DE19753279C2 - Elektrische Schaltung mit mindestens einem geschalteten Kondensator und Verfahren zum Betreiben dieser Schaltung - Google Patents
Elektrische Schaltung mit mindestens einem geschalteten Kondensator und Verfahren zum Betreiben dieser SchaltungInfo
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- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H19/00—Networks using time-varying elements, e.g. N-path filters
- H03H19/004—Switched capacitor networks
Description
Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung mit mindestens einem
sogenannten geschalteten Kondensator. Die Erfindung betrifft außerdem
ein Verfahren zum Betreiben einer solchen elektrischen Schaltung.
Speziell geht es um eine elektrische Schaltung mit mindestens einem
geschalteten Kondensator, der über einen Parallelkreis mit zwei elek
tronischen, komplementären Schaltern geschaltet wird, die von kom
plementären Schaltimpulsen angesteuert werden, mit einem Schaltimpuls
geber, der ein Grundtaktsignal empfängt und daraus einen ersten Schalt
impulszug sowie einen nahezu komplementären, zweiten Schaltimpulszug
bildet. Außerdem geht es um ein Verfahren zum Betreiben einer solchen
elektrischen Schaltung.
Es sind Schaltungen zum Erzeugen von Schaltimpulsen für
Halbleiterschalter und dergleichen bekannt. Aus der DE 36 36 757 A1 ist
ein Impulserzeuger bekannt, bei dem vorgegebene Eingangsimpulse
direkt auf einen Eingang eines UND-Gatters gegeben werden, dessen
anderer Eingang eine verzögerte Version der Eingangsimpulse empfängt.
Das Ausmaß der Zeitverzögerung läßt sich durch ein digitales Datenwort
in einem Datenregister einstellen, indem das Datenwort auf eine
Verzögerungsschaltung gegeben wird. Es handelt sich bei diesem
Impulserzeuger also um eine Schaltung zum Erzeugen von Taktimpulsen
mit von außen manipulierbarer Impulsdauer. Ein spezieller
Verwendungszweck für die Impulszüge mit veränderbarer Impulsbreite
ist in der Druckschrift nicht angegeben.
Aus der US 4 417 158 ist eine Impulserzeugerschaltung zum Erzeugen
eines ersten und eines zweiten Paares von Impulsen sowie dazugehöriger
komplementärer Impulse bekannt. Solche Impulszüge können beim
Betreiben einer elektrischen Schaltung, die einen sogenannten
"geschalteten Kondensator" enthält, zu gewissen Problemen führen, die
weiter unten noch näher ausgeführt werden.
Aus der JP 3-204222 ist ein Taktimpulserzeuger zum Erzeugen von
paarweisen Taktimpulsen bekannt, wobei mit Hilfe von
Verzögerungsgliedern eine gegenseitige Verzögerung einzelner
Taktimpulse erreicht wird.
Es ist bekannt, in integrierten Schaltungen bestimmte Funktionen mit
Hilfe von sogenannten geschalteten Kondensatoren (switched capacitors;
SC) zu realisieren, beispielsweise die Funktion eines ohmschen Wider
stands. Bekanntlich errechnet sich die Impedanz eines Kondensators aus
dem Reziprokwert des Produkts aus Frequenz und Kapazität. Dement
sprechend werden zum Simulieren ohmscher Widerstände integrierte
Kondensatoren über Schalter angesteuert, so daß ein ständiger Umlade
vorgang am Kondensator stattfindet. Die Frequenz des Ansteuersignals
ist auf die Kapazität des Kondensators so abgestimmt, daß die ge
wünschte Impedanz erreicht wird.
Durch Simulierung ohmscher Widerstände mit Hilfe geschalteter Kon
densatoren läßt sich eine beträchtliche Ersparnis bei der Chipbelegungs
fläche erreichen.
Zum Schalten eines "geschalteten Kondensators" verwendet man übli
cherweise einen Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate (IGFET), ins
besondere verwendet man zwei miteinander parallel geschaltete kom
plementäre Feldeffekttransistoren (CMOS-Feldeffekttransistoren).
