwischen zwei alternativen Zuständen ist, und eine Auswahlschaltung zum Auswählen von einem der alternativen Steuersignale enthält, wobei jeder Wechselschaltkreis in der Zelle gesteuert wird, um die Zelle so zu konfigurieren, daß sie eine bestimmte Topologie und Funktion hat.
In einer Ausführungsform ist das aktive Element ein Operationsverstärker mit einem invertierenden Eingang, einem nicht-invertierenden Eingang, der mit Masse verbunden ist, und einem Ausgang mit einem Kondensator, der zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers und dem invertierenden Eingang eine Rückkopplung bewirkt, wobei die mehreren Schaltkreise mit geschalteten Kapazitäten zwischen den jeweiligen Eingängen der Zelle und den invertierenden Eingängen des Operationsverstärkers verbunden sind.
Mit der Erfindung wird außerdem eine programmierbare analoge Zelle mit einem aktiven Element mit einem invertierenden Eingang, einem nicht-invertierenden Eingang und einem Ausgang, einer Kapazität (C&sub1;, C&sub5;), die in Rückkopplung zwischen den Ausgang des aktiven Elements und den invertierenden Eingang geschaltet ist, und mehreren Schaltkreisen mit geschalteten Kapazitäten, die zwischen die jeweiligen Eingänge der Zellen und den invertierenden Eingang des aktiven Elements geschaltet sind, wobei jeder Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten eine Kapazität, die zwischen einen ersten und einen zweiten Wechselschaltkreis geschaltet ist, wobei jeder Wechselschaltkreis Verbindungen für die Verbindung im Betrieb mit der Steuerschaltung aufweist, wobei die Steuerschaltung betreibbar ist, um eines von wenigstens zwei Steuersignalen zum Steuern den Betriebs der Wechselschaltkreise auszugeben, wobei wenigstens eins der alternativen Steuersignale ein periodisch wechselndes Signal ist und ein anders der alternativen Steuersignale bewirkt, daß der Wechselschaltkreis in einem festen Zustand gehalten wird, und eine Auswahlschaltung zum Auswählen eines der alternativen Steuersignale umfaßt, geschaffen.
Selbstverständlich wird der Ausdruck "periodisch veränderlich" hier in dem Sinne verwendet, wie er normalerweise von einem Fachmann verwendet wird, um ein Signal mit einem sich wiederholenden Muster mit einer definierbaren Periodenlänge zu bezeichnen. Dazu gehören u. a. Taktsignale mit Rechteckpulsen.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und um zu zeigen, wie sie ausgeführt werden kann, soll sie nun anhand eines Beispiels in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen erläutert werden.
Fig. 1 und 1a sind Blockdarstellungen von Schaltkreisen mit geschalteten Kapazitäten, die die allgemeinen Prinzipien der vorliegenden Erfindung darstellen.
Fig. 1b veranschaulicht zwei sich überlappende Taktsignale zum Steuern der Wechselschaltkreise.
Fig. 2 ist ein Schaltplan, der eine Ausführungsform eines Wechselschaltkreises nach Fig. 1 darstellt.
Fig. 3a bis 3c sind Darstellungen von drei verschiedenen Funktionen, die mit einem Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten implementiert werden können.
Fig. 4 ist eine Blockdarstellung eines verbesserten Schaltkreises mit geschalteten Kapazitäten.
Fig. 5 dient zur Darstellung, wie die Kapazität des Kondensators in einem Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten variiert werden kann.
Fig. 6 zeigt als Blockdarstellung eine exemplarische Ausführung der Steuerschaltung und der Auswahlschaltung.
Fig. 7 ist ein Schaltplan, der eine Ausführung eines Schaltkreises nach Fig. 6 zum Auswählen der Betriebsart zeigt.
Fig. 8 ist ein Schaltplan, der eine Ausführung eines Steuerfunktionsgenerators von Fig. 6 zeigt.
Fig. 9 ist eine Darstellung, die einen Operationsverstärker mit Steuerbits zum Festlegen seines Betriebszustands zeigt.
Fig. 10 ist ein Schaltplan einer programmierbaren analogen Zelle, die Schaltkreise mit geschalteten Kapazitäten und ein aktives Element enthält, die sich als Basiszelle für ein Array eignet.
Fig. 11 zeigt als Diagramm ein Array mit Zwischenverbindungen zwischen Zellen im Array.
Die Fig. 12a und 12b zeigen bestimmte Abschlußzellen für ein Array.
Die Fig. 13 und 14 sind Schaltpläne von bestimmten Schaltkreisen, die mit der Zelle aus Fig. 10 implementiert werden können, und
Fig. 15 ist ein Schaltplan einer anderen Ausführungsform eines Schaltkreises mit geschalteten Kapazitäten, der ein aktives Element verwendet.
Fig. 1 ist eine Blockdarstellung, die die Prinzipien eines Schaltkreises mit geschalteten Kapazitäten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Der Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten umfaßt eine Kapazität 2, die zwischen dem ersten und zweiten Wechselschaltkreis 4, 6 liegt. Die Wechselschaltkreise 4, 6 werden von den Steuersignalen S gesteuert, die im Diagramm der Fig. 1 durch die Pfeile S1, S2 dargestellt sind. Die Steuersignale S1, S2 werden von einer Schaltsteuervorrichtung 8 abgegeben, die die Steuerschaltung, die eine Anzahl von alternativen Steuersignalen bereitstellt, und die Auswahlschaltung enthält, die zwischen den alternativen Signalen auswählt. Der erste Wechselschaltkreis 4 liegt zwischen einem Eingang I und einem ersten Anschluß der Kapazität 2, während der zweite Wechselschaltkreis 6 zwischen einem zweiten Anschluß der Kapazität 2 und einem Ausgang O liegt. In den Fig. 1 und 1a bezeichnet die Bezeichnung SC1 einen Wechselschaltkreis, der mit dem ersten Anschluß der Kapazität verbunden ist, und SC2 bezeichnet einen wechselschaltkreis, der mit dem zweiten Anschluß der Kapazität verbunden ist. Die Schaltsteuervorrichtung 8 gibt aus einer Anzahl von alternativen Steuersignalen ausgewählte Steuersignale frei, mit denen die Wechselschaltkreise 4, 6 angesteuert werden. Fig. 1 zeigt außerdem eine Speichervorrichtung in Form eines RAMs 10, in der ein Steuerprogramm gespeichert wird, das regelt, wie die Schaltsteuervorrichtung 8 die Steuersignale S1, S2 zum Steuern der Wechselschaltkreise 4, 6 erzeugt.
