EP0747849A1 - Switched capacitor integrator having switchable polarity - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a SC integrator polarity inversion according to the preamble of claim 1.
- a SC integrator (S witched C apacity integrator) is known to be an integrator with switched capacitors.
- Such an SC integrator is preferably used in sigma-delta modulators, e.g. B. are part of analog / digital converters that are used in electricity meters to analog measurement signals such. B. a mains voltage and an associated electrical current, or their product, such as. B. convert an electrical power belonging to the current in question into digital values.
- the invention has for its object to improve the known SC integrator so that it, while maintaining its advantages, requires a storage capacitor, the capacitance value is significantly lower and thus space-saving and cheaper in an integrated circuit, for. B. can be produced by means of CMOS technology.
- the known SC integrator shown in FIG. 1 and constructed by means of switched capacitances is provided with at least one switch arrangement 1 and one integration arrangement 2, which contains an amplifier 3, which is connected to at least one circuit network 4, through which a non-inverting output of the amplifier 3 is connected via an integration capacitor 5 to an inverting input of the amplifier 3 and in which a first connection of a storage capacitor 6 is connected to ground, the second connection of which is on the one hand via a first switch S1 to the non-inverting output of the amplifier 3 and on the other hand via a second Switch S2 is connected to the switch arrangement 1.
- the latter in turn contains a switching capacitor 7, the first connection of which is connected to the ground or to the inverting input of the amplifier 3 by means of a third and fourth switch S3 and S4, while its second connection is connected to the input voltage Vin and by means of a fifth switch S5 of a sixth switch S6 is connected to a further voltage potential Vm, which is equal to the ground potential in the known SC integrator.
- a connection in the switch arrangement 1 from the second connection of the switching capacitor 7 via a seventh switch S7 to a reference voltage Vref.
- the capacitance value Cs of the storage capacitor 6 in the known integrator must be twice as large as the capacitance value Ci of the integration capacitor 5.
- the amplifier 3 is preferably an operational amplifier, the non-inverting input of which is connected to ground. Its non-inverting output is connected to a non-inverting input of a comparator 8, the inverting input of which is connected to ground. Every time an output voltage Vo of the amplifier 3 exceeds a value zero, a logic value "1" appears at the output of the comparator 8, which inverts the polarity of the reference voltage Vref via a control circuit, not shown, so that the output voltage Vo decreases again and the Logic value "1" at the output of the comparator 8 disappears again as soon as the output voltage Vo falls below the value zero.
- the integration of the algebraic sum Vin + Vref of the input voltage Vin and the reference voltage Vref is carried out in the SC integrator, both of which can be both positive and negative, so that a total of four combinations + / +, - / -, +/- and - / + are possible.
- the input voltage + Vin or -Vin are integrated in succession during one sampling period of the integrator and the reference voltage + Vref or -Vref is integrated during another sampling period. If the two switches S5 and S4 are closed, the amplifier 3, which in this case is connected as an inverting amplifier, works as an inverting integrator and its output voltage Vo is then the integrated -Vin voltage when switches S1 and S2 are open.
- the + Vin voltage is integrated in two phases.
- the switching capacitor 7 is charged with the input voltage Vin via the closed switches S5 and S3 during a sampling period, which has no effect on the amplifier 3 since the switch S4 is not closed.
- switches S6 and S7 are open during this phase.
- the two switches S5 and S3 are open and the two switches S4 and S6 are closed, which has the consequence that on the one hand the polarity of the voltage Vin present via the switching capacitor 7 is inverted and on the other hand this inverted voltage in the amplifier operating as an inverting integrator 3 is inverted again so that a non-inverted integration voltage appears at the output of the latter.
- the output voltage Vo of the amplifier 3 which is at the same time the voltage across the integration capacitor 5, charges the storage capacitor 6 with a charge Cs ⁇ Vo when the switch S2 is open via the closed switch S1, which charge is then reversed in the next phase
- the switch S1 is open, the polarity is reloaded into the integration capacitor Ci via the closed switch S2, so that its charge is totally identical
- the voltage present across the integration capacitor 5 has, as intended, changed its polarity and thus changed its value from + Vo to -Vo.