Bei der vorliegenden Erfindung geht es um Probleme bei dem Ansteuern
eines geschalteten Kondensators mit komplementären Transistorschaltern,
die mit komplementären Schaltimpulszügen angesteuert werden.
Fig. 1a zeigt einen geschalteten Kondensator CS mit einem ersten Schalt
transistor 1, der mit einem Schaltsignal ϕn angesteuert wird, zu dem ein
zweiter, zu dem ersten Schalttransistor komplementärer Schalttransistor
geschaltet ist, der mit einem komplementären Schaltsignal ϕp angesteu
ert wird. Durch die komplementäre Ansteuerung der komplementären
Transistoren sind entweder beide Transistoren gleichzeitig geschlossen
oder gleichzeitig geöffnet.
Fig. 1b zeigt eine schematische Skizze einer Schaltung innerhalb einer
integrierten Schaltung mit einer geschalteten Kapazität CS, dem jeweils
ein Transistorschalter vorgeschaltet und ein Transistorschalter nachge
schaltet ist. Der geschalteten Kapazität nachgeordnet ist ein Operations
verstärker. Die in Fig. 1a dargestellte Schaltung entspricht der Schalt
kapazität CS mit dem diesem vorgeschalteten Schalter, der von dem
Schaltimpulszug ϕ angesteuert wird, wobei ϕ in Fig. 1b die beiden
Signale ϕn und ϕp in Fig. 1a beinhaltet. Der in Fig. 1b dargestellte
Schalter, der von dem Signal ϕ angesteuert wird, kann in ähnlicher
Weise ausgebildet sein wie die in Fig. 1a dargestellte Parallelschaltung
von zwei komplementären MOS-Feldeffekttransistoren.
In Fig. 1a sind gestrichelt parasitäre Kapazitäten Cn und Cp angedeutet.
Diese parasitären Kapazitäten werden gebildet durch die Gate-Source-
Kapazität des ersten Schalttransistors 1 bzw. des zweiten Schalttran
sistors 2. Wenn diese beiden parasitären Kapazitäten Cn und Cp glei
chen Wert haben und ein gleichzeitiges Sperren und gleichzeitiges Öff
nen der Transistorschalter 1 und 2 erfolgt, lädt der Kondensator CS bzw.
entlädt dieser Kondensator in der vorbestimmten Weise. Allerdings
ergibt sich eine Offset-Spannung an dem Kondensator CS, wenn die
beiden Kapazitäten Cn und Cp voneinander verschieden sind:
ΔQpn = (Cp - Cn)ΔU
= ΔCpn . ΔU
ΔCpn = 0 ΔQpn = 0
( bedeutet: daraus folgt)
Aus der obigen Gleichung ergibt sich eine Restladung für CS von 0,
wenn Cp genau so groß ist wie Cn, ansonsten ergibt sich eine von 0
verschiedene Restladung. Der obige Einfluß der parasitären Kapazitäten
Cn und Cp wird auch als "Taktdurchgriff" (clock feedthrough) bezeich
net.
Ein weiterer, den exakten Betrieb des geschalteten Kondensators beein
trächtigender Faktor ist der sogenannte Ladungstransfer (charge trans
fer), der dadurch entsteht, daß der Umschaltzeitpunkt beim Öffnen und
Schließen der beiden Schalttransistoren 1 und 2 in Fig. 1 für die beiden
Schalttransistoren differiert.
In Fig. 3 sind im oberen Teil die Signalverläufe für die Schaltimpulse
ϕn bzw. ϕp dargestellt, wobei zu sehen ist, daß in der Praxis die Sig
nalflanken nicht senkrecht zur Zeitachse, sondern schräg verlaufen. Im
unteren Teil der Fig. 3 ist die Ausgangsspannung Vout der Schaltungs
anordnung nach Fig. 1a dargestellt. Im Idealfall sollte nach dem
Umschalten der beiden Schalttransistoren 1 und 2 die Ausgangsspannung
Vout am Kondensator CS den vorherigen Wert behalten. Tatsächlich
ergibt sich jedoch ein Versatz (Offset-Spannung) mit dem Wert
ΔUcs = ΔQ/CS.
