FR2597279A1 - Procede et circuit pour l'utilisation de condensateurs en temps partage - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE L'UTILISATION EN TEMPS PARTAGE D'ELEMENTS CAPACITIFS PROGRAMMABLES. DANS LE PROCEDE DE L'INVENTION, ON SELECTIONNE UNE PREMIERE VALEUR DE CAPACITE POUR UN ELEMENT CAPACITIF 22, 42, ON INITIALISE SA CHARGE, ON LE CONNECTE A DES NOEUDS PRESELECTIONNES D'UN CIRCUIT ELECTRONIQUE, PUIS ON LE DECONNECTE LORSQU'UN TRANSFERT DE CHARGE EST TERMINE, ON CHANGE ENSUITE LA CAPACITE DE L'ELEMENT CAPACITIF ET ON INITIALISE SA CHARGE, PUIS ON CONNECTE L'ELEMENT CAPACITIF A D'AUTRES NOEUDS PRESELECTIONNES. APPLICATION AUX FILTRES A CONDENSATEURS COMMUTES.
Description
La présente invention concerne de façon générale des systèmes
électroniques, et elle porte plus particulièrement sur un procédé pour utiliser un élément capacitif en temps
partagé entre différents noeuds d'un circuit électronique, et 5 sur des filtres à condensateurs commutés qui utilisent un tel procédé.
Dans des circuits intégrés MOS, il est souhaitable de minimiser l'aire de la puce de semiconducteur nécessaire
pour remplir une fonction donnée. A cet égard, il est généra10 lement avantageux de réduire la valeur totale de capacité incorporée sur la puce.
Le filtre à condensateurs commutés est un circuit qui utilise de façon caractéristique plusieurs condensateurs et qu'on réalise commodément sous la forme d'un circuit inté15 gré MOS. Le filtre à condensateurs commutés est un type de filtre analogique dans lequel des résistances sont remplacées par des combinaisons de condensateurs et d'éléments de commutation. Diverses configurations ont été déve]oppos précédemmen't pour ces circuits. Dans de tels circuits, les caractéristiques 20 de réponse des filtres sont habituellement déterminées par des rapports de condensateurs plutôt que par des valeurs de capacités absolues. Il est également habituel d'incorporer dans
ces circuits des amplificateurs différentiels et de réaliser les éléments de commutation des circuits avec des transistors 25 MOS à mode d'enrichissement.
Parmi les divers circuits de filtres à condensateurs commutés qui ont été développés précédemment, il en existe un appelé filtre biquadratique qui comprend deux amplificateurs différentiels connectés en intégrateurs. Le circuit de filtre 30 à condensateurs commutés biquadratiques exige de façon caractéristique l'utilisation d'au moins cinq condensateurs commutés. Les valeurs de ces condensateurs ainsi que le choix de
l'une des diverses configurations possibles des condensateurs déterminent le type de filtre (par exemple passe-haut, passe35 bas ou passe-bande) et d'autres caractéristiques du filtre.
Pour une application de filtre spécifique, fixe, on peut calculer des valeurs de capacité appropriées et on peut réaliser le circuit avec des capacités fixes. Cependant, pour une plus grande souplesse, on a montré précédemment qu'il était possible de faire varier de façon dynamique la réponse
d'un filtre à condensateurs commutés en utilisant des condensateurs variables dans le circuit.
On obtiendrait un filtre d'une très grande souplesse, pouvant être modifié de façon dynamique, si chaque condensateur 10 commuté dans un filtre biquadratique classique était variable
ou programmable sur une plage étendue de valeurs de capacité.
La réalisation d'un tel circuit dans un circuit intégré MOS nécessiterait cependant probablement une aire de puce considérable. Le problème de l'aire occupée sur la puce serait en ou15 tre compliqué par le fait qu'il est fréquemment souhaitable d'incorporer plusieurs filtres dans un circuit intégré (par
exemple pour réaliser des filtres d'ordre supérieur).
Une technique connue précédemment pour réduire le nombre de composants nécessaires pour une batterie de filtres 20 à condensateurs commutés consiste à partager l'utilisation d'un amplificateur entre un certain nombre de filtres selon une technique de multiplexage temporel, pour réduire ainsi le nombre d'amplificateurs nécessaires, ainsi que l'aire occupée sur la puce. Cette technique ne réduit cependant pas le nombre de 25 condensateurs ou la valeur totale de capacité nécessaire pour un filtre à condensateurs commutés, et elle ne procure pas non plus un filtre d'utilisation souple, pouvant être changé de
façon dynamique.
Conformément à ce qui précède, il existe un besoin
portant sur un procédé pour réduire le nombre d'éléments capacitifs nécessaires dans des circuits électroniques, et en particulier dans des circuits de filtres à condensateurs commutés.
Il existe également un besoin portant sur des circuits souples, pouvant être changés de façon dynamique, qu'on puisse incorpo35 rer commodément dans un circuit intégré MOS, et dans lesquels le
nombre d'éléments capacitifs nécessaires soit minimisé.
La présente invention procure un procédé et un circuit pour l'utilisation en temps partagé d'un élément capacitif
programmable de façon numérique, permettant de réduire le nom5 bre de condensateurs nécessaires dans un circuit électronique.
