DE69725033T2

DE69725033T2 - Frequenz-Stromwandler

Info

Publication number: DE69725033T2
Application number: DE69725033T
Authority: DE
Inventors: Giao M. Pham
Original assignee: Siliconix Inc
Current assignee: Vishay Siliconix Inc
Priority date: 1996-02-02
Filing date: 1997-01-27
Publication date: 2004-06-09
Anticipated expiration: 2017-01-28
Also published as: EP1306974A1; EP0788230B1; US5955903A; DE69725033D1; US5736879A; EP0788230A3; EP0788230A2

Description

STAND DER TECHNIK
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Frequenz-Spannungs- und Frequenz-Strom-Wandler.
Beschreibung des Stands der Technik
Frequenz-Strom-Wandler werden für gewöhnlich durch die Kombination eines Frequenz-Spannungs-Wandlers und eines Spannungs-Strom-Wandlers implementiert. Bei einem herkömmlichen Frequenz-Spannungs-Wandler wird führt ein integrierender Verstärker eine Mittelwertbildung einer monostabilen Stromreferenz durch. Die monostabile Schaltung und der integrierende Verstärker verwenden jeweils verhältnismäßig hohe Kapazitäten, die schwer integrierbar sind und somit für gewöhnlich extern vorgesehen werden. Die verbleibende Schaltkreisanordnung kann dabei als eine oder mehrere integrierte Schaltungen vorgesehen werden. Es sind viele herkömmliche Frequenz-Spannungs-Wandler erhältlich, von denen mehrere in Applications Handbook, 1994, erhältlich von Burr-Brown, Tucson, Arizona, USA, beschrieben sind.
Ein zusätzliches Problem herkömmlicher Frequenz-Spannungs-Wandler ist eine Folge des Kompromisses zwischen Welligkeit und Beruhigungszeit. Frequenz-Spannungs-Wandler mit hoher Auflösung setzen eine geringe Welligkeit voraus, wobei jedoch ein kleinerer Kompromiss zwischen Beruhigungszeit und Welligkeit durch Filtern des Frequenz-Spannungs-Ausgangs mithilfe eines Tiefpassfilters verbessert werden kann. Leider erfordern derartige Tiefpassfilter eine in gewisser Weise höhere Kapazität, wodurch sich die Integration des Frequenz-Spannungs-Umsetzers noch schwieriger gestaltet. Schließlich handelt es sich bei herkömmlichen Frequenz-Strom-Wandlern für gewöhnlich um offene Systeme. Diesbezüglich sind herkömmliche Frequenz-Strom-Wandler empfindlich in Bezug auf externe Störungen der Ausgabe bzw. des Ausgangs, wie etwa als Verluststrom.
In Anbetracht der vorstehend genannten Probleme wird ein Frequenz-Strom-Wandler benötigt, der in Bezug auf Störungen der Ausgabe bzw. des Ausgangs unempfindlich ist, wobei der Wandler auf abgestimmten Komponentenwerten beruht, um Präzision zu gewährleisten, und wobei verhältnismäßig kleine, integrierbare Kapazitäten verwendet werden.
In "Halbleiterschaltungstechnik" von U. Tietze, Ch. Schenk, 6. Auflage, 1985, Springer, Berlin, Seiten 183, 462/463, wird ein Funktionsgenerator offenbart.
In DE-A-2 117 599 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Umwandlung einer variablen Eingangsfrequenz in eine proportionale Ausgangsspannung beschrieben.
FR-A-2 281 677 offenbart einen Frequenz-Spannungs-Wandler.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung widmet sich den vorstehend aufgeführten Erfordernissen, indem sie einen prozessgekoppeltgeschlossenen Frequenz-Strom-Wandler mit integrierbaren Kapazitäten vorsieht. Um dies zu erreichen weist ein Frequenz-Strom-Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung mehrere Kapazitäten mit Kapazitätswerten auf, die wirksam unter Verwendung erfindungsgemäßer Kapazitäts-Multiplikationstechniken multipliziert werden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren ermöglicht die Umwandlung einer periodischen Reihe von Eingangsimpulsen in einen proportionalen Strom ohne den Einsatz einer externen Kapazität. Nach jedem eingehenden Impuls wird die Spannung an einer "Rampenkapazität" auf eine Anfangsspannung zurückgesetzt. Dabei kann sich die Rampenkapazität während dem Zeitraum vor dem folgenden Impuls mit einer Rate entladen, die durch die Spannung geregelt wird, die an einer Entladestrom-Vorkapazität gespeichert werden. Nach dem folgenden Eingangsimpuls wird als nächstes die Spannung an der Rampenkapazität über einen Abtastzeitraum abgetastet, der im Verhältnis zu dem Zeitraum des Impulszugs kurz ist.
Während dem Abtastzeitraum wird die Spannung an der Rampenkapazität mit einer festen Referenzspannung verglichen. Wenn die Spannung an der Rampenkapazität niedriger ist als die feste Referenzspannung, ist die Entladungsrate (und somit der Ausgangsstrom) zu hoch. Wenn die Spannung an der Rampenkapazität im Gegensatz dazu höher ist als die feste Referenzspannung, so ist die Entladungsrate zu niedrig.
Wenn festgestellt wird, dass die Entladungsrate der Rampenkapazität zu niedrig oder zu hoch ist, wird die gespeicherte Spannung an der Entladestrom-Vorkapazität angepasst, um den Fehler zu kompensieren. Wenn zum Beispiel nach einer Periode des Eingangssignals die Spannung an der Rampenkapazität zu hoch ist, wird die Spannung an der Vorkapazität erhöht, um die Entladungsrate der Rampenkapazität für die nächste Periode zu erhöhen. Nachdem der Vergleich vorgenommen worden ist und die Spannung an der Vorkapazität entsprechend angepasst worden ist, wird die Rampenkapazität auf die Anfangsspannung zurückgesetzt und der Zyklus beginnt von Neuem.
Wie dies nachstehend im Detail beschrieben wird, ist die Abtasttechnik vorteilhaft, da die Technik:

1. die Verwendung einer deutlich kleineren Vorkapazität ermöglicht als wie dies ansonsten erforderlich wäre, um eine gewünschte Zeitkonstante vorzusehen;
2. es einem Benutzer ermöglicht, die Zeitkonstante der Vorkapazität zu ändern, ohne den Wert der Kapazität zu verändern; und
3. es nicht erforderlich macht, den Wert der Vorkapazität für verschiedene Eingangsfrequenzen anzupassen.

Die kombinierten Vorteile ermöglichen die Integration der Vorkapazität.
Ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren, das nachstehend als "Falttechnik" bezeichnet wird, ermöglicht den Einsatz einer verhältnismäßig kleinen Rampenkapazität, um das entsprechend geeignete Niveau des Ausgangsstroms zu erzeugen. Gemäß diesem Verfahren wird die kleine Rampenkapazität zwischen zwei Referenzspannungswerten unter Verwendung alternierender Lade- und Entladestromwerte wiederholt geladen und entladen, wobei jeder dieser Stromwerte eine Funktion des Niveaus des Ausgangsstroms ist.
Da die Werte der Lade- und Entladeströme im Verhältnis zu dem Wert des Ausgangsstroms stehen, ist die Rate, mit der die Rampenkapazität zwischen den beiden Referenzspannungen geladen und entladen wird, ein Indikator für den Ausgangsstrom. Wenn der Ausgangsstrom zum Beispiel zu hoch ist, sind auch die in Relation stehenden Lade- und Entladeströme zu hoch, was zu verhältnismäßig schnellen Lade- und Entladeraten führt. Und aufgrund der schnellen Lade- und Entladeraten nimmt die Häufigkeit, mit der die Rampenkapazität über einen bestimmten Zeitraum geladen und entladen wird, im Verhältnis zu dem Anstieg des Ausgangsstroms zu. Somit weist ein erfindungsgemäßes Verfahren den Schritt des Zählens der Anzahl der Lade- und Entladevorgänge der Rampenkapazität über einen bestimmten Zeitraum auf, um zu bestimmen, ob der Ausgangsstrom erhöht oder verringert werden soll.