Bedingt ist diese Offsetspannung durch unterschiedliche Schaltschwellen
der beiden Schalttransistoren 1 und 2 (bzw. bei einem CMOS-Feldef
fekttransistor des n-Kanals und des p-Kanals).
Wie oben aus Fig. 3 ersichtlich ist, wird bei der Abfallflanke des Schalt
impulses ϕn der Schaltzeitpunkt entsprechend der Schwellenspannung
VTn früher erreicht als der Schaltzeitpunkt bei dem Schalttransistor 2, bei
dem das Schaltsignal ϕp die Schwellenspannung VTp relativ spät erreicht.
Fig. 4 zeigt die Schaltung nach Fig. 1b für den Zeitpunkt, der in Fig. 3
dargestellt ist. Zunächst schließt der Schalttransistor 1 im Verlauf der
Rückflanke des Signals ϕn, so daß der Widerstand dieses Schalters
Roffn sehr hoch ist (der Widerstand zwischen Drain und Source des
Schalttransistors 1).
Da der untere Schalttransistor 2 noch nicht geschlossen ist, ist der Ein
schaltwiderstand Ronp (der Widerstand zwischen Drain und Source des
Schalttransistors 2) noch viel kleiner als der Ausschaltwiderstand Roffn
des ersten Schalttransistors 1.
Jetzt ergibt sich für die dann wirksamen parasitären Kapazitäten folgende
Situation:
Zwischen dem Gate des Schalttransistors 1 und dem Ausgangsknoten der
Schaltung befindet sich eine Kapazität CCFN (CF steht für "clock feed
through"). Zwischen dem Gate des unteren Schalttransistors 2 und dem
Ausgangsknoten der Schaltung ergibt sich eine Kapazität von
CCFP + CCTP
(wobei CT für "charge transfer" steht).
Während in dem Kanal des Schalttransistors 1 keine Ladung mehr ge
speichert ist, erfolgt keine Kompensation der in dem p-Kanal des Schalt
transistors 2 gespeicherten Ladung. Hiermit errechnet sich die Rest
ladung wie folgt:
ΔQ = (CCT + CCFP)VTN - CCFN . VTN
≈ CCT . VTN
Um die durch die obigen Vorgänge und Gegebenheiten der Schaltung
entstehenden Offset-Spannungen zu vermeiden, schlägt die vorliegende
Erfindung vor, die Flanken der Schaltimpulszüge so zu regeln, daß eine
vollständige (wenn man von einer bleibenden Regelabweichung absieht)
Kompensation der Offset-Spannung erfolgt.
Zu diesem Zweck schafft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben
einer Schaltung mit einem geschalteten Kondensator, bei dem zumindest
und bevorzugt von mindestens einem der komplementären Schaltimpuls
signale die Vorderflanke und/oder die Rückflanke derart regelbar ist, daß
sie nach Maßgabe der Ausgangsspannung der zueinander parallel
liegenden Schalter gegenüber der zugehörigen Flanke des anderen der
komplementären Schaltimpulssignale verschoben wird. Die
elektronischen Schalter sind vorzugsweise komplementäre MOS-FETs.
Denkbar ist eine solche Flankenregelung in Form einer Änderung der
Flankensteilheit. Dies ist aber möglicherweise schaltungstechnisch nur
schwierig zu realisieren. Deshalb wird die zu regelnde Flanke zeitlich
verschoben, und zwar in der Weise, daß beide Schalter praktisch gleich
zeitig in den Sperrzustand gelangen.
