FR2472305A1 - Filtre en echelle a condensateurs commutes sur une pastille semi-conductrice monolithique - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN FILTRE EN ECHELLE A CONDENSATEURS COMMUTES FABRIQUE SUR UN SUBSTRAT SEMI-CONDUCTEUR MONOLITHIQUE. IL COMPORTE ESSENTIELLEMENT DEUX CIRCUITS D'INTEGRATION 60, 66; 90, 96 AVEC CHACUN UN CONDENSATEUR D'ENTREE COMMUTE 82, 112. L'UN DES CIRCUITS D'INTEGRATION PRODUIT UN DEPHASAGE ARRIERE DU SIGNAL TANDIS QUE L'AUTRE CIRCUIT D'INTEGRATION PRODUIT UN DEPHASAGE AVANT QUI COMPENSE LE DEPHASAGE ARRIERE. L'INVENTION S'APPLIQUE NOTAMMENT A DES SYSTEMES DE TELECOMMUNICATIONS A MODULATION PAR IMPULSIONS CODEES.

Description

La présente invention se rapporte aux filtres à fréquences audibles et

concerne plus particulièrement un filtre en échelle à condensateurs commutés destiné à être fabriqués sur un substrat semi-conducteur monolithique à métal-oxyde-semi-conducteurs. Des équipements électroniques, par exemple dans des systèmes de télécommunications, utilisant par exemple la modulation par impulsions codées et autres systèmes à bande vocale, nécessitent des filtres d'ordressupérieurs précis. Les solutions courantes de filtrage, comprenant des

filtres à fréquence vocale et autres basses fréquences com-

portent généralement des intégrateurs différentiels à ré-

sistances-condensateurs. Avec le développement de la tech-

nologie des composants à métal-oxyde-semi-conducteurs (MOS)

ces filtres courants ont été fabriqués de façon monolithi-

que sous forme de circuits à résistances-condensateurs. Ce

genre de fabrication nécessite de grandes surfaces d'un sub-

strat semi-conducteur, et les valeurs absolues des éléments

de circuit résistifs et capacitifs doivent atre soigneuse-

ment contrôlés. Ce contrôle est extrêmement difficile en rai-

son des variations courantes de température et de traite-

ment. La réalisation monolithique des filtres à basses fréquences impose un fonctionnement similaire à celui des

filtres passifs à basses fréquences avec de longues con-

stantes de temps, mais ces filtres doivent être fabriqués sur de petites surfaces semi-conductrices en mettant en oeuvre des fonctions de transfert qui ne sont pas sensibles

aux variations des paramètres. En outre, dans ces réalisa-

tions monolithiques, il est souhaitable d'obtenir des ré-

ponses précises sans opérations extérieures de réglage. Les filtres actifs courants déjà développés, avec des circuits hybrides ou à pellicule mince n'ont pas permis d'obtenir des filtres de précision insensibles à la température et

- 35 aux variations de traitement.

En raison de la nécessité des techniques de ré-

glage pour obtenir les valeurs absolues des composants uti-

lisés dans des filtres d'ordressupérieurset de la nécessité

de maintenir l'indépendance à la température et aux varia-

tions de traitement, des filtres intégrateurs à condensateurs commutés ont été développés. Ces circuits à condensateurs

commutés s'approchent étroitement des intégrateurs différen-

tiels courants. L'intégrateur à condensateurs commutés, dif-

férentiel, est commandé par des signaux d'horloge biphasés

sans chevauchement. Une description des filtres à condensa-

teurs commutés MOS se trouve dans un article de Allstot et col., intitulé "MOS Switched Capacitor Ladder Filters", dans IEEE Journal of Solid-State Circuits, Volume SC-13, NO 6,

Décembre 1978.

Dans le but de simuler les éléments de condensa-

teurset de bobines d'inductance des filtres passifs, un in-

tégrateur à condensateurs commutés ne doit introduire aucun

déphasage du signal traité. Les filtres à condensateurs com-

mutés déjà développés, simulant des filtres par inductance-

capacité introduisent des déphasages, de sorte qu'ils appa-

raissent comme des inductances à perte et des condensateurs à perte. L'introduction d'un déphasage du signal d'entrée entraîne une dégradation de la réponse de sortie, de sorte

que les filtres existants à condensateurs commutés ne simu-

lent pas avec précision des éléments de filtres passifs.

Le besoin existe donc d'un filtre à condensateurs commutés destiné à simuler des éléments de capacité et d'inductance

dans des filtres passifs à échelle, dans lesquels les élé-

ments simulés de capacité et d'inductance n'introduisent

aucune perte grâce à un déphasage effectif nul dans le cir-

cuit simulant des éléments, dans le domaine des tensions et des courants. Un tel filtre à condensateurs commutés doit être insensible aux variations des paramètres introduits par la température et les contrôles de traitement. En outre, le besoin existe d'un filtre à condensateurs commutés dans lequel les valeurs des composants des circuits peuvent être obtenues sans nécessiter de réglage. Le besoin existe en outre d'un circuit de filtre à condensateurs commutés pour réaliser des filtres en échelle à double terminaison, par exemple des filtres passe-haut, des filtres passe-bas et des

filtres passe-bande insensibles aux variations des compo-

sants. Le besoin existe également d'un filtre à condensateurs commutés dont les éléments peuvent être fabriqués dans des

petites surfaces d'un substrat semi-conducteur afin de per-

mettre de réaliser des pastilles de forte densité tout en

éliminant simultanément les effets des capacités parasites.

Selon l'invention, un filtre à condensateurs com-

mutés peut être fabriqué sur un substrat semi-conducteur monolithique MOS, et élimine les problèmes associés jusqu'à

présent avec les filtres de ce genre, y compris le déphasa-

ge du signal traité.

