DE2828840C2 - Mittels geschalteter Kapazitäten aufgebauter integrierbarer Resonator in MOS-Technik - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen mittels geschalteter Kapazitäten aufgebauten integrierbaren Resonator in MOS-Technik in wenigstens einer Akkumulatorstufe, die eine auf Bezugspotential liegende Leitung und einen vom Akkumulatoreingang zum Akkumulatorausgang durchgehenden Signal-Längszweig aufweist, in den ein mit dem Akkumulatoreingang verbundener Längsschalter eingefügt ist, dem im Akkumulatorquerzweig einerseits ein mit Bezugspotential und andererseits mit dem Längsschalter verbundener erster Kondensator und wenigstens eine parallel zum ersten Kundensator liegende Serienschaltung aus Querschaltern und an Bezugspotential liegenden weiteren Kondensatoren nachgeschaltet ist

Eine derartige Resonatorschaltung für abgetastete Analogsignale in MOS-Technik ist beispielsweise aus dem Aufsatz »Analog Simple-Data Filters« von David L Fried (IEEE Journal of Solid-State Circuits, Seiten 302 bis 304, August 1972) bekanntgeworden. Die Informationsverarbeitung wird bei den dort angegebenen Schaltungen mittels Kapazitäten vorgenommen, die nach Art einer rekursiven Akkumulatorschaltung über getaktete Transistoren geladen bzw. miteinander verbunden werden.

F i g. 1 auf Seite 303 des obengenannten Aufsatzes zeigt das Schema einer solchen Akkumulatorstufe. Die Eingangsspannung wird über einen eingangsseitigen Schalter auf die Kapazität Q eingeprägt, während der weitere Schalter geöffnet ist Nach dem öffnen des eingangsseitigen Schalters und Schließen des weiteren Schalters erfolgt der Ladungsausgleich zwischen den Kapazitäten C_x und C₂.

In Fig.3 des obengenannten Aufsatzes ist das Schema eines MOST-Resonators mit einer aus vier Akkumulatoren bestehenden Akkumulatorstufe angegeben. Es werden hierbei die vier Akkumulatoren sukzessiv an die Kapazität C\ angeschaltet, was vier Abtastwerten pro Signalperiode bei Resonanz entspricht.

Derartige Schaltungen zeichnen sich durch die relativ einfache Realisierbarkeit in einlagiger MOS-Technologie und durch die Einfachheit des ohne Überlappungen arbeitenden Taktmusters aus.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltung der eingangs erwähnten Art derart weiterzubilden, daß auch eine Darstellung von allgemeinen Abzweigschaltungen für Filter in Ein-Lagen MOS-Technologie gewährleistet ist.

Ausgehend von einer Schaltung der eingangs angegebenen Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die den weiteren Kondensatoren zugewandten Anschlußpunkte der Querschalter über jeweils einen weiteren Schalter mit einem weiteren durchgehenden Signal-Längszweig verbunden sind, der einerseits über einen dritten Kondensator mit Bezugspotential und andererseits über einen zweiten Längsschalter mit einem weiteren Akkumulatoreingang verbunden ist, daß beide Signal-Längszweige über jeweils ein aus weiteren Längsschaltern und weiteren Kondensatoren bestehendes Laufzeitglied mit dem Ausgang bzw. mit einem weiteren Ausgang der Akkumulatoranordnung verbunden sind, daß durch den Akkumulatoreingang ein erster Eingang der Resonatoranordnung gebildet ist, daß ferner ein erstes Differenzglied vorgesehen ist, durch dessen Ausgang ein zweiter Ausgang der Resonatoranordnung gebildet ist, und dessen erster Eingang mit dem weiteren Akkumulatorausgang und dessen zweiter Eingang über ein erstes Übertragungsglied mit dem ersten Eingang der Resonatoranordnung verbunden ist, daß weiterhin durch den weiteren Akkumulatoreingang ein zweiter Eingang der Resonatoranordnung gebildet ist, und daß ein zweites Differenzglied vorgesehen ist, dessen Ausgang über ein Inverterglied mit einem ersten Ausgang der Resonatoranordnung verbunden ist,

dessen erster Eingang mit dem Akkumulatorausgang und dessen zweiter Eingang über ein zweites Übertragungsglied mit dem zweiten Eingang der Resonatoranordnung verbunden ist