Die Erfindung schafft außerdem eine elektrische Schaltung mit minde
stens einem geschalteten Kondensator, der über einen Parallelkreis aus
zwei elektronischen, komplementären Schaltern geschaltet wird von zwei
komplementären Schaltimpulszügen, die von einem Schaltimpulsgeber
aus einem Grundtaktsignal erzeugt werden. Zum Regeln der Vorder
flanke und/oder Rückflanke zumindest des einen Schaltimpulszugs enthält
die Schaltung:
- - eine Regelschaltung, die die beiden Schaltungimpulszüge empfängt und unter Verwendung eines Bezugssignals ein Stellsignal liefert, und
- - eine Verzögerungsschaltung innerhalb des Schaltimpulsgebers, die das Stellsignal empfängt und den ersten und/oder den zweiten Schaltimpulszug abhängig von dem Stellsignal verzögert.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Verzögerungs
schaltung im Ausgangskreis für den ersten Schaltimpulszug angeordnet.
Der zweite Schaltimpulszug bleibt dann unverändert so, wie er von dem
Schaltimpulsgeber bereitgestellt wird, und nur der erste Schaltimpulszug
wird relativ zu dem zweiten Schaltimpulszug verzögert.
Ein typisches Anwendungsbeispiel für geschaltete Kondensatoren sind
Filterschaltungen. Eine solche Filterschaltung mit beispielsweise einem
Operationsverstärker, in dessen Rückkopplungskreis ein Kondensator und
in dessen Eingangskreis ein durch einen geschalteten Kondensator simu
lierter Widerstand liegt, wird erfindungsgemäß in Form einer "Nachbil
dung" als Regelschaltung eingesetzt. Je nachdem, ob das durch diese
"Nachbildung" gewonnene Ausgangssignal größer oder kleiner als ein
Referenzsignal ist, werden die Flanken des einen Schaltimpulszugs mehr
oder weniger stark verzögert, mit dem Ziel, daß beide Schalttransistoren
gleichzeitig sperren.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1a eine Schaltungsskizze mit einem geschalteten Kondensator
und einem diesem vorgeschalteten elektronischen Schalter, bestehend aus
zwei komplementären Schalttransistoren,
Fig. 1b eine Skizze einer Filterschaltung, in deren Eingangskreis
ein ohmscher Widerstand durch einen geschalteten Kondensator mit
vor- und nachgeschaltetem elektronischen Schalter simuliert wird;
Fig. 2 Impulsdiagramme für Schaltimpulszüge, die die beiden
Schalttransistoren 1 und 2 in Fig. 1a und zwei dazu komplementäre
Schalttransistoren ansteuern;
Fig. 3 ein Wellenformdiagramm zum Erläutern der Probleme der
bekannten Schaltungen mit komplementär angesteuerten Schalttransisto
ren;
Fig. 4 eine Ersatzschaltung für den Schalter nach Fig. 1a im
Umschaltzeitpunkt;
Fig. 5 ein Wellenformdiagramm ähnlich demjenigen in Fig. 3,
jedoch für erfindungsgemäß gesteuerte Schaltimpulse;
Fig. 6 ein Blockdiagramm eines Schaltimpulsgebers gemäß der
Erfindung; und
Fig. 7 eine Nachbildung einer elektrischen Schaltung, die zur
Gewinnung eines Stellsignals für zwei Verzögerungsglieder in der Schal
tung nach Fig. 6 dient.
Die Arbeits- und Funktionsweise der erfindungsgemäßen Schaltung und
des erfindungsgemäßen Verfahrens sollen zunächst anhand der Fig. 5
erläutert werden.
Wie man durch Vergleich mit der Fig. 3 sieht, ist die Abfallflanke des
Schaltimpulses ϕn zeitlich verzögert gegenüber der Anstiegsflanke des
Schaltimpulses ϕp. Dies wird durch eine unten noch näher zu erläutern
de Regelung der Flanke des Schaltimpulszugs ϕn erreicht. Die ungere
gelte, nicht verzögerte Flanke des Schaltimpulses ϕn ist durch eine
gestrichelte Linie angedeutet.
