DE4339164C2

DE4339164C2 - Frequenzdetektionsverfahren und Frequenzdetektionsvorrichtung

Info

Publication number: DE4339164C2
Application number: DE4339164A
Authority: DE
Inventors: Stefan Carlberg
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1992-11-18
Filing date: 1993-11-16
Publication date: 2003-06-26
Anticipated expiration: 2013-11-17
Also published as: SE9203469D0; GB2272810A; GB9323240D0; SE470527B; SE9203469L; US5781039A; GB2272810B; DE4339164A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion, ob ein Signal eine vorgegebene Frequenz aufweist oder nicht, wobei zur Detektion ein Eingangsanschluss, ein Kondensator, ein Widerstand, ein Transistor und eine Konstantstromquelle verwendet werden. Ein derartiges Detektionsverfahren und eine derartige Detektionsvorrichtung ist aus der JP 02-143 175 AA bekannt, wobei ein Frequenz- Spannungs-Wandlerschaltkreis verwendet wird, der als integrierte Schaltung realisiert werden kann. Dieser Schaltkreis enthält einen Transistor, einen Widerstand, einen Kondensator und eine Konstantstromquelle. Die Erfindung betrifft insbesondere den Aspekt, das Detektionsverfahren und die Detektionsvorrichtung schaltungstechnisch einfach aufbauen zu können und den Schaltungsaufbau gut zur Integration auszuführen.

Manchmal besteht die Notwendigkeit zu detektieren, ob ein Signal eine höhere oder niedrigere Frequenz als ein vorgegebener Wert aufweist und in Abhängigkeit von der Frequenz dieses Signals einen Schalter zu steuern, bei dem es sich vorzugsweise um einen elektronischen Typ handelt. Eine derartige Notwendigkeit ergibt sich z. B. bei DC/DC-Wandlern, bei denen es erforderlich ist zu bestimmen, ob ein Pulsweiten-moduliertes Signal eine gewünschte Frequenz aufweist oder nicht. Falls das Pulsweiten-modulierte Steuersignal nicht die richtige Frequenz aufweist, schaltet der Wandler auf eine andere Steuerungs- bzw. Einstellungsfunktion (Steering Function).

Im Stand der Technik werden für die Lösung dieses technischen Problems normalerweise sogenannte RC-Netze, das heißt ein Netz, welches aus Widerständen und Kondensatoren besteht, verwendet, um eine gewisse bestimmte Zeitkonstante zu erreichen, um die Detektion der Frequenz zu ermöglichen. Zudem tragen verschiedene Arten von elektronischen Logikschaltungen zusätzlich zu der abschließenden Detektion der Frequenz bei. Diese Lösungen umfassen deshalb allgemein eine große Anzahl von Komponenten in Form von Kondensatoren und Widerständen und benötigen deshalb allgemein viel Oberfläche und infolge dessen sind sie zur Integration auf einem Siliziumchip weniger interessant.

Die US-A-4 629 915 offenbart eine Frequenzbestimmungsschaltung, die eine monostabile Schaltung umfaßt, der ein Eingangssignal zugeführt wird und ein Flip-Flop vom D-Typ ist mit der Ausgangsseite der monostabilen Schaltung verbunden. Die Schaltung umfaßt außerdem eine Zeitkonstanten-Modifikationsschaltung zur Modifikation einer Zeitkonstanten der monostabilen Schaltung gemäß dem Frequenz bestimmten Signal von dem D-Typ-Flip-Flop.

Ein anderes amerikanisches Dokument US-A-3 584 275 offenbart einen frequenzabhängigen Schalterkreis mit einem degenerierenden Rückkopplungsnetz zur Unterdrückung aller Eingangssignale, die andere Frequenzen als die vorgewählte Frequenz aufweisen. Die Schaltungslösung verwendet eine große Anzahl von diskreten Komponenten. In einer ähnlichen Weise offenbart die US-A-3 914 619 einen frequenzempfindlichen Schalter, der sich insbesondere zur Verwendung bei einer Vorrichtung zur Begrenzung der Position der Drossel einer Brennkraftmaschine eignet. Ein zusätzliches amerikanisches Dokument US-A-4 366 391 offenbart ein Steuersystem für einen Brennstoff-Brenner, um zu erfassen, wenn Eingangsimpulse eine Wiederholungsrate innerhalb eines vorgegebenen Bereichs aufweisen.

