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Die Erfindung betrifft eine Schaltanordnung mit wenigstens einem mit einer Versorgungsspannung betriebenen Analogschalter, der einen Schaltsignalkontakt und ein Paar von Schaltkontakten umfasst, wobei an den Schaltsignalkontakt ein elektrisches Schaltsignal anlegbar ist, in dessen Abhängigkeit eine elektrische Verbindung zwischen den Schaltkontakten schaltbar ist, deren interner Durchgangswiderstand temperaturabhängig ist.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit des Durchgangswiderstandes wenigstens eines mit einer Versorgungsspannung betriebenen Analogschalters.
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Solche Analogschalter sind im Stand der Technik bekannt und weisen das Problem auf, dass deren interner Durchgangswiderstand, über den die Schaltkontakte verbindbar sind, eine Temperaturabhängigkeit aufweist. Dies ist besonders in Anwendungen problematisch, in welchen solche Analogschalter eingesetzt werden, um bestimmte Widerstände einer vorgegebenen Widerstandsgröße an weitere elektrische/elektronische Schaltungen an- oder auch abzuschalten, da hierbei der interne Durchgangswiderstand den zusammen mit dem geschalteten Widerstand erzeugten effektiv wirkenden Widerstandswert temperaturabhängig beeinflusst und damit verfälscht.
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Typische Anwendungen dieser Art ergeben sich beim Prototypentest von Kraftfahrzeugsteuergeräten, an welche zur Simulation von Umgebungsbedingungen externe Widerstandswerte angeschaltet werden sollen.
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Im Stand der Technik ist es weiterhin bekannt, eine Temperaturkompensation z. B. dadurch vorzunehmen, dass die Umgebungstemperatur eines solchen betriebenen Analogschalters möglichst konstant gehalten wird, z. B. durch Vorrichtungen zur Temperierung. Solche Vorrichtungen sind jedoch aufwändig, kostenintensiv, verbrauchen Energie und sind zeitlich träge.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung eine Schaltanordnung und ein Verfahren zur Temperaturkompensation bereit zu stellen, mittels denen auf einfache Art und Weise ein Betrieb solcher Analogschalter unter Konstanthaltung von deren internem Durchgangswiderstand erzielbar ist.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Schaltanordnung gelöst, die in der Umgebung des wenigstens einen Analogschalters wenigstens einen weiteren artgleichen Referenz-Analogschalter aufweist, der mit der gleichen gemeinsamen Versorgungsspannung betrieben ist und der so angesteuert ist, dass dessen Schaltkontakte über dessen internen temperaturabhängigen Durchgangswiderstand kontinuierlich verbunden sind, wobei wenigstens eine Vergleicherschaltung vorgesehen ist, mittels der in Abhängigkeit des Vergleiches des internen Durchgangswiderstandes des wenigstens einen Referenz-Analogschalters mit dem Sollwert des/der selbigen oder einer anderweitigen Sollwertvorgabe R_SOLL des/der Referenz-Analogschalters S_REF, wenigstens ein Regelsignal erzeugbar/erzeugt ist, mittels welchem durch Änderung der gemeinsamen Versorgungsspannung aller Analogschalter in Abhängigkeit des Regelsignals der interne Durchgangswiderstand des wenigstens einen Referenz-Analogschalters konstant haltbar ist, insbesondere an den Sollwert des/der selbigen oder die anderweitige Sollwertvorgabe R_SOLL des/der Referenz-Analogschalters S_REF, angleichbar ist. Die Änderung der gemeinsamen Versorgungsspannung kann z. B. dadurch erfolgen, dass ein die Versorgungsspannung erzeugender bzw. beeinflussender Spannungsregler durch das Regelsignal angesteuert ist.
