DE2828840A1

DE2828840A1 - Mittels geschalteter kapazitaeten aufgebauter integrierbarer resonator in mos-technik

Info

Publication number: DE2828840A1
Application number: DE19782828840
Authority: DE
Inventors: Hermann Dipl Ing Betzl; Ernst Dipl Ing Hebenstreit; Roland Dr Ing Schreiber
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1978-06-28
Filing date: 1978-06-30
Publication date: 1980-01-03
Also published as: GB2028616B; US4266205A; JPS558196A; JPS556700A; JPS6142451B2; GB2028616A; FR2430134A1; FR2430134B1; DE2828840C2; DE2828440A1

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA/g ρ 6 6 6 2 BRD

Mittels geschalteter Kapazitäten aufgebauter integrierbarer Resonator in MOS-Technik

Die Erfindung betrifft einen mittels geschalteter Kapazitäten aufgebauten integrierbaren 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 welchen ein mit dem Akkumulatoreingang verbundener Längsschalter eingefügt ist, welchem im Akkumulatorquerzweig ein mit Bezugspotential verbundener erster Kondensator und wenigstens eine parallel zum ersten Kondensator liegende Serienschaltung aus einem Querschalter und einem an Bezugspotential liegenden weiteren Kondensator 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 Jounal of Solid-state Circuits, Seiten 302 bis 304, August 1972) bekannt geworden. Die Informationsverarbei-

Bfk 1 Obh / 28.6.1978

909881/0487

VPA ^P 6 6 62 BRD

tung wird bei den dort angegebenen Schaltungen mittels Kapazitäten vorgenommen, die nach Art einer rekursiven Akkumulatorschaltung über getaktete Transistoren geladen bzw. miteinander verbunden werden. 5

Fig. 1 auf Seite 303 des obengenannten Aufsatzes zeigt das Schema einer solchen Akkumulatorstufe. Die Eingangsspannung wird über einen eingangsseitigen Schalter auf die Kapazität C₁ 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. und C«.

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 wei-

909881/0487

^VPA 78 P 6 6 6 2 BRD

teren Schalter miteinem weiteren durchgehenden Signal-Längszweig verbunden sind, welcher 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 erfindungsgemäße. Schaltung jedem Eingang ein Transmissions- und ein Reflexionsausgang zugeordnet ist. 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.

909881/0487

₇₈ ρ ₆₆₆ 2

Nachstehend soll die Erfindung anhand eines in der Zeich nung dargestellten Ausführungsbeispieles noch näher erläutert werden.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen Resonator gemäß der Erfindung mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen

Fig. 2 ein Taktschema für die Anordnung nach Fig. 1

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

Fig. 4 ein Prinzipschaltbild für eine Anqdnung nach

Fig. 1 in Gegentaktschaltung

Fig. 5 ein Schema einer Differenzstufe mit Emitterfolgern.

Die in der Fig. 1 dargestellte Schaltung in MOS-Technik enthält eine vierstellige Akkumulatorstufe, die aus einem mit dem Akkumulatoreingang EIN1 über einen Längsschalter S1 verbundenen Signal-Längszweig 10, der über

einen ersten Kondensator C1 mit Bezugspotential verbunden ist, und vier im Akkumulatorquerzweig liegenden Serienschaltungen aus jeweils einem Querschalter S21 bis S24 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 AUSI bezeichnet ist.