L'invention concerne donc un filtre à condensa-

teurs commutés destiné à laisser passer des fréquences audi-

bles d'une plage déterminée, et fabriqué sur un substrat

semi-conducteur monolithique. Le filtre à condensateurs com-

mutés comporte un premier amplificateur et un premier con-

densateur d'intégration interconnecté avec le premier ampli-

ficateur. Il comporte également un second amplificateur et

un second condensateur d'intégration qui lui est intercon-

necté. Un premier condensateur commuté d'entrée est connec-

té entre l'entrée du premier amplificateur et la sortie du second amplificateur de sorte que le premier condensateur

commuté d'entrée échantillonne et maintient le signal de sor-

tie du second amplificateur pendant une première phase d'hor-

loge, isolant ainsi la sortie du second amplificateur du premier condensateur d'intégration tandis que pendant une

seconde phase d'horloge, il applique au premier condensa-

teur d'intégration le signal de sortie échantillonné et main-

tenu du second amplificateur. Un second condensateur commuté

d'entrée est connecté entre la sortie du premier amplifica-

teur et l'entrée du second amplificateur de manière que pen-

dant la première phase d'horloge, ce second condensateur d'entrée ramène à 'zéro la charge emmagasinée tandis que

2 472305

pendant la seconde phase d'horloge, il applique au second condensateur d'intégration le signal de sortie du premier amplificateur.

Selon un autre aspect, l'invention concerne un fil-

tre à condensateurs commutés, comprenant un premier amplifi-

cateur différentiel avec une entrée inverseuse et une en-

trée non inverseuse, ainsi qu'une borne de sortie.

Un premier condensateur d'intégration est connecté

entre l'entrée inverseuse et la sortie du premier amplifica-

teur différentiel tandis que l'entrée non inverseuse est connectée à la masse. Un second amplificateur différentiel est prévu, comprenant une entrée inverseuse, une entrée non inverseuse et une borne de sortie. Un second condensateur d'intégration est connecté entre l'entrée inverseuse et la sortie du second amplificateur différentiel, tandis que

l'entrée non inverseuse est connectée à la masse. Des pre-

mier et second condensateurs commutés d'entrée sont inclus

dans le filtre à condensateurs commutés. Un premier commu-

tateur est connecté au premier amplificateur différentiel

et au premier condensateur commuté d'entrée. Un second com-

mutateur est connecté au second amplificateur différentiel

et au second condensateur commuté d'entrée. Un circuit d'hor-

loge délivre des premier et second signaux d'horloge. Le

premier condensateur commuté est connecté au premier commu-

tateur et entre l'entrée inverseuse du premier amplifica-

teur différentiel et la sortie du second amplificateur

différentiel, de manière que ce premier condensateur commu-

té d'entrée échantillonne et maintienne le signal de sortie du second amplificateur différentiel quand les commutateurs reçoivent le premier signal d'horloge, isolant ainsi la

sortie du second amplificateur différentiel du premier con-

densateur d'intégration du premier amplificateur différen-

tiel tandis que lorsque les commutateurs reçoivent le second signal d'horloge, le signal de sortie échantillonné est maintenu du second amplificateur différentiel est appliqué

au premier condensateur d'intégration. Le second condensa-

teur commuté d'entrée est connecté au second commutateur et entre la sortie du premier amplificateur différentiel et l'entrée inverseuse du second amplificateur différentiel de manière que lorsque les commutateurs reçoivent le second signal d'horloge, le second condensateur commuté d'entrée

applique le signal de sortie du premier amplificateur diffé-

rentiel au second condensateur d'intégration.

D'autres caractéristiques et avantages de l'inven-

tion apparaîtront au cours de la description qui va suivre.

Au dessin annexé, donné uniquement à titre d'exem-

ple nullement limitatif:

La Figure 1 est un schéma simplifié d'un disposi-

tif de télécommunications à modulation par impulsions codées

comprenant le filtre à condensateurs oommutés selon l'inven-

tion et, la Figure 2 est un schéma du filtre à condensateurs commutés.

La Figure 1 représente donc un dispositif de télé-

communications à modulation par impulsions codées, désigné globalement par la référence 10. Le dispositif 10 comporte un réseau de filtres désigné globalement par la référence 12, interconnectés entre un convertisseur 14 et un convertisseur

analogique-numérique et numérique-analogique 16. Le conver-

tisseur 14 reçoit des signaux d'entrée d'un appareil télé-

phonique 18 et peut consister par exemple en un convertis-

s eur à deux f il s -quatre fils qui applique une entrée analogique à un amplificateur 20 de réglage de gain. Le signal de sortie

de l'amplificateur 20 passe par un filtre passe-bande, dé-

signé globalement par 24, et dont le signal de sortie est

appliqué au convertisseur 16 qui code sa sortie sur la liai-

son de transmission à modulation par impulsions codées.

Le filtre passe-bande 24 comporte un filtre 28 à résistance capacité, consistant par exemple en un filtre

du type Sallen du troisième ordre dont la fréquence de cou-

pure est 32kHz. Le signal de sortie du filtre 28 est appli-

qué à un filtre 30 à condensateurs commutés qui peut consis-

ter par exemple en un filtre passe-haut du troisième ordre d'une fréquence de coupure de 300 Hz. Le signal de sortie du

filtre 30 est appliqué à un filtre 32 à condensateurs commu-

tés qui peut consister par exemple en un filtre passe-bas

du cinquième ordre, d'une fréquence de coupure de 3,2 kHz.

Les filtres à condensateurs commutés 30 et 32 sont réa-

lisés selon l'invention et seront décrits en détail en re-

gard de la Figure 2. Le signal de sortie du filtre 32 est appliqué à un filtre 34 à résistances capacité, en temps continu, consistant par exemple en un filtre du type à clé de Sallen du second ordre, d'une fréquence de coupure de

48 kHz.

Les signaux provenant de la liaison de transmission sont reçus par le convertisseur 16 qui les déoode, et ils sont appliqués à un filtre 40 à condensateurs commutés selon

l'invention, pouvant consister par exemple en un filtre pas-

se-bas du cinquième ordre, d'une fréquence de coupure de 3,2 kHz, destiné à régulariser les sauts de tension dans le signal de sortie des filtres 16, et assurant la correction nécessaire sin x/x permettant d'obtenir le gain unitaire

dans la bande passante du convertisseur 16. Le signal de sor-

tie du filtre 40 est appliqué au convertisseur 14 pour être

transmis à l'appareil téléphonique 18.