Le procédé et le circuit sont particulièrement avantageux pour l'utilisation dans des circuits de filtres à condensateurs commutés incorporés dans un circuit intégré MOS. Dans une telle application, l'invention peut conduire à une réduction de l'aire occupée sur la puce, tout en procurant simultanément un filtre d'une grande souplesse, pouvant être modifié de façon dynamique. Selon un aspect de l'invention, un élément capacitif programmable, dont la capacité peut être modifiée sous la dé15 pendance de signaux logiques numériques, est utilisé en temps partagé, ou multiplexé, en connectant séquentiellement les deux bornes de l'élément capacitif programmable à des noeuds présélectionnés d'un circuit électronique, tout en sélectionnant en
synchronisme des valeurs de capacité désirées pour l'élément 20 capacitif programmable.
Selon un autre aspect de l'invention, un circuit de filtre à condensateurs commutés de type biquadratique comprend deux éléments capacitifs programmables de façon numérique,
chacun d'eux étant connecté sélectivement d'une manière séquen25 tielle à des noeuds appropriés du circuit de filtre sous la dépendance de signaux logiques de synchronisation et de commande.
Comme il ressort du résumé précédent, un but général de l'invention est de procurer un procédé et un circuit nouveaux et perfectionnés pour un élément capacitif multiplexé. 30 L'invention sera mieux comprise à la lecture de la
description qui va suivre de modes de réalisation préférés, et
en se référant aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est un schéma de circuit fonctionnel relatif à l'art antérieur, montrant un filtre à condensateurs 35 commutés biquadratique classique; la figure 2 est un schéma fonctionnel partiellement sous forme synoptique et partiellement sous forme développee qui représente un filtre à condensateurs commutés biquadratique conforme à l'invention; la figure 3A est un schéma fonctionnel partiellement sous forme synoptique et partiellement sous forme développee qui représente un élément capacitif programmable de façon numérique qui est utilisé dans le filtre à condensateurs commutés biquadratique de la figure I; la figure 3B représente un circuit correspondant à un mode de réalisation d'un élément de commutation utilisé dans l'élément capacitif programmable de façon numérique de la figure 3A; la figure 4 représente une forme de réalisation lo15 gique pour un commutateur du type utilisé dans le filtre à condensateurs commutés de la figure 2; la figure 5 représente un ensemble de signaux illustrant le fonctionnement et les caractéristiques temporelles de base du filtre à condensateurs commutés de la figure 2; la figure 6 est un schéma de circuit fonctionnel relatif à l'art antérieur qui représente un autre mode de réalisation d'un filtre à condensateurs commutés biquadratique; la figure 7 est un schéma fonctionnel partiellement sous forme développee et partiellement sous forme synoptique 25 qui représente un autre mode de réalisation préféré d'un filtre à condensateurs commutés biquadratique conforme à l'invention, et qui est fonctionnellement similaire au circuit de la figure 6; et la figure 8 représente un ensemble de signaux illus30 trant le fonctionnement et des caractéristiques temporelles de
base du filtre à condensateurs commutés de la figure 7.
En considérant maintenant la figure 1, on voit un filtre à condensateurs commutés biquadratique de type classique. Ce filtre comprend deux amplificateurs différentiels, et 35 chacun d'eux comporte un condensateur fixe connecté entre sa
sortie et son entrée inverseuse. L'entrée non inverseuse de chaque amplificateur différentiel est connectée à la masse.
Comme il est représenté, le filtre comprend en outre sept condensateurs commutés, qu'on appelle ici les condensateurs A, C, F. G, H. I et J. Chaque borne de chacun des condensateurs commutés peut être connectée soit à la masse soit à un noeud de signal sous la dépendance de signaux d'horloge CLKe et CLKo. Les signaux CLKe et CLKo correspondent à des phases d'horloge paire et impaire ne se chevauchant pas, qui commu10 tent continuellement. On produit de façon caractéristique ces phases d'horloge avec une fréquence au moins dix fois supérieure à la fréquence la plus élevée qui est permise pour le signal ENTREE. Pour une fréquence d'horloge donnée, la caractéristique de transfert du circuit est pratiquement déterminée 15 par des rapports de capacités. Un choix de valeurs appropriées pour les condensateurs permet d'obtenir des filtres passe-bas, passe-haut, passe-bande, coupe-bande et d'autres types. Pour de nombreux filtres possibles, il n'est pas nécessaire d'in-corporer chaque type de condensateur commuté; par exemple, il 20 suffit généralement d'incorporer soit le condensateur H soit le condensateur J, mais non les deux. Par conséquent, dans le filtre à condensateurs commutés biquadratique classique du
type représenté sur la figure 1, il n'est généralement pas nécessaire d'employer plus de six condensateurs commutés.
Comme le montre également la figure 1, les éléments de commutation utilisés dans le circuit peuvent être réalisés commodément au moyen de transistors MOS à mode d'enrichissement. Du fait qu'on peut également réaliser commodément des condensateurs et des amplificateurs différentiels avec la technologie de fabrication des circuits intégrés MOS, le circuit convient pour l'incorporation dans un circuit intégré MOS. En considérant maintenant la figure 2, on voit un
schéma fonctionnel partiellement sous forme synoptique et par35 tiellement sous forme développée qui illustre un filtre à con-
densateurs commutés biquadratique conforme à l'invention, dans lequel deux condensateurs commutés seulement sont nécessaires.
Le circuit de filtre de la figure 2 est désigné de façon générale par la référence 10.
Le filtre 10 comprend un premier amplificateur différentiel 12 dont l'entrée non inverseuse est connectée à la masse. Un premier condensateur de réaction 14 est connecté entre la sortie et l'entrée inverseuse du premier amplificateur
différentiel 12.
Le filtre 10 comprend également un second amplificateur différentiel 16 dont l'entrée non inverseuse est connectée à la masse. La sortie du second amplificateur différentiel 16 est connectée à un noeud de sortie 18. Le noeud de sortie 18 fournit le signal SORTIE du circuit de filtre. Un second 15 condensateur de réaction 20 est connecté entre la sortie et
l'entrée inverseuse du second amplificateur différentiel 16.
