DE3133684A1

DE3133684A1 - "elektronische analoge schaltvorrichtung"

Info

Publication number: DE3133684A1
Application number: DE19813133684
Authority: DE
Inventors: Nicolaas Johannes Maria Nijmegen Molle; Michael James Horsham W. Sussex Underhill
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1980-09-05
Filing date: 1981-08-26
Publication date: 1982-04-29
Also published as: CA1181136A; DE3133684C2; FR2490042B1; GB2083723A; SE8105183L; SE448137B; FR2490042A1; AU7486781A; US4410855A; IT1138554B; GB2083723B; IT8123750A0; AU542825B2; JPS5778222A

Description

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Elektronische analoge Schaltvorrichtung

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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische analoge Schaltvorrichtung mit einer Eingangsklemme₉ einer Ausgangsklemme, einem Differenzspannungsverstärkei· mit einem invertierenden Eingang, einem nichtinvertierenden Eingang und einem Ausgang, einem ersten zwischen dem Verstärkerausgang und der Äusgangsklerame angeordneten EIN/AUÜ-Schalter, einer Rückkopplungsschaltung zwischen dem Ausgang des Verstärkers und dessen invertierendem Eingang und Steuermitteln zur Steuerung der EIN- und AUS-Zustände des ersten Schalters, wobei die Eingangsklemme mit dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers verbunden ist.

Eine derartige Vorrichtung ist bekannt und wird z.B. als der analoge Schalter einer Abtast- und Halteschaltung verwendet, in der ein analoges Spannungssignal zu regelmässigen Zeitpunkten abgetastet und die zu jedem Zeitpunkt abgetastete Spannung zwischen aufeinanderfolgenden Zeitpunkten in einem mit der Ausgangsklemme der Vorrichtung verbundenen Kondensator gespeichert wird. Die dem Spannungs— signal durch die Abtast— und Halteschaltung erteilte Impedanz muss selbstverständlich in bezug auf die der Signalquelle hoch und muss auch konstant sein«, Andererseits muss die Impedanz der Quelle, die die abgetastete Spannung dem Speicherkondensator zuleitet, möglichst niedrig sein, um eine sehr schnelle Aufladung des Kondensators zu erzielen.

Aus diesen Gründen wird die SignalSpannungsquelle dauernd mit einem Operationsverstärker, d.h. einem eine hohe Verstärkung aufweisenden stabilen Gleichstromverstärker, verbunden, der eine hohe Eingangsimpedanz aufweist, während der Ausgang des Verstärkers zu den Abtastzeitpunkten zu dein Kondensator geschaltet wird. Damit die von dem Schalter abgetastete Spannung dieselbe wie die der Signalquelle zu diesem Zeitpunkt ist, wird die Verstärkung des Operationsverstärkers dadurch gleich 1 gemacht, dass ein Differenz—

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verstarker verwendet wird, der einen invertierenden und einen niclitinvertierenden Eingang aufweist, wobei sich, zwischen seinem Ausgang und seinem invertierenden Eingang ein Rückkopplungsweg erstreckt, und wobei das Eingangs— signal seinem nichtinvertierenden Eingang zugeführt wird.

In der bekannten analogen Schaltvorrichtung vom obenbeschriebenen Typ muss der Verstärker nicht nur eine niedrige Ausgangsimpedanz aufweisen, sondern muss auch der Schalter eine sehr niedrige Impedanz im EIN-Zustand aufweisen, um den Einfluss einer etwaigen Ausgangsbelastung (die z.B. aus dem Kondensator in der vorgenannten Abtast- und Halteschaltung bestehen kann) auf die ¥irkung der. Vorrichtung auf ein Mindestmass zu beschränken. In einer Abtast- und Halteschaltung schliesst sich dem Konden-

¹^ sator normalerweise ein weiterer eine hohe Impedanz aufweisender Pufferverstärker an und es ist wichtig, die Ableitung in der Schaltvorrichtung, z.B. eine etwaige Entladung des Kondensators zwischen Abtastzeitpunkten, auf ein Mindestmass zu beschränken. Der Effekt einer Ableitung kann dadurch herabgesetzt werden, dass ein Kondensator hohen Wertes verwendet wird, aber dann müssen für eine bestimmte Ladezeit für den Kondensator die Reihenimpedanz des Schalters im "EIN"-Zustand (seine ¹¹EIN"-Impedanz) und die Ausgangsimpedanz des Operationsverstärkers dementsprechend niedriger gemacht werden. In einer Ausführung in Form einer integrierten Schaltung würde dies bedeuten, dass der von dem Schalter und dem Verstärker beanspruchte Raum verhältnismässig gross sein müsste, was nicht nur in bezug auf den Umfang, sondern auch in bezug auf die

Kosten, besonders ungünstig ist. Weiter führt der grössere Umfang des Schalters zu einer grösseren Ableitung und somit zu einer schlechteren Wirkung der Schaltung.