909881/0487

-^- VPA 78 P 6 5 8 2 BRD

Die den Kondensatoren C2 zugewandten Anschlußpunkte der Querschalter S21 bis S24 sind über jeweils einen weiteren Schalter S21' bis S24¹ mit einem zweiten durchgehenden Signal-Längszweig 11 verbunden, der einerseits über einen Kondensator C4 mit Bezugspotential und andererseits über einen zweiten Längsschalter S1' mit einem zweiten Akkumulatoreingang EIN2 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 Bezugspotential abgewandten Anschlüsse der Kondensatoren C3 einerseits über einen Schalter S31 mit dem jeweiligen Signal-Längszweig und andererseits über einen Schalter S32 ndfc dem jeweiligen Akkumulatorausgang AUS1 bzw. AUS2 verbunden. Der jeweils zweite Kondensator C3 eines solchen Laufzeitgliedes ist demgegenüber bezüglich der Schalter vertauscht über einen Schalter S32 mit dem Signal-Längszweig und über einen Schalter S31 mit dem Akkumulatorausgang verbunden.

Die in der Fig. 1 gestrichelt dargestellten Kapazitäten C1 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 Querschalter S21 bis S24 bzw. S2?¹ bis S24¹ angeschlossen und bestehen aus einer Oxidkapazität und einer Kapazitäx des Diffusionsgebietes.

909881/0487

28288/

VPA 78 P 6 6 6 2 BRD

Zur Ergänzung der die vier Anschlüsse EIN1, AÜS1, EIN2 und AÜS2 aufweisenden und einen Resonator mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen darstellenden Akkumulatorstruktur zu einem Vierpolresonator ist der gleichzeitig den ersten Eingang E1 der Vierpol-Resonatoranordnung darstellende . Akkumulatoreingang EIN1 über ein erstes Übertragungsglied V1 mit einem Eingang eines ersten Differenzgliedes D1 verbunden, dessen anderer Eingaig dem Akkumulatorausgang AUS2 nachgeschaltet und dessen Ausgang den zweiten Ausgang A2 des Vierpolresonators darstellt, weiterhin ist dem Akkumulatorausgang AÜS1 der eine Eingang eines zweiten Differenzgliedes D2 nachgeschaltet, dessen anderer Eingang über ein zweites Übertragungsglied V2 mit dem zweiten Eingang EIN2 der Akkumulatoranordnung und mit dem zweiten Eingang E2 der Vierpol-Resonatoranordnung verbunden ist. Der Ausgang des zweiten Differenzgliedes D2 ist über ein Inverterglied mit dem ersten Ausgang A1 der Vierpol-Resonatoranordnung verbunden.

Die zwischen den Anschlüssen der Akkumulatoranordnung und den Anschlüssen der Vierpol-Resonatoranordnung geschalteten Elemente D1,D2,V1,V2,I1 der Koppelkreise bestehen aus ungetakteten Invertern 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.

909881/0487

VPA 78 P 665 2 BRD

In Fig. 2 ist ein Taktschema für den Betrieb der Anordnung nach Fig. 1 dargestellt. Bs bedeuten in der Fig. 2 pL das Taktdiagramm für den Schalter 8Λ;$** das Taktdiagramm für den Schalter S1', 0^ bzw. tf-,? die Taktmuster für die Schalter S31 bzw. S32 usw. Die Taktperiode der Schalter S1 und S1' beträgt hierbei T₁. Die Schalter S31 und S32 weisen eine gegenüber T^ verdoppelte Taktperiode T,=2T,| auf und sind gegeneinander um 180° phasenverschoben und in den Schaltlücken der Schalter S1 und S1' durchgeschaltet. Die Taktperiode T₂ der Schalter S21, S21' bis S24, S24^f beträgt 4T^ und die ihnen zugeordneten Schaltzeiten (2L-J Ms 0L4¹ sind gegeneinander jeweils um die Periodendauer T^ verschoben und liegen in den Schaltlücken der Schalter S1 und S1'.