Wie aus dem Wellenformdiagramm in Fig. 5 ersichtlich ist, erfolgt
zunächst im Zeitpunkt t1 die Pegeländerung des Schaltimpulses ϕp. Wie
unten in Fig. 5 zu sehen ist, steigt Vout gegenüber Vin an, aber nur
solange, bis der Schaltimpuls ϕn abzufallen beginnt. Die beiden Schalt
schwellen VTn und VTp werden kurz nacheinander zu dem Zeitpunkt t3
bzw. t4 erreicht. In der Zeitspanne zwischen t3 und t4 ist der n-Kanal
bzw. der Schalttransistor 1 in Fig. 1a gesperrt, für den p-Kanal bzw.
den Schalttransistor 2 erfolgt keine Kompensation. Nach dem Zeitpunkt
t4 ist dann auch der p-Kanal gesperrt, es erfolgt lediglich eine Kom
pensation des CF-Anteils. Zwischen den Zeitpunkten t5 und t6 erfolgt
dann schließlich die Ladungskompensation für den p-Kanal, weil die
Flanke des Signals ϕn gegenüber derjenigen des Signals ϕp verzögert
ist.
Um den oben erläuterten Betrieb zu erreichen, wird der in Fig. 6 darge
stellte Schaltimpulsgeber verwendet.
Ein Grundtaktsignal CLK wird auf ein NAND-Gatter NAND1 gegeben,
gleichzeitig wird das invertierte Signal von CLK auf ein NAND-Gatter
NAND2 gegeben. Das Ausgangssignal von NAND1 gelangt über ein
Verzögerungsglied 3 und einen Negator IN1 an einen Taktausgang für
das Signal CLKn. Wie weiter unten noch erläutert wird, ist dieses Takt
signal oder Schaltimpulssignal geregelt durch ein Stellsignal "reg",
welches von der unten noch erläuterten Schaltung gemäß Fig. 7 erzeugt
wird.
Das Ausgangssignal von NAND1 gelangt außerdem über zwei Negatoren
IN7 und IN9 an einen zweiten Eingang von NAND2. Der zweite Ein
gang von NAND1 empfängt außerdem das Ausgangssignal von NAND2
über zwei Negatoren IN8 und IN10.
Das zu dem Signal CLKn komplementäre oder negierte Signal wird als
Signal CLKNn als geregeltes Schaltimpulssignal am Ausgang eines
Negators IN2 erhalten, dem ein weiteres Verzögerungsglied 4 vorge
schaltet ist, welches seinerseits an den Ausgang von NAND2 ange
schlossen ist.
Über eine Reihenschaltung aus zwei Negatoren IN3 und IN5 wird ein
ungeregeltes Schaltimpulssignal CLKp aus dem Ausgangssignal von
NAND1 gebildet. Aus dem Ausgangssignal von NAND2 wird über zwei
Negatoren IN6 und IN4 ein ungeregeltes Taktsignal oder Schaltimpuls
signal CLKNp gebildet.
Fig. 2 zeigt die in Fig. 6 dargestellten Eingangs- und Ausgangssignale,
wobei insbesondere ersichtlich ist, daß die Rückflanke des Signal CLKn
gegenüber CLKp geregelt ist und CLKNn gegenüber CLKNp geregelt
ist.
Fig. 7 zeigt die Skizze einer Schaltung, mit der das in Fig. 6 als Ein
gangssignal für die Verzögerungsglieder 3 und 4 dargestellte Stellsignal
"reg" gewonnen wird. Die in Fig. 7 dargestellte Schaltung ist im Prinzip
so aufgebaut wie die elektrische Schaltung nach Fig. 1b, in der der
Schaltungskondensator CS im Eingangskreis eines Operationsverstärkers
der Filterschaltung zu schalten ist. Die in Fig. 7 dargestellte Schaltung
enthält die beiden Schalter im Eingangskreis bzw. im Ausgangskreis des
Kondensators CS und den Operationsverstärker, wobei anstelle der Ein
gangsspannung Vin in Fig. 1b eine feste Referenzspannung Vref ein
gangsseitig angelegt ist.