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Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, bei dem von wenigstens einem in der Umgebung des wenigstens einen Analogschalters angeordneten weiteren artgleichen Referenz-Analogschalter der interne temperaturabhängige Durchgangswiderstand kontinuierlich verglichen wird mit wenigstens einem externen, insbesondere temperaturunabhängigen Referenzwiderstand und mit einem vom Vergleichsergebnis abhängigen Regelsignal, z. B. durch Ansteuerung eines Spannungsreglers mit dem Regelsignal, die gemeinsame Versorgungsspannung des wenigstens einen Analogschalters und des wenigstens einen Referenz-Analogschalters so einregelt wird, dass der interne temperaturabhängige Durchgangswiderstand des wenigstens einen Referenz-Analogschalters einem vorgegebenen Sollwert, insbesondere dem wenigstens einen Referenzwiderstand entspricht.
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Der wesentliche Kerngedanke der Erfindung beruht darauf, dass der interne Durchgangswiderstand, der bei einem solchen Analogschalter zwischen einem Paar von Schaltkontakten wirkt, nicht nur von der Temperatur des Analogschalters abhängig ist, sondern auch von der Höhe der Versorgungsspannung, mit welcher ein solcher Analogschalter betrieben wird.
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Zumindest ist die Erfindung anwendbar bei solchen Analogschaltern, die neben der Temperaturabhängigkeit auch eine Versorgungsspannungsabhängigkeit des internen Durchgangswiderstandes aufweisen. Ein Beispiel eines solchen Analogschalters sind die Typen MAX 4662 und MAX 4665 der Firma Maxim, auf die die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist.
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Gemäß der Erfindung ist es dabei vorgesehen, den internen Durchgangswiderstand wenigstens eines Referenz-Analogschalters messtechnisch zu erfassen. Dieser wenigstens eine Referenz-Analogschalter ist in einer Umgebung zu wenigstens einem anderen in der Temperatur zu kompensierenden Analogschalter angeordnet, so dass der Referenz-Analogschalter zumindest annähernd dieselbe Temperatur aufweist, wie der wenigstens eine zu kompensierende Analogschalter. Dabei wird unter einer solchen Umgebung zumindest der örtliche Bereich um den wenigstens einen Analogschalter herum verstanden, in dem gleiche Temperaturbedingungen vorherrschen. Z. B. kann es vorgesehen sein, dass der wenigstens eine Referenz-Analogschalter zusammen mit dem wenigstens einen zu kompensierenden Analogschalter in einem gemeinsamen Chip-Gehäuse angeordnet ist. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn ein solcher als Chip ausgebildeter integrierter Schaltkreis mehrere Analogschalter beinhaltet.
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Unter der Artgleichheit wird dabei bevorzugt verstanden, dass der wenigstens eine Referenz-Analogschalter den gleichen Typ oder den gleichen Prozess aufweist, wie der oder die in der Temperatur zu kompensierende Analogschalter, da dann zumindest ähnliche bevorzugt gleiche Temperatur- und/oder Spannungsabhängigkeit des internen Durchgangswiderstandes zu erwarten ist.
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Da der wenigstens eine Referenz-Analogschalter bevorzugt dieselbe, zumindest aber ähnliche Temperatur hat, bzw. dieselbe oder zumindest ähnliche Temperaturänderungen erfährt, wie der wenigstens eine zu kompensierende Analogschalter, kann messtechnisch erfasst werden, wie sich dessen interner Durchgangswiderstand genauso bzw. bevorzugt zumindest proportional wie bei dem wenigstens einen anderen Analogschalter mit einer Änderung der Temperatur verändert. Dieses Messergebnis kann verwendet werden, um den internen Durchgangswiderstand aller Analogschalter konstant zu halten, bzw. auf einen gewünschten Wert zu regeln.
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Dies erfolgt gemäß der Erfindung derart, dass der erfasste Widerstandswert des internen Durchgangswiderstandes des wenigstens einen Referenz-Analogschalters mit dem Wert wenigstens eines externen, bevorzugt temperaturstabilen Referenzwiderstandes verglichen wird. Dieser Vergleich kann auch indirekt erfolgen mittels anderer elektrischer Größen, die von dem jeweiligen Widerstandswert unmittelbar abhängen.
