DE2950433C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung geht aus von einer elektronischen Schaltung gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Elektronische Schaltungen mit geschalteten Ladungsspeichern, insbeson
dere mit Kondensatoren, wurden im wesentlichen mit dem Ziel entwickelt,
Schaltungen, die sonst die Verwendung von Widerständen erfordern, in
integrierte Schaltungen einfügen zu können. Integrierte Widerstände
weisen in der Praxis Temperatureigenschaften und Eigenschaften hinsicht
lich der Genauigkeit auf, die wenig befriedigend sind, und sie erfordern
einen sehr großen Raumbedarf auf dem Siliziumplättchen. Es ist allgemein
bekannt, Widerstände in der in Fig. 1 gezeigten Weise durch
Kondensatoren zu ersetzen, die mit einer vorgegebenen Frequenz
geschaltet werden. Wenn dieser Kondensator C an V 1 gemäß Fig. 1
angeschaltet ist, wird er geladen, und nach dem Umschalten an V 2 wird
er um den Betrag von Q = C · (V 1 - V 2) entladen.
Wenn das Schalten alle T e Sekunden erfolgt und damit mit einer Schalt
frequenz oder Abtastfrequenz f e = 1/Te, so ergibt sich ein Strom in
Richtung auf V 2 mit einem mittleren Wert von i, der durch die folgende
Gleichung bestimmt ist:
- i = Q/T e = C · (V 1 - V 2)/T e .
Der äquivalente Widerstand dieses geschalteten Kondensators ist dann
R = T Ye /C. Eine Vorbedingung für eine einwandfreie Betriebsweise besteht
darin, daß die Abtastfrequenz f e wesentlich größer als die Frequenz
f des abgetasteten Eingangssignals ist. Im allgemeinen ist zu fordern,
daß f<f e /2 ist, und zwar entsprechend der Regel der Abtastsysteme.
Analogschalter, die durch digitale Signale von einer Taktsignalquelle
gesteuert werden und durch den Schalter K dargestellt sind, ermöglichen
im allgemeinen dieses Schalten.
Es sind elektronische Schaltungen der eingangs genannten Art bekannt
(Literaturstelle 'Elektronik Letters', 27. April 1978, Vol 14, Nr. 9,
Seiten 287, 288,), deren Grundschaltung aus einem Integrator und aus
einem am Eingang des Integrators angeordneten geschalteten Kondensator
besteht. Bei einer Ausführungsform verbindet ein mit einem Anschluß
eines über seinen anderen Anschluß geerdeten Kondensators verbundener
Schalter diesen Kondensator abwechselnd mit dem Eingangsanschluß der
elektronischen Schaltung und dem Eingangsanschluß des Integrators. Bei
anderen Ausführungsformen werden zwei Kondensatoren verwendet, die
jeweils abwechselnd entweder zwischen den Eingangsanschluß der
elektronischen Schaltung und den Eingang des Integrators oder zwischen
den Eingangsanschluß des Integrators und Erde geschaltet werden. Bei
diesen bekannten elektronischen Schaltungen ergeben sich
Schwierigkeiten, wenn das Eingangssignal in der Nähe der halben
Abtastfrequenz liegt, jedoch zu dieser nicht phasenstarr ist.
Eine weitere bekannte elektronische Schaltung mit geschalteten Kondensa
toren ist in Fig. 2 gezeigt. Diese Schaltung besteht aus einem Integra
tor mit einem Operationsverstärker I und einem Integrationskondensator
C sowie einem geschalteten Kondensator α C und zwei Schaltern K.