Das Bereitstellen von Steuersignalen und die Auswahl unter ihnen kann auf verschiedene Arten erfolgen. In Fig. 1a wird ein Schaltkreis gezeigt, der dem aus Fig. 1 entspricht, wobei die Schaltsteuervorrichtung eine Steuerschaltung in Form von mehreren Anschlüssen 7 zum Empfangen von Signalen hat, die von anderen Orten der Schaltung erhalten werden können, d. h. CLK, , Vdd und Vss. und CLK sind, wie in Fig. 1b dargestellt wird, nicht-überlappende Taktsignale. Vdd ist die positive Versorgungsspannung, und Vss ist die negative Versorgungsspannung. Die Schaltsteuervorrichtung enthält eine Auswahlschaltung, die sich zum Auswählen eines speziellen Signals eignet, um die Wechselschaltkreise SC1 und SC2 zu steuern. Eine weitere Verbesserung gegenüber dem Basisschaltkreis besteht darin, daß als Kondensator 2 im Schaltkreis mit geschalteter Kapazität eine sogenannte programmierbare Kapazität verwendet wird, deren Kapazitätswert von digitalen Kodierungen gesteuert werden kann, die zum Beispiel in einem Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) mit der Bezugszahl 26 gespeichert werden können. Ein dynamisches Reset-Signal 29 kann zum Überschreiben der im RAM 26 gespeicherten digitalen Kodierungen bereitgestellt werden, um den Wert der Kapazität des Kondensators 2 zurückzusetzen.
Fig. 2 ist ein Schaltplan einer möglichen Implementierung für jeden Wechselschaltkreis 4, 6. Jeder Wechselschaltkreis umfaßt darin einen ersten und einen zweiten Anschluß A, B, wobei jeder mit den entsprechenden Durchlaß-Gates 12, 14 verbunden ist. Jedes Durchlaß-Gate wird auf bekannte Art und Weise von einem Paar komplementärer MOS-Transistoren gebildet. Für das erste Gate 12 liegt zwischen dem Steueranschluß 16 und dem Ausgangsanschluß des Durchlaß-Gates ein Inverter 22 bzw. ein Inverter 20 für das zweite Gate und den Steueranschluß 18. Die Ausgänge von jedem Durchlaß-Gate 12, 14 sind mit einem gemeinsamen Ausgangsanschluß X verbunden. Jedes Durchlaß-Gate hat einen Steueranschluß 16 bzw. 18, in den Steuersignale von der Schaltsteuervorrichtung 8 eingespeist werden. In Fig. 2 empfängt der Steueranschluß 16 des ersten Durchlaß-Gates 12 das Steuersignal S(0), während der Steueranschluß 18 des zweiten Durchlaß-Gates 14 das Steuersignal S(1) empfängt. Die Bezeichnung S(0), S(1) bezeichnet die Bitleitungen des Busses, der verwendet wird, um das Steuersignal S zu übermitteln. Jeder Wechselschaltkreis wird daher auf benachbarten Bitpositionen des Busses zwei Steuersignale empfangen, und er arbeitet entsprechend diesen Steuersignalen, wie oben erläutert wurde.
Die Verbindung der Kapazität 2 mit dem ersten und zweiten Wechselschaltkreis 4, 6, wobei beide Typen in Fig. 2 veranschaulicht werden, ist eine bekannte, sogenannte parasitär insensitve Verbindungsanordnung mit geschalteter Kapazität, bei der die Funktion des Schaltkreises mit geschalteter Kapazität nicht von unerwünschten parasitären Massekapazitäten beeinflußt wird, die bei physikalischen Implementierungen unvermeidbar auftreten.
Tabelle I zeigt die verschiedenen Betriebsarten der Wechselschaltkreise 4, 6 durch Zuordnen einer bestimmten Programmierungsfunktion zu jeder Schaltdarstellung. Die in Tabelle I veranschaulichten Schaltdarstellungen werden in den beigefügten Figuren verwendet, um die Betriebsweise eines Wechselschaltkreises zu veranschaulichen.
In der ersten Betriebsart wird die Verbindung X-A dauerhaft geschlossen, während die Verbindung X-B dauerhaft offen ist. In der zweiten Betriebsart wird die Verbindung X-B permanent geschlossen, während die Verbindung X-A permanent offen ist. In der dritten Betriebsrat wird zwischen den Verbindungen hin- und hergeschaltet, so daß X-A nur dann geschlossen ist, wenn CLK hoch ist und X-B nur dann geschlossen ist, wenn hoch ist, d. h. CLK wird als S(0) verbunden und wird als S(1) verbunden. In der vierten Betriebsart werden die Verbindungen hin- und hergeschaltet, so daß X-A nur geschlossen ist, wenn hoch ist, und X-B nur geschlossen ist, wenn CLK hoch ist, d. h. wird als S(0) verbunden und CLK wird als S(1) verbunden. In der fünften Betriebsart sind die Verbindungen X-A und X-B permanent offen. Die sechste Betriebsart ist ein allgemein externer Funktionsbetrieb, bei dem die Verbindungen X-A und X-B von einer Steuerfunktion für besondere Zwecke bestimmt werden. Das siebte Diagramm zeigt das allgemeine Symbol, das hier für einen Betrieb mit programmierbaren Schaltern verwendet wird, bei dem der Schalter ein Kippschalter mit einer nicht festgelegten Funktion ist, die abhängig von Steuersignalen von der Schaltsteuervorrichtung gesteuert werden kann.
Wie allgemein bekannt dürfen beim Betrieb von Schaltkreisen mit geschalteten Kapazitäten die Verbindungen X-A und X-B niemals gleichzeitig geschlossen sein. Diese Vorgabe muß zusätzlich erfüllt werden, wenn im sechsten Betrieb eine externe Funktion die Steuerung übernimmt.
Die Fig. 3a bis 3c veranschaulichen diese drei verschiedenen Funktionen eines Schaltkreises mit geschalteten Kapazitäten.
Fig. 3a veranschaulicht einen Schaltkreis mit geschalteter Kapazität, der einen Widerstand zwischen dem Eingang I und dem Ausgang O simuliert. Die gestrichelte Linie mit der Bezugszahl 1 ist um einen Schaltkreis mit geschalteter Kapazität gezeichnet, der einen Kondensator 2 und den ersten und zweiten Wechselschaltkreis 4, 6 umfaßt. Im folgenden wird ein Schaltkreis mit geschalteter Kapazität bei Bedarf allgemein SCC genannt. Beide Wechselschaltkreise 4, 6 arbeiten in der dritten Betriebsart, wobei im ersten Wechselschaltkreis 4 der erste Anschluß A verbunden ist, um eine Spannung Vn am Eingang I zu erhalten, und der zweite Anschluß B mit Masse verbunden ist. Beim zweiten Wechselschaltkreis 6 ist der An schluß A mit einer Ausgangsreferenzspannung Vref verbunden, und der Anschluß B ist mit Masse verbunden.