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Durch den Vergleich kann bevorzugt ein Vergleichsergebnis erhalten werden in Form einer weiteren elektrischen Größe, die als Regelsignal, z. B. als Spannungssignal zu Ansteuerung eines Spannungsreglers verwendet wird, welcher die Betriebspannung aller Analogschalter also auch des wenigsten einen Referenz-Analogschalters regelt.
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Zeigt also der Vergleich, dass der interne Durchgangswiderstand von dem wenigstens einen Referenz-Analogschalter von einem Sollwert, z. B. dem Wert des wenigstens einen Referenz-Widerstandes abweicht, bzw. dass die jeweils hiervon abhängigen Größen voneinander abweichen, so wird demnach auch das Vergleichsergebnis, welches die Regelgröße für den Spannungsregler bildet, von einem vorgegebenen Sollwert abweichen. Durch den Spannungsregler wird dann die Spannung derart nachgeregelt, dass im Endeffekt der interne Durchgangswiderstand im Vergleich zu seinem Sollwert, insbesondere zum Widerstandswert des wenigstens einen Referenzwiderstands konstant ist, bzw. in engen Grenzen darum geregelt ist. Dies kann erreicht werden, wenn der Vergleichswert bzw. das Regelsignal dessen vorgegebenem Sollwert entspricht, demnach die Regelabweichung minimiert ist und der Vergleichswert konstant bleibt bzw. in engen Grenzen um seinen Sollwert.
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Die derart realisierte Versorgungsspannungsregelung wirkt dabei auf alle Analogschalter insgesamt, einschließlich Referenz-Analogschalter, so dass durch die Konstanthaltung des internen Widerstandes des wenigstens einen Referenz-Analogschalters automatisch auch die internen Widerstände aller anderen Analogschalter der betrachteten Schaltanordnung zumindest in Grenzen konstant gehalten werden.
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Gemäß der Erfindung kann es dabei vorgesehen sein, dass der Vergleich und die Spannungsregelung so erfolgt, dass die Versorgungsspannung so eingeregelt wird, dass der interne Durchgangswiderstand des wenigstens einen Referenz-Analogschalters dem wenigstens einen Referenzwiderstand entspricht. In diesem optimierten Fall bildet demnach der wenigstens eine Referenzwiderstand ein Maß für den Sollwert für den internen Durchgangswiderstand des wenigstens einen Referenz-Analogschalters. Beispielsweise kann der Referenzwiderstand als R_REF = Sollwert oder auch als R_REF = const·Sollwert ausgebildet sein.
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Weiterhin kann in diesem Fall das Vergleichsergebnis und damit der in der Regelung für die Regelabweichung gewünschte Sollwert Null sein.
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Jegliche Abweichung des Vergleichs-Ist-Wertes bzw. des Regelsignals vom jeweiligen Sollwert gibt dadurch vorteilhafterweise sowohl die Größe der Abweichung, insbesondere durch den Betrag des Vergleichswertes, also auch die Richtung der Abweichung, insbesondere durch das Vorzeichen des Vergleichswertes bzw. des Regelsignals an und kann unmittelbar verwendet werden, um als Eingangsgröße eines Spannungsreglers zu dienen. Ist der Sollwert für das Regelsignal NULL, so kann das Regelsignal direkt zur Ansteuerung des Spannungsreglers verwendet werden, da dann das Regelsignal Größe und Richtung der Abweichung vom gewünschten Sollwert unmittelbar repräsentiert. Ist der Sollwert hingegen von NULL abweichend gewählt, so kann es vorgesehen sein, dass der Spannungsregler intern einen Soll-Ist-Vergleich zwischen dem Sollwert und dem Regelsignal vornimmt und durch Änderung der Versorgungsspannung die festgestellte Soll-Ist-Abweichung minimiert und dadurch dann den internen Durchgangswiderstand des wenigstens einen Referenzanalogschalters an seinen Sollwert, insbesondere den Widerstandswert des wenigstens einen Referenzwiderstandes angleicht.