Das aufeinanderfolgende Schalten des geschalteten Kondensators α C,
der in einer ersten Phase an V 1 und V 2 und in einer zweiten Phase an
Masse und den invertierenden Eingang des Integrators angeschaltet wird,
entspricht der Abtastfrequenz f e des Eingangssignals V 1 mit der
Frequenz f. In Abhängigkeit von dem Wert von α verhält sich die
Schaltung mit geschalteten Kondensatoren wie eine Verzögerungsschaltung
(α = 1), wie eine Bandsperrschaltung (0<α<1) oder wie eine Bandpaß
schaltung (1<α<2) wobei in den beiden letzteren Fällen die Resonanz
der Schaltung mit f = (f e /2) · (1 + 2k) verwendet wird, wobei k eine
ganze Zahl ist. In diesen beiden Fällen bildet eine derartige elektro
nische Schaltung um die Resonanzfrequenz herum ein übliches Bandsperr
filter oder ein übliches Bandpaßfilter, und sie ist weiterhin voll
ständig integrierbar, insbesondere in C-MOS-Technik. Es ist daher
einfach, integrierbare selektive Filter aufzubauen, deren Abtastfrequenz
so ausgewählt wird, daß die Resonanzfrequenz f = f e /2 bestimmt wird,
bei der gearbeitet werden soll. Eine derartige selektive Schaltung weist
ebenfalls dann Nachteile auf, wenn sie als Bandpaßfilter arbeitet.
Einerseits ist bekannt, daß die erste Resonanz für f = f e /2 auftritt,
und weil dies der theoretische Grenzwert ist, für den das Eingangssignal
zwei mal pro Periode abgetastet wird, ergibt sich, wie dies anhand der
Fig. 3 zu erkennen ist, eine Unsicherheit hinsichtlich der relativen
Phase des Eingangssignals V 1 bezüglich der Abtastzeitpunkte. So ist es
möglich, daß das Eingangssignal zum Zeitpunkt der Abtastung gleich 0
ist, was das Ausgangssignal der Schaltung beeinflußt. Andererseits
erscheinen die Frequenzen f des Eingangssignals V 1 oberhalb von f e /2
am Ausgang um f e /2 umgesetzt, wie dies bei allen Abtastschaltungen der
Fall ist, weshalb gefordert wird, daß das Spektrum des Eingangssignals
auf Frequenzen unterhalb von f e /2 begrenzt wird.
Schließlich sind Abtastfilter bekannt (Literaturstelle 'Nachrichten
technik-Elektronik', 25 (1975) Heft 12, Seiten 457-461), bei denen
getaktete Integratoren verwendet werden, wobei bei einer Ausführungsform
ein getakteter Doppelintegrator und ein Einfachintegrator parallel
geschaltet sind und die Ausgänge der Integratoren über einen Summierer
miteinander verbunden sind. Hierbei ist jedoch die Verwendung von
Widerständen erforderlich, was aus den eingangs genannten Gründen uner
wünscht ist, und weiterhin ist auch hierbei das Spektrum des Eingangs
signals auf Frequenzen unterhalb von f e /2 zu begrenzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektronische Schaltung
der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der sich die Frequenz des
Eingangssignals über die Resonanzfrequenz f e /2 hinaus ändern kann,
und die eine Verzögerungsschaltung, eine Bandsperrschaltung oder eine
Bandpaßschaltung bildet, die vollständig integrierbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs
1 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäße elektronische Schaltung ist voll
ständig und in einfacher Weise integrierbar und die Ein
gangsfrequenz kann größer sein als die Resonanzfrequenz
f e /2. Diese elektronische Schaltung kann sowohl eine Ver
zögerungsschaltung als auch eine Bandsperrschaltung oder
eine Bandpaßschaltung bilden.
Es ist zwar bereits eine Lösung hinsichtlich des Problems
der Begrenzung auf die halbe Abtastfrequenz bekannt, de
ren Prinzip jedoch vollständig von der erfindungsgemäßen
elektronischen Schaltung verschieden ist. Es handelt sich
hierbei um die sogenannten N-Pfad-Schaltungen, die jedoch
den Nachteil aufweisen, daß sie bei einer Abtastfrequenz
arbeiten, die gleich der Frequenz des zu empfangenden
Signals ist, und daß sie damit Störeinstreuungen aufgrund des
Abtastsignals aufweisen.