Die Ausgangssignale des Schaltimpulsgebers nach Fig. 6 werden in der
in Fig. 7 dargestellten Weise an die Schalttransistoren gegeben. Hier
durch wird an dem Ausgang der Schaltung nach Fig. 7 ein Stellsignal
für die beiden Verzögerungsschaltungen 3 und 4 in Fig. 6 erhalten.
Steigt das Signal "reg" an, so wird der Schaltimpuls CLKn entsprechend
stark verzögert, mit der Folge, daß hierdurch die Amplitude des Stell
signals "reg" sinkt und damit auch die Verzögerung kleiner wird, die
das Verzögerungsglied 3 in Fig. 6 macht. Entsprechendes gilt für das
negierte Signal CLKNn.
Durch die erfindungsgemäße Flankenregelung des Schaltimpulszugs für
das Schaltimpulssignal CLKn bzw. CLKNn wird die Entstehung von
Offset-Spannungen an dem geschalteten Kondensator vermieden.
In Abwandlung der oben beschriebenen Ausführungsform könnte alterna
tiv auch natürlich das Signal CLKp bzw. CLKNp flankengeregelt wer
den.
Claims (7)
1. Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Schaltung, die einen
geschalteten Kondensator enthält, der mittels komplementärer elek
tronischer Schalter (1, 2) geschaltet wird, die elektrisch parallel
zueinander liegen und mit komplementären Schaltimpulssignalen
(ϕn, ϕp; CLKn, CLKp) angesteuert werden,
dadurch gekennzeichnet,
daß von mindestens einem der komplementären Schaltimpulssignale
(z. B. ϕn) die Vorderflanke und/oder die Rückflanke derart geregelt
wird, daß sie nach Maßgabe der Ausgangsspannung der zueinander
parallel liegenden Schalter (1, 2) gegenüber der entsprechenden
Flanke des anderen der komplementären Schaltimpulssignale (ϕp)
verschoben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Verschiebung der Flanke(n) eine zeitliche Verschiebung ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Flanke derart verschoben wird, daß beide Schalter im we
sentlichen gleichzeitig in den Sperrzustand gelangen.
4. Elektrische Schaltung mit mindestens einem geschalteten
Kondensator, der über einen Parallelkreis aus zwei elektronischen,
komplementären Schaltern (1, 2) geschaltet wird, die von komple
mentären Schaltimpulsen (ϕn, ϕp) angesteuert werden, mit einem
Schaltimpulsgeber, der ein Grundtaktsignal (CLK) empfängt und
daraus einen ersten Schaltimpulszug (CLKn) sowie einen dazu kom
plementären, zweiten Schaltimpulszug (CLKp) bildet,
gekennzeichnet durch
- - eine Regelschaltung (Fig. 7), die die beiden Schaltimpulszüge empfängt und unter Verwendung eines Bezugssignals (Vref) ein Stellsignal (reg) liefert, und
- - eine Verzögerungsschaltung (3, 4) innerhalb des Schaltimpuls gebers, die das Stellsignal empfängt und den ersten und/oder den zweiten Schaltimpulszug abhängig von dem Stellsignal (reg) verzögert.
5. Schaltung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Verzögerungsschaltung in dem Ausgangskreis für den ersten
Schaltimpulszug angeordnet ist.
6. Schaltung nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Regelschaltung als Nachbildung der den geschalteten Kon
denstor (CS) enthaltenden elektrischen Schaltung ausgebildet ist.
7. Schaltung nach Anspruch 4, 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die elektronische Schaltern (1, 2) komplementäre MOS-FETs
sind.
Priority Applications (3)
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DE19753279A DE19753279C2 (de) | 1997-12-01 | 1997-12-01 | Elektrische Schaltung mit mindestens einem geschalteten Kondensator und Verfahren zum Betreiben dieser Schaltung |
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