FI101914B - Parannettu menetelmä ja piirijärjestely signaalin käsittelemiseksi - Google Patents

Description

101914

Parannettu menetelmä ja piirijärjestely signaalin käsittelemiseksi - Förbättrad förfarande och kretsanordning för att behandla en signal

Keksinnön kohteena on parannettu menetelmä ja piirijärjestely signaalin käsittele-5 miseksi. Keksintöä voidaan edullisesti käyttää analogiasignaalien käsittelyyn sovelluksissa, joissa on oleellista saavuttaa pieni energiankulutus. Signaalin käsittelyllä tarkoitetaan tässä mm. signaalia esittävän jännitteen, tai yhtä hyvin varauksen tai virran, summausta, erotusta, integrointia ja derivointia.

10 Analogisten signaalien käsittelyyn liittyy usein ongelma, miten voidaan saavuttaa pieni energiankulutus, koska lineaarisesti toimivien aktiivisten analogiapiirien, kuten esim. operaatiovahvistimien, jatkuva virrankulutus on huomattavan suuri.

Ennestään tunnetaan perusmenetelmät, joissa signaalinäytteiden käsittely voidaan 15 suorittaa jatkuvasti virtaa kuluttavien rakenteiden sijasta käsittelemällä signaalia yksinomaisesti varausimpulsseja siirtävän kytkintransistorin avulla. Tällaisia menetelmiä on kuvattu patenttijulkaisuissa FI 89838 (vastaa julkaisuja EP 473436 ja US 5 387 874) sekä FI 931831 (vastaa julkaisuja EP 621 550 ja US 5 497 116).

20 Patenttijulkaisussa FI 89838 on kuvattu integroiva piiri, jossa kytkimien avulla ohjataan signaalijännitteestä otettujen näytevarausten tallentamista näytekondensaat-toriin sekä näytevarausten purkamista näytekondensaattorista edelleen integroivaan kondensaattoriin. Vastaavaa järjestelyä voidaan käyttää myös muiden signaalinkäsit-telyelementtien kuin integraattorin toteuttamiseen. Kuvattu piiri kuluttaa virtaa 25 oleellisesti ainoastaan varauksia siirrettäessä. Järjestelyn epäkohtana on kuitenkin se, että signaalijännitteen positiivisia ja negatiivisia jaksoja varten tarvitaan erilliset kytkinjärjestelyt ja erilliset kytkimiä ohjaavat kellovaiheet, jolloin piiristä tulee monimutkainen. Lisäksi eri piiriosien käyttö signaalin negatiivisen ja positiivisen jakson käsittelyyn voi aiheuttaa kynnysjännitteistä ja komponenttien erilaisuudesta 30 johtuvia signaalivääristymiä.

~ «

Edellä mainitun piirin epäkohtia voidaan välttää käyttämällä patenttijulkaisussa FI 931831 kuvattua ratkaisua. Seuraavassa kuvataan ko. julkaisussa esitetyn piirijärjes-telyn toimintaa yksityiskohtaisemmin, jotta esillä olevan keksinnön toiminta ja edut 35 tekniikan tasoon verrattuna olisivat helpommin ymmärrettävissä.

Kuvio 1 esittää transistoreiden Tl ja T2 avulla toteutettua signaalinkäsittelypiiriä, jossa lopputuloksena on aikadiskreetti integraali jännitteestä (Us-URef). Transisto- 2 101914 reina Tl, T2 on käytetty N-tyypin MOS-transistoria eli N-MOS-transistoria. Kuviossa 1 esitetyn piirin kytkimiä S21-S30 ohjataan kellosignaaleilla 1-4. Kellosignaalit 1-4 ohjaavat kytkimiä neljässä peräkkäisessä vaiheessa siten, että esim. kellojakson 1 aikana kellosignaali 1 ohjaa ne kytkimet johtavaan tilaan, jotka saavat ohjauksensa 5 kellosignaalista 1. Kytkimiä merkitään seuraavassa S-kirjaimen ja indeksien avulla siten, että alaindeksi viittaa kytkimen numeroon, joka on juokseva, ja yläindeksi viittaa niihin kellovaiheisiin, joiden aikana kytkin on johtavassa tilassa. Esim. merkintä ,¾3 merkitsee kytkintä 21, joka on johtavassa tilassa kellojaksojen 1 ja 3 aikana kellosignaalien 1 ja 4 ohjaamana. Muiden kellovaiheiden 2 ja 4 aikana kyseinen 10 kytkin on johtamattomassa tilassa. Vastaavasti yläindeksillä varustettu jännitemer- kintä merkitsee yläindeksin osoittaman kellovaiheen aikana esiintyvää jännitettä, ja yläindeksillä varustettu varausmerkintä merkitsee yläindeksin osoittaman kellovaiheen aikana esiintyvää tai siirtyvää varausta. Siten esim. U2Ci merkitsee kapasitanssin Cj jännitettä U kellojakson 2 aikana/lopussa. Kellopulssit ovat ns. non-overlapping-15 kellopulsseja eli tietyn vaiheen aikana vain kyseisen vaiheen aikana suljettavaksi tarkoitetut kytkimet ovat johtavassa tilassa ja muut kytkimet ovat auki.