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In einer möglichen Ausführung kann es vorgesehen sein, dass der interne Durchgangswiderstand nicht nur durch einen einzigen Referenz-Analogschalter gegeben ist, sondern durch eine Gruppe von mehreren, insbesondere wenigstens zwei Referenz-Analogschalter. In einem solchen Fall kann der zu vergleichende interne Durchgangswiderstand durch den effektiven gesamten Durchgangswiderstand der Gruppe aller Referenzanalogschalter gegeben sein, z. B. als Summe, insbesondere wenn die Referenzanalogschalter in Reihe geschaltet sind, als Quotient der Quotientensumme, wenn die Referenzanalogschalter parallel geschaltet sind, oder bei anderen Schaltungsarten z. B. auch als Mittelwert. Gleiches gilt für den gesamten effektiven Referenzwiderstand, wenn dieser nicht nur durch einen einzigen Referenzwiderstand gegeben ist, sondern durch eine Gruppe von mehreren, insbesondere wenigstens zwei Referenzwiderständen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen, dass zur Durchführung des genannten Vergleichs von Innenwiderstand und dessen Sollwert bzw. Referenzwiderstand wenigstens ein Differenzverstärker, auch Operationsverstärker genannt, eingesetzt wird.
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Ein solcher Differenzvertärker kann erfindungsgemäß zwei Spannungseingänge umfassen, an die zwei zu vergleichende Spannungen anlegbar/angelegt sind und einen Spannungsausgang aufweisen, an welchem in Abhängigkeit des Vergleiches der beiden Eingangsspannungen als Regelsignal eine Regelspannung als Eingangsgröße für den Spannungsregler anliegt. Hier ist es vorgesehen, dass der Vergleich der Widerstände indirekt erfolgt durch von den Widerständen abhängende Spannungen (z. B. Wheatstonesche Brücke).
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In bevorzugter Ausführung kann somit eine zu vergleichende Spannung in einer Spannungsteilerkette mit wenigstens einem weiteren Widerstand über den (effektiven) internen Durchgangswiderstand des wenigstens einen Referenz-Analogschalters und die andere Spannung in einer Spannungsteilerkette mit wenigstens einem weiteren Widerstand über dem wenigstens einen Referenzwiderstand abgegriffen sein.
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Dabei kann es vorgesehen sein, dass das Verhältnis der Widerstandswerte der Widerstände beidseits der Abgriffstelle der Spannungen, die für den Vergleich herangezogen werden, bei beiden Spannungsteilerketten gleich ist. Dies kann z. B. in einer Ausführung erreicht werden, wenn die jeweiligen weiteren Widerstände der jeweiligen Spannungsteilerketten identisch sind.
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Ebenso können die jeweiligen weiteren Widerstände zum Bilden der Spannungsteilerkette auch voneinander verschieden sein. Auch der Referenzwiderstand muss nicht zwingend einem gewünschten internen Widerstand entsprechen.
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Erfindungsgemäß kann mit dem Spannungsregler in Abhängigkeit des Regelsignals, insbesondere der Regelspannung, weiche(s) den IST-Wert der Spannungsregelung bildet, die positive und/oder die negative Versorgungsspannung der Analogschalter geregelt werden. Wesentlich ist es für die Erfindung, dass zwischen negativer und positiver Versorgungsspannung die insgesamt bestehende Spannungsdifferenz durch die Spannungsregelung beeinflusst wird.
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In erfindungsgemäßer Weiterbildung kann eine solche Schaltanordnung wenigstens ein Paar von zwei elektrischen Kontakten umfassen, die durch eine Parallelschaltung von mehreren, insbesondere wenigstens zwei Analogschaltern verbunden/verbindbar sind, wobei jeder Analogschalter dieser Parallelschaltung mit einem Widerstand unterschiedlicher Widerstandsgröße in Serie geschaltet ist.
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Es besteht so die Möglichkeit durch Ansteuerung eines oder auch mehrerer Analogschalter dieser Parallelschaltung zwischen den beiden Kontakten des genannten Kontaktpaares einen gewünschten Widerstandswert einzustellen, der sich durch den Gesamtwiderstand der parallel geschalteten Einzelwiderstände, zzgl. der geschalteten internen Widerstände der geschalteten Analogschalter ergibt, die jedoch nach der Erfindung durch die Versorgungsspannungsregelung konstant gehalten sind und somit als konstanter Offset bei jedem Analogschalter berücksichtigt werden können.