Die erfindungsgemäße elektronische Schaltung weist zumin
dest zwei selektive Schaltungen mit geschalteter Kapazi
tät der oben beschriebenen Art auf, die parallel angeord
net sind. Weiterhin weist die elektronische Schaltung
eine Steuerschaltung auf, die Steuersignale liefert, die
die Schalter derart steuern, daß die aufeinanderfolgenden
Schaltvorgänge der geschalteten Kondensatoren sicherge
stellt sind. Das Eingangssignal der elektronischen Schal
tung ist mit den Eingängen der selektiven Schaltungen
verbunden und die Ausgänge dieser selektiven Schaltungen
sind mit einem Bauteil verbunden, das das Ausgangssignal
der elektronischen Schaltung bildet. Weiterhin weist die
die Steuersignale für die Schalter liefernde Steuerschal
tung derartige Einrichtungen auf, daß diese Steuersignale
so geliefert werden, daß jeder der einen geschalteten
Kondensator zugeordneten aufeinanderfolgenden Schaltvorgän
ge zeitlich gegenüber jedem der der anderen geschalteten
Kondensator zugeordneten Schaltvorgänge versetzt ist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen noch
näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigt
Fig. 1 ein bekannter geschalteter Kondensator,
Fig. 2 eine bekannte selektive Schaltung mit geschalte
ten Kondensatoren,
Fig. 3 eine Darstellung zur Erläuterung der Grenzen der
Abtastung des Eingangssignals mit einer Frequenz
f e = 2f bei der Schaltung nach Fig. 2,
Fig. 4 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen elek
tronischen Schaltung,
Fig. 5 eine Darstellung der Abtastsignale e 1 (t) und
e 2 (t) sowie des Eingangssignals V 1 (t), das gemäß
e 1 (t) und e 2 (t) abgetastet wird,
Fig. 6 eine Darstellung der Steuersignale der Schalter,
die die Schaltvorgänge durchführen, sowie der
Positionen des Ausgangsschalters in Abhängigkeit
von diesen Signalen,
Fig. 7 eine Ausführungsform einer Einrichtung zur Er
zeugung einer Folge von Abtastfrequenzen,
Fig. 8 eine Ausführungsform einer Einrichtung zur Ände
rung der Kapazitätswerte der Kondensatoren α C
oder C.
In Fig. 4 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen
elektronischen Schaltung mit geschalteten Kondensatoren ge
zeigt. Bei dieser Ausführungsform sind nur zwei selektive
Schaltungen nach Fig. 2 verwendet, die Reihenschaltung
einer größeren Anzahl derartiger selektiver Schaltungen
ist jedoch ohne weiteres möglich. Die beiden selektiven
Schaltungen sind parallel geschaltet und die Schalter der
geschalteten Kondensatoren (α C) 1 und (α C) 2 sind durch
zwei Schalterpaare A 1, B 1 bzw. zwei Schalterpaare A 2, B 2
dargestellt.
Das Ziel besteht darin, das Eingangssignal V 1 (t) mit der
Frequenz f e einerseits durch die erste selektive Schal
tung 1 und andererseits durch die zweite selektive Schal
tung 2 abzutasten, jedoch derart, daß die von der selek
tiven Schaltung 2 erzeugten Abtastproben gegenüber den
Abtastproben phasenverschoben sind, die von der selekti
ven Schaltung 1 erzeugt werden. Bei dem dargestellten
Beispiel ist eine Phasenverschiebung von einer halben
Periode sowie eine Frequenz des Eingangssignals V 1 (t)
gewählt, die gleich der halben Abtastfrequenz f e ist. Der
Abtastvorgang verläuft so, als ob das Eingangssignal
V 1 (t) viermal pro Periode abgetastet würde. Die Fig. 5a
und 5b zeigen, was hiermit gemeint ist, und sie zeigen
die Abtastung e 1 (t) und e 2 (t) mit einer Phasenverschie
bung von einer halben Periode. Die Fig. 5c und 5e zeigen
eine Abtastung des Eingangssignals V 1 (t), bei der eine
Serie von Abtastproben gleich Null ist, während die ande
re Serie von Abtastproben aufgrund des Aufbaus der Aus
führungsform der Schaltung nach Fig. 4 nicht Null ist.