Die erfindungsgemäße Falttechnik ermöglicht eine signifikante Reduzierung der Größe der Rampenkapazität, wodurch es ermöglicht wird, dass die Rampenkapazität leicht integriert werden kann. Gemäß der vorliegenden Erfindung können somit die Vorkapazität als auch die Rampenkapazität in vorteilhafter Weise mit den anderen Komponenten des Frequenz-Strom-Wandlers integriert werden. Ferner nutzt die erfindungsgemäße Konstruktion des Frequenz-Strom-Wandlers die außerordentliche Geräteabstimmung, die unter Verwendung der integrierten Schaltungstechnologie erreicht wird, im Gegensatz zu den exakten Gerätewerten, um eine präzise Frequenz-Strom-Umwandlung zu gewährleisten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in Bezug auf die folgende Beschreibung, die anhängigen Ansprüche und die beigefügten Zeichnungen verständlich. In den Zeichnungen zeigen:
1 einen Frequenz-Strom-Wandler 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 verschiedene Kurvenformen, die dem Frequenz-Strom-Wandler 10 aus 1 zugeordnet sind;
3 einen Frequenz-Strom-Wandler 50 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 das Konzept des "Faltens" des Spannungsbereichs, der an der Kapazität angelegt wird;
5 eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels der gefalteten Rampenkapazität 60;
6 verschiedene Kurvenformen, die einer "gefalteten" Kapazität zugeordnet sind;
7 verschiedene Kurvenformen, die der gefalteten Rampenkapazität 60 zugeordnet sind;
8 einen Frequenz-Strom-Wandler 150 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
9 eine Prinzipskizze einer gefalteten Rampenkapazität 160.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Abbildung aus 1 zeigt einen Frequenz-Strom-Wandler 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Frequenz-Strom-Wandler 10 weist einen Abtast-Timer 12, eine Rampenschaltung 20, einen differentiellen Transkonduktanz-Verstärker GM1, ein erstes Abtastgatter 30, ein zweites Abtastgatter 31 und einen Ausgangsstromgenerator 32 auf.
Der Abtast-Timer 12 ist mit dem Gate-Anschluss eines Transistors 22 in der Rampenschaltung 20 über eine Rückstellleitung RESET, mit dem Steuergatter des Abtastgatters 30 über eine Leitung SAMPLE und mit dem Steuergatter des Abtastgatters 31 über eine Leitung SAMPLE. Abhängig von der über den Abtast-Timer 12 angelegten Spannung an dem Steueranschluss des Transistors 22 überträgt der Transistor 22 eine Bezugsspannung an einem Anschluss V_START an einen Anschluss einer Rampenkapazität C_RAM in der Rampenschaltung 20.
Der nicht-invertierende (+) Eingang des Transkonduktanz-Verstärkers GM1 ist mit einer Leitung V_RAMP verbunden, welche der Transistor 22 und die Kapazität C_RAMP gemeinsam nutzen, und über das Abtastgatter 31 ist er mit einem Ausgang des Stromgenerators 32 verbunden. Der invertierende (-) Eingang des Transkonduktanz-Verstärkers GM1 ist mit einer festen Referenzspannung an dem Anschluss V_FIXED verbunden, und der Ausgang des Transkonduktanz-Verstärkers GM1 ist mit einem Strombehandlungsanschluss des Abtastgatters 30 verbunden. Der andere Strombehandlungsanschluss des Abtastgatters 30 ist mit den Steuergattern der Transistoren 34 und 36 in dem Stromgenerator 32 und mit einem Anschluss der Entladestrom-Vorkapazität C_CB verbunden.
Der Stromgenerator 32 sieht einen Ausgangsstrom I_OUT vor, der proportional zu der Eingangsfrequenz eines Eingangssignals an einem Anschluss F_INPUT ist und somit umgekehrt proportional zu der durchschnittlichen Periode des Eingangssignals an dem Anschluss F_INPUT. Mathematisch lässt sich dies wie folgt ausdrücken:
wobei T_INPUT die durchschnittliche Dauer aus z. B. einhundert Zyklen des Eingangssignals in Anschluss F_INPUT entspricht, und wobei α der Verstärkungsfaktor des Frequenz-Strom-Wandlers 10 ist.
In der Schaltung aus 1 ist der Ausgangsstrom I_OUT negativ (d. h. der Strom fließt in den Stromgenerator 32). Natürlich kann der Stromgenerator 32 auch so konfiguriert werden (z. B. unter Verwendung eines herkömmlichen Stromspiegels), dass ein positiver Ausgangsstrom I_OUT vorgesehen wird.
Herkömmliche Stromquellen 35 und 37 sehen versetzte Ströme über die entsprechenden Transistoren 34 und 36 vor, so dass der Frequenz-Strom-Wandler 10 eine bestimmten spezifizierten versetzten Strom vorsieht, wenn das Signal an dem Anschluss F_INPUT eine Frequenz zwischen null Hz und einem bestimmten ausgewählten Wert aufweist. Die Stromquellen 35 und 37 sehen jeweils das gleiche Stromniveau vor, so dass der Rampenstrom I_RAMP dem Ausgangsstrom I_OUT entspricht. Bei Bedarf kann auf den versetzten Strom verzichtet werden oder dieser wird auf Null gesetzt.
Die Abbildung aus 2 zeigt verschiedene Kurvenformen, die dem Frequenz-Strom-Wandler 10 aus 1 zugeordnet sind. Die Zeitsteuerung bzw. Taktung der Wellenformen aus 2 ist nicht maßstabsgetreu. Zum Beispiel entspricht die Periode T_INPUT des Eingangssignals an dem Anschluss F_INPUT in einem Ausführungsbeispiel 300 us im Vergleich zu der Rückstellperiode T_RES von 1 us und der Abtastperiode T_SAM von 100 ns bis 800 ns. Der Abtast-Timer 12 stellt eine herkömmliche Zeitsteuerungsschaltung dar, die auf der Basis ihrer hierin beschriebenen Funktion durch den Fachmann leicht implementiert werden kann.
In Bezug auf die Kurvenformen aus 2 in Verbindung mit dem Frequenz-Strom-Wandler 10 aus 1 gibt der Abtast-Timer 12 einen Abtastimpuls der Periode T_SAM auf der Leitung SAMPLE als Reaktion auf einen eingehenden Impuls an dem Anschluss F_INPUT aus. Der Abtastimpuls auf der Leitung SAMPLE schaltet das Abtastgatter 30 ein, wodurch der Ausgang des Transkonduktanz-Verstärkers GM1 mit einem Anschluss der Vorkapazität C_CB verbunden wird. Während der Abtastperiode T_SAM schaltet eine logische Null auf der Leitung SAMPLE das Gatter 31 aus, so dass die Spannung an dem Anschluss V_RAMP z. B. von dem Zeitpunkt t₁ bis zu dem Zeitpunkt t₂ konstant bleibt.
Während der Abtastperiode TSAM zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 ist die Spannung an dem Anschluss V_RAMP kleiner als die Spannung an dem Anschluss V_FIXED Somit entzieht der Transkonduktanz-Verstärker GM1 der Kapazität C_CB Ladung, wodurch die Spannung an den Gate-Anschlüssen der Transistoren 34 und 36 verringert wird. Als Folge dessen sinken der Strom I_RAMP durch den Transistor 34 und der Ausgangsstrom I_OUT durch den Transistor 36.