In Fig. 3b sind die Anschlüsse A und B der ersten und zweiten Schalter 4, 6 wie in Fig. 3a verbunden, wobei der erste Schalter jedoch in der vierten Betriebsart ist, während der zweite Schalter 6 in der dritten Betriebsart ist. In dieser Anordnung simuliert der Schaltkreis 1 mit geschalteter Kapazität zwischen dem Eingang I und dem Ausgang O einen sogenannten negativen Widerstand.
In Fig. 3c sind die Anschlüsse A und B des zweiten Schalters wie in Fig. 3b verbunden, und beide Schalter befinden sich in der ersten Betriebsart. Die Kapazität 2 liegt daher direkt zwischen dem Eingang und dem Ausgang, und sie verhält sich daher wie ein Kondensator. Dies wird in Fig. 3c gezeigt.
Die Tabelle 11 bezeichnet die Quantität der Ladungen, die in jeder Ausführung zwischen dem Eingang I und dem Ausgang O übertragen werden. Die Buchstaben QA, QB und Qc bezeichnen die Ladungsmengen, die in den Fig. 3a bis 3c jeweils übertragen werden, während die Buchstaben CA, CB und CC jeweils den Wert der Kapazität des Kondensators 2 in den Ausführungen der Fig. 3a bis 3c bezeichnen.
Die Tabelle 11 veranschaulicht die Ladungsmenge, die in jedem Fall übertragen wird, ausgewertet in der Z-Ebene, das heißt als Funktion der Dauer des Einheitszyklus der Taktsignale (CLK, ), die die Schalter steuern. Diese Art der Analyse ist der normale Weg, den Transfer von Ladungen in Schaltkreisen mit geschalteter Kapazität zu betrachten. Auf der rechten Seite der Tabelle 11 werden die Werte für den Fall, wenn Vref auf virtueller Masse ist, dargestellt. Wie später beschrieben wird, kann am Rückkopplungseingang eines Operationsverstärkers eine virtuelle Masse bereitgestellt werden.
In jeder der Fig. 3a bis 3c wird der Eingangsanschluß I des Schaltkreises 1 mit geschalteter Kapazität mit einer einzigen Eingangsspannung Vn verbunden. Fig. 4 zeigt, wie die Spannung Vn aus zwei Eingangsspannungen V1, V2 effektiv ausgewählt werden kann. Beide Spannungen V1, V2 werden in die Eingangsanschlüsse I1, I2 des jeweiligen ersten Wechselschaltkreises SCin1, SCin2 eingespeist. Die Ausgänge der Wechselschaltkreise SCin1,2 werden beide mit einem ersten Anschluß des Kondensators 2 verbunden. Der zweite Anschluß des Kondensators 2 wird wie bereits beschrieben mit einem zweiten Wechselschaltkreis SCout verbunden. SCout aus Fig. 4 entspricht SC2 in den Fig. 1 und 1a.
Die Schaltsteuervorrichtung 8 liefert die Steuersignale, die ebenso wie in Fig. 1 mit S1, S2 bezeichnet werden, und ein weiteres Steuersignal S3, wobei die Steuersignale S1, S3 die jeweiligen ersten Wechselschaltkreise SCin1, 2 steuern und das Steuersignal S2 den zweiten Wechselschaltkreis Scout steuert. In Fig. 4 empfängt die Schaltsteuervorrichtung 8 die Eingangssignale CLK, , Vss und Vdd, und sie wählt die geeigneten Eingangssignale aus, die als Steuersignale S1, S2 und S an die Wechselschaltkreise SCin1, 2, SCout angelegt werden. Somit kann sowohl die Funktion des Schaltkreises mit geschalteter Kapazität als auch die Auswahl der Eingangsspannung (die Topologie) gesteuert werden. Es ist somit möglich beispielsweise die Taktsignale CLK, an den ersten Wechselschaltkreis SCin1 anzulegen, so daß der Wechselschaltkreis zwischen der Eingangsspannung V1 und Masse hin- und herschaltet, und ein Steuersignal S3 an den Wechselschaltkreis SCin2 anzulegen, das den Kondensator von der Eingangsspannung V2 trennt. Das Steuersignal S2 kann die Taktsignale CLK, an SCout des Wechselschaltkreises bereitstellen, so daß dieser Wechselschaltkreis ebenso zwischen der Ausgangs-Vref und Masse hin- und herschaltet. In diesem Falle liegt ein Schaltkreis mit geschalteter Kapazität, der einen Widerstand simuliert, zwischen V1 und Vref (wie in Fig. 3a). Es ist klar, daß mit dem Schaltkreis aus Fig. 4 viele andere Kombinationen und Variationen möglich sind, da nicht nur die Betriebs art sondern auch die Eingangsspannung des Schaltkreises variabel ist.
Welche Steuersignale S1, S2, S3 von der Schaltsteuervorrichtung 8 geliefert werden, kann durch Programmbits, die im RAM 10 gespeichert sind, gesteuert werden. Der RAM kann entsprechend eingespeister Konfigurationsdaten programmiert werden. Diese Konfigurationsdaten können Auswahlprogramme zum Speichern im RAM 10 festlegen. Ein Auswahlprogramm kann ein oder mehrere Programmierungsbits enthalten, die anzeigen, daß die Versorgung der Steuersignale S1, S2, S3 von der Schaltsteuervorrichtung von einem dynamischen Steuersignal 24 gesteuert werden soll, das von einer externen Schaltung oder von dem implementierten Schaltkreis ausgeht. Mit dieser dynamischen Steuerung kann die Funktion des Schaltkreises mit geschalteter Kapazität in Abhängigkeit von Ereignissen gesteuert werden. Eine weitere Möglichkeit der Einrichtung der dynamischen Steuerung könnte sein, Schaltsteuersignale bereitzustellen, die direkt von den dynamischen Steuersignalen abgeleitet werden, die über die Steuerleitungen S1, 2, 3 als Taktsignale CLK, , die der Schaltsteuervorrichtung 8 bereitgestellt werden, an die Wechselschaltkreise angelegt werden können.
Fig. 4 zeigt den verbesserten Schaltkreis, bei dem der Kondensator 1 programmierbar ist. Der programmierbare Kondensator kann auf jede bekannte Weise ausgeführt werden. Eine bestimmte Ausführung wird in Fig. 5 dargestellt. Fig. 5 zeigt mehrere, d. h. n Kondensatoren Cu ... 2n-1 Cu, die zu jeweiligen Schaltern 30 gehören. Der RAM 26 umfaßt mehrere RAM- Zellen 32, die individuell den Zustand des jeweiligen Schalters 30 steuern. Der Wert der Kapazität zwischen den Punkten P und Q hängt daher von der Anzahl der im Schaltkreis parallel geschalteten Kondensatoren ab. Der RAM kann von einem dynamischen Reset-Bus 9 überschrieben werden.
