DE3027331A1 - Spannungspolaritaetsumschaltschaltung - Google Patents
SpannungspolaritaetsumschaltschaltungInfo
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Description
-A-
BESCHREIBUNG
Die Erfindung bezieht sich auf eine Polaritätsumschalt-Schaltung. Sie richtet sich im einzelnen auf eine Spannungspolar
itätsumschaltschaltung, die für eine integrierte Halbleiterschaltung geeignet und in der Lage ist, selektiv positive
und negative Ausgangsspannungen zu erzeugen, deren Absolutwerte einander gleich sind.
Positive und negative Referenzspannungen oder Referenzströme miteinander gleichen Absolutwerten werden in sogenannten
A/D-Wandlern zur Umwandlung elektrischer Analogsignale positiver oder negativer Polarität in Digitalcodes
oder in sogenannten D/A-Wandlern für die umgekehrte Um-Wandlung benötigt. Bei der Herstellung von A/D- oder D/AWandlern
kleiner Größe und hoher Genauigkeit mittels monolitischer Halbleiter-ICs ist es jedoch weder vom Standpunkt
der Fabrikationstechnik noch vom Stand der Fabrikationsökonomie vorteilhaft, sowohl eine Quelle für eine
positive Referenzspannung als auch eine solche für eine negative Referenzspannung in den Wandler einzubauen. Es
ist daher gängige Praxis, allein entweder eine Quelle für
eine positive Referenzspannung oder eine solche für eine negative Referenzspannung einzubauen und sie mit einer
Spannungspolaritätsumschaltschaltung für ein selektives Umschalten der Polarität der Eingangsspannung zu kombinieren,
was dann die oben erwähnte Referenzquelle darstellt und womit sich Referenzspannungen sowohl positiver als
auch negativer Polarität gewinnen lassen.
Da jedoch ein herkömmlicher Schaltungsaufbau dieser Art durch die in der integrierten Schaltung auftretenden
Streukapazitäten beeinträchtigt wird, lassen sich, wie weiter unten noch im einzelnen erläutert wird, die Absolutwerte
der positiven und der negativen Spannung nicht gleichmachen. Um diese beiden Spannungswerte soweit wie
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möglich einander anzunähern, muß der Ladekondensator eine große elektrostatische Kapazität haben und zur Ausbildung
eines solchen Kondensators ein großer Bereich auf einem Halbleitersubstrat gesichert werden.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer Spannungspolaritätsumschaltschaltung, bei welcher die erwähnten
Nachteile der herkömmlichen Schaltung beseitigt sind, welche in der Lage ist, die Absolutwerte der positiven
und der negativen Ausgangsspannung einander gleichzumachen und die Kapazität eines benötigten Ladekondensators
zu vermindern, und welche so für eine integrierte Schaltung (IC) geeignet ist.
Die erfindungsgemäß zur Lösung dieser Aufgabe vorgeschlagene
Polaritätsumschaltschaltung umfaßt einen ersten Kondensator, einen Eingangsanschluß für den Empfang einer
Eingangsspannung zur Aufladung des ersten Kondensators, einen Ausgangsanschluß zur Lieferung einer Ausgangsspannung,
einen zwischen einem Ende des ersten Kondensators und dem Eingangsanschluß liegenden ersten Schalter, einen zwischen
dem anderen Ende des ersten Kondensators und Masse liegenden zweiten Schalter, einen zwischen dem einen Ende des
ersten Kondensators und dem Ausgangsanschluß liegenden dritten Schalter, einen zwischen dem einen Ende des ersten
Kondensators und Masse liegenden vierten Schalter, einen zwischen dem anderen Ende des ersten Kondensators und dem
Ausgangsanschluß liegenden fünften Schalter, einen mit dem einen Ende mit dem Ausgangsanschluß verbundenen zweiten
Kondensator und einen zwischen dem anderen Ende des zweiten Kondensators und Masse liegenden sechsten Schalter, wobei
nach Aufladung des ersten Kondensators durch Schließen des ersten, zweiten, fünften und sechsten Schalters bei offenen
anderen Schaltern zur Erzeugung einer Ausgangsspannung einer
ersten Polarität an dem Ausgangsanschluß der zweite, dritte und sechste Schalter bei offenen anderen Schaltern
geschlossen sind und zur Erzeugung einer Ausgangsspannung
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einer zweiten Polarität an dem Ausgangsanschluß der vierte und fünfte Schalter bei geschlossenen anderen Schaltern
geschlossen sind.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden
in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung beschrieben. Auf dieser ist
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Beispiels eines A/D-Wandlers als Anwendungsbeispiel für die Spannungspolaritätsumschaltschaltung,
Fig. 2 ein Schaltbild einer bekannten Spannungspolaritätsumschaltschaltung,
und
Fig. 3 ein Schaltbild einer Ausführungsform der Spannungspolar
it ätsumschaltschaltung gemäß der Erfindung.