Nach dem Abtastimpuls gibt der Abtast-Timer 12 einen Rückstellimpuls mit der Dauer T_RES an den Gate-Anschluss des Transistors 22 in der Rampenschaltung 20 aus. Der Rückstellimpuls schaltet den Transistor 22 ein, wobei C_RAMP auf den Referenzspannungswert an dem Anschluss V_START geladen wird, wie dies in der Abbildung aus 2 zu dem Zeitpunkt t₃ dargestellt ist.
Nachdem die Spannung an dem Anschluss V_RAMP (und folglich an der Rampenkapazität C_RAMP) auf die Referenzspannung an dem Anschluss V_START zurückgesetzt worden ist, entlädt sich die Rampenkapazität C_RAMP über den Transistor 34, so dass der Spannungswert an dem Anschluss V_RAMP zu einem Zeitpunkt t4 auf einen Wert V_FIN sinkt, wenn der nächste Eingangsimpuls die Leitung 42 erreicht. Da die Spannung V_FIN auf der Leitung V_RAMP während dem Zeitraum von t₄ bis t₅ niedriger ist als die Spannung an dem Anschluss V_FIXED entzieht der Transkonduktanz-Verstärker GM1 erneut der Vorkapazität C_CB Ladung, wodurch die Spannung an dem Anschluss V_CCB reduziert wird. Dieser Effekt ist in der Abbildung aus 2 dargestellt, wobei die Reduzierung der Spannung V_CCB während der zweite Abtastperiode (von t₄ bis t₅) erfolgt. Nach der Senkung der Vorspannung an dem Anschluss V_CCB sinkt auch der Strom durch die Transistoren 34 und 36. Somit entlädt sich die Kapazität C_RAMP langsamer als während der vorherigen Periode, wie dies durch die fallende Kurve der Spannung an dem Anschluss V_RAMP von dem Zeitpunkt t₆ zu dem Zeitpunkt t₈ angezeigt wird.
Wenn, wie in der dritte Abtastperiode aus 2 (von dem Zeitpunkt t₇ zu dem Zeitpunkt t₈), die Endspannung V_FIN an der Rampenkapazität C_RAMP größer ist als die Spannung an dem Anschluss V_FIXED führt der Transkonduktanz-Verstärker GM1 der Vorkapazität CC_B während der Abtastperiode T_SAM Ladung zu, wie dies durch den Spannungsanstieg an dem Anschluss V_CCB zwischen dem Zeitpunkt t₇ und dem Zeitpunkt t₈ belegt wird.
Das vorstehend beschriebene geschlossene bzw. Closed-Loop-Rückkopplungssystem bewirkt letztendlich, dass die Spannung an dem Anschluss V_RAMP von der Referenzspannung an dem Anschluss V_START in der Periode zwischen den Eingangsimpulsen auf die Referenzspannung an dem Anschluss V_FIXED übergeht. Mit anderen Worten entspricht der Spannungswert V_FIN für die Spannung an dem Anschluss bei V_RAMP dem Spannungswert an dem Anschluss V_FIXED während der Abtastperiode T_SAM. In diesem Fall fließt während der Abtastperiode T_SAM praktisch kein Strom von dem Ausgang des Transkonduktanz-Verstärkers GM1. Diese Situation ist in der Abbildung aus 2 zwischen den Zeitpunkten t₁₀ und t₁₁ dargestellt.
Dabei ist es wie bei herkömmlichen Rückkopplungssystemen wichtig, dass die Zeitkonstante τ_Ccb der Stromvorkapazität C_CB so ausgewählt wird, dass ein schnelles Ansprechverhalten vorgesehen wird, ohne dass daraus eine Instabilität resultiert. Die Zeitkonstante τ_Ccb (gemessen in Zeiteinheiten) kann wie folgt berechnet werden:
wobei C_Ccb die Kapazität der Stromvorkapazität C_CB und g_mCcb die Transkonduktanz darstellt, welche den Lade-/Entladestrom für C_CB vorsieht.
Die Zeitkonstante τ_Ccb muss groß genug sein, um das entsprechende Ansprechverhalten vorzusehen. Die Zeitkonstante τ_Ccb kann durch Reduzierung des Wertes der Transkonduktanz g_m1 des Transkonduktanz-Verstärkers GM1 erhöht werden, wodurch die Lade- und Entladeströme an die Kapazität C_CB vorgesehen werden. Allerdings gibt es einen unteren Grenzwert von g_m1, unterhalb welchem die Störungen in einem unzulässigen Maße zu hoch werden. Eine weitere Möglichkeit ist es, den Wert der Kapazität C_Ccb zu erhöhen. Leider erfordern die entsprechend relevanten Frequenzen (z. B. 1/T_I _NPUT oder 3,3 KHz) eine verhältnismäßig hohe Kapazität, die praktisch nicht integriert werden kann.
Die vorliegende Erfindung überwindet die vorstehenden Probleme, die einer Erhöhung der Zeitkonstante τ_Ccb zugeordnet sind, indem eine erfindungsgemäße Abtast-Halte-Technik eingesetzt wird. Der Abtast-Timer 12 und das Abtastgatter 30 tasten und halten die Ausgabe des Transkonduktanz-Verstärkers GM1, so dass die Transkonduktanzeingabe g_mCcb in die Kapazität C_CB auf folgenden Wert reduziert wird:
Somit wird die Zeitkonstante von C_CB, τ_Ccb, auf folgenden Wert erhöht:
Die Gleichung (7) macht deutlich, dass die "effektive" Kapazität von C_Ccb als C_eff = C_Ccb (T_INPUT/T_SAM) ausgedrückt werden kann. Mit anderen Worten wird der erforderliche Wert (und somit die Größe) der Stromvorkapazität C_CB um den Faktor T_SAM/T_INPUT reduziert; demgemäß kann C_CB auf eine integrierbare Größe reduziert werden, während die entsprechende Zeitkonstante τ_Ccb aufrechterhalten wird.
Ohne die erfindungsgemäße Abtast-Halte-Technik müsste der Wert von C_CB veränderlich bzw. anpassbar sein, um verschiedene Eingangsfrequenzen zuzulassen. Glücklicherweise macht es die erfindungsgemäße Abtast-Halte-Technik überflüssig, eine regelbare Kapazität vorzusehen. Durch Ersetzen von 1/_TINPUT in Gleichung (6) mit der Eingangsfrequenz f_INPUT wird deutlich, dass die Zeitkonstante τ_Ccb der Vorkapazität C_CB eine Funktion der Eingangsfrequenz f_INPUT ist. Mathematisch kann dies wie folgt ausgedrückt werden:
Unter Verwendung der Abtast-Halte-Technik, die eine Abtastung über eine feste Periode T_SAM vorsieht sowie eine feste Kapazität C_Ccb, ändert sich die Zeitkonstante τ_Ccb somit automatisch mit Änderungen der Eingangsfrequenz f_INPUT
Die Abbildung aus 3 zeigt einen Frequenz-Strom-Wandler 50 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Bestandteile aus 3, die Bestandteilen aus 1 entsprechen, sind mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Der Frequenz-Strom-Wandler 50 arbeitet im Wesentlichen auf die gleiche Art und Weise wie dies vorstehend in Bezug auf die Abbildungen der 1 und 2 beschrieben worden ist. In dem Frequenz-Strom-Wandler 50 wird die Rampenkapazität C_RAM jedoch durch eine gefaltete Rampenkapazität 60 ersetzt. Aus Gründen der Vereinfachung sind die optionalen versetzten Stromquellen 35 und 37 in der Abbildung aus 3 nicht dargestellt.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel aus 3 wird die Rampenkapazität C_RAMP durch eine gefaltete Rampenkapazität 60 ersetzt. Wie dies bereits vorstehend im Text erläutert worden ist, ermöglicht das Verfahren des "Faltens" den Einsatz eines im Verhältnis kleineren Wertes der Rampenkapazität C_RAMP, was zu einer einfacheren, wirtschaftlicheren Integration führt. Die gefaltete Rampenkapazität 60 empfängt als Eingaben eine Referenzspannung an einem Anschluss V_MIN, wobei die Spannungen an den Anschlüssen V_MAX und V_MIN zum Beispiel entsprechend 5 Volt bzw. 1 Volt betragen. In einem Ausführungsbeispiel sind die Anschlüsse V_MAX und der Anschluss V_REF so verbunden, dass die Referenzspannung an dem Anschluss V_REF auch als Referenzspannung an dem Anschluss V_MAX dient.