Fig. 6 veranschaulicht eine Ausführung einer Schaltsteuervorrichtung 8, die von der gestrichelten Linie umrahmt wird. Fig. 6 zeigt außerdem einen überlappungsfreien Genera tor 34 zum Bereitstellen des nicht-überlappenden Taktsignals aus dem Taktsignal CLK. Fig. 6 zeigt außerdem zusätzlich zu den Eingangssignalen CLK, , Vdd, Vss, die in Fig. 1 gezeigt werden, zwei externe Steuerleitungen Ext0, Ext1 für eine größere Vielfältigkeit der Schaltsteuervorrichtung 8. Obwohl nur zwei externe Steuerleitungen gezeigt werden, können bei Bedarf weitere bereitgestellt werden. Die externen Steuersignale Ext0, Ext1 und die Eingabesignale CLK, , Vdd, Vss werden in einen Steuerfunktionsgenerator 36 eingespeist, der von im RAM 10 gespeicherten Daten gesteuert wird. In Fig. 6 wird der RAM 10 mit drei verschiedenen RAM- Abschnitten 10a, 10b, 10c gezeigt. Die genaue Anordnung der im RAM gespeicherten Daten liegt natürlich im Ermessen des Fachmanns.
Der Steuerfunktionsgenerator 36 erzeugt aus den eingegebenen Signalen zwei Betriebsartauswahlsignale CF0 bzw. CF1. Obwohl nur zwei Betriebsartauswahlsignale gezeigt werden, können bei Bedarf mehr bereitgestellt werden. Die Betriebsartauswahlsignale und die Eingabesignale CLK, , Vdd, Vss werden in mehrere Betriebsartauswahlschaltkreise 38 eingespeist. Zu jedem Wechselschaltkreis SC im Schaltkreis mit geschalteter Kapazität gehört ein Betriebsartauswahlschaltkreis. In der Ausführungsform von Fig. 4 gibt es daher drei Betriebsartauswahlschaltkreise in der Schaltsteuervorrichtung 8.
Fig. 7 ist ein Schaltplan einer möglichen Ausführung eines Betriebsartauswahlschaltkreises 38. Der Schaltkreis umfaßt ein Paar von Schaltern 111, 112, die jeweils zu den CLK- und -Eingängen gehören, ein Paar von Schaltern 114, 113, die jeweils zu den Eingängen Vdd und Vss gehören, ein Paar von Schaltern 116, 115, die zum Eingang Vss gehören, und ein Paar von Schaltern 117, 118, die zu den Eingängen CF0 bzw. CF1 gehören. Jedes Paar von Schaltern wird von einem entsprechenden im RAM 10 gespeicherten Steuerbit mit den Bezugszahlen 135, 136, 137 und 138 gesteuert. Der Betriebsartauswahlschaltkreis enthält über den Schalter 120 einen Umschalter, dessen Zustände ebenfalls von einem Bit im RAM 139 gesteuert werden. Wie oben beschrieben empfängt jeder Schalter zwei Steuerleitungen S(0), S(1), die in die Steuer-Gates 16, 18 der jeweiligen Durchlaß-Gates 12, 14 des Schalters (vergl. Fig. 2) eingespeist werden.
Fig. 8 ist ein Schaltplan einer Ausführung eines Steuerfunktionsgenerators 6. Im Schaltkreis von Fig. 8 gehört zum Eingang CLK der Schalter MS1, zum Eingang die Schalter MS2 und MS3, zum Eingang Vdd der Schalter MS4 und zum Eingang Vss der Schalter MS5. Die Ausgänge der Schalter MS1, MS3 und MS4 werden in einen Eingang eines Umschalters 40 eingespeist, während die Ausgänge der Schalter MS2 und MS5 in einen anderen Eingang des Umschalters 40 eingespeist werden. Die Ausgänge des Umschalters 40 werden über die jeweiligen Ausgangsschalter 41, 43 eingespeist, um die Signale CF0 und CF1 bereitzustellen. Die Schalter MS1 bis MS5 werden von den Ausgangssignalen der Dekoderlogikschaltung 42 gesteuert, die ihrerseits von den im RAM 10 gespeicherten Daten gesteuert wird. Der Umschalter 40 wird ebenfalls vom einem Bit 44 im RAM gesteuert, und die Ausgangsschalter 41, 43 werden entsprechend von einem Bit 46 im RAM gesteuert. Der Steuerfunktionsgenerator kann außerdem optional die Eingänge Ext0, ... Extn empfangen, die über ein (nicht dargestelltes) Programmierschaltmittel außerhalb der Zelle zugänglich gemacht werden. Diese werden mit den jeweiligen Ausgangsschaltern OS0, OS1 ... OSn verbunden, die ebenso von Bit 46 im RAM über ein invertierendes Gatter 48 an die Ausgängen CF0 ... CFn geleitet werden. Das erste externe Steuersignal Ext0 kann den Inhalt des Bits 4 im RAM überschreiben und somit den Umschalter 40 steuern und eine dynamische Steuerfunktion ergeben.
Die Tabelle III zeigt, wie ein Code mit zwei Bit, der im RAM 10 gespeichert ist, verwendet werden kann, um vier Betriebsarten einzustellen, wobei jede Betriebsart von fünf Ausgangssignalen festgelegt wird, die bereitgestellt werden, um jeweils die Schalter MS1 bis MS5 zu steuern. Es ist ersichtlich, daß die fünf Schalter MS1 bis MS5 gesteuert werden müssen, aber nur vier verschiedene Einstellungen nötig sind. Die Einstellungen sind folgende:
Code 00: CLK und werden mit dem Umschalter 40 (MS1 und MS2) verbunden.
Code 01: Vdd und Vss werden mit dem Umschalter 40 (MS4 und MS5) verbunden.
Code 10: CLK und Vss werden mit 40 verbunden (Der Schalter hat eine Schalterstellung mit fester Polarität).
Code 11: und Vss werden mit 40 verbunden (Der Schalter hat eine Schalterstellung mit fester Polarität).
Die Buchstaben SPST in Tabelle bezeichnen eine Schalterstellung mit fester Polarität.
Fig. 9 zeigt ein aktives Element, das als differentielle Eingangsverstärkerstufe 52 ausgeführt ist, die modifiziert wurde, so daß sie Steuerbits empfangen kann, so daß sie in ihrer Funktion entweder einen Komparator oder einen Operationsverstärker darstellt. Die differentielle Eingangsverstärkerstufe 52 hat einen invertierenden Eingang 54, einen nichtinvertierenden Eingang 56 und einen Ausgang 58. Sie hat außerdem Verbindungen mit der positiven bzw. negativen Versorgungsspannung Vdd, Vss. Die differentielle Eingangsverstärkerstufe empfängt über die Eingänge 60, 62 die Steuerbits von den entsprechenden Speicherplätzen 64, 66 im RAM. Der Speicherplatz 64 im RAM liefert ein Bit an den Eingang 60, das als ein Vorspannungssperr-Bit wirkt, um die differentielle Eingangsverstärkerstufe 52 auszuschalten. Der Speicherplatz 66 im RAM liefert ein OP-Verstärker/Komparator-Auswahlbit an den Eingang 62, das bestimmt, ob die differentielle Eingangsverstärkerstufe als Operationsverstärker oder als Komparator arbeitet.