Vorteilhaft ist, daß durch die er^Tindungsgemäße Schaltung jedem Eingang ein Transmissions- und ein Reflexionsausgang zugeordnet is'_ Im Resonanzfall ergibt sich in vorteilhafter Weise ein nahezu ungedämpfter Signaldurchgang mit minimaler Reflexion, während sich bei Antiresonanz eine starke Signaldämpfung in Durchgangsrichtung ergibt, die einer vollständigen Reflexion der eingangsseitig eingespeisten Energie entspricht

Nachstehend seil die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles noch näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 einen Resonator gemäß der Erfindung mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen, Fig.2 ein Taktschema für die Anordnung nach

Fig.3 ein Ersatzschaltbild für die Anordnung nach F i g. 1 und deren Kettenschaltung.

F i g. 4 ein Prinzipschaltbild für eine Anordnung nach F i g. 1 in GegentaktEchaltung,

F i g. 5 ein Schema einer Differenzstufe mit Emitterfolgern.

Die in der F i g. 1 dargestellte Schaltung in MOS-Technik enthält eine vierstellige Akkumulatorstufe, die aus einem mit dem Akkumulatoreingang EINl über einen Längsschalter Sl verbundenen Signal-Längszweig 10, der über einen ersten Kondensator Cl mit Bezugspotential verbunden ist, und vier im Akkumulatorquerzweig liegenden Serienschaltungen aus jeweils einem Querschalter S 21 bis S 24 und jeweils einem an Bezugspotential, beispielsweise Erdpotential liegenden Kondensator C2 besteht. Dem Signal-Längszweig 10 ist eine nachstehend näher angegebene Laufzeitstufe L nachgeschaltet, deren Ausgang mit dem Bezugszeichen A US 1 bezeichnet ist.

Die den Kondensatoren C 2 zugewandten Anschlußpunkte der Querschalter 521 bis S 24 sind über jeweils einen weiteren Schalter S21' bis 524' mit einem zweiten durchgehenden Signal-Längszweig 11 verbunden, der einerseits über einen Kondensator C4 mit Bezugspotential und andererseits über einen zweiten Längsschalter Sl' mit einem zweiten Akkumulatoreingang EIN 2 verbunden ist.

Der zweite Signal-Längszweig 11 ist wie der erste Signal-Längszweig 10 über ein Laufzeitglied L mit einem zweiten Akkumulatorausgang AUS2 verbunden. Beide Laufzeitglieder sind beim Ausführungsbeispiel untereinander gleich aufgebaut und enthalten jeweils zwei an Bezugspotential liegende Kondensatoren C3. Im einzelnen sind die dem Bezugspotenüal abgewandten Anschlüsse der Kondensatoren C3 einerseits über einen Schalter S31 mit dem jeweiligen Signal-Längszweig und andererseits über einen Schalter S 32 mit dem jeweiligen Akkumulatorausgang AUSi bzw. A US 2 verbunden. Der jeweils zweite Kondensator C3 eines solchen Laufzeitgliedes ist demgegenüber bezüglich der Schalter vertauscht über einen Schalter 532 mit dem Signal-Längszweig und über einen Schalter 531 mit dem Akkumulatorausgang verbunden.

Die in der F i g. 1 gestrichelt dargestellten Kapazitäten Cl bzw. C4 können bei einer Realisierung in MOS-Technologie in vorteilhafter Weise durch die Gatekapazität des Sourcefolgers und die Diffusionsgebiete der Schalttransistoren gebildet werden. Die Kapazitäten C2 sind an den Draingebieten der durch Schalttransistoren realisierten Quersdialter 521 bis 524 bzw. 52Γ bis 524' angeschlossen und bestehen aus einer Oxidkapazität und einer Kapazität des Diffusionsgebietes.

Zur Ergänzung der die vier Anschlüsse EIN1, A LtSl, EIN 2 und A US 2 aufweisenden und einen Resonator mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen darstellenden Akkumulatorstruktur zu einem Vierpolresonator ist der

ίο gleichzeitig den ersten Eingang E t der Vierpol-Resonatoranordnung darstellende Akkumulatoreingang EIN 1 über ein erstes Übertragungsglied Vl mit einem Eingang eines ersten Differenzgliedes Dl verbunden, dessen anderer Eingang dem Akkumulatorausgang AUS2 nachgeschaltet und dessen Ausgang den zweiten Ausgang A 2 des Vierpolresonators darstellt Weiterhin ist dem Akkumulatorausgang AUSi der eine Eingang eines zweiten Differenzgliedes D 2 nachgeschaltet, dessen anderer Eingang über ein zweites Übertragungsglied V2 mit dem zweiten Eingang EIN 2 der Akkumulatoranordnung und mit dem zweiten Eingang E2 der Vierpol-Resonatoranordnung verbunden ist. Der Ausgang des zweiten Differenzgliedes D2 ist über ein Inverterglied /1 mit dem ersten Ausgang A 1 der Vierpol-Resonatoranordnung verbunden.

