DE2247972A1 - Abfuehleinrichtung fuer kapazitaetsmatrix - Google Patents

Description

Böblingen, den 27. September 1972 gg-sn

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: RA 971 017

Abfühleinrichtung für Kapazitätsmatrix

Die Erfindung betrifft eine Abfühleinrichtung für Kapazitätsmatrizen, mit in den Kreuzungspunkten durch variable Kapazitäten verbundenen Zeilen- und Spaltenleitungen und mit an die Zeilenbzw. Spaltenleitungen anschließbarer Signalquelle und an die Spalten- bzw. Zeilenleitungen anschließbaren Abfühlverstärkern. Kapazitätsmatrizen finden beispielsweise als Codiereinrichtungen und als Tastenfelder allgemein Anwendung.

Es sind verschiedene Typen von Wandlerelementen bekannt, die in einer Matrix angeordnet und zeilen- oder spaltenweise angesteuert und entsprechend zeilen- oder spaltenweise auf das Vorhandensein von Ausgangsimpulsen abgetastet werden. Jede Zeile und Spalte definiert einen gemeinsamen, bestimmten Kreuzungspunkt, in welchem ein durch Tasten oder Druckknopf betätigter Wandler angeordnet ist. Als Wandler dienen beispielsweise variable Widerstände, Transistoren, Induktanzen und eine Vielzahl von Feldeffekt- und optischen Elementen, die eine Signaländerung bewirken. Das allen diesen Wandlern, einschließlich den kapazitiven Wandlern, anhaftende Problem besteht darin, daß ein unvollkommenes Schalten oder eine unvollkommene Zustandsänderung übersprechen und Störinterferenzen in der Matrixanordnung bewirkt. Bei einem unvollkommenen Schalter als Wandler beispielsweise, ändert sich der übergangswiderstand beim Schalten von einem hohen auf einen niedrigen Wert, während bei einem perfekten Schalter der

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übergangswiderstand eindeutig und schnell von einem extrem hohen Wert auf einen verschwindend kleinen Wert verringert wird, übliche elektrische Kontakte kommen einem idealen Schalter ziemlich nahe, es haften ihnen aber eine Anzahl bekannter mechanischer und elektrischer Probleme an.

übersprechen tritt auf, wenn an einem Kreuzungspunkt einer Matrix ein unvollkommener Schalter angeordnet ist. Bei Betätigung dieses unvollkommenen Schalters werden Spannungen aufgebaut und Reflexionen erzeugt, die bewirken, daß auch nicht selektierte Schaltwege in der Matrix Strom führen, obwohl sie eine höhere Impedanz aufweisen. Dieses Problem tritt dann besonders störend hervor, wenn Treiber- und Abfühlleitungen einer Matrix zeitverzahnt betrieben werden. Dabei werden beispielsweise die Spalten der Matrix über eine geeignete Verteilerschaltung mit Treiberimpulsen beaufschlagt, während gleichzeitig über eine weitere Verteilerschaltung die Zeilen mit geeigneten Abfüh!verstärkern verbunden werden. Es ist bekannt, daß übersprechen und Reflexionen erhöht auftreten, wenn die Eingangsimpedanz der Abfühlverstärker nicht 0 ist. Dieses Problem ist besonders akut bei Kapazitätsmatrizen, bei denen übersprechsignale mit einem Pegel von 10 % oder mehr des Treibersignals auftreten können, wenn typische Abfühlverstärker mit hoher Eingangsimpedanz verwendet werden. Bei Kapazitätsmatrizen ist man also bestrebt, die Eingangsimpedanz der Abfühlverstärker zu verringern. Es ergaben sich jedoch praktische Schwierigkeiten, die den Einsatz derartiger Verstärker verhinderten. In erster Linie wird durch Reduzierung der Eingangsimpedanz das meßbare Spannungssignal am Eingang des Verstärkers ebenfalls vermindert. Da die Matrizen insbesondere aus Platzersparnisgründen mit mög liehst kleinen, hohe Impedanzen aufweisenden Kapazitäten aufqebaut werden müssen, stehen bei den üblichen Frequenzen nur sehr geringe Ströme am Eingang des AbfühlVerstärkers zur Verfügung, und zwar unabhängig davon, ob dieser eine hohe oder eine niedrige Eingangsimpedanz aufweist. Als Abfühlverstärker für kapazitive Matrixanordnungen wurden bisher hochohmige Verstärker verwendet, da die abzufühlenden Kapazitäten eine hohe Impedanz aufweisen, nur

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geringen Strom liefern und somit nur ein schwaches Spannungssignal am Verstärkereingang hervorrufen, wenn dieser nicht hochohmig ausgebildet ist.