Un premier élément capacitif programmable de façon numérique, 22, comporte une première borne 24 et une seconde' borne 26. Un circuit logique de commande et de synchronisation 20 28 fournit des signaux de sortie 30 pour commander le fonctionnement de l'élément capacitif 22. Un premier commutateur 32 comporte une borne commune 34 connectée à la première borne 24. La borne commune 34 peut être connectée sélectivement à (1) un circuit ouvert, (2) un noeud d'entrée 36 qui reçoit le 25 signal ENTREE appliqué au filtre 10, ou (3) la masse. Un second commutateur 38 comporte une borne commune 40 qui est connectée à la seconde borne 26 de l'élément capacitif 22. La borne commune 40 peut être connectée sélectivement à (1) un
circuit ouvert, (2) l'entrée inverseuse du second amplifica30 teur différentiel 16, (3) l'entrée inverseuse du premier amplificateur différentiel 12, ou (4) la masse.
Un second élément capacitif programmable de façon numérique, 42, comporte une première borne 44 et une seconde
borne 46. Le circuit logique de commande et de synchronisation 35 28 fournit des signaux de sortie 48 pour commander le fonc-
tionnement du second élément capacitif 42. Un troisième commutateur 50 comporte une borne commune 52 qui est connectée à la première borne 44. La borne commune 52 peut être connectée sélectivement à (1) un circuit ouvert, (2) la sortie du premier 5 amplificateur différentiel 12, (3) la sortie du second amplificateur différentiel 16, ou (4) la masse. Un quatrième commutateur 54 comporte une borne commune 56 qui est connectée à la seconde borne 46 de l'élément capacitif 42. La borne commune 56 peut être connectée sélectivement à (1) un circuit ouvert, 10 (2) l'entrée inverseuse du second amplificateur différentiel
16, (3) l'entrée inverseuse du premier amplificateur différentiel 12, ou (4) la masse.
Le circuit logique de commande et de synchronisation 28 fournit des signaux de sortie 58(A1) - 58(D3) pour comman15 der le fonctionnement du premier commutateur 32, du second commutateur 38, du troisième commutateur 50 et du quatrième
commutateur 54.
Les éléments du mode de réalisation préféré de la
figure 2 sont incorporés dans un circuit intégré MOS.
2 G Le premier amplificateur différentiel 12 et le second amplificateur différentiel 16 sont réalisés d'une manière classique. Dans une structure caractéristique, la fréquence de
coupure du filtre 10 est limitée par les temps de stabilisation des premiers amplificateurs différentiels. Il est donc de 25 façon générale souhaitable de minimiser le temps de stabilisation de chaque amplificateur.
Le premier condensateur de réaction 14 et le second condensateur de réaction 20 sont respectivement réalisés sous la forme d'un condensateur de valeur fixe dans le mode de réa30 lisation préféré. Dans un autre mode de réalisation, on pourrait réaliser l'un ou l'autre des condensateurs de réaction, ou les deux, sous une forme variable. Dans le circuit intégré monolithique qui contient le filtre 10, chacun des condensateurs de réaction est fabriqué à partir d'une couche de dio35 xyde de silicium intercalée entre deux couches de silicium polycristallin conducteur. Bien qu'il ne soit pas obligatoire que la capacité du premier condensateur de réaction 14 soit égale à celle du second condensateur de réaction 20, dans le mode de réalisation préféré chaque condensateur est conçu de façon à avoir une capacité de 12,8 pF. La figure 3A représente un schéma fonctionnel de l'élément capacitif 22, partiellement sous forme synoptique et partiellement sous forme développée. L'élément capacitif 22 comprend un réseau à pondération binaire de six condensateurs 10 60, 62, 64, 66, 68 et 70. Dans le mode de réalisation préféré, le condensateur 60 est conçu de façon à avoir une capacité caractéristique de 0,4 pF. Les condensateurs 62, 64, 66, 68 et sont conçus de façon à avoir des capacités caractéristiques respectives de 0,8 pF, 1,6 pF, 3,2 pF, 6,4 pF, et 12,8 pF. 15 L'élément capacitif 22 comprend en outre un autre réseau à pondération binaire de cinq condensateurs 72, 74, 76, 78 et 80. Le condensateur 72 est conçu de façon à avoir une capacité caractéristique de 0,4 pF et les condensateurs 74, 76, 78 et sont conçus de façon à avoir des capacités caractéristiques 20 respectives de 0,8 pF, 1,6 pF, 3,2 pF, et 6,4 pF. Chacun des condensateurs 60, 62, 64, 66, 68 et 70 comporte une borne qui est directement connectée à la seconde borne 26. Chacun des condensateurs 72, 74, 76, 78 et 80 comporte une borne qui est connectée à un noeud 82. Un condensateur 84 est connecté entre 25 la seconde borne 26 et le noeud 82. Le condensateur 84 est
conçu de façon à avoir une capacité caractéristique de 0,4 pF.
Chacun des condensateurs incorporés dans l'élément capacitif programmable de façon numérique 22 est fabriqué dans le circuit intégré MOS au moyen d'une couche de dioxyde de silicium 30 intercalée entre deux couches de silicium polycristallin conducteur, de la même manière que les condensateurs de réaction
14 et 20.
