Halbleiterschaltung für die Amplitudenmodulation von Folgen periodischer Wechselspannungssignale

Die Erfindung betrifft eine Halbleiterschaltung für die Amplitudenmodulation von Folgen periodischer Wechselspannungssignale mit einem Signaleingang, einem die Modulation bewirkenden Schaltungsteil, der eine Anzahl von einander gleichen Transistoren mit je zwei stromführenden Anschlüssen und einem Steueranschluss aufweist, einem n Zählstufen aufweisenden und von einem Taktgeber mit Zählimpulsen gesteuerten Digitalzähler, der mit den Steueranschlüssen der Transistoren verbunden ist, und einem Signalausgang, mit dem die Transistoren über ein Widerstandsnetzwerk verbunden sind.

Eine solche Schaltung ist an sich durch die DE-OS 2 535 875 bekannt, die sich auf ein tonformendes Dämpfungsregler-Netzwerk zur Verwendung bei einem Musikinstrument bezieht, welches die Aufgabe hat, die Dämpfung von Tonsignalen gemäss vorher festgelegter Muster zu bewirken.

Dabei handelt es sich beim Betrieb von elektronischen Musikgeräten (aber auch bei Geräten zur Sprachsynthesierung) um das Problem, elektrische Wechselstromsignale, die sich aus periodischen Schwingungen, z.B. aus Sinusschwingungen, aus Rechteckschwingungen, aus Sägezahnschwingungen, zusammensetzen können, so umzuformen, dass die Amplitude der einzelnen Schwingungen beginnend von einem sehr kleinen Wert sich allmählich zu immer grösseren Werten bis zu einem Maximum steigert, um dann - ggf. nach einem Verbleib auf dem Höchstwert-wieder monoton bis zu einem verschwindend kleinen Wert abzufallen. Ausserdem ist dabei wichtig, dass die Amplitudenänderung nicht auf das Bezugspotential (Masse), sondern auf ein höheres Potential VM bezogen wird, das z.B. in der Mitte zwischen dem Bezugspotential und dem anderen Versorgungspotential liegt. Eine solche Modulation wäre z.B. beim Einschalten des Tons bei elektrischen Musikgeräten angebracht, weil sie, wie die Untersuchung mit einer Fourieranalyse zeigt, frei von dem sonst beim Einsetzen bzw. Abfallen der Schwingungen auftretenden Gleichspannungssprung ist, so dass der unangenehme Knackton auf diese Weise vermieden werden kann.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine monolithisch integrierbare Halbleiterschaltung anzugeben, welche zur Abgabe der im vorstehend angegebenen Sinne geformten Wechselspannungs- bzw. Wechselspannungsimpulsfolgen geeignet ist. Wesentlich ist dabei ausserdem, dass der technische Aufwand im Vergleich zu den Schaltungen nach der DE-OS 2 535 875 merklich reduziert ist.

Hierzu wird eine der eingangs gegebenen Definition entsprechende Halbleiterschaltung derart ausgebildet, dass der Signaleingang direkt an den einen stromführenden Anschluss der n ersten Transistoren gelegt und jeder dieser n Transistoren mit einem zweiten solchen Transistor zu je einem Transistorpaar zusammengefasst ist, indem der andere stromführende Anschluss des ersten Transistors jedes Transistorpaars mit dem entsprechenden einen stromführenden Anschluss des zugehörigen zweiten Transistors verbunden und ausserdem über je eine von n verschiedenen Widerstandskombinationen an den Signalausgang der Schaltung gelegt ist, dass ferner die den einzelnen Transistorpaaren jeweils zugeordneten Widerstandskombinationen zusammen ein Widerstands-Netzwerk bilden und dass die anderen stromführenden Anschlüsse der zweiten Transistoren aller dieser Transistorpaare an einem gemeinsamen und vom Bezugspotential (Masse) verschiedenen Betriebspotential liegen und dass schliesslich beide Steueranschlüsse jedes dieser Transistorpaare jeweils mit den Ausgängen einer Zählstufe des Digitalzählers verbunden sind.