- the first variant of the SC integrator according to the invention shown in FIG. 2 is constructed similarly to the known SC integrator shown in FIG. 1 with the difference that the second connection of the storage capacitor 6 is via the second Switch S2 is connected directly to the first connection of the circuit capacitor 7.
- the first variant there is also the connection via the seventh switch S7 between the reference voltage Vref and the second connection of the switching capacitor 7 and the further voltage potential Vm is equal to the ground potential.
- the sum Cf + Cs of a capacitance value Cf of the circuit capacitor 7 and a capacitance value Cs of the storage capacitor 6 is twice the capacitance value 2Ci of the integration capacitor 5.
- each integration period consists of two time-graded partial integrations, the input voltage Vin being integrated in the first and the reference voltage Vref being integrated positively or negatively in the second.
- the number of partial integrations per integration period can be reduced to one partial integration per integration period using the second or third variant described below. H. the input voltage Vin and the reference voltage Vref are integrated at the same time, so that the required speed of the amplifier 3 in these two variants is lower than that in the first variant.
- the second variant of the SC integrator according to the invention shown in FIG. 3 is constructed similarly to the first variant.
- the further voltage potential Vm is again the ground potential.
- the switch arrangement 1 contains a further switch S8 and a further switching capacitor 9.
- the first connections of the two switching capacitors 7 and 9 are connected to one another and a second connection of the further switching capacitor 9 is connected to the ground via the further switch S8.
- the connection through the seventh This time, switch S7 is present between the reference voltage Vref and the second connection of the further switching capacitor 9.
- the sum Cf + Cf1 + Cs of capacitance values Cf and Cf1 of the two circuit capacitors 7 and 9 and of the capacitance value Cs of the storage capacitor 6 is equal to twice the capacitance value 2Ci of the integration capacitor 5 in the second variant.
- the capacitance values Cf and Cf1 of the two circuit capacitors 7 and 9 are preferably of the same size.
- the three capacitors 6. 7 and 9 are connected in parallel when the switches S2, S6 and S8 are closed.
- the third variant of the SC integrator according to the invention shown in FIG. 4 is constructed similarly to the first variant.
- the connection via the seventh switch S7 between the reference voltage Vref and the second connection of the switching capacitor 7 is again present in the first switch arrangement 1.
- the third variant differs as follows: This time, the further voltage potential Vm is the reference voltage -Vref provided with the reverse polarity.
- the second connection of the switching capacitor 7 is additionally connected to the input voltage voltage -Vin provided with the reverse polarity by means of a further switch S9.
- the amplifier 3 has a push-pull output and its non-inverting input is no longer connected to ground.
- the amplifier 3 is also connected to a second circuit network 4a and a second switch arrangement 1a, both of which are connected to one another and to the amplifier 3 in a similar way to that the first two are connected to each other and to the amplifier 3 with the difference that the inverting input of the amplifier 3 is due to its non-inverting input and the non-inverting input Output of the amplifier 3 is replaced by its inverting output.
- the two circuit networks 4 and 4a and the two switch arrangements 1 and 1a are each constructed identically.
- the switches S1 to S7 and S9 are controlled in the two circuit networks 4 and 4a or in the two switch arrangements 1 and 1a in such a way that switches of the same name are switched simultaneously during operation.
- the voltages Vin, -Vref, Vref and -Vin or -Vin, Vref, -Vref and Vin connected to the same names, ie identically numbered switches S5, S6, S7 and S9 are equal in the two switch arrangements 1 and 1a and of opposite polarity .
- the inverting output of amplifier 3 is connected to the inverting input of comparator 8, which input is therefore no longer connected to ground.
- the sum Cf + Cs of the capacitance values Cf and Cs of the circuit capacitor 7 of the first and second switch arrangement 1 and 1a and the storage capacitor 6 of the first and second circuit network 4 and 4a is in each case equal to twice the capacitance value 2Ci of the integration capacitor 5 of the relevant first or second circuit network 4 or 4a.