Abgesehen von diesen Grenzwerten, erfolgt eine Abtastung
des Eingangssignals viermal pro Periode, wie dies in Fig.
5d gezeigt ist.
Um diese spezielle Abtastung zu ermöglichen, muß ein ge
eignetes Schalten der geschalteten Kondensatoren (α C) 1
bzw. (a C) 2 sichergestellt werden. Zu diesem Zweck sind
in Fig. 6 die die Schalter A 1, B 1, A 2 und B 2 steuernden
Signale mit Φ A 1, Φ B 1, Φ A 2 und Φ B 2 bezeichnet, wobei die
Schalter durch MOS-Transistoren gebildet sein können. In
der selektiven Schaltung 1 steuert das Signal Φ A 1 die
Schalter A 1 mit einer Abtastfrequenz f e und bei jedem
Schließen dieser Schalter A 1 mit der Dauer Δ T erzeugt
die selektive Schaltung 1 eine Abtastprobe des Eingangs
signals V 1 (t). Das Signal Φ B 1 schließt die Schalter B 1
mit der gleichen Frequenz f e , jedoch nach dem Öffnen der
Schalter A 1, wodurch (α C) 1 einerseits mit Masse und an
dererseits mit dem invertierenden Eingang des Operations
verstärkers I verbunden wird. Φ A 1 und Φ B 1 bewirken daher
durch die Versetzung des Schalters der Schalter A 1 und B 1
das Umschalten von (α C) 1 und die Abtastung von V 1 (t) mit
der Frequenz f e , wie dies bereits eingangs erläutert
wurde.
Die selektive Schaltung 2 muß Abtastproben V 1 (t) erzeu
gen, die um eine halbe Periode gegenüber den Abtastproben
phasenverschoben sind, die von der selektiven Schaltung 1
erzeugt werden. Daher schließt das Signal Φ A 2 die Schal
tung A 2 der selektiven Schaltung 2, während die Schalter
A 1 der selektiven Schaltung 1 geöffnet sind, und zwar mit
der gleichen Wiederholfrequenz f e . Weiterhin schließt,
wenn die Schalter A 2 offen sind, Φ B 2 die Schalter B 2, um
auf diese Weise das Schalten des Kondensators (α C) 2 zu be
wirken. Es ist zu erkennen, daß für Φ A 2 das Signal Φ B 1
und für Φ B 2 das Signal Φ A 1 verwendet werden kann, wodurch
die Erzeugung der Steuersignale für die Schalter A 1, B 1,
A 2 und B 2 vereinfacht wird.
Die Signale Φ A 1, Φ B 1, Φ A 2 und Φ B 2 werden derart erzeugt,
daß die Schalter A 1, B 1 bzw. A 2, B 2 niemals zur gleichen
Zeit geschlossen sind, sondern im Gegensatz hierzu sogar
während einer Zeit Δ t alle geöffnet sind. Diese Dauer
Δ t kann gegen Null streben, wodurch die Schließdauer Δ T
vergrößert wird, sie kann jedoch niemals Null sein, wo
durch in jedem Fall ein Kurzschluß verhindert wird.