Die Kapazität 60 gibt ein Signal "UNDER" auf einer Leitung 62 an einen Eingang eines Transkonduktanz-Verstärkers GM2 aus. Der Transkonduktanz-Verstärker GM2 ist so konfiguriert, dass er als herkömmlicher Differentialverstärker arbeitet, wenn eine logische Null (z. B. null Volt) der Leitung 62 zugeführt wird, und wobei der maximale positive Ausgangsstrom unabhängig von den Werten an den differentiellen Eingangsanschlüssen (+ und -) ausgegeben wird, wenn eine logische Eins (z. B. 5 Volt) an der Leitung 62 zugeführt wird.
Die folgende Erläuterung beschreibt allgemein das Konzept des "Faltens", das verwendet werden kann, um die Zeitkonstante einer bestimmten Kapazität C zu erhöhen. In dem allgemeinen Fall mit einer bestimmten Kapazität C mit einem konstanten Ladestrom I_C ist die Zeitkonstante τ_C proportional zu dem Produkt der Änderung der Spannung ΔV und der Kapazität C, dividiert durch den Strom I_C. Dieses Verhältnis kann mathematisch wie folgt ausgedrückt werden:
Für eine gegebene Zeitkonstante τ_C können somit der erforderliche Wert der Kapazität C und somit die erforderliche physikalische Fläche für die Integration einer derartigen Kapazität entweder durch Erhöhen von ΔV oder durch Reduzieren des Stroms I_C minimiert werden.
Leider gibt es eine untere Grenze für den Wert von I_C, der zur Änderung der Kapazität C verwendet wird, wenn der Strom zu niedrig ist, wobei Störungen bzw. Rauschen und Verluste eine unzulässig schlechte Genauigkeit bei der Definition der Zeitkonstante τ_C erzeugen. Darüber hinaus ist es nicht praktisch, die Spannungen der Stromversorgungen für integrierte Schaltungen deutlich zu erhöhen, um den Effekt der Kapazität einer bestimmten Kapazität der integrierten Schaltung zu erhöhen. Aus diesen Gründen hat der Anmelder eine Falttechnik erfunden, die eine effektive Erhöhung der Spannungsänderung ΔV über die Rampenkapazität C_RAMP ermöglicht, ohne dass höhere Spannungspotenziale erforderlich sind.
Gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der gewünschte Spannungsbereich in eine Mehrzahl kleinerer Spannungsbereiche "gefaltet".
Die Abbildung aus 4 veranschaulicht das Konzept des "Fattens" des über einer Kapazität angelegten Spannungsbereichs. Die Pfade P₁ und P₂ sind Entladepfade, die den Entladepfaden V_RAMP zwischen den Zeitpunkten t₃ und t₄, den Zeitpunkten t⁶ und t₇ und den Zeitpunkten t₉ und t₁₀ aus 2 ähnlich sind. Der Pfad P₁ zeigt die Spannung an der Kapazität C, die mit einem konstanten Strom IC von 5 Volt bis –11 Volt (für ein ΔV von insgesamt 16 Volt) über einen Zeitraum T entladen wird. Der Pfad P₂ zeigt die Spannung an der Kapazität C, die mit einem reduzierten konstanten Strom I_C' entladen wird, so dass die Kapazität C während dem Zeitraum T von 5 Volt auf –9 Volt entlädt, was insgesamt zu einem ΔV von 14 Volt ergibt. In der Annahme, dass es sich bei dem zur Erzeugung von Pfad P₁ verwendeten Strom um den gewünschten Strom handelt, kann die Spannungsdifferenz zwischen dem Pfad P₁ und dem Pfad P₂ am Ende der Periode T (d. h. die Fehlerspannung V_ε von 2 Volt) danach zum Vorsehen einer Rückkopplung bzw. Rückführung an den Transkonduktanz-Verstärker GM2 verwendet werden, und zwar auf die vorstehend in Bezug auf den Transkonduktanz-Verstärker GM1 beschriebene Art und Weise.
Gemäß der erfindungsgemäßen Falttechnik kann der 16 Volt Bereich des Pfades P₁ in eine Reihe von Segmenten gefaltet werden. Zum Beispiel zeigt die Abbildung aus 4 den Pfad P₁ gefaltet in einen Pfad P₁', der vier Segmente aufweist, nämlich zwei abnehmende und zwei zunehmende. Der gefaltete Pfad P₁' stellt eine Spannungsänderung ΔV mit einem absoluten Wert von 16 Volt dar (d. h. vier Änderungen mit je 4 Volt), ohne dass 5 Volt überschritten oder 1 Volt unterschritten werden. Ähnlich dem Pfad P₁ kann der Pfad P₂ zum Beispiel in vier Segment mit zwei abnehmenden und zwei zunehmenden Segmenten gefaltet werden, wie dies unter Verwendung des Pfads P₂' dargestellt ist. Es ist wichtig anzumerken, dass die gefaltete Kurvenform P₂' am Ende der Periode T um eine Fehlerspannung V_εF mit der gleichen Größe wie die Fehlerspannung V_ε versetzt ist, welche die Pfade P₁ und P₂ trennt.
Die Fehlerspannung V_εF kann verwendet werden, um eine Rückkopplung für den Transkonduktanz-Verstärker GM2 vorzusehen. Hiermit wird festgestellt, dass die Fehlerspannung V_εF die entgegengesetzte Polarität zu der Spannung V_ε aufweist. Aus diesem Grund sind die invertierenden und nicht-invertierenden (- und +) Anschlüsse des Transkonduktanz-Verstärkers GM2 in dem Ausführungsbeispiel aus den Abbildungen der 3 und 5 im Vergleich zu den Anschlüssen des Transkonduktanz-Verstärkers GM1 aus 1 umgekehrt. Dieser und andere Aspekte des Ausführungsbeispiels aus 3 werden nachstehend in Bezug auf die Abbildungen der 5 und 6 näher beschrieben.
Die Abbildung aus 5 zeigt eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels der gefalteten Rampenkapazität 60. Die gefaltete Rampenkapazität 60 weist die Rampenkapazität C_RAMP, eine Vergleichsschaltung 70, einen Zähler 80 und eine Stromquelle 90 auf.
Die Stromquelle 90 empfängt den Rampenstrom I_RAMP auf der Leitung 92 durch das Abtastgatter 31 von dem Stromgenerator 32. Der Rampenstrom I_RAMP wird durch die Transistoren 94 und 96 gespiegelt, um einen Strom I_RAMP' vorzusehen, der im Wesentlichen dem Rampenstrom I_RAMP durch in Reihe geschaltete Transistoren 98 und 100 entspricht. Die Transistoren 102 und 104 spiegeln auf herkömmliche Art und Weise die Transistoren 98 und 100, so dass der Strom I_RAMP' durch die in Reihe geschalteten Transistoren 96, 98 und 100 sowie durch die in Reihe geschalteten Transistoren 106, 102 und 104 verläuft. Ein Transistor 108 spiegelt den Transistor 106, so dass ein Strom I_C, der im Wesentlichen dem Strom I_RAMP' durch den Transistor 106 entspricht, durch die Strombehandlungsanschlüsse des Transistors 108 geleitet wird. Schließlich wird eine Stromquelle 110, die einen Transistor 112 und einen Transistor 114 aufweist, durch die Kombination aus den Transistoren 102 und 104 vorbelastet.