Niedrige Signalspannungen sind außerordentlich schwierig zu trennen und von externen Störspannungeh abzuschirmen. Außerdem verstärken die im System selbst auftretenden elektrischen Störspannungen dieses Problem. Da die erforderlichen hohen Eingangsimpedanzen der Abfühlverstärker zur Erzielung eines ausreichenden Spannungssignals erforderlich sind, müssen die Verstärker in unmittelbarer Nähe der abzufühlenden Kapazitäten angeordnet sein, da zusätzliche Kapazitäten durch abgeschirmte Verbindungskabel nicht zusätzlich zu verkraften sind. Das bedeutet, daß bei praktischen Anwendungen für jede abzuführende Kapazität ein in unmittelbarer Nähe angeordneter gesonderter Verstärker vorzusehen ist. Der damit verbundene Aufwand ist nicht zu vertreten.

Ein weiteres mit kapazitiven Wandlern verbundenes Problem besteht darin, daß sie dazu neigen, das ihnen zugeführte Treibersignal zu differenzieren. Das bedeutet, daß eine mit einem Rechteckimpuls beaufschlagte Kapazität am Ausgang zwei entgegengesetzt gerichtete Spannungsspitzen erzeugt. Die Dauer dieser Spitzen entspricht der Übergangszeit des Rechteckimpulses von 0 zu seiner maximalen Amplitude. Da bei den meisten digitalen Einrichtungen diese Übergangszeit außerordentlich kurz ist, sind auch die resultierenden Spannungsspitzen sehr kurz. Derartig kurze Signale in Verbindung mit ihrer geringen Amplitude erschweren das Abfühlen der Übergänge außerordentlich. Ein Weg zur Umgehung dieses Problems bestand in der Vergangenheit darin, daß spezielle Signale mit bestimmte Anstiegsflanken erzeugenden, Generatoren verwendet wurden. Derartige Generatoren sind aber komplizierter und aufwendiger als iroderne digitale Schaltungen und sie sind außerdem für Fehler anfälliger. Digitale Schaltungen können Rechtecksignale bei minimalen Kosten und hoher Zuverlässigkeit erzeugen. Die Übergangszeiten dieser Signale sind außerordentlich kurz. Das bedeutet, daß die (i:: oii den differenzierenden Effekt bei kanazitiven Matrixelementen

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entstehenden Stromspitzen außerordentlich kurz sind und die bereits angedeuteten Abfüh!Schwierigkeiten mit sich bringen.

Wie bereits ausgeführt, sind Abschirmungen der Zuführungsleitungen zwar wünschenswert, aber deswegen nicht möglich, da sie zusätzliche Kapazitäten und damit eine weitere Verminderung der Signalpegel am Eingang des Abfühlverstärkers hervorrufen.

Es ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, die beschriebenen Probleme und Mängel der bekannten Abfühleinrichtungen für Kapazitätsmatrizen zu beseitigen. Insbesondere soll das übersprechen und das Auftreten von Störspannungen reduziert werden.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die die Kapazitätsänderungen der variablen Kapazitäten abfühlenden Verstärker im Vergleich zur Impedanz der Kapazitäten selbst eine geringe Eingangsimpedanz aufweisende Stromverstärker sind. Insbesondere besteht die Abfüh!einrichtung darin, daß zwischen Ausgang und Eingang des Abfühlverstärkers eine Gegenkopplungskapazität angeordnet ist, die größer als die abzufühlenden Kapazitäten ist.

Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel besteht darin, daß die Signalquelle über eine Verteilerschaltung und die Abfühlverstärker über eine Verteilerschaltung an die Spalten bzw. Zeilen angeschlossen sind. In einem speziellen, vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist für jede Zeile bzw. Spalte ein Abfühlverstärker vorgesehen.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele. Es zeigen:

Fig. 1 eine Kapazitätsmatrix mit den erforderlichen An-

steuenmgsschaltungen und der erfindungsgeiväßen AIj füll 3 einrichtung,

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Fig. 2 die Schaltung einer Zeile bzw. Spalte der

Kapazitätsmatrix in Verbindung mit einem erfindungsgemäßen, niederohmigen Abfühlverstärker,

Fig. 3 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Abfühlverstärkers,

Fig. 4 Signalverlaufe am Eingang eines erfindungsgemäßen Verstärkers, wenn der Kapazitätsmatrix rechteckförmige Signalimpulse zugeführt werden und

Fig. 5 die aufgrund von Rechtecksignalimpulsen von der

erfindungsgemäßen Abfüh!einrichtung gelieferten Ausgangssignalimpulse.

