DE2950433C2 - - Google Patents

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.