Es ist auch möglich, dass eine unerwünschte Einschaltspannung zu dem Zeitpunkt erzeugt wird, zu dem der Schalter eingeschaltet wird. Auch kann unter gewissen Umständen in der Praxis Übersprechen oder Querkopplung zwischen den zwei Eingängen (dem invertierenden und dem nichtinvertierenden Eingang ) des Operationsverstärkers

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auftreten.

Die Umstände die zu den obengenannten Nachteilen führen oder führen können, werden nachstehend im Detail erläutert.

Die Erfindung hat die Aufgabe, eine Schaltvorrichtung der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass Übersprechen oder Querkopplung in den Eingangsstufen zwischen deren zwei Eingangssignale weitgehend verringert wird, während sie sich besonders vorteilhaft integrieren lässt.

Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe besteht darin, dass die Rückkopplungsschaltung einen ersten direkt zwischen dem Verstärkerausgang und seinem invertierenden Eingang angeordneten Rückkopplungsweg und einen zweiten Rückkopplungsweg enthält, der einen zweiten EIN/AUS-Schalter enthält, der direkt zwischen dem invertierenden Eingang und der Ausgangsklemme angeordnet ist und von den Steuermitteln derart gesteuert werden kann, dass er synchron und gleichphasig mit dem ersten Schalter ein- und ausgeschaltet wird, und dass der erste Rückkopplungsweg eine Impedanz aufweist, die im "EIN"-Zustand der beiden Schalter hoch gegenüber den kombinierten "EIN"-Impedanzen der beiden Schalter und im "AUS"-Zustand der beiden Schalter niedrig gegenüber der "AUS"-Impedanz des zweiten Schalters und auch gegenüber der Eingangsimpedanz des invertierenden Eingangs des Verstärkers ist.

Der genannte erste Rückkopplungsweg kann einen einzigen Widerstand mit einem festen Wert enthalten. Dies bedeutet, dass der ausgewählte Wert für den Widerstand ein Kompromiss in bezug auf die Werte der unterschiedlichen anderen betreffenden Impedanzen ist.

Der Bedarf an einem solchen Kompromiss kann dadurch eliminiert werden, dass die Impedanz des ersten Rückkopplungsweges in Abhängigkeit davon geändert wird, ob der erste und der zweite Schalter sich beide in dem "EIN"- oder dem "AUS"-Zustand befinden. Dementsprechend kann der erste Rückkopplungsweg auch einen dritten EIN/AUS-Schalter enthalten, der von den Steuermitteln derart ge-

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steuert werden kann, dass er eingeschaltet ist, wenn die beiden anderen Schalter ausgeschaltet sind, und umgekehrt. Auf diese Weise wird die Impedanz des ersten Rückkopplungsweges zugleich mit jeder Zustandsänderung des ersten und des zweiten Schalters von einem ¥ert zu einem anderen geschaltet .

Eine Ausführungs.form nach dem Stand der Technik und einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch ein Schaltbild der obenbeschriebenen bekannten Schaltung,

Fig. 2 eine verbesserte Ausführung der Schaltung nach Fig. 1,

- Fig. 3 eine verbesserte Ausführung der Schaltung nach Fig. 2,

Fig. 4 eine erste Ausführungsform einer Schaltung nach der Erfindung, und

Fig. 5 eine zweite Ausführungsform einer Schaltung nach der Erfindung.

Die bekannte Schaltungsanordnung einer elektronischen analogen Schaltvorrichtung nach Fig. 1 enthält einen Differenzoperationsverstärker 1 mit einem invertierenden Eingang (-), einem nichtinvertierenden Eingang (+) und einem Ausgang 2. Eine Eingangsklemme 3 der Vorrichtung ist mit dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 1 und der Ausgang 2 ist unmittelbar mit dem invertierenden Eingang durch eine Rückkopplungsschaltung verbunden. Der Ausgang 2 ist auch mit einer Ausgangsklemme 4 über einen EIN/ATJS-Schalter 5 verbunden, dessen augenblicklicher Zustand von Steuermitteln 6 gesteuert wird.