- the second variant according to FIG. 3 can also be constructed as a differential solution.
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen SC- Integrator mit umschaltbarer Polarität gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein SC- Integrator (Switched Capacity Integrator) ist bekanntlich ein Integrator mit geschalteten Kapazitäten.The invention relates to a SC integrator polarity inversion according to the preamble of
Ein solcher SC-Integrator wird vorzugsweise in Sigma-Delta-Modulatoren verwendet, die z. B. teil von Analog/Digital-Wandlern sind, die in Elektritzitätszählern benutzt werden, um analoge Mess-Signale, wie z. B. eine Netzspannung und ein dazugehöriger elektrischer Strom, oder deren Produkt, wie z. B. ein zum betreffenden Strom gehörige elektrische Leistung, in Digitalwerte umzuwandeln.Such an SC integrator is preferably used in sigma-delta modulators, e.g. B. are part of analog / digital converters that are used in electricity meters to analog measurement signals such. B. a mains voltage and an associated electrical current, or their product, such as. B. convert an electrical power belonging to the current in question into digital values.
Ein SC-Integrator der eingangs genannten Art ist aus der EP 0 607 712 A1 bekannt (siehe dort Fig. 5 mit zugehöriger Beschreibung) und in der Fig. 1 dargestellt. Er benötigt zur Umpolung einer im Integrator gespeicherten Integrationsspannung einen Speicherkondensator, dessen Kapazitätswert relativ gross ist, nämlich doppelt so gross wie derjenige eines im Integrator enthaltenen Integrationskondensators.An SC integrator of the type mentioned at the outset is known from
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den bekannten SC-Integrator so zu verbessern, dass er, unter Beibehaltung von dessen Vorteilen, einen Speicherkondensator benötigt, dessen Kapazitätswert bedeutend niedriger ist und somit platzsparend und billiger in einer integrierten Schaltung, z. B. mittels CMOS-Technologie, herstellbar ist.The invention has for its object to improve the known SC integrator so that it, while maintaining its advantages, requires a storage capacitor, the capacitance value is significantly lower and thus space-saving and cheaper in an integrated circuit, for. B. can be produced by means of CMOS technology.
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.According to the invention, this object is achieved by the features specified in the characterizing part of
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.Embodiments of the invention are shown in the drawing and are described in more detail below.
Es zeigen:
- Fig. 1
- ein Schaltbild des bekannten SC-Integrators,
- Fig. 2
- ein Schaltbild einer ersten Variante eines erfindungsgemässen SC-Integrators,
- Fig. 3
- ein Schaltbild einer zweiten Variante des erfindungsgemässen SC-Integrators und
- Fig. 4
- ein Schaltbild einer dritten Variante des erfindungsgemässen SC-Integrators.
- Fig. 1
- a circuit diagram of the known SC integrator,
- Fig. 2
- 2 shows a circuit diagram of a first variant of an SC integrator according to the invention,
- Fig. 3
- a circuit diagram of a second variant of the SC integrator according to the invention and
- Fig. 4
- a circuit diagram of a third variant of the SC integrator according to the invention.