Fig. 10 ist ein Schaltplan, der eine Ausführungsform der programmierbaren analogen Zelle zeigt, die in einem Array solcher Zellen verwendet werden kann. Die Zelle von Fig. 10 hat mehrere Eingänge IN1, IN2, IN3. Das Bezugszeichen IN3 be zeichnet drei Eingänge, die wie im folgenden beschrieben selektiv geschaltet werden können. Die Zelle hat einen Ausgang AUS, der zurück zum Eingang am Punkt 150 eingespeist wird. Die Zelle wird mit einem Adreßbus AB und einem Signalbus SB verbunden. Alle Zellen im Array erhalten über ein Schaltmittel, das sich außerhalb der Zellen befindet, den Zugriffsbus und den Signalbus. Die Zelle hat außerdem eine Anzahl von Eingangsschaltern zum Schalten der Eingangssignale zur Zelle auf einem Einzelleitungsbus SWB, wodurch jeder Eingang mit jedem anderen Eingang verbunden werden kann. Der Eingangsschalter 152 führt diese Funktionen für das Ausgangssignal AUS der Zelle aus. Die Eingangsschalter 154, 156 führen diese Funktion für den Eingang IN1 bzw. IN2 aus. Die Eingangschalter 158, 160 und 162 führen diese Funktion für die jeweiligen drei Eingänge aus, die allgemein mit IN3 bezeichnet sind. Diese Zelle hat außerdem mehrere Eingangskippschalter, die entsprechend der Erfindung von einer Schaltsteuervorrichtung gesteuert werden können. Sie können sowohl hinsichtlich ihrer Betriebsart als auch durch selektives Aktivieren der geeigneten Schalter gesteuert werden, um die Signale, die an der Zelle anliegen, zu steuern, Die Kippschalter 165, 170, 168 wählen zwischen dem Einzelleitungsbus SWB, dem Eingang IN1 und dem Signalbus SB aus. Die Kippschalter 174, 173, 172 wählen zwischen dem Einzelleitungsbus SW, dem Eingang IN2 und dem Signalbus SB aus. Die Kippschalter 177, 176, 178, 180 und 182 wählen zwischen dem Einzelleitungsbus SWB, dem Signalbus SB und den jeweiligen Eingängen, die allgemein mit IN3 bezeichnet sind, aus. Die von den geeigneten Schaltern in jeder Gruppe 164, 165, 166; 168, 169, 170; 172, 173, 174; und 176, 177, 178, 180, 182 ausgewählten Eingangssignale werden den jeweiligen Kondensatoren C1, C2, C3, C4 zugeführt. Die Zelle enthält außerdem ein aktives Element in Form einer differentiellen Eingangsverstärkerstufe 184 mit einem invertierenden Eingang 186 und einem nicht-invertierenden Eingang 188. Die Schalter mit beidseitig festen Positionen verbinden die Kondensatoren C1, C2, C3, C4 jeweils mit dem invertierenden Eingang 186 des OP-AMP 184 entweder über einen speziellen Funktionsschalter 190 oder über einen Kippschalter 192. Die Schalter mit beidseitig festen Positionen werden mit 194 für den Kondensator C1, mit 196 für den Kondensator C2, mit 198 für den Kondensator C3 und mit 200 für den Kondensator C4 bezeichnet. Der Kippschalter 192 stellt den zweiten Wechselschaltkreis des Schaltkreises mit am Eingang geschalteten Kapazitäten dar, die von den Kondensatoren C1 ... C4 und dem geeigneten oder den geeigneten Kippschaltern auf der Eingangsseite 164, ... 182 gebildet werden. Die Zelle enthält außerdem eine Anzahl von Ein-/Ausschaltern, die allgemein mit der Bezugszahl 202 bezeichnet werden, die jeden der ausgewählten Eingänge oder die Masse direkt mit dem nicht- invertierenden Eingang 188 der differentiellen Eingangsverstärkerstufe 184 verbinden. Die Zelle enthält außerdem eine Anzahl von Kippschaltern 204, die eine entsprechende Funktion ausführen, wobei sie jedoch mit dem invertierenden Eingang 186 der differentiellen Eingangsverstärkerstufe 184 verbinden. Das Bereitstellen von Kippschaltern für die Schalter 204 liefert für spezielle Funktionen einen alternativen Eingangssummenpunkt. Die Bezugszahl 206 bezeichnet einen Kippschalter, der bei speziellen Ausführungen der Zelle benötigt wird, wenn sogenanntes korreliertes Doppelabtasten benötigt wird. Bei den meisten Standardfunktionen von geschalteten Kapazitäten der Zelle ist er in einer festen Position, in der er den Ausgang der differentiellen Eingangsverstärkerstufe 184 über einen Rückkopplungskondensator C5 mit ihrem invertierenden Eingang 186 verbindet.
Die Bezugsziffer 191 stellt einen Reset-Schalter dar. Die Bezugsziffer 207 bezeichnet einen Schalter, der in Rückkopplung über die differentielle Eingangsverstärkerstufe 184 geschaltet ist.
Alle Kippschalter in der Zelle sind auf die oben beschriebene Weise steuerbar, so daß sie in einer von den verschiedenen in Tabelle I gezeigten Betriebsarten wählbar arbeiten können. Die Zelle liefert daher einen programmierbaren Subschaltkreis, der für eine Verwendung in einem Array ideal ist, das mehrere solcher Subschaltkreise enthält. Im Array sind die Zellen über eine externe digitale Steuerung miteinander verbunden, die die Funktion und die Topologien der Schaltkreise mit geschalteten Kapazitäten, die gesteuert werden sollen, einstellt. Vorzugsweise wird die differentielle Eingangsverstärkerstufe wie in Fig. 9 dargestellt ausgeführt, wobei die primären Funktionen des Operationsverstärkers geändert werden können, so daß er optional einen Komparator bildet, der von digitalen Programmdaten gesteuert wird, die optional in einem digitalen Speichermittel z. B. in einem RAM gespeichert werden.
Fig. 11 zeigt als Beispiel einen Teil eines Arrays solcher Zellen, die die Verbindungen mit einer zentralen Basiszelle 180 veranschaulichen. Die Zelle 180 erhält als Eingänge ihren eigenen Ausgang 150, als IN1 den Ausgang der nächsten benachbarten Zelle in derselben Reihe 182, als IN2 den Ausgang der vorangehenden benachbarten Zelle in derselben Reihe 186 und als IN3 den Ausgang der vorletzten Zelle in derselben Reihe 188 und die Ausgänge der benachbarten oberen und unteren Zelle 184, 190. Der Ausgang der zentralen Zelle 180 wird entsprechend in die vier benachbarten Zellen des Arrays eingespeist.
Fig. 12a zeigt eine Zelle für ein Array, die besonders als analoge Spannungseingabe-/-ausgabezelle geeignet ist. Die Zelle enthält einen programmierbaren Subschaltkreis, der in Fig. 12a mit PSC bezeichnet ist, und der so, wie in Fig. 10 dargestellt, ausgelegt ist. Die Zelle hat einen Pfad 210, 212 und eine zusätzliche Pufferstufe 214. Sie hat auch einen Eingangs-/Ausgangsauswahlschalter 216.
Fig. 12b zeigt eine Zelle für ein Array, die besonders als allgemeiner analoger Eingang/Ausgang geeignet ist. Sie umfaßt mehrere Kontaktanschlüsse 218, 220, 222, 224 und 226 und eine zusätzliche Pufferstufe 228. Sie hat außerdem einen Einheitsverstärkerpufferschalter 230, um ein Filtern des Eingangs oder des Ausgangs auf verschiedene Arten zu ermöglichen. Eine zweite identische Ausgangsstufe 232, die als Stromspiegel am Ausgang der Pufferstufe ausgeführt ist, gibt bei Bedarf eine Signalstromquelle von der Vorrichtung frei.