Das Paar der Transistoren 112 und 114 entspricht den Transistoren 102 und 104, mit der Ausnahme, dass die Transistoren 112 und 114 einen Multiplikationsfaktor von zwei aufweisen. Aufgrund des Multiplikationsfaktors leitet die Stromquelle 110 bei einer bestimmten Vorspannung an der Basis des Transistors 112 doppelt so viel Strom wie die in Reihe geschalteten Transistoren 102 und 104 (und folglich doppelt so viel Strom wie der Strom I_C durch die Transistoren 108). Wenn der Transistor 114 bei dieser Konfiguration ausgeschaltet ist, entspricht der gefaltete Rampenstrom I_F von der Stromquelle 90 im Wesentlichen I_C. Wenn im Gegensatz dazu der Transistor 114 leitet, leitet die Stromquelle 110 einen Strom, der im Wesentlichen dem Zweifachen von I_C entspricht, so dass der gefaltete Rampenstrom I_F gleich I_C – 2I_C _ = –I_C ist. Somit kann der gefaltete Rampenstrom I_F verwendet werden, um wechselweise die Rampenkapazität C_RAMP mit Raten von entsprechend I_C und -I_C zu laden und zu entladen, der Richtung des gefalteten Rampenstroms I_F, abhängig davon, ob der Transistor 114 ein- oder ausgeschaltet ist.
Die Vergleichsschaltung 70 empfängt den gefalteten Rampenstrom I_F an der Eingangsleitung 71. In Bezug auf die Abbildungen der 4 und 5 wird der Pfad P₁' dazu verwendet, den Betrieb der Vergleichsschaltung 70 zu erläutern, wobei der Pfad P₁' den sich ändernden Spannungswert an dem Anschluss V_RAMP der 3 und 5 darstellt.
Wenn wir in Bezug auf die Abbildung aus 5 annehmen, dass dem Rückstellanschluss RESET des Zählers 80 nur ein positiver Impuls (z. B. 12 Volt) zugeführt worden ist, wird die Spannung an dem Anschluss V_RAMP auf 5 Volt zurückgesetzt, wie dies auf der Y-Achse von 4 dargestellt ist. Und wenn wir weiter annehmen, dass der gefaltete Rampenstrom I_F von der Stromquelle 90 gleich –I_C ist (d. h. der Transistor 114 wird als eingeschaltet vorgespannt), beginnt die Spannung an dem Anschluss V_RAMP mit der Entladung, wie dies in der Abbildung aus 4 als Element A dargestellt ist.
Die Vergleichsschaltung 70 weist einen Höchstspannungs-Komparator 72, einen Mindestspannungs-Komparator 74, einen Rückstelltransistor 76 und einen herkömmlichen quergekoppelten Signalspeicher 78 auf. Wenn die Spannung an dem Anschluss V_RAMP an der Rampenkapazität C_RAMP unter V_MIN entladen wird, gibt der Komparator 74 eine logische Eins an den Signalspeicher 78 aus, der in der Folge eine logische Null an einen Eingang eines UND-Gatters 84 ausgibt. Zu diesem Zeitpunkt wird angenommen, dass es sich bei einem anderen Eingang in das UND-Gatter 84 von der Leitung 62 um eine logische Eins handelt, so dass die logische Null aus dem Signalspeicher 78 bewirkt, dass das UND-Gatter 84 eine logische Null an den Gate-Anschluss des Transistors 114 ausgibt, so dass der Transistor 114 ausgeschaltet wird.
Wenn der Transistor 114 ausgeschaltet ist, ändert sich der gefaltete Rampenstrom I_F von der Stromquelle 90 von -I_C zu +I_C, dem Strom durch den Transistor 108. Wie dies in der Abbildung aus 4 als Schenkel B des Pfads P₁' dargestellt ist, beginnt der gefaltete Rampenstrom I_F die Rampenkapazität C_RAMP zu laden, wodurch die Spannung an dem Anschluss V_RAMP erhöht wird.
Wenn die Spannung an dem Anschluss V_RAMP als nächstes die Spannung an dem Anschluss V_RAMP (in diesem Fall 5 Volt) übersteigt, gibt der Komparator 72 als nächstes eine logische Eins an den Signalspeicher 78 aus, wodurch bewirkt wird, dass der Signalspeicher 78 eine logische Eins an den Transistor 114 ausgibt. Als Folge dessen leiten der Transistor 114 und der Transistor 112 doppelt so viel Strom (2I_C) wie der Transistor 108 (I_C), so dass der gefaltete Rampenstrom I_F der Stromquelle 90 zu -I_C zurückkehrt. Die Rampenkapazität C_RAMP beginnt in der Folge mit der Entladung, was zu einer konstanten Reduzierung der Spannung an dem Anschluss V_RAMP führt, was in der Abbildung aus 4 als Schenkel C des Pfads P₁' dargestellt ist.
Solange ein Rampenstrom I_RAMP durch die Leitung 92 existiert, gibt es einen gefalteten Rampenstrom I_F, der die Rampenkapazität C_RAMP entweder lädt oder entlädt. In dem Falle des Pfads P₁' zeigt die Spannung an dem Anschluss V_RAMP der Rampenkapazität C_RAMP die zweifache Entladung auf 1 Volt (Schenkel A und C) und die zweifache Ladung auf 5 Volt (Schenkel B und D).
Der Zähler ist an der Leitung UNDER L, wodurch "unter niedrig" angezeigt wird, mit der Vergleichsschaltung 70 verbunden, wodurch angezeigt wird, dass die Spannung an dem Anschluss V_RAMP unter der Mindestspannung an dem Anschluss V_MIN liegt. Die Impulse unter niedrig auf der Leitung UNDER L an den Zähler 80 ermöglichen es dem Zähler 80, die Anzahl der Änderungen der Rampenspannung an dem Anschluss V_RAMP mit Übergängen von negativ zu positiv zu zählen, wodurch die Anzahl der "Faltungen" angezeigt wird. Sobald der von dem Zähler 80 empfangene Zählwert einen vorbestimmten Wert überschreitet, gibt der Zähler 80 eine logische Null auf der Ausgangsleitung 62 an den Transkonduktanz-Verstärker GM2 und das UND-Gatter 84 aus.
Die Abbildung aus 6 entspricht der Abbildung aus 4 dahingehend, dass die Abbildung aus 6 ein Beispiel veranschaulicht, wobei die Spannung an der Rampenkapazität C_RAMP viermal gefaltet wird. Die Spannung V_RAMP an der Rampenkapazität C_RAMP wechselt von 5 Volt zu 1 Volt und danach von 1 Volt zu 5 Volt, wie dies vorstehend in Bezug auf die Abbildung aus 4 beschrieben worden ist. Jedes Mal, wenn die Spannung von negativ in positiv übergeht, gibt der Komparator 74 der Vergleichsschaltung 70 einen positiven Impuls auf der Leitung UNDER_L aus. Die positiven Impulsinkremente des Zählwerts werden in dem Zähler 80 gespeichert.
In dem Beispiel aus der Abbildung aus 6 ist der Zähler 80 so konfiguriert, dass er eine logische Null auf der Leitung 62 ausgibt, nur nachdem der Zählwert zwei entspricht. Solange der Zählwert anders ausgedrückt "unter" zwei liegt, gibt der Zähler 80 eine logische Eins als das Signal UNDER auf der Leitung 62 aus.