Es· sei zunächst Bezug auf die Fig. 1 genommen. Hier ist ein typischer Anwendungsfall für eine erfindungsgemäße Abfüh!einrichtung dargestellt. Eine Signalquelle 1 liefert eine Impulsfolge an eine Verteilerschaltung 2. Die Verteilerschaltung 2 führt die Signale den einzelnen Spalten einer Kapazitätsmatrix 3 zu. Die Verteilerschaltung 2 kann beispielsweise aus einem Schrittschaltwerk oder aus einer Reihe von Torschaltungen bestehen. Die Zeilen der Kapazitätsmatrix sind mit einer Abfühlsignal-Verteilerschaltung 4 verbunden, die der Verteilerschaltung 2 entsprechen kann» Wie dargestellt, werden über die Abfühlsignal-Verteilerschaltung 4 die einzelnen Zeilen der Kapazitätsmatrix mit jeweils einem zugeordneten Abfühlverstärker 5 verbunden. Das heißt, jeder Verstärker 5 ist jeweils einer ganzen Zeile zugeordnet, und die Signale der Signalquelle 1 ,werden jeweils einer Spalte der Kapazitätsmatrix 3 zugeführt. Die Kapazitätsmatrix enthält m χ η kapazitive Elemente 7. Jede Spaltenleitung ist über einen Lastwiderstand P_f mit Masse verbunden, so daß aufgrund eines Ausgangssignals der Verteilerschaltung 2· sämtlichen Kapazitäten einer bestimmten Spalte ein Spannungssignal zugeführt wird. Die Ausgänge der Verstärker 5 sind an einen gemeinsamen Ausgang 6 ge-

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führt. Wird von einem der Verstärker eine Kapazitätsänderung abgefühlt, wird im Ausgang 6 ein Ausgangssignal erzeugt, das an eine nicht dargestellte Auswerteeinrichtung weitergeleitet wird.

Die kapazitiven Elemente oder Wandler 7 können beliebige veränderliche Kapazitäten sein, beispielsweise solche, wie sie in Tastenfeldern Verwendung finden. Typische Kapazitätswerte im Bereich von 2 bis IO pF treten dabei auf. Die erfindungsgemäße Abfüh!einrichtung gestattet bereits die Feststellung von Kapazitätsänderungen in der Größenordnung von einem pF. Die erforderliche niedrige Eingangsimpedanz der Verstärker wird dadurch sichergestellt, daß Gegenkopplungskapazitäten 8 vorgesehen sind.

In Fig. 2 ist ein einzelner Verstärker in Verbindung mit einer Reihe mit C. bis C bezeichneter kapazitiver Elemente 7 herausgezeichnet. Das bedeutet also, daß zu einem bestimmten Zeitpunkt jeweils eines dieser kapazitiven Elemente über die Verteilerschaltung 2 mit einem rechteckförmigen Signal beaufschlagt wird. Mit dem einen Pol sind diese kapazitiven Elemente zu einem gemeinsamen Eingang 10 des Verstärkers 5 geführt, der, wie bereits ausgeführt, mit einer Gegenkopplungskapazität 8 ausgestattet ist. Diese Gegenkopplungskapazität sei bei der nachstehenden Betrachtung mit C bezeichnet. Das jeweils einem kapazitiven Element 7 züge-

führte Signal ist mit V. bezeichnet. Das Ausgangssignal des Verstärkers für die Bezeichnung V . Ist die Eingangsimpedanz des gegengekoppelten Verstärkers niedrig, so ist die absolute Höhe der Amplitude der Ausgangsspannung V etwa gleich der absoluten Höhe der Amplitude der Eingangsspannung V, multipliziert mit dem Verhältnis der abzuführenden Kapazität C zu der Gegenkopplungskapazität C_f.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ab fühlverstärkers im einzelnen dargestellt. Die angeschlossenen ab zu EUh leriden Kapazitäten 7 weisen eine Platte D auf, der die S i gna Le ζuge f Ulir t werden . Λußerdem wα i seη sie e ine P I at. te P a u £ , über die die Kapazitätsänderungen in Form einer Stromänderung ab-

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gefühlt und dem Eingang 10 des Transistors 13 zugeführt werden. Die kapazitive Kopplung zwischen den beiden Platten D und P kann über eine bewegbare Platte 12 verändert werden. Auf diese Weise erhält man bei Kapazitätsänderungen eine entsprechende Änderung des durch den Transistor 13 fließenden Stromes. Die gestrichelt angedeutete Kapazität 9 (C ) nach Masse stellt die Ersatzkapazität der Abschirmung der Abfüh!leitungen dar.