Abgesehen vom Digitalzähler kommt eine solche Schaltung, wie aus der die Erfindung darstellenden Zeichnung hervorgeht, mit einem Minimum an technischem Aufwand aus, da ausser den in der soeben gebrachten Definition der Erfindung genannten Schaltungsteilen keine weiteren Schaltungsmittel zur Lösung der genannten Aufgabe erforderlich sind. Damit ist aber ein wesentlicher Vorteil der Erfindung gegenüber den in der DE-OS 2 535 875 angegebenen Möglichkeiten gewährleistet.

Die Einzeltransistoren der Transistorpaare sind entweder Bipolartransistoren oder Feldeffekttransistoren vom MIS-Typ, insbesondere vom MOS-Typ. Im ersten Fall sind die Steuerelektroden durch die Basisanschlüsse der einzelnen Transistoren und die beiden stromführenden Anschlüsse durch den Emitter und den Kollektor gegeben. In diesem Fall sind die Kollektoren der beiden Transistoren der einzelnen Transistorpaare mit einander verbunden und über das Widerstandsnetzwerk an den Signalausgang der Schaltung gelegt, während der Emitter des jeweils ersten Transistors mit den umzuformenden Signalfolgen und der Emitter des jeweils zweiten Transistors mit einem vom Bezugspotential (Masse) verschiedenen konstanten Betriebspoteritial VM zu beaufschlagen ist, welches zwischen dem an Masse liegenden Bezugspotential und dem höchsten zum Betrieb des Digitalzählers verwendeten Betriebspotential, insbesondere in der Mitte zwischen den beiden Potentialen, liegt. Zu bemerken ist dabei noch, dass in diesem Fall sich auch die die Zählstufen des Digitalzählers bildenden Flip-Flopzellen aus logischen Gattern (NOR- oder NAND-Gattern) zusammensetzen, die Bipolartransistoren und ggf. auch aus Dioden als Hauptbestandteil aufweisen.

In dem in der Figur dargestellten Fall sind die Transistoren einander gleiche MIS-Feldeffekttransistoren, insbesondere vom Anreicherungstyp. Unter Bezugnahme auf die Figur ist dabei folgendes festzustellen.

Der Index «i» läuft von 1 bis n, wobei n die Gesamtzahl der Zählstufen des Digitalzählers Z ist und die Zählung mit der unmittelbar mit den Zählimpulsen beaufschlagten ersten Zählstufe FF, beginnt und in der Reihenfolge der Zählstufen FF_i in der den Zähler bildenden Kette von Zählstufen fortschreitet. Das zur i-ten Zählstufe FF_i gehörende Transistorpaar besteht aus den beiden einander gleichen MIS-Feldeffekttransistoren T_i und t_i, wobei - entsprechend der gewählten Bezeichnungsweise - der Transistor T_i als der erste Transistor und der Transistor t_i als der zweite Transistor gilt. Entsprechend der Erfindung werden die beiden Transistoren T_i und t_i jeweils zu dem betreffenden Transistorpaar zusammengefasst, indem ihre Drainanschlüsse miteinander verbunden und über eine dem betreffenden Transistorpaar zugeordnete Kombination R, von Widerständen an den Signalausgang A der Schaltung gelegt sind.

Entsprechend der Erfindung ist ferner der Sourceanschluss.des ersten Transistors T_i des i-ten Transistorpaares mit dem durch die zu formenden Impulsfolgen zu beaufschlagenden Signaleingang E der Schaltung und der Sourceanschluss des zweiten Transistors t_i mit einem vom Bezugspotential verschiedenen und zwischen diesem und dem grössten für den Betrieb des Digitalzählers Z erforderlichen Betriebspotential liegenden mittleren Betriebspotential VM beaufschlagten Versorgungseingang verbunden.

Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Digitalzähler Z ein Dualzähler, so dass die einzelnen Zählstufen FF, aus je einer Flip-Flopzelle, insbesondere einer Toggle-Flip-Flopzelle, bestehen. Demzufolge hat jede Zählstufe FF_i zwei Signaleingänge und zwei Signalausgänge, welch letztere mit Q bzw. Ö bezeichnet sind. Die jeweiligen Zählerstände werden durch die Gesamtheit der Ausgänge Q und Ö unter Beachtung der Reihenfolge i der Flip-Flopzellen geliefert, wobei Q den invertierten Zählerstand und Q den der bisher eingegebenen Anzahl von Zählimpulsen entsprechenden Zählstand wiedergeben. Die Zählimpulse werden über den Zähleingang TE des Dualzählers Z unmittelbar an den einen Eingang und über einen Inverter I an den anderen Informationseingang der ersten Flip-Flopzelle FF, der Zählerkette Z gegeben. Die beiden Ausgänge Q und Ö der ersten Flip-Flopzelle FF, liegen an je einem der beiden Informationseingänge der zweiten Flip-Flopzelle FF₂. Allgemein sind die beiden Ausgänge der i-ten Flip-Flopzelle FF_i mit je einem der beiden Informationseingänge der folgenden Flip-Flopzelle FF_i+1 verbunden.

Bei Anwendung eines derart aufgebauten Zählers Z ist es zweckmässig, zusätzlich noch ein weiteres Transistorpaar T^*, t^* vorzusehen, das in entsprechender Weise wie die übrigen Transistorpaare T_i, t_i durch den Signaleingang E und das Potential VM beaufschlagt und mit dem Ausgang A der Schaltung verbunden ist, während zu seiner Steuerung unmittelbar der Eingang TE für die Zählimpulse bzw. der Inverter I vorgesehen sind. Demzufolge ist der erste Transistor T^* dieses Transistorpaares mit seinem Trainanschluss und dem Drainanschluss des ihm gleichen zweiten Transistors t^* über eine weitere Widerstandskombination an den Ausgang A der Schaltung gelegt, während der Sourceanschluss des ersten Transistors T^* am Signaleingang E der Schaltung und der Sourceanschluss des zweiten Transistors t^* an dem mittleren Betriebspotential VM liegen. Das Gate des ersten Transistors T^* wird durch den Ausgang des Inverters und das Gate des zweiten Transistors t^* unmittelbar durch den Zähleingang TE des Dualzählers Z gesteuert.

Der Grundbestandteil des Widerstands-Netzwerkes NW ist eine aus n einander gleichen Widerständen R bestehende Widerstandskette, die am einen Ende durch den Signalausgang A der Schaltung abgeschlossen und an ihrem anderen Ende über einen Überbrückungswiderstand R' an das zur Beaufschlagung der Sourceanschlüsse der zweiten Transistoren t_i der Transistorpaare T_i, t_i vorgesehene mittlere Betriebspotential VM gelegt ist. Zwischen je zwei benachbarten Einzelwiderständen R der Widerstandskette sowie zwischen dem Überbrückungswiderstand R' und dem ihm benachbarten Einzelwiderstand R der Widerstandskette ist je ein Schaltungsknoten vorgesehen, von dem aus über je einen Ergänzungswiderstand R^* eine leitende Verbindung zu den beiden Transistoren T_i, t_i des i-ten Transistorpaares hergestellt ist. Die Anschaltung ist dabei derart getroffen, dass zwischen den Drainanschlüssen der beiden Transistoren T_i, t_i des durch die i-te Zählstufe FF_i des Dualzählers Z Transistorpaares und dem Ausgang A der Schaltung jeweils die Serienschaltung aus einem Ergänzungswiderstand R^* und (n + 1-i) Einzelwiderstände R gelegt ist.

Zu erwähnen ist, dass die einander gleich bemessenen Ergänzungswiderstände R^* auf den doppelten Wert der Einzelwiderstände R der Widerstandskette eingestellt sind und somit R^* = 2R gilt. Der Überbrückungswiderstand R' ist zweckmässig so eingestellt, dass R' = R^*.

Falls zu den normalerweise benötigten n Transistorpaaren noch ein weiteres Transistorpaar T^*, t^* vorgesehen und in der oben beschriebenen Weise an den Zähleingang TE des Dualzählers Z, an das mittlere Betriebspotential VM und an den Signaleingang E angeschaltet ist, dann ist - wie aus der Zeichnung ersichtlich - die Kette aus einander gleichen Widerständen R um einen weiteren Widerstand R zu verlängern. Dann liegen die kombinierten Drainanschlüsse der beiden Transistoren des ersten Transistorpaars T₁, t₁ nicht mehr am Ende der aus den Widerständen R gebildeten Kette, sondern zwischen den-vom Signalausgang A her gesehen - beiden letzten dieser Widerstände R an der Widerstandskette an. Die Drains der beiden Transistoren T^* und t^* des zusätzlichen Transistorpaares sind dann - wiederum über einen Ergänzungswiderstand R^{* -} an dem zwischen dem letzten Widerstand R der Kette und dem Überbrückungswiderstand R' liegenden Schaltungsknoten angeschlossen.