Wenn der Rampenstrom I_RAMP für eine bestimmte Eingangsfrequenz deutlich zu gering ist, ist auch der gefaltete Rampenstrom I_F der Stromquelle 90 zu niedrig. In einem derartigen Fall erreicht der Zähler 80 während einer Periode des Eingangssignals keinen Zählwert von zwei. In einem derartigen Fall gibt der Zähler eine logische Eins auf der Leitung 62 auf, wodurch GM2 deaktiviert wird, so dass GM2 nicht auf dessen positive und negative Eingänge anspricht, sondern stattdessen den maximalen Ausgangsstrom von zum Beispiel 10 uA ausgibt. Wenn der Ausgangsstrom I_OUT somit deutlich niedriger ist als wie dies für eine bestimmte Eingangsfrequenz geeignet ist, gibt der Transkonduktanz-Verstärker GM2 einen maximalen Strom zum Laden der Vorkapazität C_CB aus.
Wenn der Wert des Ausgangsstroms I_OUT (und somit des Rampenstroms I_RAMP) ansteigt und mehr der Eingangsfrequenz entspricht, nimmt die Übergangszeit der Rampenspannung an dem Anschluss V_RAMP weiter ab, bis der Zähler einen Zählwert von zwei vor dem Ende der einen Periode T_INPUT des Eingangssignals erreicht. Dieser Fall ist in der Abbildung aus 6 dargestellt. Sobald der Zähler 80 einen Zählwert von zwei erreicht, gibt der Zähler 80 eine Null auf der Leitung 62 aus, wodurch der Transkonduktanz-Verstärker GM2 aktiviert wird. Der Transkonduktanz-Verstärker GM2 spricht danach auf dessen invertierende und nicht-invertierende Eingänge an. Der aktive Bereich des Transkonduktanz-Verstärkers GM2 ist in der Abbildung aus 6 als "GM2 aktiv" veranschaulicht.
Sobald der GM2 aktiv ist, arbeitet der Frequenz-Strom-Wandler 50 im Wesentlichen auf die gleiche Art und Weise, wie dies vorstehend in Bezug auf den Frequenz-Strom-Wandler 10 beschrieben worden ist. Wenn am Ende der Periode T_INPUT des Eingangssignals die Rampenspannung an dem Anschluss V_RAMP höher ist als die Referenzspannung an dem Anschluss V_MAX, so entzieht der Transkonduktanz-Verstärker GM2 während der Abtastperiode T_SAM etwas Ladung von der Vorkapazität C_CB, wodurch der Rampenstrom I_RAMP gesenkt wird (und folglich der gefaltete Rampenstrom I_F gesenkt wird). Wenn sich GM2 im Gegensatz dazu in dem aktiven Bereich befindet und die Rampenspannung an dem Anschluss V_RAMP am Ende der Periode T_INPUT unterhalb der Referenzspannung an dem Anschluss V_MAX liegt, so gibt der aktive Transkonduktanz-Verstärker GM2 Strom aus, um die Vorkapazität C_CB während der Abtastperiode T_SAM durch das Abtastgatter 30 zu laden.
Unter Verwendung eines Faltfaktors von vier erhöht das in Bezug auf die Abbildung aus 6 beschriebene Ausführungsbeispiel die effektive Kapazität der Rampenkapazität C_RAMP um einen Faktor von vier. Natürlich kann die Spannung an der Rampenkapazität C_RAMP beliebig oft gefaltet werden. Die Abbildung aus 7 zeigt zum Beispiel verschiedene Kurvenformen, die der gefalteten Rampenkapazität 60 in einem Ausführungsbeispiel zugeordnet sind, das die Spannungsänderung insgesamt an der Rampenkapazität C_RAMP mit zweiunddreißig multipliziert.
Während der Abtastperiode T_SAM aus 7 ist die Spannung an dem Anschluss V_RAMP etwas niedriger als die Referenzspannung an dem Anschluss V_MAX. Als Folge dessen sieht der Transkonduktanz-Verstärker GM2 einen Ausgangsstrom an die Vorkapazität C_CB vor, wodurch die Vorspannung an dem Anschluss V_CCB erhöht wird.
Während dem folgenden Rückstellimpuls setzt danach die positive Rückstellspannung an dem Gate-Anschluss des Transistors 76 der Vergleichsschaltung 70 (siehe 5) die Spannung an dem Anschluss V_RAMP auf die Spannung an dem Anschluss V_MAX zurück. Nach der Rücksetzung geht die Spannung V_RAMP zwischen der Spannung an dem Anschluss V_MAX und der Spannung an dem Anschluss V_MIN ungefähr 32 Mal vor dem nächsten Abtastimpuls über.
In dem in der Abbildung aus 7 dargestellten Fall wäre der Zähler 80 so konfiguriert, dass der GM2 nach einem Zählwert von 16 aktiviert werden würde. Wenn der Zähler 80 keine 16 Übergänge von negativ auf positiv zwischen den Eingangsimpulsen erfasst hätte, würde der Zähler 80 eine logische Eins auf der Leitung 62 ausgeben, wodurch angezeigt wird, dass der Zähler "darunter" liegt, wodurch bewirkt wird, dass der Transkonduktanz-Verstärker GM2 den maximal verfügbaren Strom an die Vorkapazität C_CB ausgibt.
Wenn der gefaltete Rampenstrom I_F im Verhältnis zu der Eingangsfrequenz viel zu groß wäre, würden die Übergänge der Rampenspannung an dem Anschluss V_RAMP deutlich schneller erfolgen, wodurch bewirkt wird, dass der Zähler 80 seinen maximalen Zählwert deutlich vor dem Ende der Periode T_INPUT erreicht und den Transkonduktanz-Verstärker GM2 aktiviert. Wenn dies eintritt, wird das Signal von dem Zähler 80 auf der Leitung 62 niedrig, wodurch bewirkt wird, dass das UND-Gatter 84 den Transistor 114 deaktiviert, wobei in der Folge die Faltwirkung der gefalteten Rampenkapazität 60 deaktiviert wird. Als Folge dessen steigt die Spannung an dem Anschluss V_RAMP weiter über die Referenzspannung an dem Anschluss V_MAX an (auf eine maximale Spannung von z. B. 4 Volt über V_MAX oder 9 Volt), wie dies in der Abbildung aus 6 dargestellt ist. Der Transkonduktanz-Verstärker GM2 gibt daraufhin einen Strom aus, um den Rampenstrom I_RAMP im Wesentlichen auf die gleiche Art und Weise zu senken, wie dies vorstehend in Bezug auf die Abbildung aus 3 beschrieben worden ist. Nach einer Mehrzahl von Perioden des Eingangssignals entspricht die Endspannung an dem Anschluss von V_RAMP nach einer einzelnen Eingangsperiode T_INPUT genau der Spannung an dem Anschluss V_MAX.
Bei der Abbildung aus 8 handelt es sich um eine Prinzipskizze eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung – eines Frequenz-Strom-Wandlers 150 – wobei die Beruhigungszeit der Ausgangsstroms I_OUT durch das Hinzufügen eines regelbaren Stromgenerators 200 und zugeordneter Schaltkreisanordnung verbessert wird. Die Prinzipskizze aus 8 ist der Abbildung aus 3 ähnlich, wobei übereinstimmende Elemente mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind.
Eine gefaltete Rampenkapazität 160 ist über eine GM-Freigabeleitung GM_EN mit einem Transkonduktanz-Verstärker GM3 und über einen Stromauswahlbus I_SEL mit dem Stromgenerator 200 verbunden, wobei der Bus die Leitungen CNT < 8, 8 ≤ CNT < 12, 12 ≤ CNT < 16, 17 < CNT ≤ 20 und CNT > 20 (dargestellt in 9) aufweist.