Vor der Erfindung werden zunächst ein Gerät, in welchem eine Spannungspolaritätsumschaltschaltung praktisch angewandt
ist, und der herkömmliche Schaltungsaufbau derselben unter Bezugnahme auf die Fign. 1 und 2 beschrieben.
Fi.g 1 zeigt schematisch den Aufbau eines PCM-Codierers
zur Umwandlung von Telefon-Sprachsignalen in digitale Codes als Beispiel eines Geräts, in welchem die Polaritätsum-Schaltschaltung
praktisch eingesetzt ist.
Gemäß der Zeichnung werden in digitale Codes umzusetzende analoge Eingangs signale V™ (Sprachsignale in diesem Fall)
über einen Anschluß 1 auf einen Spannungskomparator 2 gegeben
und mit einer Ausgangsspannung eines lokalen D/A-Wandlers
3 verglichen. Das Vergleichsergebnis wird auf eine Logikschaltung 4 gegeben. 6 bezeichnet eine temperaturstabilisierte
Referenzspannungsquelle, die aus einer BandabstandsreferenzSpannungsquelle
besteht, welche beispielsweise die Temperaturcharakteristik der Stromdichte am pn-übergang
einer Diode ausnutzt, und 7 eine Polaritätsumschaltschaltung,
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welche die Polarität der Ausgangsspannung E der erwähnten temperaturstabilisierten Referenzspannungsquelle umschaltet,
die Ausgangsspannung E geeignet verstärkt und den lokalen D/A-Wandler mit einer positiven oder negativen Referenzspannung
V REF versorgt, die einen Wert hat, der in Übereinstimmung
mit dem Maximalwert des analogen Eingangssignals V1n ist.
Die Logikschaltung 4 erhält sequentiell die Ausgangssignale des erwähnten !Comparators 2 synchron mit an einem
Anschluß 5 gelieferten Taktimpulsen und erzeugt gleichzeitig Ausgangssignale T , T , mit welchen sie die Polaritätsumschaltschaltung?
und den lokalen D/A-Wandler 3 steuert. Beispielsweise erhält, während zunächst die Ausgangsspannung
des lokalen D/A-Wandlers 3 zu Null gemacht wird, die Logikschaltung
das Ausgangssignal des Spannungskomparators 2 zur Bestimmung der Polarität des analogen Eingangssignals V1n
und erzeugt ein dem Ergebnis der Bestimmung entsprechendes Steuersignal T-, um so die Polarität der Ausgangsspannung
VREp der Polaritätsumschaltschaltung 7 in Übereinstimmung
mit der Polarität des analogen Eingangssignals VJN zu bringen.
Danach erzeugt die Logikschaltung 4 unter Bezugnahme auf das Ausgangssignal des Spannungskomparators 2 das Steuersignal
T2 , so daß sequentiell ein aus Kondensatoren oder
Widerstandselementen bestehender Netzaufbau, der den lokalen D/A-Wandler bildet, geändert und an einem Ausgang 8 ein dem
Zustand des Netzaufbaus entsprechender Digitalwert als A/D-gewandelter Wert des erwähnten analogen Eingangssignals
VIN erzeu9t wird, wenn die beiden Eingangsspannungen des
Spannungskomparators 2 einander ausgleichen.
Als eine die obige Spannungspolaritätsumschaltschaltung 7 enthaltende Referenzspannungsschaltung ist eine Schaltung
bekannt, die den Aufbau entsprechend Fig. 2 hat und in "Electronics", 1. März 1979, Seite 108 beschrieben ist. Diese
Schaltung besteht aus einer Referenzspannungsquelle 6, einem Ladekondensator C , 6 Schaltelementen S1-S--, von
O Ib
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denen jedes beispielsweise aus einem MOS-Transistor besteht, und einem Verstärker (SpannungsverStärkung G) 10 mit hoher
Eingangsimpedanz. Wenn unter der Steuerung durch ein von außen angelegtes Steuersignal (beispielsweise das Ausgangssignal
T. der Logikschaltung der Fig. 1) die einzelnen Schaltelemente geöffnet oder geschlossen werden, arbeitet
die Schaltung in drei Betriebsweisen, d.h. der Ladebetriebsweise I des Kondensators C , der die Ausgangsspannung
nicht-invertierenden Betriebsweise II oder der die Ausgangsspannung invertierenden Betriebsweise III. Die Beziehungen
zwischen diesen drei Betriebsweisen und den Zuständen der Schalter S1-Sg sind in Tabelle 1 aufgelistet.