Kytkennän kellovaiheiden 1-4 toimintaa kuvataan yksityiskohtaisesti kuvioissa 2-5, joissa esitetään kuvion 1 mukaisesta piiristä vain kulloisenkin kellovaiheen toimin-20 nan kannalta tarpeelliset elementit. Signaalien ja jännitteiden etumerkit (polariteetti, esim. positiivinen tai negatiivinen) ilmaistaan maapotentiaalin suhteen.

Kuvio 2 esittää toimintaa kellovaiheen 1 aikana. Kellovaiheen 1 ajaksi suljetaan kytkimet S21, S22? $23 ja S24, jolloin varausta siirtävä kondensaattori Cj, jota tässä 25 kutsutaan myös näytteenottokondensaattoriksi Cj, varataan jännitteeseen U'Ci:

Vci=Ul+URcf+UM (1) jossa UM on transistorin Tl hila/lähdejännitteen kynnysjännite. Kun transistorin Tl 30 vahvistus on suuri, näytteenottokondensaattoriin C[ siirtyvä varaus saadaan oleelli-sesti piirin käyttöjännitteestä VDD eikä signaalijännitteestä Ug.

Toiminta seuraavassa kellovaiheessa 2 on esitetty kuviossa 3. Kellovaiheen 2 aikana kytkimet S26, S27 ja S28 ovat johtavassa tilassa (suljettuja), jolloin näytteenotto-35 kondensaattori C[ muodostaa hila/lähdejännitteen transistorille T2 mahdollistaen virran kulun positiivisesta käyttöjännitteestä VDD integroivaan kondensaattoriin C0. Virran kulku jatkuu, kunnes näytteenottokondensaattori Cj on purkautunut transistorin T2 hila/lähdeliitoksen kynnysjännitteeseen 11^2, jolloin virran kulku lakkaa.

3 101914

Siten näytteenottokondensaattorista Cj siirtyy varausta integroivaan kondensaattoriin C0, kunnes kondensaattorin Cj jännite on alentunut arvoon Tällöin kello-vaiheen 2 aikana varausta siirtävästä kondensaattorista Cj on siirtynyt integroivaan kondensaattoriin C0 varaus 5 Δ02 (2)

Kuvio 4 esittää piirin toimintaa kellovaiheen 3 aikana, jolloin kytkimet S21, S23, S24 ja S25 ovat suljettuja. Silloin näytteenottokondensaattori Cj kytkeytyy transis-10 torin Tl välityksellä referenssijännitteeseen Uref, jolloin kondensaattori Cj varautuu jännitteeseen ^α=υ^-υΜ (3) 15 Kuvio 5 esittää piirin toimintaa viimeisen kellovaiheen 4 aikana, jolloin kytkimet S26, S29 ja S30 suljetaan. Silloin näytteenottokondensaattori Cj muodostaa hi-la/lähdejännitteen transistorille T2 mahdollistaen virran kulun näytteenottokonden-saattorin Cj läpi integroivasta kondensaattorista C0 alempaan käyttöjännitteeseen VSS. Virran kulku jatkuu, kunnes näytteenottokondensaattori Cj on purkautunut 20 transistorin T2 hila/lähdeliitoksen kynnysjännitteeseen Uth2· Tällöin integroivaan kondensaattoriin C0 siirtynyt negatiivinen varaus on suuruudeltaan: Δ Ω4=-θχυ^-υΜ-υ,Η2) (4) 25 Kun transistorin T2 vahvistus on suuri, kuten on asianlaita hyvälaatuisella bipo-laaritransistorilla tai lähes ääretön, kuten kenttävaikutteisella kanavatransistorilla (esim. MOS-transistori), myös varauksen siirtovaiheissa siirtyvä varaus otetaan käyttöjännitteestä (VDD, VSS) oleellisesti sen suuruisena kuin halutun varauksen siirtäminen näytteenottokapasitanssista Cj integroivaan kapasitanssiin C0 edellyttää. 30 Kaikkien kellovaiheiden 1 - 4 aikana kytkennän lähtöön, joka saadaan integroivasta : ‘ kondensaattorista C0, siirtynyt varaus on yhteensä yhtälöiden (2) ja (4) summa, eli AOlat = C,(UM + VRe, - VRe/) = CfJt (5) 35 Vastaavasti yhden kellovaiheiden kertautumisvaiheen Tr aikana eli kellojaksojen 1-4 aikana integroivan kondensaattorin C0 jännite muuttaa arvoa yhtälön (6) osoittaman määrän: 4 101914 Λί/ς = £ (U, + U„, - Uu,) = £ f/, (6)