Die zwischen den Anschlüssen der Akkumulatoranordnung und den Anschlüssen der Vierpol-Resonatoranordnung geschalteten Elemente Di, D2, Vi, V2, Ii der Koppelkreise bestehen aus ungetakteten Invertem und Differenzstufen relativ geringer Verstärkung. Dadurch ist einerseits eine hohe Grenzfrequenz erzielt und andererseits gewährleistet, daß bei Kettenschaltung von mehreren derartigen Vierpol-Resonatoranordnungen im Koppelkreis eine frequenzunabhängige Phasendrehung von 180° auftritt. Dadurch eignen sich diese Vierpole auch für die Realisierung von Tiefpässen.

In F i g. 2 ist ein Taktschema für den Betrieb der Anordnung nach F i g. 1 dargestellt. Es bedeuten in der Fig.2 Φι das Taktdiagramm für den Schalter Sl; Φι' das Taktdiagramm für den Schalter SV, Φη bzw. Φ32 die Taktmuster für die Schalter S31 bzw. S32 usw. Die Taktperiode der Schalter S1 und S1' beträgt hierbei Γι. Die Schalter S31 und 532 weisen eine gegenüber Γι verdoppelte Taktperiode 73 = 2 Ti auf und sind gegeneinander um 180° phasenverschoben und in den Schaltlücken der Schalter Sl und Sl' durchgeschaltet. Die Taktperiode T₂ der Schalter S21, S21' bis S24, S 24' beträgt 4 Ti und die ihnen zugeordneten Schaltzeiten Φ₂ι bis Φ24' sind gegeneinander jeweils um die Periodendauer Tj verschoben und liegen in den Schaltlücken der Schalter S1 und Sl'.

F i g. 3 zeigt das Schema der Verkopplung zweier in Kette geschalteter Vierpol-Resonatoren, die jeweils wie die Anordnung nach F i g. 1 eine vierstellige Akkumulatorstufe aufweisen. Die Ersatzschaltung für die Akkumulatoranordnung enthält im Längszweig zwischen dem ersten Akkumulatoreingang EINi und dem ersten Akkumulatorausgang AUSX ein eingangsseitiges Verstärkungsglied und ein ausgangsseitiges Laufzeitglied 2 T. Dementsprechend enthält auch die vom zweiten Eingang EIN2 zum zweiten Ausgang AUS2 führende Verbindung ein dem zweiten Eingang nachgeschaltetes Verstärkungsglied und ein dem Ausgang vorgeschaltetes Laufzeitglied IT Im Querzweig ist zwischen den Laufzeit- und den Verstärkungsgliedern ein weiteres Laufzeitglied angegeben, dessen Verzögerung in beiden Richtungen den Wert 2 Γ aufweist. Es ergeben sich für die Anordnung nach den F i g. 2 und 3 die folgenden

Beziehungen.

Die allgemeine Übertragungsfunktion eines Akkumulators hat die folgende Form

1-A

ι-for¹

mit A

und ζ ' =

Daraus ergibt sich für den Resonator mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen die Übertragungsfunktion

U A

1 —Ar

1-A²Z"⁴

U₁

Ά\

U_n 1-A²Z"⁴ U_n

und die relative Güte

B_rd = — arc cos

4a²-*⁴-!

\ _ 1-J

Für die Verstärkung ergibt sich die folgende Beziehung

a ■ c

1+Jt

= 1; β = (l+Jfc)Ä,

wobei a die Verstärkung der in den Signal-Längszweigen vorgesehenen Verstärkungsglieder, b die Verstärkung der Übertragungsglieder Vl bzw. V2 und c die Verstärkung der Differenzglieder Di bzw. D 2 bedeuten.