Un signal d'horloge CLK est appliqué à un diviseur d'horloge 42 qui produit des signaux d'horloge CI et C2 pour

les appliquer aux filtres 30, 32 et 40 à condensateurs com-

mutés. Le réseau de filtres 12 est fabriqué sur un substrat semiconducteur monolithique qui porte tous les composants de sortie représentés dans le cadre en pointillés de la Figure 1, y compris l'amplificateur 20 de réglage de gain, les filtres 28 et 34 à résistancescondensateurs,les filtres

, 32 et 40 à condensateurs commutés et le diviseur d'hor-

loge 42.

La Figure 2 représente le circuit à condensateurs commutés selon l'invention, désigné globalement par la référence 50. Ce circuit 50 comporte un bloc d'intégration désigné globalement par 52 et un bloc d'intégration désigné globalement par 54. Les blocs d'intégration 52 et 54 forment une boucle à deux intégrateurs qui peut être connectée en configuration de réaction multiple ou sélectivité pour réali- ser et simuler les filtres à échelle. Un aspect important de l'invention est que le circuit 50 n'introduit aucun déphasage

d'un signal traité dans la boucle à deux intégrateurs compre-

nant les blocs 52 et 54, pendant l'opération de filtrage.

Le bloc d'intégration 52 peut consister par exemple en un intégrateur de Euler à retard qui introduit un déphasage arrière du signal d'entrée filtré. Le bloc d'intégration 54 peut consister par exemple en un intégrateur de Euler à

avance qui introduit un déphasage avant du signal filtré.

L'effet global de l'interconnexion en boucle de blocs 52 et

54 est l'équilibrage du retard et de l'avance de phase in-

troduite dans le signal traité de sorte quele circuit 50 à condensateurs commutés fonctionne comme un circuit sans perte simulant les éléments passifs à inductance et capacité

d'un filtre LC.

Le circuit 50 peut être dédoublé et interconnecté

avec d'autres circuits identiques en configuration de réac-

tion à bouclesmultiples constituant des filtres à échelle pour obtenir n'importe quel nombre de pôles d'un filtre à ordre supérieur. Par exemple, le filtre 30 à condensateurs commutés de la Figure 1 pourrait comporter un circuit 50

reproduit une fois et demi interconnecté dans une configu-

ration à réaction en boucle multiple. De même, les filtres 32 et 40 de la Figure 1 sont formés en reproduisant cinq fois le circuit 50, les amplificateurs étant partagés entre

des boucles voisines.

Le bloc d'intégration 52 comporte un amplificateur différentiel 60 avec une sortie 62 et une entrée inverseuse 64. Un condensateur d'intégration 66 est connecté entre la

sortie 62 et l'entrée inverseuse 64 de l'amplificateur dif-

férentiel 60. L'entrée non inverseuse de ce dernier est con-

nectée a la masse.

Le bloc d'intégration 52 comporte en outre un commu-

tateur 70 avec des bornes 70a et 70b et une borne de com-

mande 70c; un commutateur 72 avec des bornes 72a et 72b et une borne de commande 72c; un commutateur 74 avec des bornes 74a et 74b et une borne de commande 74c; et un commutateur

76 avec des bornes 76a et 76b et une borne de commande 76c.-

La borne 70b du commutateur 70 est connectée au potentiel de la masse. La borne 70a du commutateur 70 est connectée à la borne 72b du commutateur 72 en formant un point commun

78. La borne 74b du commutateur 74 est connectée à une sour-

ce de tension d'entrée qui peut être le potentiel de la masse

ou une valeur supérieure au potentiel de la masse, en fonc-

tion du réseau de terminaison associé avec le bloc d'intégra-

tion 52 et suivant que le filtre 50 à condensateurs commutés est configuré en filtre passe-haut ou passe-bas comme cela sera expliqué. La borne 74a du commutateur 74 est connectée à la borne 76b du commutateur 76 en formant un point commun 80. Un condensateur commuté d'entrée 82 est connecté entre les points commun 78 et 80. La borne 72a du commutateur 72 estcconnectée à l'entrée inverseuse 64 de l'amplificateur

différentiel 60.

Le bloc d'intégration 64 comporte un amplificateur différentiel 90 avec une sortie 92 et une entrée inverseuse 94. Un condensateur d'intégration 96 est connecté entre la

sortie 92 et l'entree inverseuse 94 de l'amplificateur diffé-

rentiel 90. Son entrée non inverseuse est connectée au poten-

tiel de la masse.

Le bloc d'intégration 54 comporte en outre un commu-

tateur 100 avec des bornes 100Oa et 10Ob et une borne de com--

mande 10Oc; un commutateur 102 avec des bornes 102a et 102b et une borne de commande 102c; un commutateur 104 avec des

bornes 104a et 104b et une borne de commande 104c; et un com-

mutateur 106 avec des bornes 106a et 106b et une borne de

commande 106c. La borne lOOb du commutateur 100 est connec-

tée à la masse. La borne 100Oa du commutateur 100 est connec-

tée à la borne 102b du commutateur 102 pour former un point

commun 108. La borne 104a du commutateur 104 est intercon-

nectée à la borne 106b du commutateur 106 en formant un point

commun 110. Un condensateur commuté d'entrée 112 est connec-

té entre les points communs 108 et 110. La borne llOa du com- mutateur 106 est connectée à une source de tension qui peut

être le potentiel de la masse ou une valeur autre, en fonc-

tion de la terminaison du bloc d'intégration 54 et suivant

que le filtre 50 est configuré en filtre passe-haut ou passe-

bas. La borne 102a du commutateur 102 est connectée à l'en-

trée inverseuse 94 de l'amplificateur différentiel 90.

Les blocs d'intégration 52 et 54 sont interconnectés de manière que la sortie 62 de l'amplificateur différentiel soit connectée à la borne 104b du commutateur 104 et que

la sortie 92 de l'amplificateur différentiel 90 soit connec-

tée à la borne 76a du commutateur 76. D'autres circuits 50 à condensateurs commutés sont interconnectés d'une façon similaire. Le signal d'horloge CI est appliqué aux bornes de commande des commutateurs 70, 76, 100 et 106 pour les débloquer. Le signal d'horloge C2 est appliqué aux bornes de commande des commutateurs 72, 74, 102 et 104 de manière que ces derniers soient conducteurs quand le signal C2 est présent.