Lo '-'o Täten kuvion 1 mukaisesta kytkennästä muodostuu signaalijännitteen diskreettiaikainen, positiivinen integrointikytkentä, jonka aikaintegroinnin painokerroin on 5 Cj/C0. Integroinnin etumerkki voidaan vaihtaa negatiiviseksi vaihtamalla edellä selostettujen kellovaiheiden 2 ja 4 suoritusjärjestys keskenään, jolloin kellovaiheen 4 mukainen toiminta suoritetaan vaiheen 1 jälkeen ja kellovaiheen 2 mukainen toiminta suoritetaan vaiheen 3 jälkeen. Tällöin myös edellä esitettyjen yhtälöiden (2) ja (4) ja siten myös yhtälöiden (5) ja (6) etumerkit muuttuvat (positiivinen muuttuu nega-10 tiiviseksi ja negatiivinen muuttuu positiiviseksi). Tästä peruskytkennästä voidaan helposti tehdä useita variaatioita sen mukaan, millaisia transistoreita käytetään (NPN, PNP, N-MOS tai P-MOS) ja sen mukaan, halutaanko kytkentä toteuttaa yhdellä transistorilla kahden transistorin (edellä Tl ja T2) sijaan.

15 Edellä esitetyssä tekniikan tason mukaisessa ratkaisussa on päästy siihen, että varauksen siirryttyä piiri on oleellisesti virraton ja riippuvuus kynnysjännitteistä ja piiri-elementtien epälineaarisuuksista on vähäistä. Toteutettaessa ratkaisun mukainen piiri CMOS-transistoreilla on piirillä kuitenkin kolme olennaista rajoitusta. Ensiksikin osa kytkintransistoreista kelluu käsiteltävien jännitteiden mukana, mikä johtaa 20 käytännön toteutuksissa kynnysjännitteen muutoksiin ns. backgate-ilmiön johdosta. Tämä näkyy piirin toiminnassa epälineaarisuutena siten, että näytettä otettaessa ja näytettä siirrettäessä transistorilla voi olla eri kynnysjännitteitä ja että myös erisuuruisilla signaaleilla kynnysjännitteillä on toisistaan poikkeavat arvot. Tyypillisesti transistori kelluisi noin voltin alueella, jolloin kynnysjännite voisi vaihdella joitakin 25 millivoltteja. Siksi menetelmän toteuttamisen kannalta olisi edullista minimoida transistorin potentiaalivaihtelut.

Toiseksi ennestään tunnettujen ratkaisujen mukaisissa piireissä transistori siirtyy virrattomaan tilaan siten, että hilan jännite laskee kynnysjännitteeseen. Tämä tapah--: 30 tuu hitaasti, koska transistorin hilajännite Vqs muuttuu kapasitanssin Cj varautumi sen kautta ja tämä varautuminen puolestaan tapahtuu ainoastaan kanavaresistanssin kautta, joka samalla kasvaa ääretöntä arvoa lähestyen. Siten kytkentä voi olla hidas ja kasvava kanavaresistanssi aiheuttaa myös kohinaa. Bipolaaritransistoriin perustuvassa toteutuksessa ko. nopeus ja kohinaominaisuudet ovat kuitenkin paremmat.

35

Kolmas tekniikan tasoon liittyvä rajoitus on se, että kahta useamman (esim. neljän) erivaiheisen kellosignaalin toteuttaminen monimutkaistaa piiriä. Erityisesti piille 5 101914 integroiduissa toteutuksissa neljän erivaiheisen kellosignaalin langoittaminen vaatii olennaisesti suuremman pinta-alan kuin kahden kellovaiheen langoittaminen, vaikka kytkimien lukumäärä ei olisikaan merkittävän suuri. Siten on edullista pyrkiä vähentämään tarvittavien erivaiheisten kellosignaalien lukumäärää.

5

Keksinnön tarkoituksena on luoda menetelmä ja järjestely signaalin käsittelemiseksi, joka käyttää hyväksi edellä viitatun tekniikan tason mukaista perusmenetelmää siihen liittyvien etujen saavuttamiseksi, mutta sellaisella keksinnölliseen ratkaisuun perustuvalla tavalla, että edellä esitetyt, tekniikan tasoon liittyvät epäkohdat voidaan 10 välttää.

Halutut parannukset piirin toimintaan saavutetaan tässä keksinnössä esitetyllä tavalla siten, että transistorin varauksensiirto kapasitanssiin Q lakkaa transistorin ollessa virrallisessa tilassa ja että virran kulku varmistetaan keksinnön mukaisesti 15 asetetun vakiovirtaelimen avulla. Keksinnön mukaisesti nämä piirteet yhdistetään edullisesti siten, että varauksensiirron katkeamisvirta on sama kuin edellä mainittu vakiovirtaelimen virta.