F i g. 4 zeigt ein Prinzipschaltbild einer Weiterbildung der Anordnung nach F i g. 1, bei der sich durch die Anwendung des Gegentaktpirinzips eine Vergrößerung des Dynamikbereichs sowie eine besonders starke Unterdrückung der Takteinstreuung und der harmonischen Verzerrungen zweiter Ordnung ergibt

Die Eingänge Fl* und E2* sowie die Ausgänge A 1* und A 2* des Vierpolresonators in Gegentaktschaltung nach Fig.4 enthalten jeweils einen positiv ( + ) und einen negativ (-) bezeichneten Anschluß. Der Kern der Anordnung wird durch zwei gleich aufgebaute Akkumulatorschaltungen gebildet, die im wesentlichen mit der entsprechenden Anordnung nach Fig.3 übereinstimmen und die Anschlüsse EIN 1, EINZAUS 1 und AUS 2 bzw. EINV bis AUS2' aufweisen. Die nach der Fig.3 innerhalb der Akkumulatoranordnung in den Signal-Längszweigen angeordneten Versiärker Sind bei der Gegentaktanordnung nach Fig.4 wie nachstehend ausgeführt zur Reduzierung des Schaltungsaufwandes in die äußere Beschallung der Akkumulatoranordnungen aufgenommen.

Die beiden Anschlüsse des ersten Einganges Ei* der Gegentaktanordnung sind über einen Verstärker ν 1 mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen mit den ersten Eingängen EINi bzw. EINV der Akkumulatoranordnungen verbunden. Hierbei sind die positiv (+) bezeichneten Anschlüsse der Ein- und Ausgänge der Gegentaktanordnung stets der einen, die negativ (—) bezeichneten Anschlüsse der anderen Akkumulatoranordnung zugeordnet In analoger Weise sind die beiden Anschlüsse des zweiten Einganges El* Gegentaktanordnung über einen weiteren, zwei Eingänge und zwei Ausgänge aufweisenden Verstärker ν 2 mit den zweiten Eingängen EIN 2 bzw. EIN 2' der Akkumulatoranordnungen verbunden. Dabei entsprechen die Verstärker vl und ν2 den bei der Anordnung nach Fig. 3 unmittelbar in der Akkumulatoranordnung jeweils im Signal-Längszweig angegebenen Verstärkern. Ein weiterer Verstärker Vl mit zwei Eingängen und zwei

ίο Ausgängen, der hierbei funktionell dem Elementen Vl nach Fig.3 entspricht, ist eingangsseitig mit den Anschlüssen des ersten Einganges El* der Gegentaktschaltung verbunden und mit seinem negativ bezeichneten Ausgang an den negativ bezeichneten Eingang eines

Differenzgliedes Di gelegt, dessen zweiter, positiv bezeichneter Eingang mit dem zweiten Ausgang AUS2 der einen Akkumulatorstufe und dessen Ausgang mit dem positiv bezeichneten Anschluß des zweiten Ausganges A 2* der Gegentaktschaltung verbunden ist.

Der zweite, positiv bezeichnete Ausgang des Verstärkungsgliedes Vl ist über den negativen Eingang und den Ausgang eines weiteren Differenzgliedes DV mit dem negativ bezeichneten Anschluß des zweiten Ausganges A 2* der Gegentaktschaltung verbunden.

Der positive Eingang des Differenzgliedes DV ist mit dem zweiten Ausgang AUS2* der zweiten Akkumulatoranordnung verbunden. Dem zweiten Eingang E2* ist weiterhin ein zwei Eingänge und zwei Ausgänge aufweisendes zweites Verstärkungsglied V2 nachgeschaltet, dessen negativ bezeichneter Ausgang an den negativ bezeichneten Eingang eines zweiten Differenzgliedes D 2 gelegt ist, dessen Ausgang mit dem positiv bezeichneten Anschluß des ersten Ausganges Λ 1* der Gegentaktschaltung verbunden ist Der weitere, positi-

ve Eingang des zweiten Differenzgliedes D 2 ist unmittelbar dem ersten Ausgang AUSi der einen Akkumulatorstufe nachgeschaltet. Der positiv bezeichnete Ausgang des Verstärkungsgliedes V2 ist mit dem negativen Eingang eines weiteren Differenzgliedes D 2'

verbunden, dessen zweiter, positiver Eingang an den Ausgang AUSi* der zweiten Akkumulatorstufe gelegt und dessen Ausgang unmittelbar mit dem positiv bezeichneten Anschluß des ersten Ausganges A 1* der Gegentaktschaltung verbunden ist