En fonctionnement du présent circuit 50 à condensa-

teurs commutés et dans le cadre de la présente explication il sera supposé que la borne 74b du commutateur 74 et la

borne 106a du commutateur 106 sont au potentiel de la masse.

La sortie de l'amplificateur différentiel 90 pendant une première phase d'horloge, par exemple en présence du signal Cl, est appliquée au condensateur commuté d'entrée 82 au

point 80 du bloc d'intégration 52. Etant donné que le com-

mutateur 70 est également conducteur pendant la première

phase d'horloge, la borne 70b du commutateur 70 est au po-

tentiel de la masse chargeant ainsi le condensateur d'entrée 82 à la valeur de la tension de sortie de l'amplificateur

différentiel 90. Les commutateurs 72 et 74 sont bloqués pen-

dant la première phase d'horloge. Il apparait ainsi que le

condensateur d'entrée 82 échantillonne et maintient la ten-

sion de sortie de l'amplificateur différentiel 90 pendant

la première phase d'horloge.

Pendant une seconde phase d'horloge, le signal C2 est présent et il est appliqué aux bornes de commande 72c et 74c des commutateurs 72 et 74, et les débloque. Etant donné que le point commun 78 est maintenu au potentiel de la masse par l'amplificateur différentiel 60, et étant donné que la borne 74b est au potentiel de la masse, la charge déjà échantillonnée et emmagasinée du condensateur d'entrée 82 est intégrée dans le condensateur d'intégration 66. Un retard de phase a été introduit dans le signal de tension de sortie de l'amplificateur différentiel 90, à la

sortie de l'amplificateur différentiel 60.

Pendant la première phase d'horloge, les commuta-

teurs 100 et 106 du bloc d'intégration 54 sont conducteurs de sorte que le potentiel de la masse est appliqué au point commun 108 du condensateur commuté 112 et que le potentiel de la masse est appliqué au point commun 110 de ce même

condensateur 112 qui conserve donc une charge nulle.

Pendant la seconde phase d'horloge, dans laquelle le signal C2 est produit, les commutateurs 104 et 102 sont

rendus conducteurs. La tension de sortie de l'amplifica-

teur différentiel 60 à la borne 62 est donc appliquée au condensateur d'entrée 112 pour le charger immédiatement à la tension de sortie de l'amplificateur 60. Etant donné que le commutateur 62 est également conducteur pendant la

seconde phase d'horloge, et que le point commun 94 est main-

tenu au potentiel de la masse par 1' amplificateur 90, la charge introduite dans le condensateur 112 est immédiatement

appliquée à l'entrée inverseuse 94 de l'amplificateur dif-

férentiel 90, de sorte que le condensateur d'intégration

96 intègre la tension apparaissant aux bornes du condensa-

teur 112. Au cycle suivant de la première phase d'horloge, la tension de sortie de l'amplificateur 90 apparaissant à

la borne 92 est appliquée à la borne 76a du commutateur 76.

Il apparait ainsi que le bloc d'intégration 54 intègre im-

médiatement la tension aux bornes du condensateur 112 tan-

-dis que le bloc d'intégration 52 échantillonne et maintient la tension de sortie de l'amplificateur différentiel 90 pendant une phase d'horloge en chargeant le condensateur d'entrée 82 avant que le condensateur d'intégration 66 ne

reçoive cette charge. La tension de sortie de l'amplifica-

teur différentiel 60 est appliquée directement et intégrée directement dans le condensateur d'intégration 96 pendant

la seconde phase d'horloge.

En résumé, la tension de sortie de l'amplificateur

différentiel 60 est appliquée directement par le condensa-

teur d'entrée 112 au condensateur d'intégration 96, vers la sortie de l'amplificateur différentiel 90. La tension de sortie de ce dernier est échantillonnée et maintenue par le condensateur d'entrée commuté 82 pendant la première

phase d'horloge et elle est transférée au condensateur d'in-

tégration 66 pendant la seconde phase d'horloge. En raison de l'effet d'échantillonnage et de maintiendu condensateur commuté d'entrée 82, les variations de tension à la sortie de l'amplifinateur différentiel 90 n'apparaissent pas à

la sortie de l'amplificateur différentiel 60 avant la se-

conde phase d'horloge, tandis qu'une variation de la ten-

sion de sortie de l'amplificateur différentiel 60 apparait

directement à la sortie de l'amplificateur différentiel 90.

En raison du fonctionnement du condensateur d'entrée 82,

l'amplificateur différentiel 60 est isolé de l'amplifica-

teur différentiel 90 pendant la première phase d'horloge.

Le bloc d'intégration 52 effectue une intégration positive du signal de sortie de l'amplificateur différentiel 90

tandis que le bloc d'intégration 54 effectue une intégra-

tion négative du signal de sortie de l'amplificateur dif-

* férentiel 60, de sorte qu'il n'apparaît aucun déphasage

dans un signal traité par cette boucle.

Comme cela a déjà été indiqué, la borne 74b du commutateur 74 peut être connectée en variante à une source de tension autre que le potentiel de la masse. Si le circuit

à condensateurs commutés est la première boucle d'inté-

gration du filtre 32 de la Figure 1, la borne 74b du commu-

tateur 74 est connectée au signal de sortie produit par le filtre 30. Si le circuit 30 à condensateurs commutés est la première boucle d'intégration du filtre 40 de la figure 1, la borne 74b du commutateur 74 est connectée au signal de

sortie produit dans le convertisseur 16.

Les signaux d'entrée du filtre 32 et du filtre 40 de la Figure 1 peuvent aussi être appliqués en utilisant un

condensateur commuté de couplageavec deux commutateurs sup-

plémentaires interconnectés en une configuration similaire à celle du condensateur 82 et des commutateurs 74 et 76 de

la Fig-ure 2. L'armature supérieure du condensateur de cou-

plage est connectée au point commun 80 ou au point commun 108 tandis que son armature inférieure est connectée au point correspondant au point 80 entre les deux commutateurs supplémentaires. L'un de ces derniers est connecté entre la source de tension d'entrée ou le signal de sortie du filtre , ou entre la sortie du convertisseur 16 de la Figure 1

et le point commun, tandis que le second commutateur sup-

plémentaire est connecté entre le potentiel de la masse et le point commun. La configuration qui en résulte est un

filtre passe-bas.