^^^■^^ Betriebs- ^~^\^ weise Schalter ^*^\^ |
I | II | III |
S1 S2 S3 S4 S5 S6 |
EIN EIN AUS AUS EIN AUS |
AUS AUS EIN AUS AUS EIN |
AUS AUS AUS EIN EIN AUS |
Bei Herstellung des obigen Schaltungsaufbaus als integrierte Schaltung (IC) treten jedoch zwischen beiden Enden
des Kondensators C und Masse und zwischen jedem Knoten des Verstärkereingangsanschlusses 11 und Masse mit C.., C2 und
C- in Fig. 2 wiedergegebene Streukapazitäten auf. Die Streukapazitäten bewirken einen Unterschied in den Absolutwerten der
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Ausgangsspannungen zwischen der die Ausgangsspannung nicht
invertierenden Betriebsweise II und der die Ausgangsspannung invertierenden Betriebsweise III. Bei Anwendung dieser
Schaltung bei einem A/D- oder D/A-Wandler, etwa einem
PCM-Codierer bzw. einem PCM-Dekodierer, verursacht er
das Problem einer Verzerrung in der Signalumwandlungschrakteristik
durch die erste Oberwelle.
Wenn nämlich die Schaltung zunächst in der Ladebetriebsweise I mit geschlossenen Schaltern S-, S2 und S^
sowie geöffneten anderen Schaltern betrieben wird, wird durch die Ausgangsspannung E der Spannungsquelle 6 nicht
nur die Kapazität C , sondern auch die Streukapazität C-geladen. Da die Streukapazitäten C2 und C2 zu dieser Zeit
über die Schalter S2 und S^ an Masse liegen, geht der
Anschluß 11 auf Massepotential und die Ausgangsspannung
VreF des Verstärkers 10 wird 0 Volt.
Wenn als nächstes die die Ausgangsspannung nicht invertierende
Betriebsweise II mit geschlossenen Schaltern S3 und S6 und im übrigen geöffenten Schaltern ausgewählt
wird, bewegt sich ein Teil der Ladungen von C und C-in die Streukapazität C-., so daß die Ausgangsspannung
VREFi+l ^es Verstärkers 10 durch die folgende Gleichung
(1) gegeben ist: c + c
V-. = G · — -
-E (1)
REF(+)
°o + H C3
Wenn andererseits die die Ausgangsspannung invertierende Betriebsweise III direkt aus der erwähnten Ladebetriebsweise
I ausgewählt wird, werden die Schalter S4 und S5 bei
im übrigen geöffneten Schaltern geschlossen, wodurch sich die Ladung des Kondensators C in dLe Streukapazitäten C2
und C^ bewegt und die Ladung der Streukapazität C- nach
Masse entladen wird. Dementsprechend hat die Ausgangsspannung VREF, . einen Absolutwert, der sich von der nichtinvertierten
Ausgangsspannung VREF, . unterscheidet und
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durch die folgende Gleichung (2) gegeben ist:
REF( ' C + C, + C.