Das amerikanische Patent US-A-4 081 694 offenbart eine Schaltung zur Erfassung des Vorhandenseins einer vorgegebenen Eingangsfrequenz, während die US-A-3 811 052 eine elektrische Frequenzanzeigeeinrichtung zur Verwendung bei einem AC-Generator offenbart.

Ein deutsches Dokument, DE-22 27 724, offenbart eine Einrichtung zum Vergleich einer Signalperiode mit einer Signalperiode, die eine vorgegebene, von einem Zeitbasis-Generator erhaltenen Dauer aufweist, um eine Frequenz mit einem vorgegebenen Frequenzschwellwert zu vergleichen.

Schließlich offenbart das Dokument DE 36 10 605 A1 einen steuerbaren Schalter, der von einer Folge von Impulsen abhängt und hauptsächlich zur Begrenzung von beispielsweise Zündimpulsen eines Motors vorgesehen ist.

Allen oben erwähnten Dokumenten ist gemeinsam, daß sie irgendwie eine Art von RC-Netz verwenden, welches mit der Frequenz, die gesteuert wird, verglichen werden soll. Zusätzlich beruhen diese in allen Fällen auf einer großen Anzahl von erforderlichen Komponenten für die Funktion der Schaltungen.

Deshalb ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion, ob ein Signal eine vorgegebene Frequenz aufweist oder nicht, bereitzustellen, bei denen der verwendete Schaltungsaufbau gut zur Integration geeignet ist.

Diese Aufgabe wird mit einem Detektionsverfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Ferner wird diese Aufgabe mit einer Detektionsvorrichtung gemäß Anspruch 4 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Verbesserungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.

Weitere Vorteile der Erfindung sind nachstehend angegeben.

Ein zusätzlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass das Verfahren auf einem Erfassungsprinzip beruht, bei dem sich der Mittelwert des Kanalwiderstandes in einem Feldeffekttransistor mit der Eingangsfrequenz ändern kann.

Ein weiterer zusätzlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass bei der Vorrichtung zur Detektion, ob ein eintreffendes Signal eine gewünschte Frequenz aufweist oder nicht, das eintreffende Signal der Schaltung gemäß einem Erfassungsprinzip den mittleren Kanalwiderstand eines Feldeffekttransistors verändert.

Ein zusätzlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, dass eine Frequenzsteuerung vorgesehen werden kann, die unter Verwendung des neuen Erfassungsprinzips in einem DC/DC-Wandler in Form einer intergrierten monolithischen Schaltung eingebaut werden kann.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer erläuternden Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild, welches das grundlegende Schaltungsprinzip gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; und

Fig. 2 ein Beispiel eines Schaltbildes eines Schaltungsaufbaus, welcher das Prinzip gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet und sich für eine integrierte Schaltung eignet.

Fig. 1 zeigt ein grundlegendes Prinzipdiagramm des neuen Prinzips zur Erfassung, ob ein eintreffendes Signal eine gewünschte Frequenz aufweist oder nicht. Das Blockschaltbild umfaßt einen Eingangskondensator C, einen Widerstand R, einen Feldeffekttransistor Q, einen Stromgenerator I und einen Pegeldetektor D.

Das Signal V_IN mit der zu detektierenden Frequenz wird an den Eingang IN angelegt. An dem Gate des Feldeffekttransistors wird für jede steigende Flanke des Signals V_IN eine Spannungsspitze erhalten. Die Amplitude dieser Spannungsspitze wird von der Größe von V_IN bestimmt, wobei dieses Signal vorzugsweise größer als dreimal der Schwellwert, das heißt ungefähr 3 Volt, sein sollte. Die Dauer der Spannungsspitze wird von dem Wert des Kondensators C in Kombination mit dem Wert des Widerstandes R und der Ansteuerungsfähigkeit des Signals V_IN bestimmt. Die Dauer der Spannungsspitze bestimmt die Zeitdauer, in der der Feldeffekttransistor Q leitet und diese Zeit wird mit t bezeichnet.

Der Kanalwiderstand des leitenden Feldeffekttransistors wird mit R_ON bezeichnet. Wenn an dem Eingang IN in dem Schaltbild aus Fig. 1 keine Frequenz angelegt wird, bleibt die Ausgangsimpedanz des Kollektors des Transistors Q unendlich hoch und die Spannung dieses Knotenpunktes wird sich erhöhen, da der Stromgenerator I Strom zuführt. Falls andererseits V_IN tatsächlich eine Frequenz der Periodendauer T aufweist, leitet der Transistor Q während der Periode t jeder Periode des Eingangssignals V_IN. Der durchschnittliche beziehungsweise mittlere Widerstand, der an dem Kollektor des Transistors Q gesehen wird, ist dann R_ON × T/t. Aus diesem Ausdruck ist ersichtlich, daß sich der mittlere Widerstand mit der Frequenz des Eingangssignals V_IN verändern wird. Je höher die Frequenz ist, desto niedriger ist der mittlere Widerstand.