Die Takteinstreuung bei der Resonanzfrequenz liegt bei der Eintaktausführung bereits bei etwa 6OdB Abstand zum Signal und kann durch die Gegentaktschaltung auf mehr als 70 dB Abstand erhöht werden. Die Gegentaktschaltung ist auch wegen der Unterdrük-

kung von Harmonischen von Vorteil und es ergibt sich außerdem eine höhere Stabilität durch Verringerung vor. Drift-Einflüsser.. Als Schaltelemente sind einstufige Differenzglieder mit nachgeschaltetem Emitterfolger vorteilhaft zu verwenden.

Fig.5 zeigt das Schema einer Differenzstufe mit Emitterfolgern wie sie beispielsweise bei der Anordnung nach Fig.4 ausgebildet sein kann. Die in MOS-Technik ausgebaute Differenzstufe enthält einen Differenzverstärker, der mit in MOS-Technik aufgebauten Arbeitswiderständen beschaltet ist, und dessen Eingänge mit E+ und E— und dessen Ausgänge mit A+ und A— bezeichnet sind. Am Anschluß U_B Hegt die Betriebsspannung, während die Anschlüsse Uh\ und Un2 mit konstanten Hilfsspannungen beaufschlagt sind.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Mittels geschalteter Kapazitäten aufgebauter integrierbarer Resonator in MOS-Technik mit wenigstens einer Akkumulatorstufe, die eine auf Bezugspotential liegende Leitung und einen vom Akkumulatoreingang zum Akkumulatorausgang durchgehenden Signal-Längszweig aufweist, in den ein mit dem Akkumulatoreingang verbundener Längsschalter eingefügt ist, dem im Akkumulatorquerzweig einerseits ein mit Bezugspotential und andererseits mit dem Längsschalter verbundener erster Kondensator und wenigstens eine parallel zum ersten Kondensator liegende Sereinschaltung aus Querschaltern und an Bezugspotential liegenden weiteren Kondensatoren nachgeschaltet ist, dadurch gekennzeichneΊ, daß die den weiteren Kondensatoren (C2) zugewandten Anschlußpunkte der Querschalter (S 21 bis S 24, Φ₂\ bis Φ₂₄) über jeweils einen weiteren Schalter (S2V bis 524', Φ₂ι bis Φ₂«') mit einem weiteren durchgehenden Signal-Längszweig (It) verbunden sind, der einerseits über einen dritten Kondensator (CA) mit Bezugspotential und andererseits über einen zweiten Längsschalter (SV) mit einem weiteren Akkumulatoreingang (EIN 2) verbunden ist, daß beide Signal-Längszweige (10; U) über jeweils ein aus weiteren Längsschaltern (S 3i, S32, Φ31, Φ₃₂) und weiteren Kondensatoren (C3) bestehendes Laufzeitglied (L) mit dem Ausgang (AUSi) bzw. mit einem weiteren Ausgang (AUS2) der Akkumulatoranordnung verbunden sind, daß durch den Akkumulatoreingang (ElNi) ein erster Eingang (£1) der Resonatoranordnung gebildet ist, daß ferner ein erstes Differenzglied (D \) vorgesehen ist, durch dessen Ausgang ein zweiter Ausgang (A2) der Resonatoranordnung gebildet ist, und dessen erster Eingang mit dem weiteren Akkumulatorausgang (AUS2) und dessen zweiter Eingang über ein erstes Übertragungsglied (Vl) mit dem ersten Eingang (Ei) der Resonatoranordnung verbunden ist, daß weiterhin durch den weiteren Akkumulatoreingang (EIN2) ein zweiter Eingang (E2) der Resonatoranordnung gebildet ist und daß ein zweites Differenzglied (D 2) vorgesehen ist, dessen Ausgang über ein Inverterglied (Ii) mit einem ersten Ausgang (A 1) der Resonatoranordnung verbunden ist, dessen erster Eingang mit dem Akkumulatorausgang (AUSl) und dessen zweiter Eingang über ein zweites Übertragungsglied (V2) mit dem zweiten Eingang (E 2) der Resonatoranordnung verbunden ist.

2. Mittels geschalteter Kapazitäten aufgebauter integrierbarer Resonator in MOS-Technik nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch seine Ausbildung als Gegentaktanordnung.