Der in der Fig. 1 dargestellte bekannte und mittels geschalteter Kapazitäten aufgebaute SC-Integrator ist mit mindestens einer Schalteranordnung 1 und einer Integrations-Anordnung 2 versehen, die einen Verstärker 3 enthält, welcher mit mindestens einem Schaltungsnetzwerk 4 beschaltet ist, durch welches ein nichtinvertierender Ausgang des Verstärkers 3 über einen Integrationskondensator 5 mit einem invertierenden Eingang des Verstärkers 3 verbunden ist und in dem ein erster Anschluss eines Speicherkondensators 6 an Masse liegt, dessen zweiter Anschluss einerseits über einen ersten Schalter S1 mit dem nichtinvertierenden Ausgang des Verstärkers 3 und andererseits über einen zweiten Schalter S2 mit der Schalteranordnung 1 verbunden ist. Die letztere enthält ihrerseits einen Schaltungskondensator 7, dessen erster Anschluss mittels eines dritten und vierten Schalters S3 und S4 mit der Masse bzw. mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 3 verbunden ist, während sein zweiter Anschluss mittels eines fünften Schalters S5 mit der Eingangsspannung Vin und mittels eines sechsten Schalters S6 mit einem weiteren Spannungspotential Vm verbunden ist, welches im bekannten SC-Integrator gleich dem Massepotential ist. Ausserdem ist dort in der Schalteranordnung 1 eine Verbindung vom zweiten Anschluss des Schaltungskondensators 7 über einen siebten Schalter S7 zu einer Referenzspannung Vref vorhanden. Der Kapazitätswert Cs des Speicherkondensators 6 muss im bekannten Integrator doppelt so gross sein wie der Kapazitätswert Ci des Integrationskondensators 5. Der Verstärker 3 ist vorzugsweise ein Operationsverstärker, dessen nichtinvertierender Eingang an Masse liegt. Sein nichtinvertierender Ausgang ist mit einem nichtinvertierenden Eingang eines Komparators 8 verbunden, dessen invertierender Eingang an Masse liegt. Jedesmal wenn eine Ausgangsspannung Vo des Verstärkers 3 einen Wert Null überschreitet, erscheint am Ausgang des Komparators 8 ein Logikwert "1", der über eine nicht dargestellte Steuerschaltung und die Schalter die Polarität der Referenzspannung Vref invertiert, so dass die Ausgangsspannung Vo wieder abnimmt und der Logikwert "1" am Ausgang des Komparators 8 wieder verschwindet, sobald die Ausgangsspannung Vo den Wert Null unterschreitet.The known SC integrator shown in FIG. 1 and constructed by means of switched capacitances is provided with at least one
Im SC-Integrator wird jeweils die Integration der algebraischen Summe Vin + Vref der Eingangsspannung Vin und der Referenzspannung Vref durchgeführt, die beide sowohl positiv als auch negativ sein können, so dass total vier Kombinationen +/+, -/-, +/- und -/+ möglich sind. Dabei werden zeitlich hintereinander während einer Abtastperiode des Integrators die Eingangsspannung +Vin bzw. -Vin integriert und während einer anderen Abtastperiode die Referenzspannung +Vref bzw. -Vref integriert. Sind die beiden Schalter S5 und S4 geschlossen, arbeitet der Verstärker 3, der in diesem Fall als invertierender Verstärker geschaltet ist, als invertierender Integrator und seine Ausgangsspannung Vo ist dann bei offenen Schaltern S1 und S2 die integrierte -Vin-Spannung. Die Integration der +Vin-Spannung geschieht ihrerseits in zwei Phasen. In einer ersten dieser Phasen wird der Schaltungskondensator 7 während einer Abtastperiode über die geschlossenen Schalter S5 und S3 mit der Eingangsspannung Vin geladen, was ohne Einfluss auf den Verstärker 3 ist, da der Schalter S4 nicht geschlossen ist. Ausserdem sind die Schalter S6 und S7 während dieser Phase offen. In einer nachfolgenden Phase sind die beiden Schalter S5 und S3 offen und die beiden Schalter S4 und S6 geschlossen, was zur Folge hat, dass einerseits die Polarität der über den Schaltungskondensator 7 vorhandenen Spannung Vin invertiert und anderseits