Es war zu erkennen, daß der Ausgang V 2 (t) die Summe der
Ausgänge jeder der selektiven Schaltungen 1 und 2 sein
kann. Ein anderes, einfacheres Verfahren zur Bildung von
V 2 (t) besteht darin, abwechselnd mit Hilfe eines Schal
ters S den Ausgang der selektiven Schaltung 1 und dann
den Ausgang der selektiven Schaltung 2 abzunehmen, wie
dies in Fig. 4 gezeigt ist. Der Schalter S befindet sich
zunächst in der Stellung S 1 und dann in der Stellung S 2
und verbindet den Ausgang abwechselnd mit einer der se
lektiven Schaltungen 1 und 2, vorzugsweise mit der Schal
tung, bei der kein Übergang erfolgt: Die Fig. 6 zeigt die
Position des Schalters S bezüglich insbesondere der Sig
nale Φ A 1 und Φ B 1, Φ A 2 und Φ B 2. Eine derartige Umschaltung
kann in gleicher Weise durch ein Paar von Schaltern wie
z. B. in Form von MOS-Transistoren erfolgen, die durch
geeignete Signale gesteuert werden, die beispielsweise
von Φ A 1 und Φ B 1 abgeleitet werden.
Wie dies bereits erwähnt wurde, besteht das ursprüngliche
Ziel darin, daß die Resonanzfrequenz gleich der halben
Abtastfrequenz ist. Diese Abtastfrequenz wird von einem
quarzgesteuerten Oszillator erzeugt, der die Erzielung
einer großen Stabilität der Resonanzfrequenz ermöglicht.
Diese Stabilität ermöglicht die Herstellung von Filtern
mit sehr geringer Bandbreite, die die Feststellung eines
Signals ermöglichen, dessen Frequenz ebenfalls durch
einen Quarz gesteuert werden kann. Da die Abtastfrequenz
gleich der doppelten Frequenz des Eingangssignals ist,
wird jede Gefahr einer Störeinstreuung bei der Frequenz
des Eingangssignals beseitigt. Weiterhin ergibt die
Kaskaden- oder Reihenschaltung einer größeren Anzahl von
selektiven Schaltungen keine Schwierigkeiten hinsichtlich
einer Fehlabstimmung einer Schaltung bezüglich der ande
ren.
Die beschriebene Ausführungsform der elektronischen
Schaltung mit geschalteten Kondensatoren weist somit eine
Resonanzfrequenz f e /2 auf, die direkt auf die Abtastfre
quenz f e bezogen ist, und zwar unabhängig von der Ge
nauigkeit oder von Toleranzen der Schaltungselemente.
Weiterhin kann durch Ändern der Abtastfrequenz f e die Re
sonanzfrequenz der erfindungsgemäßen elektronischen
Schaltung geändert werden, und es kann ein Filter mit an
paßbarer Abstimmfrequenz geschaffen werden.
Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform einer Einrichtung, die
die Erzeugung einer Folge von Abtastfrequenzen für die
Signale Φ A 1 und Φ B 1 ermöglicht. Ein Generator G o erzeugt
eine Steuerfrequenz f o , die einen Frequenzgenerator G n
ansteuert, der verschiedene Frequenzen f 1 bis f n erzeugt,
die zu f o in einem festen Verhältnis stehen. Eine Steuer
schaltung F wählt dann entsprechend einer vorgegebenen
Folge eine der Frequenzen f 1 bis f n aus und bestimmt so
mit die Abtastfrequenz f e entsprechend dieser Folge. Die
se Frequenz f e ruft über die Vorrichtung D die Steuersig
nale Φ A 1 und Φ B 1 hervor. Die Steuerfrequenz f o kann von
einem Quarzoszillator erzeugt werden und die einzelnen
Einrichtungen können mit Hilfe von ohne weiteres inte
grierbaren logischen Schaltungen, insbesondere in MOS-
Technologie, aufgebaut werden.
Andererseits können durch Einwirken auf die Kondensatoren
(α C) 1, (α C) 2 oder C damit indirekt auf α die
Eigenschaften der elektronischen Schaltungen, wie z. B.
die Bandbreite und die Verstärkung, geändert werden. Fig.
8 zeigt eine einfache Möglichkeit zur Änderung der Kapa
zitätswerte dieser Kondensatoren. Die Kapazität C o , die die
Ausgangskapazität (α C) 1, (α C) 2 oder C darstellt, kann
durch die Parallelschaltung von Kondensatoren C 1 bis C n ge
ändert werden, und zwar mit Hilfe von Schaltern S 1 bis
S n . Diese Schalter können durch MOS-Transistoren gebildet
sein, die durch logische Schaltungen gesteuert werden,
wobei die Gesamtheit dieses Systems ebenfalls integrier
bar ist.