Fig. 13 ist ein Schaltplan einer möglichen Anwendung des programmierbaren Subschaltkreises von Fig. 10. Fig. 13 zeigt einen Integrator mit geschalteter Kapazität, bei dem mit einer Ladungsteiler-T-Zellentechnik eine sehr große Zeitkonstante implementiert ist. Der Schaltkreis wird mit IN2 als Eingang ausgeführt, der von einem Kippschalter 174 zu einer Seite des Kondensators C3 geleitet wird. Die andere Seite des Kondensators C3 wird über einen beidseitig festen Schalter 198 über den Kondensator C2 über den beidseitig festen Schalter 196 und die andere Seite des Kondensators C2 über einen geeigneten Kippschalter 204 mit dem invertierenden Eingang 186 des Operationsverstärkers 184 verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 184 wird über den Kippschalter 166, über den Kondensator C1 und über den Schalter 194 mit fester Stellung sowohl über einen Reset-Schalter 192 mit Masse als auch über den Schalter 178 mit fester Stellung über den Kondensator C4 mit Masse verbunden.
Fig. 14 stellt einen anderen Schaltkreis dar, der mit dem programmierbaren Subschaltkreis aus Fig. 10 realisiert werden kann. Dieser Schaltkreis umfaßt ein einstufiges invertierendes Abtasthalteglied mit dem Zugriffsbus als Eingang. Der Zugriffsbus wird über den Kippschalter 190, über den Kondensator C2, über den Schalter 196 mit beidseitig fester Stellung und über den Kippschalter 169 zum Einzelleitungsbus SWB geleitet. Der Eingangsschalter 152 verbindet dann den Einzelleitungsbus SWB mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 184. Der Ausgang des Operationsverstärkers wird auch über den Kippschalter 166, der ein Leitungsschalter wird, über den Kondensator C1 mit dem beidseitig festen Schalter 194 und dem Kippschalter 192 mit dem invertierenden Eingang 186 des Operationsverstärkers 184 verbunden.
In der obigen Beschreibung wurde erläutert und beschrieben, wie eine vor Ort programmierbare analoge Zelle aus einem Basisschaltkreis mit geschalteter Kapazität aufgebaut werden kann, in der jeder Kondensator zu einem ersten und zweiten Schalter gehört, die beide von Kippschaltern gesteuert werden können. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Ausführungen von Schaltkreisen mit geschalteten Kapazitäten begrenzt, bei denen jeder Kondensator zwischen ersten und zweiten Kippschaltern liegt. Der wesentliche Vorteil der vorliegende Erfindung ist der, daß der Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten vor Ort programmierbar ist, das heißt, daß die Auswahlschaltung eine Auswahl zwischen Steuersignalen vorzugsweise gemäß digitalen Konfigurationsdaten ermöglicht, die von außerhalb eingegeben werden und die in Zellen mit wahlfreiem Zugriffsspeicher gespeichert werden. Diese digitalen Konfigurationsdaten können vom Chip oder von außerhalb stammen, und dies ergibt die Vorzüge, daß der Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten vor Ort programmiert und umprogrammiert werden kann. Dieser Vorzug kann auch erreicht werden, wenn verschiedene Arten von Wechselschaltkreisen vorgesehen sind. Fig. 15 zeigt eine Ausführung, bei der der Eingangsanschluß des Kondensators 2 mit einem Kippschalter SC1 verbunden ist, wie bereits in Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben wurde. Sein Ausgang ist jedoch mit einem Wechselschaltkreis SC2 verbunden, der ein aktives Element in Form einer differentiellen Eingangsverstärkerstufe 300 enthält. Diese hat einen invertierenden Eingang 302 und einen nicht-invertierenden Eingang 304, wobei letzterer mit Masse verbunden ist. Der invertierende Eingang 302 bildet einen Knoten mit niedriger Impedanz, der ausgetastete Ladungen empfangen kann, die über den Kondensator 2 mit Hilfe des Kippschalters SC1 geleitet werden können. Ein zweiter Kondensator und zugehörige Kippschalter TS werden vom Ausgang der differentiellen Eingangsverstärkerstufe 300 zum invertierenden Eingang 302 rückgekoppelt. Ein einpoliger Schalter 306 mit einer Schalterstellung wird ebenfalls zwischen dem invertierenden Eingang 302 und dem Ausgang der differentiellen Eingangsverstärkerstufe 3000 gelegt. Andere "aktive" Wechselschaltkreise können von der vorliegenden Erfindung ebenfalls verwendet werden.
Es sollte aus dem obigen klar geworden sein, daß die Erfindung mit einer anderen Steuerschaltung und mit einer anderen Auswahlschaltung, als den hier beschriebenen, ausgeführt werden kann. Zum Beispiel kann eine Anzahl logischer Vorrichtungen vorgesehen werden, um einen periodisch sich ändernden Eingang, wie etwa ein Taktsignal, und eine Anzahl von Auswahlsignalen (wie etwa Konfigurationsbits) zu empfangen und um entsprechend geeignete Steuersignale zu erzeugen. Alternativ kann als Steuerschaltung ein Taktgenerator bereitgestellt werden, der betrieben werden kann, um ein Taktsignal mit einer Frequenz zu erzeugen, die sich gesteuert von einem Auswahlsignal ändert. Tabelle I Schalter-Darstellung Programmierungsfunktion (Schalterbetriebsart)
A fest. Die Verbindung X-A ist permanent geschossen, und X-B ist permanent offen.
B fest. Die Verbindung X-A ist permanent offen, und X-B ist permanent geschlossen.
Wechsle mit CLK: Die Verbindungen werden gewechselt, so daß X-A, nur wenn CLK hoch ist, geschlossen ist, und X-B ist, nur wenn hoch ist, geschlossen ist.
Wechsle mit : Die Verbindungen werden gewechselt, so daß X-A, nur wenn CLK hoch ist, geschlossen ist, und X-B ist, nur wenn CLK hoch ist, geschlossen ist.
Aus: Beide Verbindungen X-A und X-B sind geöffnet.
Externe Funktion: Die Verbindungen X-A und X-B werden von einer Steuerfunktion für spezielle Zwecke bestimmt. (Die zwei Verbindungen dürfen niemals gleichzeitig geschlossen sein.)
Vorprogrammierbarer Schalter: Ein Kippschalter mit nicht festgelegter Funktion. Es wird vorausgesetzt, daß er einen zugehörigen Schaltsteuerblock hat. Tabelle 2 Tabelle 3