Si le circuit 50 à condensateurs commutés-fait

partie du filtre 30 de la Figure 1, un condensateur de cou-

plage est connecté entre la sortie du filtre 28et le point 64 ou 94 de la Figure 2, et avec cette configuration, le

circuit 50 fonctionne comme un filtre passe-haut.

La fonction de transfert du bloc d'intégration 52 est la suivante: vi ci 1 C1 1i1

V2 C2 z -

o V est la tension de sortie de l'amplificateur diffé-

rentiel.

V2 est la tension de sortie de l'amplificateur dif-

férentiel 90, C1 est la capacité du oondensateur 82, C2 est la capacité du condensateur 66, et

z est la variable de fréquence de données échan-

tillonnées qui est liée à la variable s de fréquence conti-

nue par la transformation bilinéaire: s = (z-1)/(z+l).

La fonction de transfert du bloc d'intégration 54 est la suivante: V1 Cl z vl-cl (2) V2 C2 z-1

o V1 est la tension de sortie de l'amplificateur différen-

tiel 60,

V2 est la tension de sortie de l'amplificateur dif-

férentiel 90, C est la capacité du condensateur 112, C4 est la capacité du condensateur 96, et

z est la variable de fréquence de données échan-

tillonnées. Un aspect important de l'invention, en plus du fait que le circuit 50 à condensateurs commutés n'introduit aucun déphasage des signaux qu'il traite, est que l'effet des capacités parasites dans le filtre est pratiquement

élmminé. Les filtres antérieurs à condensateurs commutés im-

posaient que les condensateurs d'entrée soient de très grande capacité pour que les capacités parasites n'aient

aucun effet notable sur le fonctionnement de ces filtres.

L'augmentation des condensateurs commutés d'entrée augmen-

tait en conséquence la surface du substrat semi-conducteur nécessaire pour ce condensateur, réduisant ainsi la densité d'équipement des éléments sur le substrat en augmentant les

dimensions totales et le prix. En raison de la configura-

tion du présent filtre, les condensateurs commutés d'entrée 82 et 112 sont insensibles aux parasites de sorte qu'ils

peuvent être fabriqués sur une très petite surface du sub-

strat semi-conducteur.

Pour en revenir à la Figure 2, étant donné que le

point commun 78 du condensateur d'entrée 82 est commuté en-

tre le potentiel de la masse maintenu par l'amplificateur différentiel 60et le potentiel de la masse à la borne 70b

du commutateur 70, la capacité parasite au point 78 est tou-

jours chargée à la même tension apparaissant en ce point.

Par conséquent, aucune charge n'est perdue par le condensa-

teur d'entrée 82 sous l'effet descapacités parasites au point

point 78. Etant donné que le point commun 82 est commuté en-

tre une tension appliquée par l'amplifictteur différentiel et une source de tension apparaissant à la borne 74b du commutateur 74, si une capacité parasite est présente au

point 80, elle est chargée par la tension de sortie de l'am-

plificateur différentiel 90 et déchargée par la source de tension à la borne 74b du commutateur 74. Par conséquent, une tension parasite apparaissant au point 80 n'intervient

jamais dans l'aspect d'intégration du circuit 50 à conden-

sateurs commutés. De même, une capacité parasite aux points 108 et 110 du bloc d'intégration 54 n,'a aucun effet sur le

condensateur d'entrée 112.

Des filtres à condensateurs commutés d'ordre supé-

rieur peuvent être formés en utilisant le présent circuit 50, en connectant des circuits 50 en réaction à boucle multiple sur la base d'un réseau en échelle. Les blocs d'intégration d'ordre impair du réseau en échelle d'ordre supérieur effectuent une intégration positive tandis que les blocs d'intégration d'ordre pair du réseau effectuent une intégration négative. Les blocs d'intégration 52 et 54

peuvent être configurés pour fonctionner en filtre passe-

haut ou passe-bas. Par exemple, le bloc d'intégration 52 peut simuler un courant dans une bobine d'inductance en

série tandis que le bloc d'intégration 54 simule une ten-

sion aux bornes d'un condensateur en dérivation dans un

filtre passe-bas. Dans un filtre passe-haut, le bloc d'in-

ú472305

tégration 52 peut simuler la-tension apparaissant aux bor-

nes d'un condensateur en série tandis que le bloc d'inté-

gration 54 simule le courant dans une bobine d'inductance

en dérivation.

- Les réseaux de terminaison du circuit 50 à condensa- teurs commutés sont configurés d'une façon similaire pour

les blocs d'intégration 52 et 54, de sorte que si un inté-

grateur inverse est utilisé pour terminer le bloc d'inté-

gration 52, un intégrateur direct est utilisé pour terminer le bloc d'intégration 54. Dans le cas o une terminaison

résistive esttutilisée dans la première boucle d'intégra-

teur d'un réseau en échelle à inductances-capacités, le point 74b de la Figure 2 peut être interconnecté avec la sortie 62 de l'amplificateur différentiel 60 pour former

un intégrateur de Euler inverse et la borne 106a de la der-

nière boucle d'intégration du réseau en échelle peut être

connectée à la borne de sortie 92 de l'amplificteur diffé-

rentiel 90, formant un intégrateur de Euler direct. Les terminaisons résultantes sont des intégrateurs à pertes et simulent des impédances résistives à l'entrée ou à la

sortie d'un réseau en échelle à inductances-capacités.

Pour effectuer le couplage entre des boucles d'inté-

grateur des circuits 50 à condensateurs commutés en con-

figuration à réaction à boucle multiple, dans un filtre passe-bas, un condensateur d'entrée supplémentaire est

connecté au point 78 et/ou au point 108 de la Figure 2.

Ce condensateur d'entrée supplémentaire est connec-

té en utilisant deux autres commutateurs de même configu-

ration que les commutateurs 74 et 76 ou les commutateurs 104 et 106 et qui sont commandés pour recevoir un signal d'entrée conjointement avec les intégrateurs voisins, de

la manière déjà décrite à propos du fonctionnement du cir-

cuit 50.