Wie dies aus der vorstehenden Beschreibung ohne weiteres
zu erkennen ist, weist die erfindungsgemäße elektronische
Schaltung mit geschalteten Kondensatoren den Vorteil auf,
daß sie vollständig in MOS-Technologie integriert werden
kann, wobei diese Technologie insbesondere für diese Art
von Schaltung geeignet ist.
Zusammenfassend ist festzustellen, daß die erfindungsge
mäße elektronische Schaltung mit geschalteten Kondensatoren
zumindest zwei selektive Schaltungen 1 und 2 mit geschal
teten Kondensatoren aufweist. Diese beiden selektiven
Schaltungen 1 und 2 sind parallel angeordnet und das Ein
gangssignal V 1 (t) ist mit den Eingängen der selektiven
Schaltungen 1 und 2 verbunden, während die Ausgänge mit
einem Element 8 verbunden sind, das das Ausgangssignal
V 2 (t) der gesamten elektronischen Schaltung bildet. Die
die Schalter A 1, B 1, A 2 und B 2 steuernden Signale, die
die aufeinanderfolgenden Schaltvorgänge der geschalteten
Kondensatoren (α C) 1 und (α C) 2 bewirken, sind derart aus
gebildet, daß jeder dem aufeinanderfolgenden geschalteten
Kondensator (α C) 1 zugeordnete Schaltvorgang zeitlich ge
genüber jedem der aufeinanderfolgenden, dem geschalteten
Kondensator (α C) 2 zugeordneten Schaltvorgänge versetzt
ist.
Claims (4)
1. Elektronische Schaltung mit geschalteten Kondensatoren, enthaltend
selektive Schaltungen, die durch einen geschalteten Kondensator, mit
den Klemmen des geschalteten Kondensators verbundene Schalter und einen
Integrator gebildet sind, der einen Operationsverstärker und einen
Kondensator aufweist, und enthaltend eine Steuerschaltung, die Steuersignale
für die Schalter derart liefert, daß sich ein aufeinanderfolgendes
Schalten des geschalteten Kondensators mit einer vorgegebenen Abtast
frequenz ergibt, dadurch gekennzeichnet, daß die
elektronische Schaltung mindestens zwei parallelgeschaltete selektive
Schaltungen (1, 2) aufweist, daß das Eingangssignal der elektronischen
Schaltung den Eingängen der selektiven Schaltungen (1, 2) zugeführt wird,
daß die Ausgänge der selektiven Schaltungen (1, 2) mit einem Bauteil (S)
verbunden sind, das das Ausgangssignal der elektronischen Schaltung
bildet, und daß die Steuerschaltung (G o , G n , F, D) derartige Steuersig
nale an die Schalter (A 1, A 2, B 1, B 2) liefert, daß jeder der aufeinander
folgenden, dem geschalteten Kondensator (a C 1) der einen selektiven Schaltung zugeordneten
Schaltvorgänge zeitlich gegenüber jedem der aufeinanderfolgenden, dem
geschalteten Kondensator (α C 2) der anderen selektiven Schaltung zugeordneten Schaltvorgänge
versetzt ist.
2. Elektronische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß Einrichtungen (G n , F) zum Ändern
der Abtastfrequenz vorgesehen sind, die den aufeinanderfolgenden
Schaltvorgängen entspricht.
3. Elektronische Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß Einrichtungen (S o -S n ) zum Ändern des Kapazitäts
wertes des Kondensators (C) des Integrators (I) und des geschalteten
Kondensators (a C 1, α C 2) vorgesehen sind.
4. Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1-3,
dadurch gekennzeichnet, daß alle Bauteile der
elektronischen Schaltung in Form einer integrierten Schaltung ausge
bildet sind.
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