En considérant toujours la figure 3A, on note que vingt-deux éléments de commutation 86, 88, 90, 92, 94, 96, 35 98, 100, 102, 104, 106, 108, 110, 112, 114, 116, 118, 120, 122, 124, 126 et 128 sont connectés par paires aux autres bornes des onze condensateurs 60, 62, 64, 66, 68, 70, 72, 74, 76, 78 et 80, ce qui permet de connecter sélectivement la borne non commune de chacun de ces condensateurs soit à la masse soit à la première borne 24. Chacune des onze paires d'éléments de commutation est commandée par des signaux de sortie d'une mémoire vive 130 comprenant trois mots de onze bits. La résolution de onze bits pour l'élément capacitif 22 permet de faire apparaitre 2048 capacités différentes entre la première 10 borne 24 et la seconde borne 26. Dans l'utilisation qui est faite dans l'invention, chacun des trois mots de la mémoire vive 130 mémorise l'information de configuration d'éléments de commutation pour l'un des trois condensateurs, et chacun des trois condensateurs peut ainsi être programmé de façon numéri15 que sur une plage binaire de 2048 valeurs différentes. Dans un autre mode de réalisation, on pourrait remplacer la mémoire
vive 130 par une mémoire morte.
La figure 3B représente un circuit constituant une forme de réalisation d'un élément de commutation du type uti20 lisé dans le schéma de la figure 3A. L'élément de commutation
est constitué par un transistor MOS à canal N à mode d'enrichissement, et par un transistor à canal P à mode d'enrichissement, connectés d'une manière classique pour former une porte de transmission.
En considérant à nouveau la figure 2, on note que le circuit logique de commande et de synchronisation 28 comprend un oscillateur piloté par quartz et des bascules et des portes logiques numériques classiques. Un cristal de quartz (non représenté) est placé à l'extérieur de la puce de circuit inté30 gré MOS. Le circuit logique câblé de commande et de synchronisation 28 du mode de réalisation préféré peut être conçu et réalisé d'une manière simple et directe. Selon une variante, la fonction de commande du circuit logique de commande et de
synchronisation 28 peut être réalisée avec un contrôleur à 35 microordinateur.
La figure 4 montre une forme de réalisation logique du premier commutateur 32. Dans un circuit intégré MOS, on obtient l'état ouvert du premier commutateur 32 lorsque les signaux de sortie 58(C1) et 58(C3) du circuit logique de com5 mande et de synchronisation 28 sont tous deux à l'état logique O, ce qui place à l'état ouvert les éléments de commutation du premier commutateur 32. Le second commutateur 38, le troisième commutateur 50 et le quatrième commutateur 54 sont réalisés et
commandés de la même manière.
On va maintenant considérer la figure 5 pour décrire le fonctionnement du filtre 10 de la figure 2. La figure 5 représente un ensemble de signaux électriques illustrant le fonctionnement et les caractéristiques temporelles de base du circuit de filtre de la figure 2. Chacun des signaux représen15 te le signal de sortie logique de commande et de synchronisation qui est associé à chaque élément de commutation des commutateurs 32, 38, 50 et 54. Six phases, désignées par P1, P2, P3, P4, P5 et P6 sont nécessaires pour former une période d'échantillonnage complète pour le filtre 10. Comparativement, 20 le filtre à condensateurs commutés classique de la figure 1
n'exige que deux phases pour chaque période d'échantillonnage.
Pour un fonctionnement correct, les signaux qui commandent les éléments de commutation ne doivent pas présenter de chevauchement entre une phase et la suivante. Par conséquent, pendant 25 un court intervalle de temps au début de chaque phase, les bornes des éléments capacitifs 22 et 42 sont placées dans un état électroniquement flottant, du fait que tous les éléments de commutation des commutateurs 32, 38, 50 et 54 sont à l'état non conducteur. Peu de temps après, pendant la phase une, la première borne 44 de l'élément capacitif 42 est connectée à la sortie du premier amplificateur différentiel 12, tandis que la seconde borne 46 est connectée à la masse de façon approximativement simultanée. Par conséquent, au bout d'un temps suffisant, l'élément capacitif 42 est chargé à la tension de sortie 35 du premier amplificateur différentiel 12. Au début de la phase deux, les bornes de l'élément capacitif 22 sont à nouveau placées dans un état électriquement flottant, afin de maintenir de façon appropriée la charge aux bornes du condensateur. Ensuite, la première borne 44 est connectée à la masse tandis que la seconde borne 46 est connectée à l'entrée inverseuse du
second amplificateur différentiel 16.
Il convient de noter que le fonctionnement à deux phases qu'on vient de décrire en relation avec l'élément capacitif 42 est analogue au fonctionnement du condensateur A du 10 filtre classique de la figure 1. Plus précisément, pendant la première phase, la charge présente sur le condensateur commuté est initialisée, et pendant la phase suivante cette charge est transférée vers la capacité de réaction qui est connectée entre la sortie et l'entrée inverseuse du second amplificateur 15 différentiel. Pour comprendre le mécanisme de transfert de charge, il faut observer que la configuration de l'amplificateur différentiel est telle que cet amplificateur tente de maintenir une masse virtuelle sur son entrée inverseuse. AinÉi le fait de connecter le condensateur A, ou son équivalent, à l'entrée inverseuse du second amplificateur différentiel, provoque la décharge de la charge présente sur le condensateur A. Cependant, du fait que l'entrée inverseuse de l'amplificateur différentiel est seulement une masse virtuelle et non une masse réelle, une charge égale mais opposée est ajoutée au con25 densateur de réaction. Conformément au principe fondamental selon lequel la charge d'un condensateur -est égale au produit de la capacité par la tension aux bornes du condensateur, le changement résultant de la tension de sortie de l'amplificateur différentiel est égal à l'opposé de la tension initiale30 ment présente sur le condensateur A, multiplié par le rapport
entre la capacité du condensateur A et la capacité du condensateur de réaction.
