DE3603841A1

DE3603841A1 - Daempfungsglied mit niedrigem rauschverhalten und hoher thermischer stabilitaet

Info

Publication number: DE3603841A1
Application number: DE19863603841
Authority: DE
Inventors: Pietro Mailand/Milano Erratico
Original assignee: SGS Microelettronica SpA
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 1985-02-20
Filing date: 1986-02-07
Publication date: 1986-08-21
Anticipated expiration: 2006-02-08
Also published as: GB2171270B; DE3603841C2; FR2577731A1; IT8519570A0; IT1215237B; GB2171270A; GB8603273D0; FR2577731B1; US4716321A

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft ein Dämpfungsglied mit niedrigem Rauschverhalten und hoher thermischer Stabilität in integrierbarer Form, mit einem Netzwerk von Dämpfungselementen mit vorbestimmten Dämpfungswerten, die in diskreten Schritten veränderbar sind, insbesondere in der Anwendung zur Lautstärkeregelung eines Tonfrequenzsignals über einen variablen Abschwächer.

Um eine Lautstärkeregelung eines Tonfrequenzsignals durchzuführen, wurden bisher zwei verschiedene Techniken benutzt. Insbesondere in Fernsehgeräten werden Tonfrequenzsteuerungen benutzt, die mit rein analoger Technik arbeiten, wie z.B. Verstärker mit variabler Verstärkung. Solche Vorrichtungen weisen jedoch Probleme in Bezug auf Temperaturstabilität auf.

Eine andere Art von Lautstärkeregelungsvorrichtungen enthält stufenweise veränderbare Dämpfungsglieder, bei denen die Dämpfungselemente in der Form von Kettenschaltungen ausgebildet sind, die durch Schaltsysteme zusammengeschaltet werden. Durch ein entsprechendes Steuersignal werden die Dämpfungselemente elektrisch zugeschaltet und abgetrennt. Solche Dämpfungsglieder werden in der Form von geschalteten Widerständen oder Kondensatoren in CMOS-Technologie dargestellt. Solche Neztwerke bilden bipolare Digital-Analog-Wandler, die an ihren Eingängen sowohl positive als auch

negative Signale verarbeiten können. In solchen Vorrichtungen werden die steuernden Digitalwörter eingegeben, während das analoge Eingangssignal den nicht-geschalteten Teil des Netzwerkes durchläuft. Solche Systeme weisen recht gute Resultate auf und haben noch weitere Vorteile in Bezug auf ihre Temperaturstabilität und im Anpassungsverhalten an Tonfrequenzsysteme. Da solche Vorrichtungen jedoch in CMOS-Technologie dargestellt werden müssen, haben sie ein verhältnismäßig hohes Rauschverhalten, insbesondere bei niedrigen Frequenzen, und darüber hinaus ist ein verhältnismäßig komplizierter Prozeß zur Bildung von CMOS-kompatiblen Widerstandsnetzwerken erforderlich.

.7 Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Dämpfungsglied für die Lautstärkeregelung von Tonfrequenzsignalen vorzuschlagen, das die Vorteile der stufenweise veränderbaren Dämpfungsnetzwerke mit einem Steuersignal in Form eines gewichteten Wortes und einem Analogsignal am Eingang beibehält, aber deren Nachteile vermeidet. Es soll insbesondere ein Dämpfungsglied vorgeschlagen werden, das stufenweise veränderbar ist bei niedrigem Rauschverhalten unter Verwendung einer digitalen Steuerung des Dämpfungsgliedes. Wichtig hierbei ist, daß das Dämpfungsglied mit herkömmlichen Herstellverfahren zu Kosten hergestellt werden kann, die mit den Kosten kommerziell verfügbarer Dämpfungsglieder verträglich sind. Das Dämpfungsglied soll mit extrem hoher Zuverlässigkeit arbeiten und dabei insbesondere Dämpfungswerte aufweisen,

die über lange Zeiten stabil sind.

Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung gelöst durch ein Dämpfungsglied mit niedrigem Rauschverhalten und hoher thermischer Stabilität in integrierbarer Form mit einem Netzwerk von Dämpfungselementen mit vorbestimmten Dämpfungswerten, die in diskreten Schritten veränderbar sind, gekennzeichnet durch ein Netzwerk von Dämpfungselementen mit einer Mehrzahl von Ausgängen, die jeweils feste, verschiedene Dämpfungswerte aufweisen; sowie ein gesteuertes Schaltelement, dessen Eingänge mit den Ausgängen des Neztwerkes verbunden sind und das einen Steuereingang aufweist, dessen Steuersignal bestimmt, welcher der Eingänge mit einem Ausgang gekoppelt wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den UnteranSprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild des erfindungsgemäßen Dämpfungsgliedes;

Fig. 2 ein vereinfachtes Schaltbild eines Schaltelementes

für ein solches Dämpfungsglied mit zwei Eingängen;ur

Fig. 3 ein äquivalentes Blockschaltbild der Schaltungsanordnung nach Fig. 2.

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Das in Fig. 1 gezeigte Dämpfungsglied besteht aus zwei Stufen, und zwar einer ersten Stufe 10 und einer zweiten Stufe 20, die in Kaskade geschaltet sind. Jede dieser Stufen 10 bzw. 20 enthält ein Dämpfungsnetzwerk in Form von zu einer Kette zusammengeschalteten Widerständen 15 bzw. 22 sowie ein gesteuertes Schaltelement 30 bzw. 34, das als Analogmultiplexer ausgebildet ist. An Punkten bis 16^V bzw. 24¹ bis 24^IV sind Leitungen 18¹ bis 18^V bzw. 26 bis 26 angeschlossen, die mit dem Schaltverstärker bzw. Analogmultiplexer 30 bzw. 34 verbunden sind, wobei diese Verbindung nur zum Zwecke der Erläuterung in Form eines Drehschalters 31 bzw. 35 dargestellt wurde. Die Schaltelemente bzw. Schaltverstärker 30 und 34 weisen je einen Steuereingang 32 bzw. 36 auf, dem ein logisches Wort zuführbar ist, das angibt, welche der Leitungen 18 bzw. 26 durchgeschaltet werden soll, d.h., dieses logische Wort gibt an, in welcher Position der gedachte Schalter 31 bzw. 35 sich befindet. Der Ausgang 33 des geschalteten Verstärkers 30 ist mit dem ersten Widerstand 22 der zweiten Stufe verbunden, so daß das bereits in der ersten Stufe abgeschwächte Signal einer zweiten Abschwächung bzw. Dämpfung in der Stufe 20 unterliegt. Die Ausgangsspannung wird also um einen Faktor gedämpft, der gleich dem Produkt der Dämpfungen in der ersten und in der zweiten Stufe ist. Zweckmäßigerweise sind die Dämpfungsschritte zwischen den Ausgängen 16 und 24 der ersten oder zweiten Stufe jeweils konstant, wobei die erste Stufe jedoch größere Abstufungsschritte als die zweite Stufe hat, wie z.B. Schritte von 10 dB für die erste Stufe an den Ausgangsleitungen 16 und 2 dB für die Schritte der zweiten Stufe an den Ausgängen 24.

Ein Beispiel eines Schaltverstärkers bzw. Analogmultiplexers, wie er in der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 benutzt werden kann, ist in vereinfachter Form in Fig. 2 gezeigt, während Fig. 3 eine äquivalente Schaltung darstellt. Der Einfachheit halber wurde in den beiden Figuren nur ein Schaltverstärker mit zwei Eingängen gezeigt; dieser kann jedoch jede beliebige Anzahl von Eingängen besitzen, z.B. fünf Eingänge im Falle des Verstärkers 30 und vier Eingänge im Falle des Verstärkers 34.

Jede der beiden Verstärkerstufen 1 und 2 der Fig. 2 enthält im wesentlichen einen Differenzverstärker 5 bzw. 6, dessen positiver Eingang mit einer Spannungsquelle V₁ bzw. V~ entsprechend der Ausgangsspannung einer der Leitungen 18 bzw. 26 verbunden ist. Die negativen Eingänge (-) sind zusammen mit einem gemeinsamen Punkt 40 verbunden. Jeder der beiden Differenzverstärker 5 und 6 wird durch eine entsprechende Stromquelle 8 bzw. 9 versorgt, die durch ein externes Signal, das Steuersignal entsprechend dem Eingang 32 bzw. 36 der Fig. 1, ein- oder ausgeschaltet wird.