Die Schaltung nach Fig. 1 weist weiter einen Belastungskondensator 7 auf, der mit der Ausgangsklemme 4 derart verbunden ist, dass die vollständige Schaltung eine Abtast- und Halteschaltung bildet.

Wie allgemein bekannt ist, weisen Differenz— spannungsverstärker vom sog. Operationsverstärkertyp eine sehr hohe Eingangsimpedanz für jeden ihrer beiden Eingänge

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(+ und -) und eine niedrige Ausgangsimpedanz auf. Die Verbindung des Ausgangs 2 eines derartigen Verstärkers mit seinem invertierenden Eingang (-) durch, eine Rückkopplungssclialtung bewirkt, dass die Verstärkung des Verstärkers gleich. 1 ist. Infolgedessen weist die Ausgangsspannung des Verstärkers denselben Augenblickswert wie die Eingangsspannung auf, d.h.., dass dieser Verstärker eine Folgeschaltung mit einer Verstärkung gleich 1 ist.

Beim Betrieb der Schaltungsanordnung nach Flg.1 wird die Spannung am Ausgang 2, die dieselbe wie die am Eingang 3 ist, zu der Ausgangsklemme 4 geschaltet durch die Wirkung des Schalters 5 mittels der Steuermittel 6 zu Zeitpunkten, die durch die letzteren Mittel bestimmt werden. Die Dauer der Wirkung des Schalters 5 iⁿ seinem "EIN"-Zustand ist genügend, damit sich der Kondensator 7 auf einen Wert aufladen kann, der die abgetastete Spannung darstellt. Die für die Aufladung des Kondensators 7 benötigte Zeit hängt im wesentlichen von dem Kapazitätswert multipliziert mit der Summe der "EIN"-Impedanz des Schalters 5 und der Auagangsimpedanz des Verstärkers 1 ab. Daher müssen diese zwei Impedanzen sehr niedrig sein, damit die Signalspannung schnell abgetastet und gespeichert werden kann. Wenn der Schalter 5 von den Steuermitteln 6 in seinen "AUS"-Zustand versetzt wird, muss der Kondensator 7 die abgetastete Spannung - im allgemeinen bis zur nächsten wirksamen Periode des Schalters 5 - nahezu konstant halten und daher muss die Ableitung über den Kondensator minimal sein. So muss der Schalter 5 eine sehr grosse Ableitungsimpedanz in seinem "AUS"-Zustand aufxveisen. Der Schalter ist in den meisten jetzigen Anwendungen ein Transistor und die Anforderung in bezug auf die geringe Ableitung macht die Anwendung eines Transistors mit kleinem Flächeninhalt notwendig. Dies steht jedoch im Widerspruch zu der sehr niedrigen "EIN"—Impedanz des Transistors - was einen grossen Flächeninhalt notwendig macht.

Fig. 2 zeigt eine mögliche Verbesserung der

Schaltung nach Fig. 1, wobei der einzige Unterschied darin bestellt:, dass der Rückkopplung sw eg nun den .Schalter 5 um—

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fasst, wodurch, die "EIN"-Impedanz durch die Rückkopplungsverstärkung des Verstärkers herabgesetzt wird. So kann ein viel kleinerer Transistor für den Schalter 5 für dieselbe Ladezeitkonstante des Kondensators 7 verwendet werden und die Anwendung eines kleineren Transistors verringert die Ableitung.

Wenn jedoch eine zu grosse stufenartige Änderung der Ausgangssignalspannung auftritt, wird der Verstärker zeitweilig gesättigt, wodurch die Geschwindigkeit beschränkt

IG wird, mit der die Kondensatorspannung der Eingangs spannung bei eingeschaltetem Schalter 5 folgen kann. Bei. ausgeschaltetem Schalter 5 wird die Spannung am Ausgang 2 des Verstärkers wahrscheinlich - entweder in positivem oder in negativem Sinne - gesättigt, wenn eine geringe Änderung in der Aus-

^ gangssignalspannung auftritt, weil der Rückkopplungsweg des Verstärkers (der seine Verstärkung auf 1 beschränkt) entkoppelt ist. Dies bedeutet, dass zum Zeitpunkt, zu dem der Schalter 5 wieder eingeschaltet wird, ein grosser augenblicklicher Spannungsunterschied zwischen der Spannung an der Klemme 3 und der Spannung am Ausgang 2 auftritt. Dies wird zu einer unerwünschten kurzzeitigen Änderung in der Spannung an der Klemme h.führen. Ein weiterer praktischer Nachteil ist der, dass Übersprechen oder Querkopplung in den Verstärkereingangsstufen zwischen deren zwei Eingangssignale auftreten kann.