Der mittlere Widerstand multipliziert mit dem Strom I ergibt die Spannung V_K an dem Kollektor des Transistors Q. Der Pegel dieser Spannung wird von dem Pegeldetektor D detektiert und ein binäres Signal, das heißt ein Signal, welches entweder den Signalwert 1 oder den Signalwert 0 besitzt, wird als Ausgangssignal AUS erhalten. Es ist möglich einen Pegel mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Vorgehensweisen im Stand der Technik zu detektieren, beispielsweise mittels eines Inverters oder mittels eines Vergleichers und einer Referenzspannung. In Abhängigkeit von den Entwurfsparametern des Kanalwiderstandes, des Stromgenerators I und des Kondensators C und des Widerstandes R können unterschiedliche Frequenzen detektiert werden. Zusätzlich ist es möglich, zu dem Kollektor des Transistors Q seriell einen weiteren Widerstand anzuschließen, wobei der mittlere Widerstand in dem letzteren Fall (R_ON + R_REIHE) × T/t wird.

Somit kann durch das obige Prinzip eine Frequenz mittels eines Kondensators detektiert werden, der einen sehr kleinen Wert annehmen kann, wodurch die Integration des Aufbaus auf einem Siliziumchip ermöglicht wird. Ein anderer Kondensator wird weiter an dem Kollektor des Feldeffekttransistors Q benötigt, um eine abrupte Umkehrung zu erreichen. Die Integration dieses Kondensators ist dann auch möglich. Der Feldeffekttransistor Q, sowie der Widerstand R beziehungsweise der optionale Widerstand R_REIHE können mit dem gleichen Herstellungsverfahren gemäß der standardmäßigen Technik bei integrierten Schaltungen leicht auf einem Siliziumchip hergestellt werden, während die Herstellung von Kondensatoren mit großen Werten schwierig ist oder diese eine ungeeignet große Siliziumoberfläche auf dem Siliziumchip belegen werden.

In Fig. 2 ist ein Schaltungsblock einer Steuerschaltung eines DC/DC-Wandlers bei einer erläuternden Ausführungsform dargestellt, die sich gemäß der vorliegenden Erfindung zur Integration auf einem kleinen monolithischen Siliziumchip eignet. Der Block aus Fig. 2 bestimmt die Art, in der der Wandler gesteuert wird. Wenn die Frequenz groß genug ist, schaltet der Block durch das von dem Block erhaltene Signal auf einen Schwenkbetrieb (Steering) (Steuerung durch Pulsweitenmodulation) und wenn die Frequenz zu niedrig ist, das heißt niedriger als ein vorgegebener Wert, schaltet der Block auf eine andere Art von Regelung.

Der in Fig. 2 dargestellte Schaltungsblock umfaßt sieben integrierte Feldeffekttransistoren Q0, Q1 und Q3 bis Q7, wobei Q3 dem Transistor Q in Fig. 1 entspricht. Außerdem entspricht C0 dem Kondensator C und R0 entspricht dem Widerstand R in Fig. 1. In den Schaltungsblock sind weitere zwei Dioden D1, D2, zwei Widerstände R1, R2 und drei Bipolartransistoren Q2, Q8 und Q9 eingebaut. Der Schaltungsblock besitzt zwei mit IN und CEX bezeichnete Eingänge und einen mit AUS bezeichneten Ausgang. Zwischen den Anschlüssen GND und V_CC wird eine Versorgungsspannung angelegt.

Ein Kondensator ist mit dem Eingang CEX verbunden. Er besitzt die Funktion, eine abrupte Umkehrung zu bewirken. Q0 und Q1 bilden einen Puffer derart, daß der Eingang IN nicht heruntergeladen wird. Gemäß Fig. 1 wird an den Eingang IN das Signal mit der zu detektierenden Frequenz angelegt.