diese invertierte Spannung im als invertierenden Integrator arbeitenden Verstärker 3 nochmals invertiert wird, so dass am Ausgang des letzteren ein nichtinvertierte Integrationsspannung erscheint. Das gleiche geschieht während weiteren Abtastperioden ebenfalls mit der Referenzspannung Vref mit dem Unterschied, dass anstelle des Schalters S5 der Schalter S7 betätigt wird. Wenn die Polarität der Signalverarbeitung gewechselt wird, hat die Ausgangsspannung Vo des Integrators im Umschaltaugenblick ein verkehrtes Vorzeichen, welches somit nach dem Umschalten invertiert werden muss, soll die Integration korrekt erfolgen. Dies geschieht, wieder in zwei Phasen, mittels des Speicherkondensators 6 und der beiden Schalter S1 und S2. In einer ersten dieser Phasen lädt die Ausgangsspannung Vo des Verstärkers 3, die gleichzeitig die Spannung über den Integrationskondensator 5 ist, bei offenem Schalter S2 über den geschlossenen Schalter S1 den Speicherkondensator 6 mit einer Ladung Cs·Vo, welche dann in der nächsten Phase mit umgekehter Polarität bei offenem Schalter S1 über den geschlossenen Schalter S2 in den Integrationskondensator Ci umgeladen wird, so das dessen Ladung total gleich
Die nachfolgend beschriebenen erfindungsgemässen SC-Integratoren arbeiten prinzipiel ähnlich wie der bekannte SC-Integrator. Sie benötigen jedoch einen bedeutend niedrigeren Kapazitätswert Cs des Speicherkondensators 6, der somit platzsparend und billiger in einer integrierten Schaltung, z. B. mittels der CMOS-Technologie, herstellbar ist.The SC integrators according to the invention described below work in principle similarly to the known SC integrator. However, you need a significantly lower capacitance value Cs of the
Die in der Fig. 2 dargestellte erste Variante des erfindungsgemässen SC-Integrators ist ähnlich aufgebaut wie der in der Fig. 1 dargestellte bekannte SC-Integrator mit dem Unterschied, dass der zweite Anschluss des Speicherkondensators 6 über den zweiten Schalter S2 unmittelbar mit dem ersten Anschluss des Schaltungskondensators 7 verbunden ist. Insbesondere ist auch in der ersten Variante die Verbindung über den siebten Schalter S7 zwischen der Referenzspannung Vref und dem zweiten Anschluss des Schaltungskondensators 7 vorhanden und das weitere Spannungspotential Vm gleich dem Massepotential. In der ersten Variante ist die Summe Cf + Cs eines Kapazitätswertes Cf des Schaltungskondensators 7 und eines Kapazitätswertes Cs des Speicherkondensators 6 gleich dem doppelten Kapazitätswert 2Ci des Integrationskondensators 5. Es gilt somit
In der ersten Variante besteht jede Integrationsperiode aus zwei zeitgestaffelten Teilintegrationen, wobei in der ersten die Eingangsspannung Vin und in der zweiten die Referenzspannung Vref jeweils positiv oder negativ integriert wird. Die Anzahl Teilintegrationen pro Integrationsperiode kann mittels der nachfolgend beschriebenen zweiten oder dritten Variante auf eine Teilintegration pro Integrationsperiode reduziert werden, d. h. die Eingangsspannung Vin und die Referenzspannung Vref werden gleichzeitig integriert, so dass die benötigte Geschwindigkeit des Verstärkers 3 in diesen beiden Varianten kleiner ist als diejenige in der ersten Variante.In the first variant, each integration period consists of two time-graded partial integrations, the input voltage Vin being integrated in the first and the reference voltage Vref being integrated positively or negatively in the second. The number of partial integrations per integration period can be reduced to one partial integration per integration period using the second or third variant described below. H. the input voltage Vin and the reference voltage Vref are integrated at the same time, so that the required speed of the