Das letztere Problem kann durch die Schaltung

nach Fig. 3 gelöst werden, bei der ein zweiter Schalter 8 in den Rückkopplungsweg des Verstärkers aufgenommen ist. Der Schalter 8 wird von den Steuermitteln 6 synchron mit dein Schaltet· 5 betätigt, derart, dass sie beide hus amino* ι ein- und ausgeschaltet werden, d.h., dass sie gleichphasig arbeiten. Dadurch wird das Problem des ÜberSprechens gelöst, ohne dass die Wirkung im "EIN"—Zustand der zwei Schalter beeinflusst wird. Die Rückkopplungsschaltung.wird aber wieder entkoppelt und daher bleibt das Problem der Einschalt spannung noch bestehen.

Alle obengenannten Nachteile werden wenigstens in sehr grossem Masse durch eine Vorrichtung nach der

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Erfindung behoben, von der Fig. k eine erste Ausführungsform zeigt. Die Rückkopplungssclxaltung für den Verstärker enthält nun zwei Rückkopplungswege, und zwar einen ersten Yeg mit einem Widerstand 9 und einen zweiten Weg mit den beiden Schaltern 5 und 8. Da die Rückkopplung für den

Verstärker 1 vom Widerstand 9 aufrechterhalten wird, wenn sich die zwei Schalter 5 und 8 im "AUS"-Zustand befinden, können die obengenannten Einschaltspannungen nicht auftreten. Der Widerstandswert des Widerstandes 9 muss

IG niedrig im Vergleich zu der Eingangsimpedanz des invertierenden Eingangs des Verstärkers 1 sein, derart, dass der Widerstand einen vernachlässigbaren Einfluss auf den Pegel des Rückkopplungssignals ausübt, wenn sich die Schalter 5 und 8 im "AUS"-Zustand befinden. Auch muss dieser Widerstand einen niedrigen Wert in bezug auf die "AUS"-Impedanz wenigstens des zweiten Schalters 8 aufweisen. Dies hat den Grund, dass, wenn angenommen wird, dass der Schalter 8 eine endliche "EIN"-Impedanz aufweist, eine Rückkopplung auf den invertierenden Eingang des Verstärkers 1 eines Teiles einer gegebenenfalls an der Belastung auftretenden Spannung — z.B. der im Kondensator 7 gespeicherten Spannung — stattfindet . Diese unerwünschte Rückkopplung wird im Vergleich zu der gewünschten Rückkopplung des Ausgangs 2 des Verstärkers 1 bei ausgeschalteten Schaltern 5 und 8 dadurch vernachlässigbar gemacht, dass der Wert des Widerstandes im Vergleich zu der "AUS"-Impedanz des Schalters 8 niedrig gemacht wird.

Der Widerstandswert des Widerstandes 9 muss weiter in bezug auf die kombinierten "EIN"-Widerstandswerte der Schalter 5 und 8 hoch sein, damit die Rückkopplung auf den Verstärker im "EIN"-Zustand der Schalter nahezu völlig über die Schalter stattfindet. Dies ist notwendig, um sicherzustellen, dass die "EIN"—Impedanz des Schalters 5 auf zweckmässige Weise um einen Faktor gleich der Rückkopplungsverstärkung herabgesetzt wird.

Um sehr hohe Verstärkereingangsimpedanzen zu

erzielen, werden im allgemeinen für die Verstärkerschaltung Feldeffekttransistoren verwendet, wobei die EIngangsimpe—

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8 9 ,-ν danzen typisch im Bereich von IO bis 10 -*L liegen.

Wenn derartige Transistoren für die Schalter 5 und 8 verwendet werden, liegen ihre "AUS"-Impedanzen ebenfalls typisch in demselben Bereich. In einer praktischen Ausführung in Form einer integrierten Schaltung betrugen die dynamischen "EIN"-Impedanzen der Schalter 5 und 8 etwa 5OOO .f_ . So liegt der optimale Wider stands wert für den Widerstand 9 nahezu halbwegs zwischen 10 und 10 Az.B. in dem Bereich von 10 bis 10 SL.