Pour la réalisation d'un couplage en filtre passe-

haut entre des circuits 50 à condensateurs commutés, un-

condensateur est connecté directement à l'entrée inverseuse 64 ou 94 de la Figure 2 de l'un ou des deux amplificateurs

et 90, dans un circuit 50, et il reçoit le signal d'en-

trée. Les condensateurs d'entrée sont des condensateurs de

sommation et ils sont une capacité égale à celle du conden-

sateur d'intégration 66 ou 96 du bloc d'intégration 52 ou

54 particulier, et ils interconnectent la sortie d'un ampli-

ficateur 60 ou 90 d'un circuit 50 avec l'entrée inverseuse d'un amplificateur correspondant à l'amplificateur 60 ou

d'un autre circuit 50.

En résumé, le couplage en filtre passe-bas est ré-

lisé en utilisant l'intégration du signal d'entrée appli-

qué à des circuits 50 à condensateurs commutés. Un couplage à filtre passe-haut est assuré en utilisant une sommation du signal d'entrée produit en interconnectant des circuits

50 à condensateurs commutés.

Il apparait ainsi que le présent circuit à conden-

sateurs commutés utilisant des intégrateurs à condensateurs commutés MOS permet de réaliser un filtre dans lequel les valeurs d'éléments d'inductance et de capacité sans perte d'un filtre passe-haut ou d'un filtre passe-bas en échelle peuvent être obtenues avec précision. L'utilisation des filtres à condensateurs commutés permet de réaliser un

filtre de précision qui n'impose aucun ajustage de compo-

sants de précision. L'utilisation des intégrateurs à con-

densateurs commutés dont les constantes de gain sont dé-

terminées par des rapports decapacités permet une fabrica-

tion facile en technologie MOS et confère une grande sta-

bilité en température.

En outre, le circuit à condensateurs commutés se-

lon l'invention est indépendant des capacités parasites ce qui augmente sa possibilité de réaliser des filtres de

précision qui n'impose aucun ajustage des valeurs des com-

posants. Le circuit à condensateurs commutés selon l'inven-

tion peut être fabriqué dans une petite surface d'un sub-

strat semi-conducteur permettant d'obtenir une grande den-

-sité des éléments de circuit et de réduire au minimum la surface totale du substrat, ce qui réduit au minimum le

prix de fabrication du filtre.

Bien entendu, de nombreuses modifications peuvent être apportées au mode de réalisation décrit et illustré à titre d'exemple nullement limitatif sans sortir du cadre

ni de l'esprit de l'invention.

Claims (11)

:EVENDICATIONS

1 - Filtre à condensateurs commutés destiné à lais-

ser passer un signal d'entrée de fréquence audible dans une plage prédéterminée de fréquences et fabriqué sur un substrat

semi-conducteur monolithique, caractérisé en ce qu'il compor-

te un premier amplificateur (60) avec une entrée (64) et une

sortie (62), un premier condensateur d'intégration (66) con-

necté audit premier amplificateur, un second amplificateur

(90) avec une entrée (94) et une sortie (92), un second con-

densateur d'intégration (96) connecté audit second amplifica-

teur, un premier condensateur d'entrée commuté (82) connec-

té entre ladite entrée (64) dudit premier amplificateur (60)

et la sortie (92) dudit second amplificateur (90) de maniè-

re que ledit premier condensateur d'entrée commuté échantil-

lonne et maintienne le signal de sortie dudit second ampli-

ficateur pendant une première phase d'horloge tout en iso-

lant ladite sortie dudit second amplificateur dudit premier

condensateur d'intégration, en appliquant, pendant une se-

conde phase d'horloge, le signal de sortie échantillonné et

maintenu dudit second amplificateur (90) audit premier con-

densateur d'intégration (66), et un second condensateur

d'entrée commuté (112) connecté entre ladite sortie (62) du-

dit premier amplificateur (60) et ladite entrée (94) dudit second amplificateur (90), de manière que pendant ladite seconde phase d'horloge, ledit second condensateur d'entrée

commuté applique le signal de sortie dudit premier amplifi-

cateur audit second condensateur d'intégration (96).

2 - Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un dispositif de commutation (70, 72, 74, 76) connecté audit premier amplificateur et

audit premier condensateur d'entrée commuté.

3 - Filtre selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit dispositif de commutation comporte des premier, second, troisième et quatrième commutateurs (70,

72, 74, 76) comprenant chacun des premièreet seconde bor-

nes et une borne de commande, la première borne dudit premier commutateur (70) étant connectée au potentiel de la masse, la seconde borne dudit premier commutateur étant connectée à la première borne dudit second commutateur (72) en formant un premier point commun (78), la seconde borne

dudit second commutateur (72) étant connectée à ladite en-

trée (64) dudit premier amplificateur (60), la borne de

commande dudit premier commutateur étant connectée de ma-

nière à recevoir un premier signal d'horloge (ci) pendant

ladite première phase d'horloge, la borne de commande du-

dit second commutateur étant connectée pour recevoir un second signal d'horloge (C2) pendant ladite seconde phase d'horloge, la première borne dudit troisième commutateur (74) étant connectée à une source de tension, la seconde borne'dudit troisième commutateur étant connectée à la première borne dudit quatrième commutateur (76) en formant

un second point commun (80) et la seconde borne dudit qua-

trième commutateur étant connectée à ladite sortie (92) du-

dit second amplificateur (90), la borne de commande dudit troisième commutateur étant connectée pour recevoir ledit

second signal d'horloge (C2) et la borne de commanee du-

dit quatrième commutateur étant connectée pour recevoir

ledit premier signal d'horloge (ci).

4 - Filtre selon la revendication 3, caractéri-

sé en ce que ledit premier condensateur d'entrée commuté (82) est interconnecté entre lesdits premier et second

points communs (78, 80).

- Filtre selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite source de tension est au potentiel de la

masse.

6 - Filtre.selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un dispositif de commutation (100, 102, 104, 106) connecté audit second amplificateur

(90) et audit second condensateur d'entrée commuté (112).