Le temps nécessaire pour décharger le condensateur A, ou son équivalent constitué par l'élément capacitif 42, est 35 fonction de la résistance des commutateurs connectés à ses bornes. Dans le mode de réalisation préféré de la figure 2, les transistors à canal P et à canal N qu'on utilise pour réaliser le premier commutateur 32, le second commutateur 38, le troisième commutateur 50 et le quatrième commutateur 54, sont res5 pectivement conçus de façon à avoir un rapport largeur/longueur
de 50.
Une fois que le condensateur A, ou son équivalent, a été déchargé, il reste inactif dans le circuit, ne remplit aucune fonction et n'a aucun effet sur un signal quelconque du circuit. On peut donc le déconnecter des noeuds auxquels il est connecté et l'utiliser ailleurs dans le circuit. Cependant, avant de connecter le condensateur a une autre paire de noeuds
dans le circuit, il peut être souhaitable de changer sa capacité.
Comme le montrent les signaux de la figure 5, considéree en relation avec la figure 2, au début de la phase trois, la première borne 44 de l'élément capacitif 42 est déconnectée de la masse et la seconde borne 46 est déconnectée de l'entrée inverseuse du second amplificateur différentiel 16. Les signaux 20 de sortie 48 du circuit logique de commande et de synchronisation 28 provoquent alors un changement de la capacité de l'élément capacitif 42, pour lui donner une nouvelle valeur, si nécessaire. Toujours dans la phase trois, les deux bornes de l'élément capacitif 42 sont ensuite connectées à la masse. Au 25 début de la phase quatre, les bornes de l'élément capacitif 42 sont à nouveau mises en circuit ouvert; et peu de temps après la première borne 44 est connectée à la sortie du second amplificateur différentiel 16 et la seconde borne 46 est connectée à l'entrée inverseuse du second amplificateur différentiel 16. A 30 titre de comparaison avec le circuit de filtre classique de la figure 1, on note que le fonctionnement du mode de réalisation préféré de la figure 2 pendant les phases trois et quatre est analogue au fonctionnement du condensateur F. La charge présente sur le condensateur de réaction 20 35 est redistribuée ou transférée pendant la phase quatre, lorsque l'élément capacitif 42 est connecté en parallèle avec le condensateur de réaction 20, ce qui produit un autre changement de la tension à la sortie du second amplificateur différentiel 16. Une fois que la charge sur le condensateur de réaction 20 5 a atteint un état de régime permanent, l'élément capacitif 42 peut être déconnecté sans produire un changement supplémentaire de la tension à la sortie du second amplificateur différentiel 16; il en est ainsi du fait que la capacité ainsi que la charge qui est associée à cette capacité sont supprimées si10 multanément. L'élément capacitif 42 est maintenant libre et
peut être utilisé ailleurs dans le circuit de filtre.
Comme le montrent les signaux de la figure 5, dans le mode de réalisation préféré de la figure 2, pendant la phase cinq, la valeur de capacité de l'élément capacitif 42 est à 15 nouveau changée pour prendre une nouvelle valeur désirée, et la charge présente sur l'élément capacitif 42 est initialisée en connectant à la masse les deux bornes de cet élément. Pendant la phase six, d'une manière analogue au fonctionnement du ccndensateur C du filtre classique de la figure 1, les bornes 20 de l'élément capacitif 42 sont mises momentanément en circuit ouvert et, peu de temps après, la première borne 44 est connectée à la sortie du second amplificateur différentiel 16,
tandis que la seconde borne 46 est connectée à l'entrée inverseuse du premier amplificateur différentiel 12.
Conformément à ce qui précède, l'élément capacitif 42 est utilisé en temps partagé, ou multiplexé, entre différents noeuds présélectionnés du filtre 10. D'une manière similaire, et comme le montrent les signaux de la figure 5.considérés conjointement au schéma de la figure 2, le premier élé30 ment capacitif 22 est de même utilisé en tant partagé entre différents noeuds présélectionnés du filtre 10, tandis que la capacité de l'élément capacitif 22 est sélectionnée de façon numérique de la manière désirée. L'élément capacitif 42 fonctionne d'une manière analogue aux condensateurs A, F et C du 35 filtre classique, et l'élément capacitif 22 fonctionne d'une manière analogue aux condensateurs G, I et J ou H. On va maintenant décrire l'utilisation en temps partagé de capacités équivalentes à celles des condensateurs I et G. Pendant la phase trois, une première valeur de capacité correspondant à celle du condensateur I est sélectionnée pour l'élément capacitif 22, et les deux bornes de l'élément capacitif 22 sont connectées à la masse pendant une durée suffisante pour supprimer pratiquement toute charge sur l'élément capacitif 22. Au début de la phase quatre, l'élément capacitif 10 22 est placé momentanément dans un état électriquement flottant, en déconnectant ses bornes par rapport à la masse. L'élément capacitif 22 est ensuite connecté entre le noeud d'entrée 36 du filtre 10 et l'entrée inverseuse du second amplificateurdifférentiel 16, pendant une durée suffisante pour charger pratiquement l'élément capacitif 22 à la valeur de la tension présente sur le noeud d'entrée 36. Conformément à des principes fondamentaux des circuits, une charge égale mais opposée est alors ajoutée au second condensateur de réaction 20. Ensuite, pendant la phase cinq, l'élément capacitif 22 est placé 20 dans un état électriquement flottant, en déconnectant ses bornes du noeud d'entrée 36 et de l'entrée inverseuse du second amplificateur différentiel 16. Une seconde valeur de capacité correspondant à la capacité désirée pour un condensateur équivalent G est sélectionnée pour l'élément capacitif 22, et les 25 deux bornes de l'élément capacitif 22 sont connectées à la masse pendant une durée suffisante pour supprimer pratiquement tout charge sur l'élément capacitif 22. On peut voir qu'il est indifférent de changer en premier la valeur de capacité et de connecter ensuite les bornes de l'élément capacitif à la masse 30 ou d'accomplir ces opérations en ordre inverse. Chaque fois qu'une charge est enlevée de l'élément capacitif 22, cet élément est ensuite placé dans un état électriquement flottant au début de la phase six, en déconnectant ses deux bornes par rapport au noeud de masse. On voit en outre qu'on pourrait
tout aussi bien effectuer à ce moment la sélection d'une nou-
velle valeur de capacité. Pour achever le transfert de charge analogue au fonctionnement d'un condensateur G, l'élément capacitif 22 est connecté entre le noeud d'entrée 36 et l'entrée inverseuse du premier amplificateur différentiel 12 pendant une durée suffisante pour charger pratiquement l'élément capacitif 22 à la valeur de tension sur le noeud d'entrée 36, ce qui provoque le transfert vers le premier condensateur de
réaction 14, ou l'ajout à ce condensateur, d'une charge égale mais opposée, et ceci provoque un ajustement correspondant de 10 la tension de sortie du premier amplificateur différentiel 12.
