R. Schweer

MOS switched-capacitor filters using voltage inverter switches

Low-sensitivity switched-capacitor filters imitating LC and LC /unit-element structures can be built by means of capacitances, ordinary switches, and voltage inverter switches, the latter being quite simply realizable by electronic means (either with or even without operational amplifier). There are no restrictions on the operating rate (other than those resulting from the Nyquist theorem) nor on the location of the attenuation poles. Experimental results of an integrated third-order lowpass filter are in good agreement with theory. The effects of parasitic capacitances can be overcome by using proper design techniques.

Design of nonlinear analog switched-capacitor circuits using building blocks

This paper describes an approach to the design of nonlinear analog switched-capacitor (SC) circuits using building blocks. First, we derive a number of nonlinear SC circuits, such as comparators, Schmitttriggers, waveform generators, etc., using stray-insensitive integrators and amplifiers. Then, as an example, an interpolative A/D converter and an FSK modulator design will be discussed and their integration in silicon-gate CMOS technology will be presented. Finally, a design example of an FSK demodulator with an SC phase-locked loop will be demonstrated.

MOS switched-capacitor filters with reduced number of operational amplifiers

Using voltage inverter switches, exact analog sampled-data equivalents of Rs, Ls and Cs, as well as unit elements, can be designed with MOS capacitors and switches. Due to the underlying bilinear transformation, no limitation other than the Nyquist limit is imposed on the ratio of corner to sampling frequency. For an nth order filter, the number of voltage inverter switches is (n+1)/4 to (n+1)/2. A 3.4 kHz third-order Chebyshev low-pass CMOS circuit is described in detail. It uses only one voltage inverter switch implemented by a switched op amp integrator. The sampling frequency is 24 kHz, the dynamic range exceeds 70 dB and the chip area is 1.2 mm/SUP 2/. A CMOS voltage inverter switch, which has zero DC power and occupies only 0.09 mm/SUP 2/ is presented, whose dynamic range exceeds 85 dB. This allows low power switched capacitor filters without operational amplifiers and with a frequency capability approaching the megahertz range.

Real-time programmable low power SC bandpass filter

A real-time programmable switched-capacitor (SC) 2nd order bandpass filter is presented. It is based on voltage inverter switch (VIS) principle using inverse recharging devices. These devices are realized with dynamic amplifiers in order to achieve low power dissipation. The filter contains only grounded or virtually grounded network capacitances and therefore it is insensitive to the parasitics between the bottom plates of the implemented MOS capacitors and the substrate. It offers digital programming capability (two Q-factors and three center frequencies) and low power dissipation (185 μW at sampling frequency 8 kHz and power supply voltage 10 V). The filter has been integrated in standard CMOS metal-gate technology.

An integrated seventh-order unit element filter in VIS-SC technique

Describes a seventh-order unit element switched-capacitor filter based on the voltage invertor switches-switched capacitor (VIS-SC) concept. The operation of this filter is described in detail. It is shown that the effect of parasitic bottom plate capacitances can be overcome by using a special type of VIS. The influence of the top plate parasitics on the filter properties is discussed. Experimental results of an integrated NMOS version are given.

Ein integrierbarer Schalter-Kondensator-LPC-Vocoder

The principle and experimental results of an analogue LPC-(linear predictive coding) vocoder are presented. The central part of the vocoder is a 10th order real-time programmable unit-element SC-filter. The filter is based on the simulation of the human vocal tract by an equivalent wave flow diagram using stray-insensitive SC-amplifiers and integrator circuits. Due to its passive structure, the filter circuit exhibits a low sensitivity to coefficient quantization and to parasitic effects, as for example parasitic capacitances, finite op amp gain, etc. This will be confirmed by measurements. The circuit is thus well suited for integration in MOS technology. Für die Dokumentat ion: Sprachsynthese / analoger Sprachprozessor / Streuinsensitives Schalter-Kondensator-Netzwerk / Äquivalentes elektrisches Vokaltraktmodell / Wellenflußgraph 1. Einleitung Der Einsatz von Schalter-Kondensator-Schaltungen, im folgenden kurz SC (switched-capacitor)-Schaltungen, in analogen Sprachprozessoren stellt eine interessante Alternative zu rein digitalen Lösungen dar. Der Vorteil analoger SC-Schaltungen besteht darin, daß sie flächengünstig in MOS-Technologie zu integrieren sind und daß sie einen geringen Leistungsverbrauch aufweisen, da sie keine D-A-Umsetzer und keine digitalen Multiplizierer benötigen. Im Gegensatz zu rein analogen Lösungen [1] werden SC-Schaltungen digital gesteuert, so daß der Vorteil der digitalen Datenübertragung gewahrt bleibt. Neben Formantvocodern, für die bereits programmierbare SC-Bandpässe 2. Grades vorgestellt wurden [2, 3], erscheint der Einsatz von SC-Schaltungen in LPC-Vocodern, insbesondere nach der PARCOR(Partial Correlation)-Methode, besonders erfolgversprechend [4-7]. Bei dieser Methode wird der menschliche Vokaltrakt durch ein Leitungselementfilter höheren Grades nachgebildet. Bild l zeigt ein Blockschaltbild eines LPG-Vocoders. Der Vocoder enthält neben einem programmierbaren Vokaltraktfilter zwei Signalgeneratoren (Rauschgenerator und Pulskettengenerator mit Amplitudenanpassung), eine stimmhaft/stimmlos-Umschaltung, eine Amplitudenkontrollstufe, ein Nachfilter (Entzerrerfilter und Bandbegrenzungsfilter) und einen digitalen Steuerteil. Die Hauptschwierigkeit bei dem Aufbau eines LPC-Vocoders besteht * Universität Dortmund, Dortmund ** University of Minnesota, Minneapolis. USA *** Intermetall. Freiburg in der Realisierung des Vokaltraktfilters. Aus diesem Grund ist dem Vokaltraktfilter in folgendem ein weiter Raum eingeräumt worden. SC-Realisierungen von Leitungselementfiltern sind bereits vorgestellt worden [8, 9]. Für den Einsatz in LPCVocodern sind allerdings besondere Anforderungen an die SC-Filter zu stellen. Speziell die geforderte Programmierbarkeit bedingt eine Reihe zusätzlicher Forderungen. So muß der zur Programmierung der gewünschten Übertragungsfunktion notwendige Koeffizientenbereich beschränkt sein, da er andernfalls nicht mehr durch Kondensator-Arrays dargestellt werden kann. Die Schaltung sollte außerdem eine geringe Empfindlichkeit gegenüber der Quantisierung der Koeffizienten aufweisen. Die Schaltung muß zusätzlich vollständig streuinsensitiv sein. Streuinsensitiv bedeutet, daß der Einfluß der in MOS-Technologie unvermeidlichen parasitären Kapazitäten auf die Übertragungsfunktion durch die Verstärkung der Operationsverstärker reduziert wird. Dieses ist insofern notwendig, da eine Vorverzerrung unter Berücksichtigung der parasitären Kapazitäten, wie sie bei zeitinvarianten Filtern begrenzt möglich ist, für echtzeit-programmierbare Filter nicht praktikabel ist. Die in diesem Aufsatz beschriebene SC-Schaltung erfüllt diese Forderungen. Die Schaltung beruht auf der Nachbildung des Vokaltraktes durch einen Wellenflußgraphen, wobei Stoßstellen durch Adaptoren, vergleichbar zu Wellendigitalfiltern [10], realisiert werden. Aus diesem FREQUENZ 37 (1983) 6 Ein integrierbarer Schalter-Kondensator-LPC-Vocoder 135