Bei der Abbildung aus 9 handelt es sich um eine Prinzipskizze einer gefalteten Rampenkapazität 160, die der gefalteten Rampenkapazität 60 aus 5 entspricht, wobei übereinstimmende Elemente mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind. Wenn der in einem Zähler 180 gespeicherte Zählwert kleiner ist als acht, gibt der Zähler 180 eine logische Eins auf der Leitung CNT < 8 des Busses I_SEL aus. Wenn der gespeicherte Zählwert in ähnlicher Weise zwischen acht und elf, zwölf und fünfzehn, achtzehn und zwanzig oder über einundzwanzig liegt, gibt der Zähler 180 eine logische Eins auf der entsprechenden Leitung 8 ≤ CNT < 12, 12 ≤ CNT < 16, 17 < CNT ≤ 20 und CNT > 20 aus. Wenn der gespeicherte Wert gleich sechzehn oder siebzehn ist, gibt eine logische Eins auf der Leitung GM_EN den Transkonduktanz-Verstärker GM3 zur Funktion in dem aktiven Modus frei, wie dies vorstehend für den Transkonduktanz-Verstärker GM2 in Bezug auf die Abbildung aus 6 beschrieben worden ist.
Der Stromgenerator 200 aus 8 wird herkömmlich so konfiguriert, dass er einen Strom mit folgendem Wert erzeugt:

1. 1 mA, wenn die Spannung an der Leitung CNT < 8 eine logische Eins darstellt;
2. 100 μA, wenn die Spannung an der Leitung 8 ≤ CNT < 12 eine logische Eins darstellt;
3. 10 μA, wenn die Spannung an der Leitung 12 ≤ CNT < 16 eine logische Eins darstellt;
4. –100 μA, wenn die Spannung an der Leitung 17 < CNT ≤ 20 eine logische Eins darstellt; und
5. –1 mA, wenn die Spannung an der Leitung CNT > 20 eine logische Eins darstellt.

Bei einer derartigen Konfiguration schwankt der zum Laden und Entlade der Vorkapazität C_CB in dem Frequenz-Strom-Wandler 150 verwendeten Strom abhängig von dem in dem Zähler 180 gespeicherten Zählwert. Das heißt, wenn die Spannung an dem Anschluss V_CCB verhältnismäßig weit von der erforderlichen Spannung entfernt ist, um den korrekten Ausgangsstrom I_OUT vorzusehen, wird der Lade- oder Entladestrom erhöht, der zur Berichtigung der Spannung an dem Anschluss V_CCB verwendet wird. Wenn sich die Spannung an dem Anschluss V_CCB danach der geeigneten festen Spannung V_FIXED während der Abtastperiode T_SAM nähert, nimmt der Lade- oder Entladestrom ab. Auf diese Weise verbessert der Frequenz-Strom-Wandler 150 die Beruhigungszeit des Rampenstroms I_RAMP, während gleichzeitig die Stabilität aufrechterhalten wird.
Die Frequenz-Strom-Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung sind nicht auf die vorstehend beschriebenen speziellen Anwendungen beschränkt. In einem Ausführungsbeispiel wird das Abtastgatter 31 aus 3 zum Beispiel dadurch weggelassen, dass die Leitung SAMPLE direkt mit dem Gate-Anschluss des Transistors 104 verbunden wird, und durch einen zusätzlichen Eingang (nicht abgebildet) des UND-Gatters 84 in den Gate-Anschluss des Transistors 114. Ferner können die Frequenz-Strom-Wandler, die nicht das Ausmaß der Präzision erfordern, das durch den "aktiven" analogen Modus des zweiten Ausführungsbeispiels vorgesehen wird, sich nur auf den in dem Zähler 80 gespeicherten Zählwert verlassen, um den Wert des Ausgangsstroms zu bestimmen. Der Umfang der vorliegenden Erfindung ist somit nicht auf die Beschreibung der bevorzugten und hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.

Claims

Frequenz-Strom-Wandler, der folgendes umfasst: einen Eingangsknoten zum Empfang eines Eingangssignals mit einer Eingangsfrequenz; einen Abtast-Timer (12), der mit dem Eingangsknoten verbunden ist, wobei der Abtast-Timer dazu dient, ein Abtastsignal an einem Abtastanschluss und ein Rückstellsignal an einem Rückstellanschluss zu empfangen; eine Rampenkapazitätsschaltung (20) mit einer Rampenkapazität, wobei die Rampenkapazität einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist, wobei der zweite Anschluss als Reaktion auf das Rückstellsignal von dem Abtasttimer umschaltbar mit einer ersten Bezugsspannung verbunden wird; einen Transkonduktanz-Verstärker (GM1) mit einem Eingangsanschluss, der mit dem zweiten Anschluss der Rampenkapazität verbunden ist, und einem Ausgangsanschluss, wobei der Transkonduktanz-Verstärker einen Ausgangsstrom an dem Ausgangsanschluss vorsieht; ein Abtastgatter (30) mit einem ersten Strombehandlungsanschluss, der mit dem Ausgangsanschluss des Transkonduktanz-Verstärkers verbunden ist, wobei ein Steueranschluss mit dem Abtastanschluss des Abtast-Timers verbinden ist, und mit einem zweiten Strombehandlungsanschluss, wobei das Abtastgatter als Reaktion auf das Abtastsignal einen leitfähigen Weg zwischen den ersten und zweiten Strombehandlungsanschlüssen vorsieht; eine Strom-Vorspannungs-Kapazität (C_CB) mit einem ersten Anschluss, der mit dem zweiten Strombehandlungsanschluss des Abtastgatters verbunden ist, und einem mit einer zweiten Bezugsspannung verbundenen zweiten Anschluss; und einen Spannungs-Strom-Umwandler (34) mit einem Steueranschluss, der mit dem ersten Anschluss der Strom-Vorspannungs-Kapazität verbunden ist, wobei der Spannungs-Strom-Umwandler einen Rampenstrom vorsieht, der proportional zu einem Spannungswert an dem Steueranschluss des Spannungs-Strom-Umwandlers ist.
Wandler nach Anspruch 1, wobei der Wandler ferner einen zweiten Spannungs-Strom-Umwandler (36) mit einem Steueranschluss umfasst, der mit dem ersten Anschluss der Strom-Vorspannungs-Kapazität verbunden ist und einen Stromausgangsanschluss aufweist, wobei der zweite Spannungs-Strom-Umwandler einen Ausgangsstrom an dem Ausgangsanschluss vorsieht, wobei der Ausgangsstrom proportional zu einem Spannungswert an dem ersten Anschluss der Strom-Vorspannungs-Kapazität ist.
Wandler nach Anspruch 1, wobei das Ausgangssignal von dem Transkonduktanz-Verstärker (GM1) eine Amplitude aufweist, die proportional zu der Amplitude des Spannungswertes an dem Eingangsanschluss des Transkonduktanz-Verstärkers ist.
Wandler nach Anspruch 1, wobei der Eingangsanschluss des Transkonduktanz-Verstärkers (GM1) einen Anschluss eines ersten oder zweiten differentiellen Eingangsanschlusses darstellt, und wobei der andere Anschluss der ersten und zweiten differentiellen Eingangsanschlüsse mit einer festen Spannung verbunden ist.