Le Tableau I en annexe résume le fonctionnement précédent. On notera que le signal de sortie du filtre 10 sur le noeud de sortie 18 n'est pas valide pendant la totalité des six phases du cycle d'échantillonnage. Le signal de sortie n'est valide qu'après que des transferts de charge associés à des capacités analogues aux condensateurs A, J, F et I ont été effectués. Cette condition est obtenue à la fin de la phase quatre. Le signal de sortie reste valide pendant les phases cinq, six et la phase un du cycle d'échantillonnage suivant. 20 Cependant, le signal de sortie devient invalide pendant la phase deux de ce cycle d'échantillonnage suivant, lorsque la charge qui est associée à la capacité équivalente à celle du condensateur A est transférée vers le condensateur de réaction du second amplificateur différentiel 16. Le signal de sortie 25 reste ensuite invalide jusqu'à ce qu'une durée suffisante se soit écoulée pendant la phase quatre pour que l'opération de charge associée à l'équivalent des transferts "F" et "I" soit achevée. Un circuit échantillonneur-bloqueur classique, dont l'échantillonnage a lieu lorsque le noeud de sortie 18 fournit 30 une tension de sortie valide, peut être connecté à la sortie du filtre 10 si un signal de sortie continuellement valide,
correspondant à des données échantillonnées, est nécessaire.
Le Tableau II résume le fonctionnement du mode de
réalisation préféré lorsqu'on utilise un condensateur qui est 35 analogue au condensateur H au lieu d'être analogue au conden-
sa:euLr À. n con:paraisor. avec le foncionnememt résumé dans le Ta5'eau I, le seul chanoement réside dans la ohase deux et il ne concerne que des fermetures du premier commutateur 32 et du
second commutateur 38.
En considérant maintenant la figure 6, on voit un schéma de circuit fonctionnel d'un autre mode de réalisation d'un filtre à condensateurs commutés biquadratique à deux phases. Ce circuit présente par rapport à celui de la figure 1 la différence qui consiste en ce que le condensateur F est sup10 primé du circuit et une paire de condensateurs E sont connectés entre la sortie du filtre et l'entrée inverseuse du premier amplificateur différentiel. On a montré précédemment dans l'art antérieur qu'une paire de condensateurs commutés de valeur égale et connectés en parallèle, comme il est représenté 15 sur la figure 6 pour E1 et E2, sont équivalents à une seule capacité fixe. En pratique, il est commode de combiner le condensateur C et le condensateur E2 sous la forme d'un seul condensateur commuté. Selon la terminologie courante, on appelle circuit F un circuit du type représenté sur la figure 1, 20 tandis qu'on appelle le circuit de la figure 6 un circuit E. En considérant maintenant la figure 7, on voit un schéma fonctionnel partiellement sous forme synoptique et partiellement sous forme développée d'un autre mode de réalisation préféré d'un circuit de filtre à condensateurs commutés 25 biquadratique conforme à l'invention, et qui est fonctionnellement similaire au circuit de filtre de la figure 6. Une différence du mode de réalisation de la figure 7 par rapport à celui de la figure 2 consiste dans la connexion de l'entrée d'un circuit échantillonneur-bloqueur 132 au noeud de sortie 30 18, avec la sortie du circuit échantillonneur- bloqueur 132 connectée à une borne d'un troisième commutateur 50 modifié, de façon que la sortie du circuit échantillonneur-bloqueur 132 puisse être connectée sélectivement à la première borne 44 de l'élément capacitif 42. Le circuit échantillonneur-bloqueur 132 a pour fonction de préserver une tension de sortie valide d'un cycle d'échantillonnage jusqu'à ce que la charge de la capacité qui équivaut à El ait été initialisée pendant la
phase trois du cycle d'échantillonnage suivant.
La figure 8 montre un ensemble de signaux qui illus5 tre le fonctionnement et les caractéristiques temporelles de base du circuit de filtre de la figure 7. Comme le montrent
ces signaux, le circuit échantillonneur-bloqueur 132 échantillonne son signal d'entrée pendant la phase quatre.