7 - Filtre selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit dispositif de commutation comporte des premier, second, troisième et quatrième commutateurs (100, 102, 104, 106) avec des première et seconde bornes et une

borne de commande, la première borne dudit premier commu-

tateur (100) étant connectée au potentiel de la masse, la seconde borne dudit premier commutateur étant connectée à

la première borne dudit second commutateur (102) en for-

mant un premier point commun (108), la seconde borne dudit

second commutateur étant connectée à ladite entrée (94) du-

dit'second amplificateur (90), la borne de commande dudit premier commutateur (100) étant connectée pour recevoir un premier signal d'horloge (Cl) pendant ladite première

phase d'horloge, la borne de commande dudit second commu-

tateur (102) étant connectée pour recevoir un second signal de commande (C2) pendant ladite seconde phase d'horloge, la première borne dudit troisième commutateur (104) étant connectée à ladite sortie (62) dudit premier amplificateur (60), la seconde borne dudit troisième commutateur étant connectée à la première borne dudit quatrième commutateur (106) en formant un second point commun (11o) et la seconde borne dudit quatrième commutateur étant connectée à une source de tension, la borne de commande dudit troisième commutateur (104) étant connectée pour recevoir ledit second signal d'horloge (C2) et la borne de commande dudit quatrième commutateur (106) étant connectée pour recevoir

ledit premier signal d'horloge(C1).

8 - Filtre selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite source de tension est au potentiel de la masse. 9 - Filtre selon la revendication 1, caractérisé en

c.e que lesdits condensateurs (82, 112) sont des condensa-

teurs commutés à métal-oxyde-semi-conducteurs.

- Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit premier amplificateur (60), le premier

condensateur d'intégration (66) et le premier condensa-

teur d'entrée commuté (82) introduisent un déphasage arrière

du signal de fréquence audible d'entrée, le second ampli-

ficateur (90), le second condensateur d'intégration (96) et le second condensateur d'entrée commuté (112) introduisant

une avance de phase du signal de fréquence audible, de ma-

nière que le signal traité qui en résulte ne soit pas dépha- sé. 11 Filtre selon la revendication 1, caractérisé en

ce qu'il comporte en outre un condensateur de oouplage connec-

té à ladite entrée de l'un au moins desdits amplificateurs

pour recevoir un signal d'entrée à traiter, le filtre à con-

densateurs commutés fonctionnant comme un filtre passe-haut.

12 - Filtre selon la revendication 1, caractérisé en

ce qu'il comporte en outre un condensateur de couplage commu-

té avec des première et seconde bornes, des premier et second

commutateurs connectés à un point commun, ledit premier com-

mutateur recevant une source de tension d'entrée et ledit second commutateur étant connecté au potentiel de la masse, ledit condensateur de couplage commuté étant interconnecté entre ledit premier point commun et ladite borne d'entrée de l'un au moins desdits amplificateurs, de manière que le filtre à condensateurs commutés fonctionne comme un filtre passe-bas. 13 - Filtre à condensateurs commutés destiné à un dispositif de télécommunications à modulation par impulsions codées comprenant un générateur de signaux audibles et un

codeur-décodeur, dans lequel un filtre passe-haut et un fil-

tre passe-bas sont disposés entre le générateur et le codeur-

décodeur, filtre caractérisé en ce qu'il comporte un premier amplificateur (60) avec une entrée (64) et une sortie (62), un premier condensateur d'intégration (66) connecté audit premier amplificateur, un second amplificateur (90) avec une

entrée (94) et une sortie (92), un second condensateur d'in-

tégration (96) connecté audit second amplificateur, un pre-

mier condensateur d'entrée commuté (82) interconnecté entre

ladite entrée (64) dudit premier amplificateur (60) et la-

dite sortie (92) dudit second amplificateur (90), de manière

que ledit premier condensateur d'entrée commuté échantillon-

ne et maintienne le signal de sortie dudit second amplifi-

cateur pendant une première phase d'horloge en isolant ain-

si ladite borne de sortie dudit second amplificateur de la-

3 dite entrée dudit premier amplificateur, et qui, pendant une seconde phase d'horloge, applique le signal de sortie échantillonné et maintenu dudit second amplificateur audit premier condensateur d'intégration, le filtre comportant

en outre un second condensateur d'entrée commuté (112) in-

terconnecté entre ladite sortie dudit premier amplificateur (60) et ladite entrée dudit second amplificateur (90), de manière que pendant ladite seconde phase d'horloge, ledit second condensateur d'entrée commuté applique le signal de

sortie dudit premier amplificateur audit second condensa-

teur d'intégration.

14 - Filtre à condensateurs commutés destiné à lais-

ser passer une fréquence audible d'entrée dans une plage prédéterminée de fréquences, et fabriqué sur un substrat

semi-conducteur monolithique, caractérisé en ce qu'il com-

porte un premier amplificateur différentiel (60) avec une

entrée inverseuse (64), et une sortie (62), un premier con-

densateur d'intégration (66) connecté entre ladite entrée

inverseuse et la sortie dudit premier amplificateur diffé-

rentiel, un second amplificateur différentiel (90) avec une

entrée inverseuse (94) et une sortie (92), un second conden-

sateur d'intégration (96) connecté entre ladite entrée in-

verseuse et la sortie dudit second amplificateur différen-

tiel, un premier condensateur d'entrée commuté (82), un premier dispositif de commutation (70, 72, 74, 76) connecté audit premier amplificateur différentiel et audit premier

condensateur d'entrée commuté, un second condensateur d'en-

trée commuté (112), un second dispositif de commutation (100, 102, 104, 106) connecté audit second amplificateur différentiel et audit second condensateur d'entrée commuté, un circuit d'horloge (Cl, C2) connecté auxdits dispositifs de commutation et produisant des premier et second signaux a472305 d'horloge, ledit premier condensateur d'entrée commuté (82) étant connecté audit premier dispositif de commutation et entre ladite entrée inverseuse dudit premier amplificateur

différentiel et la sortie dudit second amplificateur diffé-

rentiel, de manière que ledit premier condensateur d'entrée

commuté échantillonne et maintienne le signal de sortie du-

dit second amplificateur différentiel quand ledit dispositif

de commutation reçoit ledit premier signal d'horloge, iso-

lant ainsi la sortie dudit second amplificateur différentiel

de l'entrée inverseuse dudit premier amplificateur différen-

tiel, tandis que lorsque ledit dispositif de commutation re-

çoit ledit second signal d'horloge,;e signal de sortie du-

dit second amplificateur différentiel est appliqué audit premier condensateur d'intégration pour introduire un retard

de phase dans le signal de fréquence audible d'entrée, et le-

dit second condensateur d'entrée commuté (112) étant connec-

té audit second dispositif de commutation et entre la sortie

dudit premier amplificateur différentiel et l'entrée inver-

seuse dudit second amplificateur différentiel de manière que lorsque ledit dispositif de commutation reçoit ledit signal

d'horloge, ledit second condensateur commuté d'entrée appli-

que la sortie dudit premier amplificateur différentiel audit second condensateur d'intégration pour introduire une avance

de phase du signal de fréquence audible d'entrée.