Wenn das Ausgangssignal der erwähnten Schaltung so,
wie es ist, als Referenzspannung des A/D- (oder D/A-) Wandlers verwendet wird, erscheint daher die Verzerrung
durch die erste Oberwelle in der ümwandlungscharakteristik Das Verzerrungsverhältnis χ ist in diesem Beispiel nach
der Literatur (IEEETrans. on Circuit and Systems, Bd. CAS-25, Nr. 7, Juli 1978, S. 427) durch folgende Gleichung
gegeben:
χ = 20 1Og10 — · <K (3)
wobei
VREF(-)l (4)
|VREF(-)
Wenn das Verzerrungsverhältnis χ durch die erste Oberwelle kleiner als 55 dB gehalten werden soll, einen Wert,
den ein Sprach-PCM-Dekodierer ungefähr benötigt, ist es erforderlich, daß <* ^ 0,008 ist. Im Falle der herkömmlichen
Schaltung ist, wie aus den Gleichungen (1), (2) und (4) folgt, (χ gegeben durch
C2 C3
Oi. ftJ —— + —— (C1 - C9)
CC \ t
ο °2
CC \ t
ο °2
Wenn beispielsweise C. = C2 = 0,5 pF und C3 = 1,5 pF ist,
muß der Ladekondensator C der Beziehung C \ 62,5 pF genügen,
um das oben erwähnte Verzerrungsverhältnis zu verwirklichen. Ein Kondensator einer solchen Kapazität erfor-
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dert einen extrem großen Chip-Bereich, wenn die Spannungsinversionsverstärkungsschaltung
als Halbleiter-IC oder mono1itischer IC aufgebaut ist, und beeinträchtigt damit
die Wirtschaftlichkeit der Schaltungsvorrichtung erheblich. Wie in Fig. 3 gezeigt, enthält die Polaritätsumschaltschaltung
gemäß der Erfindung, die obiges Problem der bekannten Vorrichtung löst, einen Ladekondensator C , sechs
Schaltelemente S1-S, und einen Kondensator C4 zur Kompensation
der Streukapazitäten, wobei für die Schaltung charakteristisch ist, daß ein Ende des Kondensators C-bei
über den Schalter S, mit Masse verbundenem anderen Ende mit einem Ausgangsanschluß 11 (Eingang einer Verstärkungsschaltung
-10) verbunden ist, und daß die Ladebetriebsweise I, die die Ausgangsspannung nicht-invertierende
Betriebsweise II und die die Ausgangsspannung invertierende Betriebsweise III entsprechend den in Tabelle
zusammengestellten Öffnungs- und Schließvorgängen der Schalter durchgeführt werden.
^\Betr iebs - | I | II | III |
Schalter ^v. | EIN | AUS | AUS |
S1 | EIN | EIN | AUS |
S2 | AUS | EIN | AUS |
S3 | AUS | AUS | EIN |
S4 | EIN | AUS | EIN |
S5 | EIN | EIN | AUS |
S6 | |||
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In der in Fig. 3 gezeigten Schaltung stellen C1-C-,
die bei jedem knoten in gleicher Weise wie in Schaltung zusätzlich vorhandenen Streukapazitäten dar.
Im folgenden wird nun die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Schaltung erläutert. Zunächst sind in der Ladbetriebsweise
I die Schalter S-, S2, S5 und Sg bei geöffneten
anderen Schaltern geschlossen, und die Ausgangsspannung
E der Spannungsquelle 6 lädt den Kondensator C und die Streukapazität C1 auf. Zu dieser Zeit sind C-, C3 und C.
allesamt entladen, und die Ausgangsspannung an den Anschlüssen
11 und 12 beträgt 0 Volt.
In der eine nicht-invertierte Ausgangsspannung ausgebenden
Betriebsweise II sind die Schalter S2, S3 und Sg
bei geöffneten anderen Schaltern geschlossen. Da die Ladüngen von C1 und C sich nach C3 und C- bewegen, nimmt
dabei die Ausgangsspannung v REP/+\ am Anschluß 12 den
durch die folgende Gleichung (5) ausgedrückten Wert an:
C +C
REF(+)
In der eine invertierte Ausgangsspannung ausgebenden
Betriebsweise III sind umgekehrt die Schalter S. und S5
bei geöffneten anderen Schaltern geschlossen und die Ladung des Kondensators C bewegt sich in C2 und C3, so daß die
Ausgangsspannung V REF(_\ am Anschluß 12 gegeben ist durch
REF(-) r _
ο C2 + C3
30
30
Setzt man die Gleichungen (5) und (6) in Gleichung (4) ein, ergibt sich für den Wert (X bei der erfindungsgemäßen
Schaltung unter der Annahme C > C1 csi C^ die
folgende Gleichung (7):
35
35
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* ·* 1 — (c.+c-.+c,) + ,,(C1+C3+C,,) y (7)
Der zweite Klammerausdruck der Gleichung (7) ist für
beliebige Werte von C , C. , C3 und C. stets positiv. Mit
dem ersten Klammerausdruck kann aber, wenn die Werte von C und C. so gewählt werden, daß zwischen C , C1, C2, C,
und C. die Beziehung
C4 = C2 + — (C2 + C3) (8)
Co
gilt, Oi. zu Null (CX= 0) gemacht werden.
gilt, Oi. zu Null (CX= 0) gemacht werden.