Claims

1. Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten, der eine Kapazität (2) in einer Schaltung mit einem ersten und zweiten Wechselschaltkreis (4, 6) auf gegenüberliegenden Seiten der Kapazität (2) und eine Steuerschaltung (8), die zum Betrieb mit wenigstens einem von dem ersten und zweiten Wechselschaltkreis (4, 6) verbunden ist, umfaßt,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Steuerschaltung (8) betreibbar ist, um eines von mehreren alternativen Steuersignalen (51, 52, 53) für die Steuerung des wenigstens einen Wechselschaltkreises (4, 6) auszugeben, wobei eines der alternativen Steuersignale ein periodisch wechselndes Signal ist, um den Zustand des Wechselschaltkreises (4, 6) zwischen zwei alternativen Zuständen zu verändern, und ein anderes der alternativen Steuersignale dafür sorgt, daß der Wechselschaltkreis (4, 6) in einem festen Zustand bleibt, und

eine Auswahlschaltung (8) vorgesehen ist, um eines der alternativen Steuersignale auszuwählen, wobei die Auswahlschaltung programmierbar ist, so daß die Auswahl zwischen den alternativen Steuersignalen durch den Anwender vorgegeben werden kann.

2. Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten nach Anspruch 1, bei dem die Kapazität (2) zwischen dem ersten und zweiten Wechselschaltkreis (4, 6) in Reihe geschaltet ist, damit der Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten unempfindlich gegenüber parasitären Störungen ist.

3. Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem der erste Wechselschaltkreis (4) zwischen die Kapazität (2) und einen ersten Eingang (I) geschaltet ist und in Abhängigkeit von dem periodisch wechselnden Signal betreibbar ist, um abwechselnd die Kapazität (2) mit oder von dem ersten Eingang (I) zu verbinden oder zu trennen, wobei die Kapazität (2) wiederholt ein Eingangssignal an dem Eingang (I) abtasten kann, und in dem festen Zustand die Kapazität (2) mit dem ersten Eingang (I) zu verbinden.

4. Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten nach Anspruch 3, bei dem mit dem ersten Wechselschaltkreis (4) die Kapazität (2) mit einer Masseverbindung verbunden werden kann.

5. Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, bei dem mit dem ersten Wechselschaltkreis (4) in dem festen Zustand die Kapazität (2) getrennt werden kann, so daß sie aus dem Schaltkreis genommen ist.

6. Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der zweite Wechselschaltkreis (6) zwischen die Kapazität (2) und einen Ausgang (O) geschaltet ist und in Abhängigkeit von dem periodisch wechselnden Signal so betrieben werden kann, daß abwechselnd die Kapazität (2) mit dem Ausgang (O) verbunden oder von diesem getrennt wird, wobei der Ausgang (O) wiederholt ein Signal abtasten kann, das durch die Kapazität (2) gehalten wird, und in dem festen Zustand die Kapazität (2) mit dem Ausgang (O) verbunden ist.

7. Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten nach Anspruch 6, bei dem mit dem zweiten Wechselschaltkreis (6) die Kapazität (2) mit einer Masseverbindung verbunden werden kann.

8. Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, bei dem mit dem ersten Wechselschaltkreis (4) in dem festen Zustand die Kapazität (2) getrennt werden kann, so daß sie aus dem Schaltkreis genommen ist.

9. Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Steuerschaltung (8) so eingerichtet ist, daß wie zwei nicht-überlappende Taktsignale (CLK, CLK) zum Steuern des Betriebs der Wechselschaltkreise (4, 6) ausgibt.

10. Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Steuerschaltung (8) so eingerichtet ist, daß sie mehrere Steuersignale (S1, S2, S3) zum Steuern der Wechselschaltkreise (4, 6) ausgibt, wobei die Steuersignale sowohl periodische als auch aperiodische Signale umfassen.

11. Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten nach Anspruch 2 oder einem der Ansprüche 3 bis 10 mit Bezug auf diesen, bei dem die Auswahlschaltung (38) mehrere Auswahlausgänge aufweist, wobei jeder mit jeweils einem der Wechselschaltkreise (4, 8) verbunden ist und so betrieben werden kann, daß irgendeines der alternativen Steuersignale (S1, S2, S3) mit irgendeinem der Auswahlausgänge verbunden wird.

12. Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem der erste Wechselschaltkreis (4) zwischen mehrere Eingänge (11, 12) und die Kapazität (2) geschaltet ist und als Routing-Schalter betreibbar ist, um selektiv einen der Eingänge mit der Kapazität (2) zu verbinden.

13. Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem der erste Wechselschaltkreis (6) zwischen mehrere Ausgänge und die Kapazität (2) geschaltet ist und als Routing-Schalter betreibbar ist, um selektiv einen der Eingänge mit der Kapazität (2) zu verbinden.

14. Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem die Kapazität (2) programmierbar ist, um die Kapazität in dem Schaltkreis zu verändern.

15. Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten nach Anspruch 14, bei dem mehrere wählbare Kapazitätswerte in einer Speichervorrichtung (26) abgelegt sind, die mit der Kapazität (2) verbunden ist, um die Kapazität in dem Schaltkreis zu verändern.

16. Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten nach Anspruch 14 oder 15, bei dem ein dynamischer Kapazitätsanpassungsschaltkreis mit der Kapazität verbunden ist, um die Kapazität in Abhängigkeit von einem dynamischen Eingangssignal (24) zu verändern.

17. Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten nach einem der Ansprüche 1 bis 16, der eine Speicherschaltung (10) umfaßt, die zum Betrieb mit der Auswahlschaltung zum Speichern mehrerer Programmabschnitte für die Ausgabe an den ersten und zweiten Wechselschaltkreis (4, 6) verbunden ist.

18. Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Auswahlschaltung einen dynamischen Signaleingang zum Empfangen eines Signals (24) umfaßt, um wenigstens eines der Steuersignale (S1, S2, S3) der Steuerschaltung in Abhängigkeit von dem dynamischen Signaleingang auszugeben.

19. Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten zusätzliche Wechselschaltkreise (SCin1, SCin2) umfaßt, die mit der Steuerschaltung (8) verbunden sind und die durch die Auswahlschaltung (8) gesteuert werden.

20. Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten nach Anspruch 19, bei dem mehrere solcher Wechselschaltkreise (SCin1, SCin2) mit einer Seite der Kapazität (2) verbunden sind, wobei jeder Wechselschaltkreis mit einem jeweiligen Eingang (11, 12) zusammenhängt und als Routing-Vorrichtung steuerbar ist, um selektiv einen der Eingänge mit der Kapazität (2) zu verbinden.

21. Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten nach Anspruch 19 oder 20, bei dem mehrere solcher Wechselschaltkreise vorgesehen sind, die mit einer Ausgangsseite der Kapazität (2) verbunden sind, wobei jeder Wechselschaltkreis mit einem jeweiligen Ausgang verbunden ist und als Routing-Vorrichtung betreibbar ist, um selektiv einen der Ausgänge mit der Kapazität zu verbinden.

22. Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einem Ausgang, der mit einem Operationsverstärker (184) mit einem Rückkopplungsschaltkreis zum Darstellen einer virtuellen Masse an dem Ausgang verbunden ist.

23. Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten nach Anspruch 22 mit einem parallel zu dem Operationsverstärker geschalteten Parallelkapazitätsschaltkreis (C1, C5).

24. Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem einer der Wechselschaltkreise (4, 6) einen Operationsverstärker (184) mit einem kapazitiven Rückkopplungsschaltkreis (C1, C5) umfaßt.

25. Array von programmierbaren Zellen, von denen jede einen Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten umfaßt, der mit einem aktiven Element (186) verbunden ist, wobei jeder Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten eine Kapazität (2) in einer Schaltung mit einem ersten und einem zweiten Wechselschaltkreis (4, 6) auf gegenüberliegenden Seiten der Kapazität (2) umfaßt, wobei das Array eine Steuerschaltung, die zum Betrieb mit jedem des ersten und des zweiten Wechselschaltkreises (4, 6) verbunden ist, wobei die Steuerschaltung (8) betreibbar ist, um eines von mehreren alternativen Steuersignalen für die Steuerung der Wechselschaltkreise (4, 6) auszugeben, wobei eines der alternativen Steuersignale ein periodisch wechselndes Signal ist, um den Zustand der Wechselschaltkreise (4, 6) zwischen zwei alternativen Zuständen zu verändern, und ein anderes der alternativen Steuersignale dafür sorgt, daß der Wechselschaltkreis (4, 6) in einem festen Zustand gehalten wird, und eine Auswahlschaltung (8) zum Auswählen eines der alternativen Steuersignale umfaßt.

26. Array von programmierbaren analogen Zellen nach Anspruch 25, wobei jede mehrere Schaltkreise mit geschalteten Kapazitäten umfaßt, wobei jeder Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten nach einem der Ansprüche 2 bis 24 aufgebaut ist.

27. Programmierbare analoge Zelle mit einem aktiven Element (184) mit einem invertierenden Eingang (186), einem nicht-invertierenden Eingang (188) und einem Ausgang,

einer Kapazität (C&sub1;, C&sub5;), die in Rückkopplung zwischen den Ausgang des aktiven Elements (184) und den invertierenden Eingang (186) geschaltet ist, und

mehreren Schaltkreisen mit geschalteten Kapazitäten, die zwischen die jeweiligen Eingänge der Zellen und den invertierenden Eingang (286) des aktiven Elements geschaltet sind, wobei jeder Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten eine Kapazität (2), die zwischen einen ersten und einen zweiten Wechselschaltkreis (4, 6) geschaltet ist, wobei jeder Wechselschaltkreis (4, 6) Verbindungen für die Verbindung im Betrieb mit der Steuerschaltung (8) aufweist, wobei die Steuerschaltung (8) betreibbar ist, um eines von wenigstens zwei Steuersignalen zum Steuern den Betriebs der Wechselschaltkreise (4, 6) auszugeben, wobei wenigstens eins der alternativen Steuersignale ein periodisch wechselndes Signal ist und ein anders der alternativen Steuersignale bewirkt, daß der Wechselschaltkreis (4, 6) in einem festen Zustand gehalten wird, und eine Auswahlschaltung (8) zum Auswählen eines der alternativen Steuersignale umfaßt.

28. Array von programmierbaren Zellen, bei dem jede Zelle nach Anspruch 27 aufgebaut ist.

29. Verfahren zum Betreiben eines Schaltkreises mit geschalteten Kapazitäten mit einer Kapazität (2) in einer Schaltung mit einem ersten und einem zweiten Wechselschaltkreis (4, 6) auf gegenüberliegenden Seiten der Kapazität (2), wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch die Schritte:

Auswählen eines von mehreren Steuersignalen (S1, S2, S3) zum Bestimmen des Zustandes des ersten und des zweiten Wech selschaltkreises (4, 6) während des Betriebs des Schaltkreises, wobei die Steuersignale wenigstens ein periodisch wechselndes Signal und wenigstens ein Signal zum Halten des Wechselschaltkreises in einem festen Zustand umfassen.

30. Verfahren zum Betreiben eines Schaltkreises mit geschalteten Kapazitäten, bei dem der erste und der zweite Wechselschaltkreis (4, 6) jeweils durch ein erstes und ein zweites nicht-überlappendes Taktsignal gesteuert werden.

31. Verfahren zum Betreiben eines Schaltkreises mit geschalteten Kapazitäten nach Anspruch 29 oder 30, bei dem wenigstens einer von dem ersten und dem zweiten Wechselschaltkreis (4, 6) sowohl als Abtastschalter zum Ermöglichen des Abtastens der Ladung auf der Kapazität (2) als auch als Routing-Vorrichtung für die selektive Verbindung der Kapazität (2) mit einem der mehreren Schaltkreise verwendet wird.

32. Verfahren zum Betreiben eines Arrays von Schaltkreisen mit geschalteten Kapazitäten, die jeweils mit einem Logikschaltkreis verbunden sind, wobei jeder Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten gemäß Anspruch 29, 30 oder 31 betrieben wird und die Steuerschaltung jedes Schaltkreises mit geschalteten Kapazitäten so programmiert ist, daß der selektive Betrieb des ersten und des zweiten Wechselschaltkreises (4, 6) möglich ist.