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Ein so eingestellter Widerstandswert kann in einem Hardwaretest, z. B. zum Testen von Steuergeräten verwendet werden, wobei nun erfindungsgemäß keine weitere Anfälligkeit mehr gegenüber Temperaturänderungen besteht.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den nachfolgenden Figuren dargestellt. Es zeigen:
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1: Eine Schaltanordnung zur Durchführung der Erfindung;
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Die 1 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltanordnung, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden kann. Dies ist ein Beispiel, für die Ausführung des Regelkreises gibt es unzählige Möglichkeiten.
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Erkennbar ist hier eine Parallelschaltung von mehreren Analogschaltern S0 bis S15. Alle Analogschalter weisen zusammen mit dem in dieser Ausführung einzigen Referenz-Analogschalter S_REF eine gemeinsame Spannungsversorgung auf, die durch den Rahmen 1 symbolisiert ist. Die Versorgungsspannung wird dabei durch den Spannungsregler 2 bereitgestellt.
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In dieser Anwendung liegt zu jedem der Analogschalter S0 bis S15 ein Widerstand R in Serie. Jeder dieser Widerstände R hat dabei einen anderen Widerstandswert, in diesem Beispiel mit Widerstandswerten R0, R0/2, R0/4, ... R0/(2N-1) mit N = 16 und R0 = 1 Megaohm.
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Durch Ansteuerung der in diesem Beispiel 16 Analogschalter kann einer oder auch mehrere eingeschaltet werden, so dass hierdurch zwischen den Anschlüsse RES_L1 und RES_H1 dieser Parallelschaltung ein gewünschter Gesamtwiderstandswert gebildet werden kann. Wie hier dargestellt ist, können mehrere solcher Parallelschaltungen realisiert sein mit jeweils einem Kontaktpaar zwischen denen der gewünschte Widerstandswert eingestellt werden kann. Solche Parallelschaltungen können zur Widerstandsimulation im Rahmen eines Hardwaretest verwendet werden.
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Um hier eine Kompensation der Temperaturabhängigkeit der internen Durchgangswiderstände zu realisieren ist in der gezeigten Schaltanordnung eine Vergleicherschaltung 3 vorgesehen, von der der hier einzige Referenz-Analogschalter S_REF einen Teil ausbildet. Die Vergleicherschaltung 3 umfasst einen Differenzverstärker 4 der eine eigenständige Spannungsversorgung aus U+ und U– hat. Zwischen die Versorgungsspannungen U+ und U– sind in diesem Realisierungsbeispiel zwei Spannungsteilerketten ST1 und ST2 integriert. Die Spannungsteilerkette ST1 umfasst eine Serienschaltung von einem ersten Widerstand R1 und einem Referenzwiderstand R_REF. Jeder dieser Widerstände kann auch durch mehrere Einzelwiderstände realisiert sein. Die Spannungsteilerkette ST2 umfasst einen ersten Widerstand R2 und einen Widerstand, der durch den internen Durchgangswiderstand des Referenz-Analogschalters S_REF gegeben ist. Wie schon beschrieben ist hier nur ein einziger Referenz-Analogschalters S_REF vorgesehen, es können aber auch mehrere eingesetzt werden, die sodann einen effektiven Gesamt-Innenwiderstand bilden. Beide Spannungsteilerketten ST1 und ST2 liegen parallel.
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Aus der Spannungsteilerkette ST1 wird eine Referenzspannung U_REF abgegriffen, die über dem (effektiven) Referenzwiderstand R_REF abfällt. R_REF ist dabei bevorzugt ein Widerstand mit vernachlässigbarer Temperaturabhängigkeit. Dies kann auch für die weiteren Widerstande R1 und R2 gelten, obgleich dies nicht nötig ist, wenn sie zumindest gleiche Temperaturabhängigkeit aufweisen.