Fig. 3 zeigt das Schema der Verkopplung zweier in Kette geschalteter Vierpol-Resonatoren, die jeweils wie die Anordnung nach Fig. 1 eine vierstellige Akkumulatorstufe aufweisen. Die Ersatzschaltung für die Akkumulatoranordnung enthält im Längszweig zwischen dem ersten Akkumulatoreingang EIN1 und dem ersten Akkumulatorausgang AÜS1 ein eingangsseitiges Verstärkungsglied und ein ausgangsseitiges Laufzeitglied 2T. 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 2T. Im Querzweig ist zwischen den Laufzeit- und den Verstärkungsgliedern ein weiteres Laufzeitglied angegeben, dessen Verzögerung in beiden Richtungen den Wert 2T aufweis-t. Es ergeben sich für die Anordnung nach den Fig. 2 und 3 die folgenden Beziehungen.

909881/0487

VPA 7BP 6 6 δ 2 BRD

Die allgemeine Übertragungsfunktion eines Akkumulators hat die folgende Form

^UAUS 1-k _m,_{+ v} ^C2
= mit k =

^UEIN 1-kz ^Ί

und ζ'¹

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

ir¹"²	^ϋΑ2
^{15 σ}Α2 . ,	ζ Ε2
Έ^-1	1-k²z"⁴
.-2 1-k
/ι

E2
und die relative Güte

B_rel - \ a- cos

Für die Verstärkung ergibt sich die folgende Beziehung 25

^a ' ^c TTIc ^{= 1 J a =}

wobei a die Verstärkung der in den Signal-Längszweigen vorgesehenen Verstärkungsglieder, b die Verstärkung der Übertragungsglieder V1 bzw. V2 und c die Verstärkung der Differenzglieder D1 bzw. D2 bedeuten.

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

909881/0487

- y- VPA 78 P 66 62 BRD

Die Eingänge E1* und E2* sowie die Ausgänge A1* und A2* 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 ■BUH, EIN2, AUS1 und AUS2 bzw. EIN1' bis AUS2' aufweisen. Die nach der Fig. 3 innerhalb der Akkumulatoran-Ordnung in den Signal-Längszweigen angeordneten Verstärker sind bei der Gegentaktanordnung nach Fig. 4 wie nachstehend ausgeführt zur Reduzierung des Schaltungsaufwandes in die äußere Beschaltung der Akkumulatoranordnungen aufgenommen.

Die beiden Anschlüsse des ersten Einganges ET* der Gegentaktanordnung sind über einen Verstärker v1 mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen mit den ersten Eingängen EIN1 bzw. EIN1' 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 E2* der Gegentaktanordnung über einen weiteren, zwei Eingänge und zwei Ausgänge aufweisenden Verstärker v2 mit den zweiten Eingängen EIN2 bzw. EIN2¹ der Akkumulatoranordnungen verbanden. Dabei entsprechen die Verstärker v1 und v2 d^n bei der Anordnung nach Fig, 3 unmittelbar in der AHcumulatoranordnung jeweils im Signal-Längszweig angegebenen Verstärkern. Ein weiterer Verstärker V1 mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen der hierbei funktionell dem Elementen V1 nach Fig. 3 entspricht, ist eingangsseitig mit den Anschlüssen des er-

909881/0487

- vif- VPA 78 P 66 6 2 BRD

sten Eingages E1* der Gegentaktschaltung verbunden und mit seinem negativ bezeichneten Ausgang an den negativ bezeichneten Eingang eines Differenzgliedes D1 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 A2 der Gegentaktschaltung verbunden ist. Der zweite, positiv bezeichnete Ausgang des Verstärkungsgliedes V1 ist über den negativen Eingang und den Ausgang eines weiteren Differenzgliedes D1 mit dem negativ bezeichneten Anschluß des zweiten Ausganges A2 der Gegentaktschaltung verbunden. Der positive Eingang des Differenzgliedes D1¹ 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 D2 gelegt ist, dessen Ausgang mit dem positiv bezeichneten Anschluß des ersten Ausganges A1* der Gegentaktschaltung verbunden ist. Der weitere, positive Eingang des zweiten Differenzgliedes D2 ist unmittelbar dem ersten Ausgang AÜS1 der einen Akkumulatorstufe nachgeschaltet. Der positiv bezeichnete Ausgang des Verstärkungsgliedes V2 ist mit dem negativen Eingang eines weiteren Differenzgliedes D2^f verbunden, dessen zweiter, positiver Eingang an den Ausgang AUS1* der zweiten Akkumulatorstufe gelegt und dessen Ausgang unmittelbar mit dem positiv bezeichneten Anschluß des ersten Ausganges A1* 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