Keksinnön mukaiselle menetelmälle, jossa menetelmässä 20 - kytketään varauksensiirtokapasitanssi toiminnalliseen yhteyteen signaalin kanssa, - muutetaan varauksensiirtokapasitanssin varausta käsiteltävään signaalin hetkelli-seeen arvoon verrannollisella varausmäärällä sinä aikana, kun varauksensiirtokapasitanssi on toiminnallisessa yhteydessä signaaliin, - kytketään varauksensiirtokapasitanssi toiminnalliseen yhteyteen integroivan ka-25 pasitanssin kanssa, - siirretään varausta näytteenottokapasitanssin ja mainitun integroivan kapasitanssin välillä sinä aikana, jolloin varauksensiirtokapasitanssi on toiminnallisessa yhteydessä integroivaan kapasitanssiin ja - mainitun varauksensiirtokapasitanssin varausta muutetaan varauksensiirtokapasi-30 tanssiin liitetyn aktiivisen elimen muodostamalla virralla, joka on järjestetty mainitun varauksensiirtokapasitanssin jännitteestä riippuvaksi, on tunnusomaista se, että - varausta siirretään mainitun varauksensiirtokapasitanssin ja mainitun integroivan kapasitanssin välillä aktiivisen elimen ja sen kanssa sarjaan kytketyn vakiovirtaeli- 35 men virtojen erotuksen avulla siten, että mainittu erotusvirta kulkee oleellisesti varauksensiirtokapasitanssin läpi muuttaen sen varausta signaalin hetkelliseen arvoon verrannollisella määrällä.

6 101914

Keksinnön mukaiselle piirijärjestelylle, joka käsittää - varauksensiirtokapasitanssin, - ainakin yhden aktiivisen elimen, - ensimmäiset kytkinelimet varauksensiirtokapasitanssin kytkemiseksi toiminnalli-5 seen yhteyteen signaalin kanssa mainitun varauksensiirtokapasitanssin varauksen muuttamiseksi signaalin hetkelliseen arvoon verrannollisella varausmäärällä, - integroivan kapasitanssin, - toiset kytkinelimet varauksensiirtokapasitanssin kytkemiseksi toiminnalliseen yhteyteen integroivan kapasitanssin kanssa varauksen siirtämiseksi varauksensiirto- 10 kapasitanssin ja integroivan kapasitanssin välillä, - ainakin yhden aktiivisen elimen varauksensiirtokapasitanssin varauksen muuttamiseksi mainitun varauksensiirtokapasitanssin jännitteestä riippuvasti, on tunnusomaista se, että se käsittää lisäksi - vakiovirtaelimen varauksensiirtokapasitanssin varauksen muuttamiseksi, jolloin 15 mainittu aktiivinen elin ja mainittu vakiovirtaelin ovat kytketyt virtapiiriin sarjaan siten, että niiden muodostamien virtojen erotus kulkee oleellisesti varauksensiirtokapasitanssin läpi muuttaen sen varausta signaalin hetkelliseen arvoon verrannollisella määrällä.

20 Keksinnön edullisia suoritusmuotoja on esitetty epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa.

Keksintöä selostetaan seuraavassa yksityiskohtaisemmin viitaten oheisiin piirustuksiin, joissa 25 kuvio 1 esittää erästä tekniikan tason mukaista integrointipiiriä kokonaisuudessaan, kuvio 2 esittää pelkistettynä kuvion 1 kytkennän kellovaiheiden 1 ja 2 aikana 30 toimintaan liittyvät oleelliset osat, kuvio 3 esittää pelkistettynä kuvion 1 kytkennän kellovaiheen 3 aikana toimintaan liittyvät oleelliset osat, 1 kuvio 4 esittää pelkistettynä kuvion 1 kytkennän kellovaiheiden 4 ja 5 aikana toimintaan liittyvät oleelliset osat, kuvio 5 esittää pelkistettynä kuvion 1 kytkennän kellovaiheen 6 aikana toimin taan liittyvät oleelliset osat, 101914 7 kuvio 6 esittää erästä keksinnön mukaista piiriratkaisua, 5 kuvio 7 esittää kuvion 6 piirin kellovaiheen 1 aikana toimintaan liittyvät oleelliset osatja kuvio 8 esittää kuvion 6 piirin kellovaiheen 2 aikana toimintaan liittyvät oleel-10 liset osat.