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Entsprechend dem temperaturabhängigen internen Durchgangswiderstand des Referenz-Analogschalters fällt über diesem eine temperaturabhängige Spannung U_IST ab. Diese Spannung U_IST und die Referenzspannung U_REF liegen an den Eingangskontakten des Differenzverstärkers 4 an und werden in diesem verglichen. In Abhängigkeit des Vergleiches bildet der Differenzverstärker 4 eine diesem Vergleich entsprechende Vergleichsspannung U_KOMP, die am Ausgang des Differenzverstärkers 4 anliegt und z. B. anzeigt ob die Spannung U_IST gleich, größer oder kleiner ist als die Referenzspannung U_REF.
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Die Vergleichsspannung U_KOMP bildet hier ein Regelsignal, welches zur Ansteuerung des Spannungsreglers 2 dient, der in Abhängigkeit von U_KOMP die Versorgungsspannung aller Analogschalter einregelt. Die Regelung kann z. B. so erfolgen, dass die Versorgungsspannung aller Analogschalter nach einer zumindest im Betriebsbereich streng monotonen Funktion der Spannung U_KOMP folgt. Die Kennlinie dieses Spannungsreglers muss nicht besonders präzise sein, da er Teil eines geschlossenen Regelkreises ist.
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Da der interne Durchgangswiderstand aller Analogschalter neben der Temperaturabhängigkeit auch eine Abhängigkeit von der Versorgungsspannung aufweist, kann so eine temperaturbedingte Änderung des internen Durchgangswiderstandes durch eine versorgungsspannungsbedingte Gegen-Änderung kompensiert und somit der interne Widerstand konstant gehalten werden. Ein solcher konstanter interner Widerstand liegt dann näherungsweise bei allen Analogschaltern mit derselben Versorgungsspannung vor, wenn die Betriebsspannung aller Analogschalter als Regelgröße auf den entsprechenden Wert geregelt wird.
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Durch eine Änderung des Sollwertes kann dabei direkt Einfluss genommen werden auf den Arbeitspunkt des Differenzverstärkers und somit auf den gewünschten internen Durchgangswiderstand.
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Bei diesem Beispiel sowie auch allgemein kann es vorgesehen sein, dass der wenigstens eine Referenz-Analogschalter zusammen mit den Analogschaltern, die kompensiert werden sollen, in einem Chip-Gehäuse angeordnet sind.
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Es kann allgemein auch vorgesehen sein, dass in räumlicher Umgebung des wenigstens einen Analogschalters zwecks erfindungsgemäßer Temperaturkompensation nicht nur ein Referenz-Analogschalter oder eine Gruppe von Referenz-Analogschaltern, sondern mehrere einzelne bzw. mehrere Gruppen von Analogschaltern an verschiedenen Orten in der Umgebung angeordnet sind. So kann der erfindungsgemäße Vergleich jeweils für den- oder dieselben Analogschalter gleichzeitig auch an verschiedenen Orten in der räumlichen Umgebung, z. B. mit jeweils einem der zuvor beschriebenen Differenzverstärkern durchgeführt werden. Zur Regelung der Versorgungsspannung kann aus den so zur Verfügung gestellten mehreren Regelsignalen eines ausgewählt werden, z. B. das mit der geringsten Regelabweichung oder eines neu gebildet werden, z. B. als Mittelwert aller Regelsignale.
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Für die genaue Ausführung des Spannungsreglers gibt es unzählige Möglichkeiten. Entscheidend ist, dass der Widerstand S_REF des/der Referenz-Analogschalter mit einem festen Sollwert verglichen wird, und darauf basierend die gemeinsame Betriebsspannung aller Analogschalter so geregelt wird, dass dieser Sollwert erreicht wird. Es sind auch Realisierungen denkbar, bei denen der Ausgang des Differenzverstärkers selbst, also ohne nachgeschalteten Spannungsregler, die Betriebsspannung für die Analogschalter bereitstellt.