909881/0487

282S84Q

₇₈ ρ _{6562 BRD}

als 7OdB Abstand erhöht werden. Die Gegentaktschaltung ist auch wegen der Unterdrücklang von Harmonischen von Vorteil und es ergibt sich außerdem eine höhere Stabilität durch Verringerung von Drift-Einflüssen. 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 An-Schluß Ug liegt die Betriebsspannung, während die Anschlüsse Ujt^ und UjJ₂ mit konstanten Hilfsspannungen beaufschlagt sind.

2 Patentansprüche
5 Figuren

809881/.0487

Claims

282884Q - sr- VPA ^7B P 6 6 δ 2 BRD

Patentansprüche

( 1J 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 welchen ein mit dem Akkumulatoreingang verbundener Längsschalter eingefügt ist, welchem im Akkumulatorquerzweig ein mit Bezugspotential verbundener erster Kondensator und wenigstens eine parallel zum ersten Kondensator liegende Serienschaltung aus einem Querschalter und einem an Bezugspotential liegenden weiteren Kondensator 'nachgeschaltet ist, dadurch gekennzeichn e t , daß die den weiteren Kondensatoren (C2) zugewandten Anschlußpunkte der Querschalter (S21 bis S24, ^21 b*^s ^24^ ^ü*>er jeweils einen weiteren Schalter (S21' bis S24^f, $^21' ^bis 0^4' ^ ^{mit einem} weiteren durchgehenden Signal-Längszweig (11) verbunden sind, welcher einerseits über einen dritten Kondensator (C4) mit Bezugspotential und andererseits über einen zweiten Längsschalter (S1') mit einem weiteren Akkumulatoreingang (EIN2) verbunden ist, daß beide Signal-Längszweige (10;11) über jeweils ein aus weiteren Längsschaltern (S31 ,332,0-^,0L₂) und weiteren Kondensatoren (C3) bestehendes Laufzeitglied (L) mit dem Ausgang (AUS1) bzw. mit einem weiteren Ausgang (AÜS2) der Akkumulatoranordnung verbunden sind, daß durch den Akkumulatoreingang (EIN1) ein erster Eingang (E1) der Resonatoranordnung gebildet ist, daß ferner ein erstes Differenzglied (D1) vorgesehen ist, durch dessen Ausgang ein zweiter Ausgang (A2) der Resonatoranordnung gebildet ist, und dessen erster Eingang mit dem weiteren Akkumulatorausgang (AÜS2) und dessen zweiter Eingang über ein erstes Übertragungsglied (V1) mit dem ersten Eingang (E1) der Resonatoranordnung verbunden ist, daß

909881/0487

- 2 - VPA 78 P 6 6 6 2 BHD

weiterhin durch den weiteren Akkumulatoreingang (EIN2) ein zweiter Eingang (E2) der Resonatoranordnung gebildet ist, und daß ein zweites Differenzglied (D2) vorgesehen ist, dessen Ausgang über ein Inverterglied (11) mit einem ersten Ausgang (A1) der Resonatoranordnung verbunden ist, dessen erster Eingang mit dem Akkumulatorausgang (AUS1) und dessen zweiter Eingang über ein zweites Übertragungsglied (V2) mit dem zweiten Eingang (E2) der Resonatoranordnung verbunden ist.
10
2. Mittels geschalteter Kapazitäten aufgebauter integrierbarer Resonator in MOS-Technik nach einem der Ansprüche oder 2, gekennzeichnet durch seine Ausbildung als Gegentaktanordnung.

50988 1 /0487