C0 und R0 erzeugen zusammen mit R_ON von Q1 einen Spannungsimpuls an dem Gate des Transistors Q3. Q3 leitet für eine bestimmte Spannung an seinem Gate zwischen ungefährt 1,5 Volt und der Versorgungsspannung V_CC. Die Zeit, während der der Transistor Q3 leitet, ist dann:

t = -C0 × (R0 + R_ON(Q1) × 1n[V_SS(Q3)(R0 + R_ON(Q1))/(V_CC × R0)]

Für die gewählten Komponentenwerte C0 = 10 pF, R = 100 kOhm und R_ON(Q1) = 10,5 kOhm bei einer Versorgungsspannung von V_CC = 11 Volt wird t = 2,1 µs erhalten.

D0 ist nur eine Schutzdiode zur Sammelung von negativen Substratströmen, die durch das Schalten von C0 erzeugt werden. Q2, Q8, Q9, D1, R1 und R2 bilden eine Konstantstromquelle. Aus dem Kollektor von Q2 wird ein konstanter Strom von 1 µA abgeleitet.

Q4 und Q5 bilden einen symmetrischen Inverter, der bei V_CC/2 (in diesem Fall bei 5,5 Volt) schaltet. Die Spannung wird als V_SCHALTUNG bezeichnet. Q6 und Q7 erzeugen ein Ausgangssignal AUS an die übrigen Blöcke in der monolithischen Schaltung, wobei 0 = keine gültige Frequenz und 1 = eine gültige Frequenz bezeichnet.

Die Ausgangsimpedanz des Transistors Q3 an dem Kollektor wird aus der Beziehung einer Feldeffekttransistorstruktur abgeleitet:

R_ON = L/(µ_nC_oxW(V_GS - V_T))

wobei L die Länge des Transistors, W die Breite des Transistors, V_GS die Spannung zwischen dem Steuergate und der Sourceelektrode oder dem Emitter ist, V_T die Schwellspannung des Steuergates ist, µ_n die Beweglichkeit in einer N-Kanalstruktur und C_ox die Kapazität des von dem Feldoxid gebildeten Kondensators ist.

Da die Zeit t von einer RC-Konstanten gebildet wird, ändert sich R_ON mit der Spannung des Steuergates, je niedriger die Spannung an dem Steuergate ist, desto größer wird R_ON. Um in einer einfachen Weise ein Maß für R_ON zu erhalten, wird angenommen, daß sich R_ON linear mit V_GS ändert, wobei in diesem Fall R'_ON(Q3) zu 2,56 kOhm wird.

Das Wesen der Funktion gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß sich die Ausgangsimpedanz des Transistors Q3 mit der Frequenz ändert. Somit ist die EIN-Zeit konstant, aber nicht die Periodenzeit

R_ON(Q3)MITTEL = R'_ON(Q3) × T/t.

Wenn der Kollektorstrom von Q2 gleich I_K(Q2) ist, ist die Schaltspannung

V_SCHALTUNG = I_K(Q2) × R_ON(Q3)MITTEL = I_K(Q2) × R'_ON(Q3) × T/t

Die Frequenz f = 1/T erzeugt dann

f = I_K(Q2) × R'_ON(Q3)/V_SCHALTUNG × t.

Beispielsweise wird für I_K(Q2) = 1 µA, R_ON(Q3) = 2,56 kOhm, V_SCHALTUNG = 5,5 V und t = 2,1 µs, f = 222 Hz abgeleitet.

Eine derart niedrige Frequenz würde gemäß dem Stand der Technik einen ziemlich großen Kondensatorwert erfordern, um eine RC-Zeitkonstante gemäß der zu erfassenden und zu bestimmenden Frequenz zu erhalten und ein derartiger Kondensator wäre schwierig zu integrieren, während ein Kondensator in der Größenordnung von 10 pF gemäß der vorliegenden Erfindung als eine integrierte Komponente gemäß der normalen Herstellungsverfahren bei der Herstellung von integrierten Schaltungen in einfacher Weise erhalten werden kann.