· Eine verbesserte Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung zeigt Fig. 5, in eier der Widerstand 9 der Fig. 4 durch eine Impedanz in Form eines dritten Schalters 10 ersetzt wird. Der Schalter 10 wird von den Steuermitteln 6 derart betätigt, dass er sich im "EIN"—

'^ Zustand befindet, jeweils wenn sich die Schalter 5 und im "AUS"-Zustand befinden, und umgekehrt.

Die Steuermittel 6 nach den Fig. 1 bis 4 können z.B. durch einen Taktimpulsgenerator, gebildet werden, der Impulse mit der erforderlichen Abtastperiodenbreite und

²^ mit einer Amplitude gleich der vollständigen Speisespannung - z.B. 10 V - erzeugt. Derartige Impulse können z.B. am Q-Ausgang eines Multivibrators oder eines von Taktimpulsen angetriebenen Flipflops erhalten werden.

Die Steuerschaltung 6 der Fig. 5 kann eben-

falls einen Q-Impulsausgang aufweisen und in diesem Falle werden die Steuerimpulse für den Schalter 10 dem Q—Ausgang entnommen. Auch können die den Schaltern 5 und 8 züge— führten Steuerimpulse dem Schalter 10 über ein Invertierendes Gatter zugeleitet werden.

So weist die Impedanz des Schalters 10 einen bestimmten Wert bei eingeschalteten Schaltern 5 und 8 und einen verschiedenen Wert bei ausgeschalteten Schaltern und 8 auf. Wenn der Schalter 10 im grossen und ganzen gleich den obenbeschriebenen Schaltern 5 und 8 ist, ist seine "EIN"- Impedanz (5000-Π-) sehr viel niedriger als die Impedanz des invertierenden Eingangs des Verstärkers

und als die "AUS"-Impedanz des Schalters 8 (jeweils 10 ^L )

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und ist seine "AUS"-Impedanz (lO _Γ_ ) sehr viel grosser als die kombinierten "EIN"-Impedanzen (lO Sl) der Schalter 5 und

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Leerseite

Claims

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1. / Elektronische analoge Schaltvorrichtung mit χ „einer Eingangsklemme, einer Ausgangsklemme, einem Differenz- \

spannungsverstärker mit einem invertierenden Eingang, \

einem nichtinvertierenden Eingang und einem Ausgang, einem \ ersten zwischen dem Verstärkerausgang und der Ausgangsklemme angeordneten EIN/AUS-Schalter, einer Rückkopplurigsschaltung zwischen dem Ausgang des Verstärkers und seinem invertierenden Eingang und Steuermitteln zur Steuerung der EIN- und AUS-Zustände des ersten Schalters, wobei die Eingangsklemme mit dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückkopplungsschaltung einen ersten direkt zwischen dem Verstärkerausgang (2) und seinem invertierenden Eingang angeordneten Rückkopplungsweg und einen zweiten Rückkopp-

^⁵ lungsweg enthält, der einen zweiten EIN/AUS-Schalter (8) enthält, der direkt zwischen dem invertierenden Eingang und der Ausgangsklemme angeordnet ist und von den Steuermitteln (6) derart gesteuert werden kann, dass er synchron und gleichphasig mit dem ersten Schalter (5). ein- und aus-

²^ geschaltet wird, und dass der erste Rückkopplungsweg eine Impedanz (9) aufweist, die im "EIN"-Zustand der beiden Schalter (5, 8) hoch gegenüber den kombinierten "EIN"-Impedanzen der beiden Schalter und im "AÜS"-Zustand der beiden Schalter niedrig gegenüber der "AUS"-Impedanz des zweiten Schalters (8) und auch gegenüber der Eingangsimpedanz des invertierenden Eingang des Verstärkers (i) ist.

2. Elektronische analoge Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Rückkopplungsweg einen Widerstand (9) mit einem festen Wert enthält.

3. Elektronische analoge Schaltvorrichtung nach

Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Rückkopplungsweg einen dritten EIN/AUS-Schalter (io) enthält,

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der von den Steuermitteln (6) derart gesteuert werden kann, dass er sich im "EIN"—Zustand befindet, wenn die anderen zwei Schalter sich im "AUS"-Zustand befinden, und umgekehrt. h. Abtast- und Halteschaltung mit einer Vorrichtung

nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche und einem mit der Ausgangsklemme der genannten Vorrichtung verbundenen Speicherkondensator (7).