Die in der Fig. 3 dargestellte zweite Variante des erfindungsgemässen SC-Integrators ist ähnlich aufgebaut wie die erste Variante. Insbesondere ist das weitere Spannungspotential Vm wieder das Massepotential. Die Schalteranordnung 1 enthält jedoch einen weiteren Schalter S8 und einen weiteren Schaltungskondensator 9. Dabei sind die ersten Anschlüsse der beiden Schaltungskondensatoren 7 und 9 miteinander verbunden und ein zweiter Anschluss des weiteren Schaltungskondensators 9 ist über den weiteren Schalter S8 mit der Masse verbunden. Die Verbindung über den siebten Schalter S7 ist diesmal zwischen der Referenzspannung Vref und dem zweiten Anschluss des weiteren Schaltungskondensators 9 vorhanden. Die Summe
Die in der Fig. 4 dargestellte dritte Variante des erfindungsgemässen SC-Integrators ist ähnlich aufgebaut wie die erste Variante. Insbesondere ist in die erste Schalteranordnung 1 die Verbindung über den siebten Schalter S7 wieder zwischen der Referenzspannung Vref und dem zweiten Anschluss des Schaltungskondensators 7 vorhanden.The third variant of the SC integrator according to the invention shown in FIG. 4 is constructed similarly to the first variant. In particular, the connection via the seventh switch S7 between the reference voltage Vref and the second connection of the switching
Im Vergleich zur ersten Variante ist die dritte Variante wie folgt unterschiedlich: Das weitere Spannungspotential Vm ist diesmal die mit umgekehrter Polarität versehene Referenzspannung -Vref. In der ersten Schalteranordnung 1 ist ausserdem der zweite Anschluss des Schaltungskondensators 7 zusätzlich noch mittels eines weiteren Schalters S9 mit der mit umgekehrter Polarität versehenen Eingangsspannungsspannung -Vin verbunden. Der Verstärker 3 weist einen Gegentakt-Ausgang auf und sein nichtinvertierender Eingang liegt nicht mehr an Masse. Zusätzlich zu dem in der ersten Variante erwähnten ersten Schaltungsnetzwerk 4 und zu der dort erwähnten ersten Schalteranordnung 1 ist der Verstärker 3 noch mit einem zweiten Schaltungsnetzwerk 4a und einer zweiten Schalteranordnung 1a beschaltet, die beide unter sich und mit dem Verstärker 3 ähnlich verbunden sind wie die beiden ersteren unter sich und mit dem Verstärker 3 verbunden sind mit dem Unterschied, dass der invertierende Eingang des Verstärkers 3 durch dessen nichtinvertierenden Eingang und der nichtinvertierende Ausgang des Verstärkers 3 durch dessen invertierenden Ausgang ersetzt ist. Die beiden Schaltungsnetzwerke 4 und 4a sowie die beiden Schalteranordnungen 1 und 1a sind jeweils identisch aufgebaut. Die Schalter S1 bis S7 und S9 sind in den beiden Schaltungsnetzwerken 4 und 4a bzw. in den beiden Schalteranordnungen 1 und 1a jeweils so angesteuert, dass gleichnamige Schalter im Betrieb gleichzeitig geschaltet werden. Die an gleichnamigen, d. h. gleichnumerierten Schaltern S5, S6, S7 und S9 angeschlossenen Spannungen Vin, -Vref, Vref und -Vin bzw. -Vin, Vref, -Vref und Vin sind in den beiden Schalteranordnungen 1 und 1a gleich gross und von umgekehrter Polarität. Der invertierende Ausgang des Verstärkers 3 ist mit dem invertierenden Eingang des Komparators 8 verbunden, welcher Eingang somit nicht mehr an Masse liegt. Die Summe Cf + Cs der Kapazitätswerte Cf und Cs des Schaltungskondensators 7 der ersten bzw. zweiten Schalteranordnung 1 bzw. 1a und des Speicherkondensators 6 des ersten bzw. zweiten Schaltungsnetzwerkes 4 bzw. 4a ist jeweils gleich dem doppelten Kapazitätswert 2Ci des Integrationskondensators 5 des betreffenden ersten bzw. zweiten Schaltungsnetzwerkes 4 bzw. 4a. Der Integrator der dritten Variante arbeitet als differentieller Integrator mit differentiellen Eingangs- und Referenzspannungen, was eine gleichzeitige Integration dieser beiden Spannungen erlaubt. Ansonsten gilt wieder die Gleichung
Claims (6)
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