Im Falle der ersten Stufe des Dämpfungsgliedes der Fig. 1 müßten fünf den Stufen 1 und 2 ähnliche Stufen vorgesehen sein, während für die Stufe 20 der Fig. 1 vier solche Verstärkerstufen ausreichen.

Solche Eingangsstufen 1 und 2 sind beide mit dem Rest der Schaltungsanordnung verbunden, die eine Diode 41 und einen Vorspannungstransistor 42 enthält sowie weitere andere

Elemente der Ausgangsstufe, nämlich einen Transistor 43, einen Transistor 44 und Stromquellen 45 und 46. Diese Lösung hat den Vorteil, daß im Falle mehrerer Eingänge der Verstärker 30 bzw. 34 eine Vielzahl von Stufen 1 und 2 vorgesehen werden können, während die restlichen Bauelemente der Schaltungsanordnung gemeinsam sind.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 ist der Schaltung nach Fig. 3 äquivalent. Es sind Stufen 1 und 2 zu sehen sowie Eingangssignale V₁ und V₂ und Steuereingänge 53 und 54, die den Stromquellen 8 und 9 der Fig. 2 entsprechen. Die Verstärker 1 und 2 sind am Ausgang in einem Summierungspunkt 50 zusammengefaßt, und die Schaltung wird ergänzt durch einen Ausgangsverstärker 51.

Der Schaltverstärker arbeitet wie folgt: Das den Eingängen 53 und 54 zugeführte Steuersignal bewirkt ein Ein- bzw. Ausschalten der Stromquellen 8 und 9, wodurch wiederum die Differenzverstärker 5 bzw. 6 ein- bzw. ausgeschaltet werden und hierdurch das Signal V₁ oder V₂ am Eingang wirksam werden lassen. Selbstverständlich wird nur eines der beiden Signale V₁ oder V_ weitergegeben, so daß am Summierungspunkt 50 nur ein Signal auftritt, das dann als Ausgangssignal ausgegeben wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Dämpfungsglied wird ein solches geschaffen, in dem das Dämpfungsnetzwerk festliegt und keine Schaltelemente enthält und bei dem eine gewünschte Dämpfung durch Auswahl eines externen Elementes des Netzwerkes entsprechend einem Steuersignal bestimmt wird, wodurch der

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entsprechende Netzwerkpunkt mit der gewünschten Abschwächung als Ausgang verwendet wird. Durch diese Lösung ist es möglich, die Benutzung der CMOS-Technologie sowie alle damit verbundenen Probleme, wie starkes Rauschen innerhalb des Dämpfungsnetzwerkes, zu vermeiden. Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich, Bipolar-Technologie anzuwenden, um ein Dämpfungssystem mit niedrigem Rauschverhalten darzustellen, da das Rauschen am Ausgang neben dem Rauschen des Dämpfungsnetzwerkes nur das Rauschen eines rauscharmen Verstärkers aufweist, wobei solche rauscharmen Verstärker nach dem heutigen Stand der Technik ein Rauschen im Bereich von 10 nV/\/ Hz der entsprechenden Bandbreite aufweisen. Hierdurch wird es möglich, das Signal-Rausch-Verhältnis gegenüber den bekannten Schaltungen deutlich zu verbessern.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß es möglich ist, die Verstärkungsregelung in mehreren Stufen vorzunehmen und hierbei jeder Stufe verschiedene Dämpfungsschritte zuzuordnen. Hierdurch wird die Ansteuerung der Schaltungsanordnung einfacher und es kann für das Tonfrequenzsignal ein wesentlich größerer Regelbereich erzielt werden.