Tekniikan tason mukaisia ratkaisuja selostettiin jo edellä kuvioiden 1-5 avulla. Seuraavassa selostetaan yksityiskohtaisemmin erästä keksinnön mukaista ratkaisua, joka on esitetty kuviossa 6. Piirijärjestelyn toiminta käsittää kaksi kellovaihetta, 15 joiden mukaisesti ohjataan piirissä olevia kytkimiä j -854. Kellosignaalit 1 ja 2 ohjaavat kytkimiä kahdessa peräkkäisessä vaiheessa siten, että kellovaiheen 1 aikana kellosignaali 1 ohjaa ne kytkimet (S^j, 853) johtavaan tilaan, jotka saavat ohjauksensa kellosignaalista 1. Vastaavasti kellovaiheen 2 aikana kellosignaali 2 ohjaa ne kytkimet (S62, ^54) johtavaan tilaan, jotka saavat ohjauksensa kellosignaalista 2.

20 Piirijärjestelyn toiminnan havainnollistamiseksi kuvioissa 7 ja 8 on esitetty erikseen kummankin kellovaiheen aikana toimintaan liittyvät oleelliset osat. Kytkimien ja jännitteiden yläindeksinä on seuravassa käytetty piirijärjestelyn kellovaiheita osoittavia numeroita kuten edellä tekniikan tason selostuksen yhteydessä.

25 Kuvion 6 mukaista piirijärjestelyä selostetaan seuraavassa käyttäen esimerkkinä p-kanavatransistoria T, jonka kynnysjännite on Vj. Kynnysjännitteen Vy suuruus on tyypillisesti suuuusluokkaa -0,5 V. P-kanavatransistorin toimintaa kuvaavat virtayh-tälöt ovat kytkennän toiminnan kannalta olennaisella alueella seuraavat: 30 ID=±k(V0S-VT? (7) 'o =^ο.Λ^-K) (8)

Piirissä käytettävä vakiovirtaelin Ic muodostaa oleellisesti vakiovirran Ic. Kytken-35 nän toiminta tarkastellaan kuitenkin ensin ilman vakiovirtaelintä Ic. Kellovaiheen 1 aikana (kuvio 7) transistorin T hila G kytketään kytkimellä^, signaalijännitteeseen Us ja kapasitanssin Cj ensimmäinen elektrodi 23 kytkimellä S^3 vakiopotentiaaliin 8 101914

Vr. Varauksensiirtokapasitanssin Q toinen elektrodi 24 on liitetty kiinteästi transistorin T emitteriin S. Tällöin kapasitanssi Cj varautuu jännitteeseen U'Ci=Us-VT (9) 5

Oletetaan aluksi, että Us < 0 Jolloin varauksensiirtokapasitanssin jännite Uq on itseisarvoltaan suurempi kuin transistorin kynnysjännite Vy.

Kellovaiheen 2 aikana (kuvio 8) integroiva kapasitanssi C0 kytketään sarjaan vara-10 uksensiirtokapasitanssin Q kanssa kytkimellä S^2, ja samalla varauksensiirtokapasi tanssin Cj:n jännite Uq kytketään transistorin T emitterin S ja hilan G välille kytkimellä S%4. Kytkentä siirtää varausta käyttöjännitteestä kunnes Cj:n jännite on alentunut arvoon 15 Uf:i=UT (10)

Siirtyvä varaus vastaa varauksensiirtokapasitanssin Cj:n jännitemuutosta ja on suuruudeltaan 20 AO = Us C,. (11)

Mikäli Us>0, kytkentä ei toimisi edellä esitetyllä tavalla, koska varauksensiirtokapasitanssin jännite Uq olisi molempien kellovaiheiden aikana pienempi kuin transistorin T kynnysjännite Vj eikä virtaa kulkisi kummankaan kellovaiheen aikana.

25 Tämän tilanteen käsittelemiseksi kytkentään on lisätty vakiovirtaelin Ic. Seuraavassa oletetaan, että vakiovirtaelimen virta Ic on valittu sellaiseksi, että kytkentä ehtii saavuttaa tasapainotilan jokaisen kellojakson aikana. Transistorin T virran arvon pienetessä tai noustessa arvoon Ic virran kulku varauksen siirtokapasitanssiin C\ lakkaa, ja katkaisua vastaavaksi hilajännitteeksi saadaan yhtälöistä (7) ja (8) 30 (>;<o) (i2)

Mbs kun oletetaan, että transistori toimii lineaarisella eli triodialueella. Transistorin toimiessa saturaatio- eli pentodialueella katkaisujännite olisi edelleen vakio Vj. Käy-35 tännössä yhtälön (12) mukainen epälineaarisuus johtuu siitä, että Vqs vaihtelee sig-naalijännitteen verran. Koska transistorille ominaisen kertoimen k arvo on suuri, on epälineaarisesta termistä aiheutuva särö suuruudeltaan vain muutama mV yhden 9 101914 voltin signaalijännitteellä, joten seuraavassa virran katkaisujännitteeksi voidaan olettaa Vt. Huomattakoon tässä, että kuvioissa 6-8 esitetty transistori on PMOS-tyyppinen. Tällaisella transistorilla Vj<0 ja transistori johtaa, kun VgS^T· 5 Kellovaiheen 1 aikana kytkentä on kuvion 7 mukainen, jolloin varausta siirtävä kapasitanssi varautuu jännitteeseen U'ci=U,-VT (13) 10 Mikäli ennen kellovaihetta 1 pätee Ua > Us - VT, vakiovirtaelin purkaa kapasitanssia Cj, kunnes U^j saavuttaa yhtälön (13) arvon ja tänä aikana vastaavasti transistorin T virta on pienempi kuin Ic. Kellovaiheen aikana transistorin T virta asettuu arvoon Ic ja se johdetaan vakiovirtaelimeen Ic. Kapasitanssiin Cj kulkeva virta on nolla, kun transistorin T virta on vakiintunut arvoon Ic.