Wandler nach Anspruch 1, wobei die Rampenkapazitätsschaltung (20) ferner folgendes umfasst: eine Stromquelle (90) mit einem ersten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss der Kapazität verbunden ist, und mit einem zweiten Anschluss, wobei die Stromquelle dazu dient, die Kapazität wechselweise zu laden und zu entladen; und eine Vergleichsschaltung (70) mit einem ersten Eingangsanschluss, der mit einer ersten Bezugsspannung verbunden ist, einem zweiten Eingangsanschluss, der mit einer zweiten Bezugsspannung verbunden ist, und einem Ausgangsanschluss, der mit dem zweiten Anschluss der Stromquelle verbunden ist, wobei die Vergleichsschaltung eine erste Ausgabe an dem Ausgangsanschluss vorsieht, wenn die Spannung an dem ersten Anschluss der Kapazität über die erste Bezugsspannung ansteigt, wodurch bewirkt wird, dass die erste Bezugsspannung die Rampenkapazität entlädt, und wobei eine zweite Ausgabe an dem Ausgangsanschluss vorgesehen wird, wenn die Spannung an dem ersten Anschluss der Rampenkapazität unter die zweite Bezugsspannung sinkt, wodurch bewirkt wird, dass die Stromquelle die Rampenkapazität lädt.
Wandler nach Anspruch 5, ferner mit einem Zähler (80) mit einem Eingangsanschluss, der mit der Vergleichsschaltung verbunden ist, wobei der Zähler einen Zählwert vorsieht, der die Anzahl der Lade- und Entladevorgänge der Kapazität darstellt.
Wandler nach Anspruch 6, wobei der Zähler (80) ferner einen Ausgangsanschluss umfasst, und wobei der Zähler so konfiguriert ist, dass er ein Ausgangssignal an dem Ausgangsanschluss vorsieht, das anzeigt, wenn der Zählwert unterhalb einer ausgewählten Ziffer liegt.
Wandler nach Anspruch 7, wobei der Transkonduktanz-Verstärker (GM1) ferner einen Eingangssignal-Prioritätsanschluss umfasst, der mit dem Ausgangsanschluss des Zählers verbunden ist, und wobei der Transkonduktanz- Verstärker so konfiguriert ist, dass ein maximaler Ausgangsstrom vorgesehen wird, wenn das Ausgangssignal an dem Ausgangsanschluss des Zählers anzeigt, dass der Zählwert unterhalb einer ausgewählten Ziffer liegt.
Verfahren zur Umwandlung einer Frequenz eines im Wesentlichen periodischen Eingangssignals in einen Bezugsstrom mit einem Wert, der proportional zu der durchschnittlichen Dauer des Eingangssignals ist, wobei das Verfahren folgendes umfasst: Laden einer Rampenkapazität auf einen ersten Bezugsspannungswert als Reaktion auf eine Flanke des Eingangssignals; Ändern des Spannungswertes an der Rampenkapazität unter Verwendung eines Stromwertes, der eine Funktion des Stromsteuersignals darstellt, das die Frequenz anzeigt; und nach dem Schritt des Änderns des Spannungswertes an der Rampenkapazität: Vergleichen des Spannungswertes an der Rampenkapazität mit einem zweiten Bezugsspannungswert, und basierend auf den Ergebnissen des Vergleichs, anpassen des Stromsteuersignals, sodass der Stromwert geregelt wird, der zur Änderung des Spannungswertes an der Rampenkapazität verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Verfahren ferner den Schritt des Umwandelns der Spannung an der Bezugskapazität in einen Strom umfasst, der proportional zu der Spannung an der Bezugskapazität ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt des Vergleichens das konstante Aufrechterhalten des Spannungswertes über die Rampenkapazität während der Abtastdauer umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt des Änderns des Spannungswertes an der Rampenkapazität das wechselweise Laden und Entladen des Rampenkondensators aufweist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die ersten und zweien Bezugsspannungswerte identisch sind.
Frequenz-Strom-Wandler, der eine Schaltung (20) umfasst, die zurückgesetzt wird, wenn eine Flanke der Eingangsfrequenz empfangen wird, wobei die genannte Schaltung folgendes umfasst: eine Rampenkapazität mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss; eine Stromquelle (90) mit ersten und zweiten Anschlüssen, wobei der erste Anschluss mit dem ersten Anschluss der Rampenkapazität verbunden ist, wobei die Stromquelle dazu dient, die Kapazität wechselweise zu laden und zu entladen, wobei der Strom durch die Frequenz bestimmt wird; und eine Vergleichsschaltung (70), die folgendes aufweist: einen ersten Eingangsanschluss (V_MAX), der mit einer ersten Bezugsspannung verbunden ist; einen zweiten Eingangsanschluss (V_MIN), der mit einer zweiten Bezugsspannung verbunden ist; einen dritten Eingangsanschluss (V_RAMP), der mit dem ersten Anschluss der Kapazität verbunden ist; und einen Ausgangsanschluss, der mit dem zweiten Anschluss der Stromquelle verbunden ist; wobei die Vergleichsschaltung (70) eine erste Ausgabe an dem Ausgangsanschluss vorsieht, wenn die Spannung an dem ersten Anschluss der Kapazität über die erste Bezugsspannung steigt, wodurch bewirkt wird, dass die Stromquelle die Kapazität entlädt, und wobei eine zweite Ausgabe an dem Ausgangsanschluss vorgesehen wird, wenn die Spannung an dem ersten Anschluss der Kapazität unter die zweite Bezugsspannung sinkt, wodurch bewirkt wird, dass die Stromquelle die Kapazität lädt, wobei der durch die Frequenz bestimmte Strom gemäß der Anzahl der Lade- oder Entladevorgänge der Bereichskapazität geregelt wird.
Schaltung nach Anspruch 14, wobei die Schaltung ferner einen Zähler (80) umfasst, der einen Eingangsanschluss aufweist, der mit der Vergleichsschaltung (70) verbunden ist, wobei der Zähler einen Zählwert vorsieht, der die Anzahl der Lade- und Entladevorgänge der Kapazität darstellt.
Frequenz-Strom-Wandler, der folgendes umfasst: einen Eingangsanschluss (F_INPUT) zum Empfang eines im Wesentlichen periodischen Eingangssignals; eine Rampenkapazität (C_RAMP) mit ersten und zweiten Anschlüssen; eine Einrichtung zum Vorsehen einer ersten Bezugsspannung (V_START) an den ersten und zweiten Anschlüssen der Rampenkapazität; eine Stromeinrichtung, die mit dem ersten Anschluss der Rampenkapazität verbunden ist, wobei die Stromeinrichtung dazu dient, einen Strom (I_RAMP) zur Veränderung der Spannung an den ersten und zweiten Anschlüssen der Rampenkapazität vorzusehen, wobei der Strom durch ein Stromsteuersignal gesteuert wird, das die Frequenz anzeigt; und eine Einrichtung zum Anpassen des Stromsteuersignals als Reaktion auf den Spannungswert an der Rampenkapazität nach einem Zeitraum, der proportional zu der Dauer des Eingangssignals ist.
Frequenz-Strom-Wandler, der folgendes umfasst: einen Eingangsknoten (F_INPUT) zum Empfang eines im Wesentlichen periodischen Eingangssignals; eine Rampenkapazität (C_RAMP) mit ersten und zweiten Anschlüssen; eine Rückstellschaltung, die mit der Rampenkapazität verbunden ist, wobei die Rückstellschaltung dazu dient, die Rampenkapazität periodisch auf einen ersten Bezugsspannungswert zu ändern; einen Ausgangsstromgenerator (32, 90), der mit einem Anschluss der ersten und zweiten Anschlüsse der Rampenkapazität verbunden ist, wobei der Ausgangsstromgenerator dazu dient, einen Entladestromwert für die Rampenkapazität zu erzeugen, wobei der Entladestromwert durch ein Entladestrom-Steuersignal gesteuert wird, das die Frequenz anzeigt; und eine differentielle Schaltung (GM1, 72, 74), die mit der Rampenkapazität und einem zweiten Bezugsspannungswert verbunden ist, wobei die differentielle Schaltung dazu dient, das Entladestrom-Steuersignal als Reaktion auf einen Spannungswert an der Rampenkapazität nach einem Zeitraum anzupassen, der proportional zu der Dauer des Eingangssignals ist.