Le fonctionnement du circuit de filtre de la figure 10 7 est résumé dans le Tableau III pour un filtre qui utilise l'équivalent d'un condensateur J, et il est résumé dans le Tableau IV pour un filtre qui utilise l'équivalent d'un condensateur H. On a décrit des modes de réalisation préférés de l'invention. L'homme de l'art pourra évidemment apporter divers changements au procédé et aux circuits décrits, sans sortir du cadre de l'invention. A titre d'exemple, les techniques de condensateurs multiplexés dans le temps qui sont décrites ici peuvent être appliquées à d'autres filtres bi20 quadratiques à condensateurs commutés et à des filtres d'ordre
supérieur ou inférieur.
PHASE
P1 P2 P3 P4 P5 P6
A N N E X E
TABLEAU I: CIRCUIT "F" AVEC CONDENSATEUR J
FERMETURES DES FERMETURES DES
3ième et 4ième lier et 2ième
COMMUTATEURS FONCTION COMMUTATFLIRS
A4 - B1 Initialisation C1 - D3 pour "A" A1 - B2 Transfert pour C3 - D1 "A" A1 - B1 Initialisation C3 - D3 pour "F" A3 - B2 Transfert pour C1 - D1
II F I'
A1 - B1 Initialisation C3 - D3 pour "C" A3 - B3 Transfert pour C1 - D2 "C" I
FONCTION
Initialisation pour "J" Transfert pour I i II Initialisation pour "I" Transfert pour "I" Initialisation pour "G'' Transfert pour "I G "I F. Co ru 'l
TABLEAU II: CIRCUIT "F" AVEC CONDENSATEUR H
FERMETURES DES FERMETURES DES
3ième et 4ième lier et 2ième
COMMUTATEURS FONCTION COMMUTATEURS
A4 - B1 Initialisation C1 - D3 pour "A" PHASE P1
FONCTION
Ini tialisation pour "H" P2
A1 - B2
P3
A1 - B1
Transfert pour "A" Initialisation Pour "FI' Transfert pour "F" C3 - D3 Cl - D1 Ini tiali sation pour "I" Transfert pour i1 Il
C3 - D2
Transfert pour tl H Il u, P4
A3 - B2
A1 - B1
Initialisation pour "C" Transfert pour l"C"I
C3 - D3 C1 - D2
Ini ti al i sati on pour "G" Transfert pour "G" I P6
A3 - B3
r-j Ln %O rO -j \o PHASE
P1 P2 P3 P4 P5
P6
TABLEAU III: CIRCUIT "E" AVEC CONDENSATEUR J
FERMETURES DES FERMETURES DES
3ième et 4ième lier et 2ième
COMMUTATEURS FONCTION COMMUTATEURS
A4 - B1 Initialisation C1 - D3 pour "A" A1 - B2 Transfert pour C3 - D1 "Ai A2 - B1 Initialisation C3 - D3 pour "El" A1 - B3 Transfert pour C1 - D1 "E 1" A1 - B1 Initialisation C3 - D3 pour "C+E2" A3 - B3 Transfert pour C1 D2
"C+E 2"
FONCTION Initialisation pour "Jd Transfert pour "I J" Initialisation pour "i" Transfert pour i" I Initialisation pour "tG" Transfert pour I"G 11 Po à PHASE
P1 P2 P3 P4 P5 P6
TAI FERMETURES DES 3ième et 4ième COMMUTATEURS
A4 - B1 A1 - B2 A2 - B1 A1 - B3 A1 - B1 A3 - B3
BLEAU IV: CIRCUIT "E" AVEC CONDENSATEUR H
FERMETURES DES
lier et 2ième
FONCTION COMMUTATEURS
Initialisation C1 - D3 pour "A" Transfert pour C3 - D2 "A" Initialisation C3 - D3 pour "El" Transfert pour C1 - D1 "E 1" Initialisation C3 - D3 pour "C+E2" Transfert pour C1 - D2
FONCTION
Initialisation pour "H" Transfert pour "H" Initialisation pour "I" Transfert pour I" Initialisation pour "G" Transfert pour "G" qi C + E 2 " Ln 'o -'I ru o1
Claims (7)
1. Procédé pour multiplexer un élément capacitif programmable de façon numérique (22, 42) dans un circuit électronique (10), caractérisé en ce qu'on connecte séquentiellement 5 cet élément capacitif programmable de façon numérique (22, 42) à des noeuds présélectionnés du circuit électronique (10), tout en sélectionnant de façon numérique des valeurs de capacité désirées pour l'élément capacitif (22, 42).
2. Circuit électronique comportant un ensemble de 10 noeuds de circuit, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) un élément capacitif programmable de façon numérique (22, 42); et (b) des moyens (28, 30, 32, 38, 48, 50, 54) destinés à connecter séquentiellement l'élément capacitif (22, 42) à des noeuds présélectionnés du circuit électronique (10), tout en
sélectionnant de façon numérique des valeurs de capacité désirées pour l'élément capacitif (22, 42).
3. Circuit électronique selon la revendication 2, caractérisé en ce que ce circuit est réalisé dans un circuit
intégré monolithique.
4. Circuit électronique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens (28, 30, 32, 38, 48, 50, 54) destinés à connecter séquentiellement l'élément capacitif (22, 42) à des noeuds présélectionnés du circuit électronique (10) comprend: (a) un premier ensemble de transistors MOS à mode 25 d'enrichissement, connectés en portes de transmission entre des noeuds présélectionnés du circuit électronique (10) et une borne (24, 44) de l'élément capacitif (22, 42); (b) un second ensemble de transistors MOS à mode d'enrichissement connectés en portes de transmission entre des noeuds présélectionnés du 30 circuit électronique (10) et l'autre borne (26, 46) de l'élément capacitif (22, 42); et (c) des moyens de commande (28) connectés aux électrodes de grille des premier et second ensembles de transistors MOS à mode d'enrichissement, pour faire
passer à l'état conducteur des transistors MOS sélectionnés.