15

Mikäli ennen kellovaihetta pätee Un < Us - VT, transistorin T virta kasvaa virtaa Ic suuremmaksi, kunnes varauksensiirtokapasitanssin jännite Ucj on saavuttanut yhtälön (7) mukaisen arvon. Tämän jälkeen virta asettuu arvoon lc, joka virta kulkee kokonaan vakiovirtaelimeen.

20

Kellovaiheen kaksi aikana (kuvio 8) integroiva kapasitanssi C0 kytketään sarjaan varausta siirtävän kapasitanssin Cj kanssa, ja varausta siirtävän kapasitanssin jännite Uci, jonka suuruus on yhtälön 7 mukainen, kytketään transistorin T hilan G ja emitterin S väliseksi transistoria T ohjaavaksi jännitteeksi. Mikäli kapasitanssin Cj 25 jännite Uci =Us-Vt<Vt, transistori T johtaa vakiovirtaelimeen Ic ja kapasitanssiin Cj virtaa enemmän kuin arvon Ic, kunnes jännite U^j asettuu arvoon Vj ja transistorin T virta asettuu arvoon Ic. Mikäli pätee Ucj=Us-VT>VT, vakiovirtaelin purkaa varauksensiirtokapasitanssia Cj, kunnes sen jännite Ucj saavuttaa arvon Vj Tänä aikana transistorin T virta on hetkellisesti pienempi kuin arvo Ic, mihin arvoon 30 se vakiintuu, kun varauksen siirto kapasitanssista Cj tai kapasitanssiin Cj on päättynyt. Varauksensiirtokapasitanssin Cj:n kautta kulkenut ja sen varaustilaa muuttava varaus siirtyy integroivaan kapasitanssiin C0. Tämän siirtyvän varauksen suuruus on &Q = USC, (14) 35 kuten kaavassa 11, eli esitetty piirisolu toimii integraattorina.

10 101914

Piirissä olevia kytkinelimiä voidaan ohjata alan ammattilaisen sinänsä tuntemilla välineillä ja piiriratkaisuilla kulloinkin käytettävästä sovelluksesta riippuen, joten nämä ohjauselimet on havainnollisuuden vuoksi jätetty pois kuvioista eikä niitä ole selitetty tässä yksityiskohtaisemmin. Myös kytkinelimet voidaan toteuttaa alan 5 ammattilaisen tuntemin välinein, esim. puolijohdekytkimien avulla. Vakiovirtaelin voidaan tunnetusti toteuttaa esim. transistorin avulla. Aktiivisena elimenä voidaan keksinnön mukaisessa piirijärjestelyssä luonnollisesti käyttää MOS-transistorien sijasta myös esim. muun tyyppisiä transistoreja. Piirin käyttöjännitteet mitoitetaan luonnollisesti käytettyjen komponenttien sekä signaalijännitteiden perusteella. Jos 10 ensimmäinen käyttöjännite Vqd on vakiopotentiaaliin Vr nähden positiivinen, on toinen käyttöjännite Vjjs edullisesti vakiopotentiaaliin Vr nähden negatiivinen.

Esillä olevan keksinnön avulla on saavutettavissa huomattavia parannuksia tekniikan tasoon. Keksinnön mukaista ratkaisua sovellettaessa transistori ei kellu käsitel-15 tävien jännitteiden mukana, jolloin potentiaalivaihteluista johtuvat kynnysjännittei- den muutokset ovat oleellisesti pienempiä ja piirin toiminta lineaarisempaa. Toiseksi keksinnön mukaisen ratkaisun avulla voidaan saavuttaa piirin nopeampi asettuminen tasapainotilaan, koska transistori on jatkuvasti johtavassa tilassa. Siten on mahdollista käyttää lyhyempiä kello vaiheita ja käsitellä signaaleja, joilla on korkeampi 20 taajuus. Myös korkean kanavaresistanssin aiheuttamaa kohina voidaan oleellisesti välttää. Lisäksi keksinnön mukainen järjestely voidaan toteuttaa vähemmällä määrällä kytkimiä ja vain kahdella kellosignaalilla, jolloin piirin vaatima pinta-ala saadaan pieneksi.