Wenn beispielsweise die Werte der Streukapazitäten C1 = C2 = 0,5 pF und C3 = 1,5 pF sind, läßt sich ex = 0
erreichen, indem C4 = 0,7 pF gemacht wird, wenn C = 5 pF ist,
Wie aus dem v.numerischen Beispiel ersichtlich, sind die
in der erfindungsgemäßen Schaltung zu verwendenden Kapazitäten C und C4 extrem klein, so daß sich diese Elemente
in einem IC kleiner Chipgröße unterbringen lassen. Ferner ist es mit der Erfindung theoretisch möglich, Referenzspannungen
gleichen Absolutwerts für die positive und die negative Richtung zu erhalten. Aus diesem Grund liefert,
selbst wenn eine erhebliche Schwankungsbreite der Werte von C und C4 gegenüber den Sollwerten aufgrund von Fehlern
bei der IC-Herstellung vorliegt, die Schaltung gemäß der Erfindung nicht-invertierte und invertierte Spannungen mit
bei weitem höherer Genauigkeit als die herkömmliche Schaltung.
Dementsprechend ist die Polaritätsumschaltschaltung ge-
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maß der Erfindung per se für eine integrierte Schaltung (IC)
geeignet. Bei Kombination dieser Schaltung mit einer Referenzspannungsquelle
und einem Verstärker läßt sich eine Referenzspannung mit wahlweise positivem und negativem
Vorzeichen erzeugen. Die Spannungspolaritätsumschaltschaltung gemäß der Erfindung ist daher für die wirtschaftliche
Schaffung von größenmäßig stark verminderten A/D-Wandlern oder D/A-Wandlern hoher Genauigkeit, wie sie insbesondere
auf dem Gebiet der PCM-Nachrichtenübertragung benötigt werden, sehr nützlich.
Ki/fg
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Claims (2)
- SCHIFF ν. FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBBINGHAUS FlNCKMARIAHILFPLATZ 2 & 3, MÖNCHEN 90 POSTADRESSE: POSTFACH 95 O1 6O, D-BOOO MÖNCHEN 95HITACHI, LTD. 18. Juli 19 80DEA-25 219SpannungspolaritätsumsehaltschaltungPATENTANSPRÜCHEMJ Spannungspolaritätsumschaltschaltung mit einem ersten Kondensator, einem Eingangsanschluß zur Aufnahme einer Eingangsspannung für die Aufladung des ersten Kondensators, einem Ausgangsanschluß zur Lieferung einer Ausgangsspannung, einen zwischen dem einen Ende des ersten Kondensators und dem Eingangsanschluß liegenden ersten Schalter, einem zwischen dem anderen Ende des ersten Kondensators und Masse liegenden zweiten Schalter und einer Umschaltschaltung zur selektiven Umkehr der am Kondensator liegenden Aufladespannung und Lieferung030064/0927der umgekehrten Spannung auf den Ausgangsanschluß, dadurch gekennzeichnet , daß die Umschaltschaltung einen zwischen dem einen Ende des ersten Kondensators (C ) und dem Ausgangsanschluß (11) liegenden dritten Schalter (S·,), einen zwischen einem Ende des ersten Kondensators und Masse liegenden vierten Schalter (S.), einen zwischen dem anderen Ende des ersten Kondensators und dem Ausgangsanschluß liegenden fünften Schalter (S5), einen mit seinem einen Ende mit dem Ausgangsanschluß verbundenen zweiten Kondensator (C4), und einen zwischen dem anderen Ende des zweiten Kondensators und Masse liegenden sechsten Schalter (Sfi) umfaßt, wobei nach Aufladung des ersten Kondensators durch Schließen des ersten, zweiten, fünften und sechsten-'" Schalters bei geöffneten anderen Schaltern, der zweite, dritte und sechste Schalter bei geöffneten anderen Schaltern zur Erzeugung einer Ausgangsspannung einer ersten Polarität am Ausgangsanschluß geschlossen werden, und der vierte und fünfte Schalter bei geöffneten anderen Schaltern zur Erzeugung einer Ausgangsspannung einer zweiten Polarität am Ausgangsanschluß geschlossen werden.
- 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität C des ersten Kondensators (C ) und die Kapazität C. des zweiten Kondensators (C4) im wesentlichen die Gleichung030064/0927erfüllen, wobei C, , C- und CU die zwischen dem einen Ende des ersten Kondensators und Masse, die zwischen dem anderen Ende des ersten Kondensators und Masse bzw. die zwischen dem Ausgangsanschluß und Masse auftretende Streukapazität darstellen.03006 A/0927
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