Der Kollektorausgang des Transistors 13 mit dem Lastwiderstand 14 ist auf"die Basis eines Transistors 15 geführt, an dessen Kollektor 16 die Ausgangsspannung des Verstärkers abgenommen wird. Der Gegenkopplungskondensator 8 verbindet den Emitter des Transistors 15 mit der Basis des Transistors 13, die über die Widerstände 17, 18 und 19, wobei der Widerstand 18 durch eine Kapazität C_T nach Masse überbrückt ist, ihre Vorspannung erhält. Die Kapazität, C_R ist groß genug gewählt, um die gewählten Signalfrequenzen abzuleiten. Der Verstärker weist nicht nur eine niedrige Eingangsimpedanz auf, sondern besitzt auch eine hohe Grenzfrequenz, liefert ein verstärktes Ausgangssignal und ist für die Verarbeitung digitaler Signalverlaufe geeignet.

Der Fig. 4 sind die Auswirkungen zu entnehmen, die eintreten, ' wenn der Reihenschaltung einer Kapazität und eines relativ kleinen Widerstandes ein rechteckförmiges Signal zugeführt wird. Der kleine Widerstand ist der Ersatzwiderstand für die niedrige Eingangsimpedanz des Verstärkers. In etwas übertriebener Form ist dargestellt, daß der Rechteckimpuls in einen Impuls mit endlichen Anstiegs- und Abfallzeiten umgewandelt wird. Der Strom I durch

die Kapazität C erzeugt zwei entgegengesetzt gerichtete Stromimpulse, deren Dauer der Anstiegs- und Abfallzeit des Spannungsimpulses entspricht. In entsprechender Weise ist die an den Widerstand R abfallende Spannung eine Funktion des Stromes I und s a

zeigt denselben Verlauf. Die Anstiegs zeiten typischer Impuls-Generatoren liegen in der Größenordnung von 100 Nanosekunden und liefern die beiden dargestellten Strom- und Spannungsimpulse. Die /amplitude dieser ' ig-^ale hängt von zwei Faktoren ab. Die Amplitude

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des Stromes hängt von der Impedanz der Kapazität ab und liegt bei einer Kapazität von 2 pF und einer Spannung von 6 Volt in der

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Größe von 1,2 χ 10 A. Diese Stromamplitude ist umgekehrt proportional der Anstiegszeit des Rechteckimpulses. Wird dieser Strom einem geeigneten Widerstand von beispielsweise 10 Ohm aufgedrückt, so wird eine Spannung von 1,2 χ 10~ Volt erzeugt. Wie bereits ausgeführt, weisen diese Strom- und Spannungsimpulse keine sonderlich geringe Amplitude auf, sie haben aber eine sehr kurze Dauer und können daher leicht durch Störsignale überdeckt werden. Zur Lösung dieses Problems wird bei bekannten Abfüh!einrichtungen eine hohe Eingangsimpedanz vorgesehen, so daß Spannungssignale größerer Amplitude erzeugt werden. Außerdem wurden Signale größerer Übergangszeiten und größerer Dauer verwendet. Dieses Vorgehen hat jedoch, wie bereits diskutiert, zu anderen, größeren Problemen geführt. Die erfindungsgemäße Abfüh!einrichtung liefert Ausgangssignale, deren Form weitgehend der Form der Eingangssignale folgt. Dies ist auf den integrierenden Effekt der kapazitiven Gegenkopplung zurückzuführen. Außerdem entspricht die Dauer der Ausgangssignale weitgehend der Dauer der Eingangssignale und ist weit größer als die Dauer der am Verstärkereingang auftretenden Spannungs- und Stromimpulse gemäß Fig. 4. Auch wenn eine Signalquelle mit Signalen unterschiedlicher Anstiegs- und Abfallzeiten verwendet wird, ist der Einfluß auf die Amplitude der Äusgangsspannung V vernachlässigbar; wie durch die gestrichelten Linien angedeutet, wird dabei lediglich der Zeitpunkt verschoben, zu dem die Spitzenamplitude erreicht wird. Ohne die Verwendung des integrierenden Verstärkers würde mit kürzer werdenden Anstiegsund Abfallzeiten die Dauer der Spannungs- und Stromsignale am Eingang des Verstärkers außerordentlich verkürzt werden, was durch die gestrichelten Linien in Fig. 5 angedeutet ist. Eine siühero Abfühlung wäre dann außerordentlich schwierig.