25 Vaikka keksinnön mukaista ratkaisua on edellä kuvattu integroivan piirin toteuttamiseksi, ei esillä oleva keksintö millään tavoin rajoitu integroivan piirin toteuttamiseen vaan piiriä voidaan käyttää yhtä hyvin muiden signaalinkäsittelytoimintojen aikaansaamiseksi. Kuten esim. patenttijulkaisussa FI 93684 on esitetty, varausta siirtävä piirikytkentä voidaan helposti muuntaa vahvistimeksi, differentiaattoriksi, 30 vertailuelimeksi jne. ja sitä voidaan käyttää suodattimien, muuntimien, oskillaattorien ja muiden elektroniikan rakennelohkojen peruskomponenttina.

Erityisesti keksinnön mukaista menetelmää ja signaalinkäsittelypiiriä voidaan käyttää suodattimissa, varsinkin integraattoreista muodostettavissa suodattimissa, jotka 35 voidaan toteuttaa keksinnön avulla integroituna piirinä tai integroidun piirin komponenttina. Keksinnön mukainen signaalinkäsittelypiiri voidaan toteuttaa piille pienikokoiseksi, ja se kuluttaa vähän tehoa ja on vähäkohinainen. Siten se soveltuu erinomaisesti radiopuhelimiin, esim. radiovastaanottimeen, jossa siitä muodostettuja 11 101914 suodattimia voidaan käyttää esim. vastaanottimen välitaajuus- ja ilmaisinpiirissä. Käytettäessä keksintöä radiopuhelimessa voidaan kytkimien ohjaussignaalit muodostaa radiopuhelimen paikallisoskillaattoritaajuudesta esim. kellosignaaligeneraat-torin avulla. Tällaisten kytkimien ohjaussignaalien muodostaminen radiopuhelimes-5 sa on alan ammattilaiselle sinänsä tunnettua eikä sitä siten selosteta tässä tarkemmin.

Keksinnön mukaista periaatetta voidaan luonnollisesti muunnella patenttivaatimusten määrittelemän suoja-alueen puitteissa esim. toteutuksen yksityiskohtien sekä käyttöalueiden osalta alan ammattilaisen tuntemilla tavoilla.

10

Claims (16)

12 101914

1. Menetelmä signaalin käsittelemiseksi, jossa menetelmässä - kytketään varauksensiirtokapasitanssi (Cj) toiminnalliseen yhteyteen signaalin (Us) 5 kanssa, - muutetaan varauksensiirtokapasitanssin (Cj) varausta käsiteltävään signaalin het-kelliseeen arvoon (Us) verrannollisella varausmäärällä sinä aikana, kun varauksensiirtokapasitanssi (Cj) on toiminnallisessa yhteydessä signaaliin (Us), - kytketään varauksensiirtokapasitanssi (Cj) toiminnalliseen yhteyteen integroivan 10 kapasitanssin (C0) kanssa, - siirretään varausta näytteenottokapasitanssin (Cj) ja mainitun integroivan kapasitanssin (C0) välillä sinä aikana, jolloin varauksensiirtokapasitanssi (Cj) on toiminnallisessa yhteydessä integroivaan kapasitanssiin (C0) ja - mainitun varauksensiirtokapasitanssin (Cj) varausta muutetaan varauksensiirtoka-15 pasitanssiin liitetyn aktiivisen elimen (T) muodostamalla virralla, joka on järjestetty mainitun varauksensiirtokapasitanssin jännitteestä (U^j) riippuvaksi, tunnettu siitä, että - varausta siirretään mainitun varauksensiirtokapasitanssin (Cj) ja mainitun integroivan kapasitanssin (C0) välillä aktiivisen elimen (T) ja sen kanssa sarjaan kytketyn 20 vakiovirtaelimen (Ic) virtojen erotuksen avulla siten, että mainittu erotusvirta kulkee oleellisesti varauksensiirtokapasitanssin (Cj) läpi muuttaen sen varausta signaalin hetkelliseen arvoon verrannollisella määrällä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että aktiivisen eli-25 men (T) virtaa ohjataan mainitulla signaalilla sinä aikana, jolloin varauksensiirtokapasitanssi (Cj) on toiminnallisessa yhteydessä signaaliin (Us).

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että aktiivisen elimen (T) virtaa ohjataan varauksensiirtokapasitanssissa (Cj) siirrettynä olevan va- 30 rauksen perusteella ja että mainittu virtamuutos palautuu oleellisesti nollaksi käsitel-tävää signaalia vastaavan varauksen siirryttyä pois varauksensnrtokapasitanssista (Ci).