Claims

1. Verfahren zur Detektion mittels eines Kondensators (C), eines Widerstandes (R), eines Transistors (Q) und einer Konstantstromquelle (I), ob ein Signal eine vorgegebene Frequenz aufweist oder nicht, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Verbinden der Konstantstromquelle (I) mit dem Transistor (Q) derart, dass ein konstanter Strom (i) an die Kollektorseite des Transistors zugeführt wird;
Zuführen des Signals an einen ersten Anschluß des Kondensators (C), dessen zweiter Anschluß mit der Steuerelektrode des Transistors (Q) verbunden ist, um zusammen mit dem zwischen der Steuerelektrode und der Emitterseite des Transistors (Q) geschalteten Widerstand (R) Spannungsspitzen in die Steuerelektrode des Transistors (Q) zu erzeugen, wobei die Spannungsspitzen eine konstante Dauer (t) aufweisen und die Periode (T) der Spannungsspitzen der zu detektierenden Frequenz (f = 1/T) entspricht;
Modulieren des EIN-Widerstandes (R_ON) des leitenden Kanals des Transistors und dadurch Einwirken auf seine Ausgangsimpedanz durch das Signal an der Steuerelektrode des Transistors, wenn gleichzeitig der konstante Strom (i) an seinen Kollektor zugeführt wird;
Erhalten einer Spannung (V_K) über der Kollektorimpedanz des Transistors, die dem Produkt aus dem mittleren Wert des EIN-Widerstandes (R_ON × T/t) des leitenden Kanals des Transistors und dem zugeführten Strom (i) entspricht; und
Vergleichen der erhaltenen Spannung (V_K) mit einer Referenzspannung, wobei ein binäres Ausgangssignal mit dem Wert 1 oder 0 als Anzeichen erhalten wird, wenn die Frequenz niedriger ist als ein vorgegebener Wert gemäß der aktuellen Auswahl von Komponentenwerten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Transistor (Q) vorzugsweise von einem Feldeffekttransistor gebildet wird, der ein Steuergate mit hoher Impedanz und einen vernachlässigbaren Kollektorstrom in einem leitenden Kanal im ausgeschalteten Zustand aufweist, wobei der Strom (i) von der Konstantstromquelle durch den leitenden Kanal des Transistors nur während der Periode geführt wird, in der eine Spannungsspitze an seinem Steuergate einen vorgegebenen Wert überschreitet.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (C) von einer sehr kleinen Kapazität gebildet wird, die integriert auf einem Siliziumchip hergestellt ist, wobei ein Schaltungsaufbau gemäß dem Verfahren eine Integration durch eine herkömmliche Technik erleichtert.

4. Eine Vorrichtung zur Detektion, ob ein Signal eine vorgegebene Frequenz aufweist oder nicht, umfassend einen Eingangsanschluß (IN), einen Kondensator (C), einen Widerstand (R), einen Transistor (Q) und eine Konstantstromquelle (I), dadurch gekennzeichnet, dass:
die Konstantstromquelle (I) mit dem Transistor (Q) derart verbunden ist, dass ein Konstantstrom (i) an eine Kollektorseite des Transistors (Q) zugeführt wird;
der Eingangsanschluß (IN) mit einem ersten Anschluß des Kondensators (C) verbunden ist, ein zweiter Anschluß des Kondensators (C) mit der Steuerelektrode des Transistors (Q) verbunden ist und der Widerstand (R) zwischen der Steuerelektrode und der Emitterseite des Transistors (Q) geschaltet ist, wodurch, wenn das Signal an den Eingangsanschluß zugeführt wird, Spannungsspitzen mit konstanter Dauer (t) in die Steuerelektrode des Transistors erzeugt werden, wobei die Periode (T) der Spannungsspitzen der zu detektierenden Frequenz (f = 1/T) entspricht;
das Signal an der Steuerelektrode des Transistors den ON-Widerstand (R_ON) des leitenden Kanals des Transistors modulieren und dadurch auf seine Ausgangsimpedanz einwirken kann, wenn gleichzeitig der konstante Strom (i) an seinen Kollektor zugeführt wird;
Mittel zum Erhalten einer Spannung (V_K) über der Kollektorimpedanz des Transistors (C) vorgesehen sind, wobei die Spannung (V_K) dem Produkt aus dem mittleren Wert des EIN-Widerstandes (R_ON × T/t) des leitenden Kanals des Transistors und dem zugeführten Strom entspricht, und
Mittel zum Vergleichen der erhaltenen Spannung (V_K) mit einer Referenzspannung vorgesehen sind, wobei ein binäres Ausgangssignal mit dem Wert 1 oder 0 als Anzeichen erhalten wird, wenn die Frequenz niedriger ist als ein vorgegebener Wert gemäß der aktuellen Auswahl von Komponentenwerten.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Teil einer Steuerschaltung eines DC/DC-Wandlers bildet, wobei die eintreffende Frequenz zur Steuerung verwendet wird, wenn die eintreffende Signalfrequenz hoch genug ist, während die Steuerschaltung auf einen anderen Typ von Regelung geschaltet wird, wenn die eintreffende Signalfrequenz zu niedrig ist.