Die Betriebsweise der crfindungsgemäßen Abfüh!einrichtung ergibt sich aus der Schallung nach Fig. 3 und den Signalverlaufen nadi den Fign. 4 und 5. Die rechteck formieren iJingangssignale können von einer unaufwendigen Signälquelle noli.dort werden. Die lOin

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und die Amplitude der Ausgangssignale hängen in erster Linie von dem mit im Absolutwert der Eingangsspannung multiplizierten Verhältnis von Kapazität in dem Kopplungspunkt der Matrix zu der Gegenkopplungskapazxtät ab. Die Ausgangssignale sind weitgehend unabhängig von den Anstiegszeiten und der Frequenz. Von den einzelnen Kapazitäten verursachte Spannungs- und Stromschwankungen werden lediglich als KapazitätsSchwankung abgefühlt. Die am Eingang des Verstärkers anstehenden Spannungspegel sind infolge der Gegenkopplung außerordentlich gering, und können unter Umständen nicht einmal feststellbar.sein. Diese Tatsache hat jedoch keinen Einfluß auf den Stromfluß. Da die Spannungssignale am Eingang des Verstärkers so schwach sind, können zusätzliche, durch eine gute Abschirmung der Abfüllleitung bewirkte Kapazitäten in Kauf genommen werden. Durch diese Abschirmung der Abfühlleitungen werden äußere Störeinflüsse weitgehend vermieden, ohne daß der Verstärker dadurch in seiner Arbeitsweise wesentlich beeinträchtigt werden würde. Die zusätzliche Kapazität bleibt ohne Einfluß, da der Spannungspegel am Eingang des Verstärkers bereits bedeutungslos gering ist. Als Ergebnis kann festgehalten werden, daß die erfindungsgemäße Abfühleinrichtung in der Lage ist, Kapazitätsänderungen in der Größenordnung von einem Pf abfühlbar sind und zwar bei Verwendung vorhandener kapazitiver Elemente und Auftreten von Signalpegeln, die bisher unüblich waren oder die sich nicht von den auftretenden Störspannungen unterscheiden ließen. Durch die Verwendung eines Verstärkers mit niedriger Eingangsimpedanz wird die anstehende Spannung abgebaut, so daß störendes über~ sprechen und Rückkopplungsprobleme in der Matrixanordnung vermieden werden können. Die erfindungsgemäße Abfühleinrichtung läßt sich mit unaufwendigen digitalen Schaltkreisen verwirklichen» Die Möglichkeit, durch gute Abschirmungen große Kapazitäten zuzulassen., ohne daß dabei andere Störeffekte auftreten würden, bringt den weiteren Vorteil mit sich, daß die Verstärker auch in größerer Entfernung von der Kapazitätsmatrix angeordnet sein können, Diese Möglichkeit führt andererseits wieder dazu, daß durch Anwendung einer zeitverzahnten Technik ein einzelner Verstärker für eine Vielzahl abzufühlender kapazitiver Elemente eingesetzt werden kann,

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Claims (1)

1. - 10 PATENTA NSPR ti C H E

   Abfühleinrichtung für Kapazitätsmatrix mit in den Kreuzungspunkten durch variable Kapazitäten verbundenen Zeilen- und Spaltenleitungen und mit an die Zeilen- bzw. Spaltenleitungen anschließbarer Signalquelle und an die Spaltenbzw. Zeilenleitungen anschließbaren Abfüh!verstärkern, dadurch gekennzeichnet, daß die die Kapazitätsänderungen der variablen Kapazitäten (7) abfühlenden Verstärker (5) im Vergleich zur Impedanz der Kapazitäten selbst eine geringe Eingangsimpedanz aufweisende Stromverstärker sind,

   Abfühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Ausgang und Eingang der Abfühlverstärker (5) eine Gegenkopplungskapazität (8) angeordnet ist, die größer als die abzufühlenden Kapazitäten (7) ist.

   Abfühleinrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalquelle (1) über eine Verteilerschaltung (2) und daß die Abfühlverstärker (5) über eine Verteilerschaltung (4) an die Spalten- bzw. Zeilen angeschlossen sind.

   Abfühleinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Zeile bzw. Spalte ein Abfühlverstärker (5) vorgesehen ist.

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