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 35 mainitun varauksensiirtokapasitanssin (Cj) varausta muuttava virta on oleellisesti mainitun aktiivisen elimen (T) muodostaman virran ja mainitun vakiovirtaelimen (Ic) muodostaman virran erotus. 101914 13

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että varauksensiirtokapasitanssin (Cj) ja integroivan kapasitanssin (C0) välillä siirrettävän varauksen varauksensiirtokapasitanssissa (Q) aiheuttama varausmuutos sekä tätä edeltävässä vaiheessa aiheutettu varauksensiirtokapasitanssin (Cj) signaaliar- 5 voon verrannollinen varausmuutos ovat yhtä suuret ja vastakkaismerkkiset.

6. Piirijäijestely signaalin käsittelemiseksi, joka käsittää - varauksensiirtokapasitanssin (Cj), - ainakin yhden aktiivisen elimen (T), 10. ensimmäiset kytkinelimet (S], S3) varauksensiirtokapasitanssin (Ci) kytkemiseksi toiminnalliseen yhteyteen signaalin (Us) kanssa mainitun varauksensiirtokapasitanssin (Ci) varauksen muuttamiseksi signaalin hetkelliseen arvoon verrannollisella va-rausmäärällä, - integroivan kapasitanssin (C0), 15. toiset kytkinelimet (S2, S4) varauksensiirtokapasitanssin (Ci) kytkemiseksi toimin nalliseen yhteyteen integroivan kapasitanssin (C0) kanssa varauksen siirtämiseksi varauksensiirtokapasitanssin ja integroivan kapasitanssin välillä, - ainakin yhden aktiivisen elimen (T) varauksensiirtokapasitanssin (Cj) varauksen muuttamiseksi mainitun varauksensiirtokapasitanssin jännitteestä (Uq) riippuvasti, 20 tunnettu siitä, että se käsittää lisäksi - vakiovirtaelimen (Ic) varauksensiirtokapasitanssin (Cj) varauksen muuttamiseksi, jolloin mainittu aktiivinen elin (T) ja mainittu vakiovirtaelin (Ic) ovat kytketyt virtapiiriin sarjaan siten, että niiden muodostamien virtojen erotus kulkee oleellisesti varauksensiirtokapasitanssin (Cj) läpi muuttaen sen varausta signaalin hetkelliseen ar- 25 voon verrannollisella määrällä.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen piirijärjestely, tunnettu siitä, että mainitut ensimmäiset kytkinelimet (S |) on järjestetty kytkemään mainittu signaali (Us) mainitun aktiivisen elimen (T) tuloon (G,S) aktiivisen elimen muodostaman virran saami- 30 seksi riippuvaksi mainitun signaalin hetkellisestä arvosta.

8. Patenttivaatimuksen 6 tai 7 mukainen piirijärjestely, tunnettu siitä, että mainitut ensimmäiset kytkinelimet (S3) on järjestetty kytkemään varauksensiirtokapasitanssin (Cj) toinen napa vakiopotentiaaliin (Vr). 35

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen piirijärjestely, tunnettu siitä, että mainitun integroivan kapasitanssin (C0) toinen napa on kytketty mainittuun vakiopotentiaaliin (Vr). 14 101914

10. Jonkin patenttivaatimuksen 6-9 mukainen piirijärjestely, tunnettu siitä, että mainitut toiset kytkinvälineet (S2) on järjestetty kytkemään mainittu varauksensiir-tokapasitanssi (Q) ja mainittu integroiva kapasitanssi (C0) sarjaan varauksen siirtämiseksi mainittujen kapasitanssien (Cj, C0) välillä. 5

11. Jonkin patenttivaatimuksen 6-10 mukainen piirijäijestely, tunnettu siitä, että mainitut toiset kytkinvälineet (S4) on jäljestetty kytkemään mainittu varauksensiir-tokapasitanssi (Ci) aktiivisen elimen (T) tulonapoihin (G, S) aktiivisen elimen (T) muodostaman virran saamiseksi riippuvaksi mainitun varauksensiirtokapasitanssin 10 jännitteestä (Uci)-

12. Jonkin patenttivaatimuksen 6-11 mukainen piirijärjestely, tunnettu siitä, että aktiivinen elin (T) käsittää hilan (G), emitterin (S) ja kollektorin (D), jolloin aktiivisen elimen kollektori on liitetty ensimmäiseen käyttöjännitteeseen (V[>d) ja aktiivi- 15 sen elimen emitted on liitetty varauksensiirtokapasitanssin (Cj) ensimmäiseen napaan.

13. Jonkin patenttivaatimuksen 6-12 mukainen piirijärjestely, tunnettu siitä, että mainittu vakiovirtaelin (Ic) on kytketty mainitun varauksensiirtokapasitanssin (Cj) 20 ensimmäisen navan ja toisen käyttöjännitteen (Vss) välille.

14. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukaisen menetelmän tai jonkin patenttivaatimuksen 6-13 mukaisen piirijärjestelyn käyttö radiovastaanottimessa.

25 Patentkrav