15 - Filtre à condensateurs commutés destiné à laisser passer un signal de fréquence audible d'entrée dans une plage déterminée de fréquences, et fabriqué sur un substrat

semi-conducteur monolithique, caractérisé en ce qu'il com-

porte un premier amplificateur différentiel (60) avec une

entrée inverseuse (64) et une sortie (62), un premier conden-

sateur d'intégration (66) connecté entre ladite entrée in-

verseuse et la sortie dudit premier amplificateur différen-

tiel, un second amplificateur différentiel (90) avec une en-

trée inverseuse-(94) et une sortie (92), un second condensa-

teur d'intégration (96) connecté entre ladite entrée inver-

seuse et la sortie dudit second amplificateur différentiel,

2472305-

un premier condensateur d'entrée commuté (82), un circuit

d'horloge produisant des premier et second signaux d'horlo-

ge (C1, C2) pendant des première et seconde phases d'hor-

loge, un premier dispositif de commutation (70, 72, 74, 76) connecté audit premier amplificateur différentiel (60; et audit premier condensateur d'entrée commuté (82), ledit premier dispositif de commutation comprenant des premier, second, troisième et quatrième commutateurs (70, 72, 74, 76) avec des première et seconde bornes et une borne de commandeo de manière quela première borne dudit premier commutateur (70) soit connectée au potentiel de la masse, la seconde borne du premier commutateur étant connectée à la première bQrne dudit second commutateur (72) en formant un premier

point commun (78), la seconde borne dudit second commuta-

teur étant connectée à l'entrée inverseuse du premier ampli-

ficateur différentiel (60), la borne de commande dudit pre-

mier commutateur (70) étant connectée pour recevoir ledit premier signal d'horloge (C1) pendant ladite première phase d'horloge, la borne de commande dudit second commutateur

(72) étant connectée pour recevoir ledit second signal d'hor-

loge (C2) pendant ladite seconde phase d'horloge, la premiè-

re borne dudit troisième commutateur (74) étant connectée à une source de tension, la seconde borne dudit troisième

commutateur étant connectée à la première borne dudit qua-

trième commutateur (76) pour former un second point commun (80) et la seconde borne dudit quatrième commutateur étant

connectée à la sortie (92) dudit second amplificateur dif-

férentiel (90), la borne de commande dudit troisième commu-

tateur (74) étant connectée pour recevoir ledit second sig-

nal d horloge (C2) pendant ladite seconde face d'horloge et la borne de commande dudit quatrième commutateur étant connectée pour recevoir ledit premier signal d'horloge Cl

pendant ladite première phase d'horloge, ledit filtre com-

portant également un second condensateur d'entrée commuté (112), un second dispositif de commutation (100, 102, 104, 106) connecté audit second amplificateur différentiel (90) et audit second condensateur d'entrée commuté (112), ledit second dispositif de commutation comportant des cinquième, sixième, septième et huitième commutateurs avec chacun des

première et seconde bornes et une borne de commande, la pre-

mière borne dudit cinquième commutateur (100) étant connectée au potentiel de la masse, la seconde borne dudit cinquième

commutateur étant connectée à la première borne dudit si-

xième commutateur (102) en formant un troisième point com-

mun (108), la seconde borne dudit sixième commutateur étant connectée à l'entrée dudit second amplificateur différentiel (90), la borne de commande dudit cinquième commutateur (100) étant connectée pour recevoir ledit premier signal d'horloge (Cl) pendant ladite.première phase d'horloge, la borne de commande dudit sixième commutateur (102) étant connectée pour recevoir le second signal d'horloge (C2) pendant ladite phase d'horloge,la première borne dudit septième commutateur

(104) étant connectée à la sortie dudit premier amplifica-

teur différentiel (60), la seconde borne dudit septième

commutateur étant connectée à la première borne dudit hui-

tième commutateur (106) en formant un quatrième point com-

mun (110) et la seconde borne dudit huitième commutateur

étant connectée à une source de tension, la borne de comman-

de dudit septième commutateur (104) étant connectée pour

recevoir le second signal d'horloge (C2) pendant ladite se-

conde phase d'horloge et la borne de commande dudit huitiè-

me commutateur (106) étant connectée pour recevoir le pre-

mier signal d'horloge (CI) pendant ladite première phase d'horloge, ledit premier condensateur d'entrée commuté (82)

étant connecté entre lesdits premier et second points com-

muns (78, 80) de manière qu'il échantillonne et maintienne le signal de sortie dudit second amplificateur différentiel

(92) quand lesdits dispositifs de commutation reçoivent le-

dit premier signal d'horloge, isolant ainsi la sortie dudit

second amplificateur différentiel de l'entrée inverseuse du-

dit premier amplificateur différentiel et de manière que lorsque ledit dispositif de commutation reçoit ledit second

24723-05

signal d'horloge (C2), la sortie échantillonnée et mainte-

nue dudit second amplificateur différentiel soit appliquée

audit premier condensateur d'intégration (66) pour introdui-

re un retard de phase du signal de fréquence audible d'en-

trée, ledit second condensateur d'entrée commuté (112) étant connecté entre lesdits troisième et quatrième points communs (108, 110) de manière que lorsque ledit dispositif de commutation reçoit ledit signal d'horloge (C2), ledit second condensateur d'entrée commuté applique le signal de

sortie dudit premier amplificateur différentiel audit se-

cond condensateur d'intégration pour introduire une avance

de phase dans le signal de fréquence audible d'entrée.