Mit dem Dämpfungsglied gemäß der vorliegenden Erfindung ist es weiterhin möglich, höhere Genauigkeiten als bei bisher bekannten Schaltungen zu erzielen. Bei den bisher bekannten Dämpfungsgliedern mit einem aus Widerstandselementen bestehenden Dämpfungsnetzwerk, bei dem die einzelnen Widerstands-

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elemente mit einem in das Netzwerk integrierten Schalter verbunden sind, kann der Schalterwiderstand höher als vernachlässigbar sein und die Dämpfung beeinflussen, und zwar für jeden der Dämpfungszweige in verschiedenem Ausmaß. Bei der vorliegenden, erfindungsgemäßen Lösung dagegen mit festen, nicht-geschalteten Widerständen treten keine zusätzlichen Widerstände als die der Dämpfungselemente auf, so daß der einzige mögliche Fehler darin bestehen kann, daß beim Schalten der Verstärker eine Offset-Spannung auftreten kann, welcher Fehler jedoch in der Form einer Gleichspannung auftritt und sehr niedrige Werte annimmt. Diese Offset-Spannung kann jedoch in bekannter Weise ausgefiltert werden, so daß das erfindungsgemäße System eine wesentlich bessere Genauigkeit als bisher bekannte Systeme hat.

Weiterhin kann das Dämpfungsglied gemäß der Erfindung nach bekannten Herstellverfahren gefertigt und auf einfache Weise integriert werden.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann selbstverständlich verschiedene Modifikationen und Abänderungen erfahren, die alle in das erfinderische Rezept passen. Insbesondere ist es möglich, anstelle der im Ausführungsbeispiel beschriebenen Ausführungsform des Schaltverstärkers auch andere Möglichkeiten vorzusehen, und insbesondere kann für den Schaltverstärker jedes andere Element verwendet werden, das als Analogmultiplexer arbeitet und zum Durchschalten eines von η-Eingängen entsprechend einem digitalen Steuersignal geeignet ist. Außerdem können alle technischen Einzelelemente durch entsprechende technische Äqivalente ersetzt werden.

Claims

Dämpfungsglied mit niedrigem Rauschverhalten und hoher thermischer Stabilität

PATENTANSPRÜCHE

/j,\ Dämpfungsglied mit niedrigem Rauschverhalten und hoher thermischer Stabilität in integrierbarer Form mit einem Netzwerk von Dämpfungselementen (15, 22) mit vorbestimmten Dämpfungswerten, die in diskreten Schritten veränderbar sind,

gekennzeichnet durch ein Netzwerk von Dämpfungselementen (15, 22) mit einer Mehrzahl von Ausgängen (18, 26), die jeweils feste, verschiedene Dämpfungswerte aufweisen; sowie ein gesteuertes Schaltelement (30, 34), dessen Eingänge (31, 35) mit den Ausgängen (18, 26) des Netzwerkes verbunden sind und das einen Steuereingang (32, 36) aufweist, dessen Steuersignal bestimmt, welcher der Eingänge(31, 35) mit einem Ausgang (33, V- ) gekoppelt wird.

JB/iml

Dipl.-Ing. Günther Eisenführ Dipl.-Ing. Dieter K. Speiser Dr.-Ing. Werner W. Rabus Dipl.-Ing. Detlef Ninnemann Martinistraße 24 D-28OO Bremen 1 · Telefon (0421) 32 80 37 · Telecopierer Telex 02 44020 fepat d
2. Dämpfungsglied nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das gesteuerte Schaltelement (30 ,34) ein in bipolarer Technik aufgebauter Analogmultiplexer ist.
3. Dämpfungsglied nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das Netzwerk von Dämpfungselementen eine Mehrzahl von WiderStandselementen (15, 22) in Kettenschaltung enthält, die verschiedene Dämpfungswerte in festen Schritten darstellen.
4. Dämpfungsglied nach Anspruch 1,

gekennzeichnet durch mindestens zwei Stufen (10, 20) mit je einem Netzwerk von Dämpfungselementen (15, 22), die verschiedene Dämpfungswerte in festen Schritten darstellen, wobei die Schritteilung der Dämpfungselemente (15) der ersten Stufe (10) von der der Dämpfungselemente (22) der zweiten Stufe (20) abweicht.