5. Procédé pour utiliser en temps partagé un élément capacitif programmable de façon numérique (22) dans un circuit de filtre à condensateurs commutes (10), ce circuit de filtre à condensateurs commutés comportant un noeud d'entrée (36), un noeud de masse, un premier amplificateur différentiel 12) et un second amplificateur différentiel (16), caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: (a) on sélectionne une première valeur de capacité pour l'élément capacitif (22); (b) on connecte les deux bornes (24, 26) de l'élément capacitif (22) au noeud de masse pendant une durée suffisante pour 10 faire pratiquement disparaître toute charge présente sur l'élément capacitif (22); (c) on fait passer l'élément capacitif (22) dans un état électriquement flottant, en déconnectant du noeud de masse les deux bornes (24, 26) de l'élément capacitif; (d) on connecte l'élément capacitif (22) entre le 15 noeud d'entrée (36) et l'entrée inverseuse du second amplificateur différentiel (16), pendant une durée suffisante pour charger pratiquement l'élément capacitif (22) à la valeur de la tension présente sur le noeud d'entrée (36); (e) on fait passer l'élément capacitif (22) dans un état électriquement 20 flottant, en déconnectant les bornes (24, 26) de l'élément capacitif (22) du noeud d'entrée (36) et de l'entrée inverseuse du second amplificateur différentiel (16); (f) on sélectionne une seconde valeur de capacité pour l'élément capacitif (22); (g) on connecte au noeud de masse les deux bornes (24, 25 26) de l'élément capacitif, pendant une durée suffisante pour faire pratiquement disparaître toute charge présente sur l'élément capacitif (22); (h) on fait passer l'élément capacitif (22) dans un état électriquement flottant en déconnectant du noeud de masse les deux bornes (24, 26) de cet élément 30 capacitif (22); et (i) on connecte l'élément capacitif (22) entre le noeud d'entrée (36) et l'entrée inverseuse du premier amplificateur différentiel (12), pendant une durée suffisante pour charger pratiquement l'élément capacitif (22) à la valeur
de la tension présente sur le noeud d'entrée (36).
6. Circuit de filtre à condensateurs commutés bi-
i.adrazique co.lportant un noeud d'entrée S3O), un noeud de sortie (eS) et un noeud de masse, caractérisé en ce qu'il comprend (a) zn premier amplificateur différentiel (12) dont l'entrée non inverseuse est connectée à la masse; (b) un premier condensateur de réaction (11) connecté entre la sortie et l'entrée inverseuse du premier anmplificateur différentiel (12); (c) un second amplificateur différentiel (16) dont l'entrée non inverseuse est connectée à la masse, tandis que la sortie de ce second amplificateur différentiel (16) est connectée au '0 noeud de sortie (18) du circuit de filtre; (d) un second condensateur de réaction (20) connecté entre la sortie et l'entrée inverseuse du second amplificateur différentiel (16); (e) un premier élément capacitif programmable de façon numérique (22) ayant des première et seconde bornes (24, 26); (f) un circuit 15 logique de commande et de synchronisation (28) destiné à commander le fonctionnement du circuit de filtre (10); (g) des premiers moyens de commutation (32) qui fonctionnent sous la dépendance du circuit logique de commande et de synchronisation (28) de façon à connecter sélectivement la première borne (24) 20 du premier condensateur programmable (22) à: (1) un circuit ouvert, (2) le noeud d'entrée (36) du circuit de filtre, ou (3) la masse; (h) des seconds moyens de commutation (38) qui fonctionnent sous la dépendance du circuit logique de commande et de synchronisation (28) pour connecter sélectivement la se25 conde borne (26) du premier condensateur programmable (22) a: (1) un circuit ouvert, (2) l'entrée inverseuse du second amplificateur différentiel (16), (3) l'entrée inverseuse du premier amplificateur différentiel (12) ou (4) la masse; (i) un second élément capacitif programmable de façon numérique (42) ayant 30 des première et seconde bornes (44, 46); (j) des troisièmes moyens de commutation (50) qui fonctionnent sous la dépendance du circuit logique de commande et de synchronisation (28), de façon à connecter sélectivement la première borne (44) du second condensateur programmable à: (1) un circuit ouvert, (2) 35 la sortie du premier amplificateur différentiel (12), (3) la sortie du second amplificateur différentiel (16), ou (4) la masse; (k) des quatrièmes moyens de commutation (54) qui fonctionnent sous la dépendance du circuit logique de commande et de synchronisation (28) de façon à connecter sélectivement 5 la seconde borne (46) du second condensateur programmable (42) à: (1) un circuit ouvert, (2) l'entrée inverseuse du second amplificateur différentiel (16), (3) l'entrée inverseuse du
premier amplificateur différentiel, ou (4) la masse.
7. Circuit de filtre à condensateurs commutés bi10 quadratique selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un circuit échantillonneur-bloqueur (132) ayant une entrée et une sortie, avec l'entrée de ce circuit échantillonneur-bloqueur connectée à la sortie (18) du circuit de filtre (10), et la sortie du circuit échantillonneur-blo15 queur (132) connectée sélectivement par les troisièmes moyens
de commutation (50') à la première borne (44) du second condensateur programmable.
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