Die auf den Eingang E zu gebenden Impulsfolgen bestehen aus einander gleichen Impulsen, z.B. aus sinusförmigen Impulsen oder aus Rechteckimpulsen oder aus Sägezahnimpulsen. Ihre Frequenz ist auf einen höheren Wert als die Frequenz der - zwckmassig ebenfalls periodisch anfallenden - Zählimpulse für den Eingang TE des Digitalzählers Z eingestellt.

Hinsichtlich der beschriebenen Schaltung ist nun folgendes festzustellen: Durch das Zusammenwirken des Dualzählers Z und der beiden Transistoren T, und t_; der einzelnen Transistorpaare wird die über den Eingang E zugeführte Impulsfolge konstanter Amplituden in eine nicht mehr auf das Bezugspotential, also Masse, bezogene Imputsfolge, d.h. in eine auf das mittlere Betriebspotential VM bezogene Impulsfolge umgewandelt, die am Ausgang A der Schaltung abgenommen werden kann. Ist der Zähler in der Ausgangsstellung und somit sein Zählstand identisch Null, so ist wegen des hohen Wertes des Widerstands der dann massgebenden Widerstandskombination R die Amplitude des am Ausgang A erscheinenden Signals sehr klein. Mit fortschreitendem Zählerstand wächst die Amplitude der am Ausgang A erscheinenden Signale und erreicht mit dem Maximum des Zählstandes auch ihren maximalen Wert. Es wird somit eine Impulsfolge am Ausgang A erhalten, deren Hüllkurve sich zunehmend erweitert.

Wird der Dualzähler Z in bekannter Weise als Vorwärts-Rückwärtszähler ausgebildet, so kann man nach dem Erreichen des höchsten Zählstandes diesen und damit die Amplituden der Einzelimpulse sukzessive wieder abbauen.

Statt eines Dualzählers kann auch z.B. ein Dezimalzähler oder ein Hexadezimalzähler als Digitalzähler Z im Prinzip verwendet werden. Jedoch ist dann der Aufwand an Transistoren bedingt durch den komplizierteren Aufbau der Zählstufen entsprechend grösser.

Ferner ist für die Beaufschlagung des Dualzählers Z mit Zählimpulsen ein Oszillator mit konstanter Frequenz vorgesehen. Bevorzugt liefert dieser Sinusschwingungen, deren Hüllkurve dann mit Hilfe der vorgeschlagenen Halbleiterschaltung umgeformt werden kann. Ersichtlich ist die Wirkung auch dann gegeben, wenn die Gestalt der Elnzelimpulse der zu formenden Impulsfolgen nicht sinusförmig, sondern z. B. rechteckförmig oder trapezförmig oder sägezahnförmig ist. Schllesslich ist eine strenge Periodizität der umzuformenden Signale keine für die Wirksamkeit der Schaltung unbedingt erforderliche Voraussetzung.

In der DE-Patentanmeldung P 2 833 211.8 (VPA 78 P 1130) Ist ein elektronischer Zähler für elektrische DIgitalimpulse beschrieben, dessen Zählstufen je einen Q-Ausgang und einen Q-Ausgang aufweisen und der sowohl auf den Betrieb als Vorwärtszähler als auch auf den Betrieb als Rückwärtszähler umschaltbar ist, und der sich durch einen besonders einfachen Aufbau der die Umschaltung bewirkenden Schaltungsteile auszeichnet. Der in dieser Patentanmeldung P 2 833 211.8 beschriebene Vorwärts-Rückwärtszähler eignet sich in besonderem Masse für den Dualzähler Z gemäss der vorliegenden Erfindung.

Dies gilt vor allem dann, wenn die Erfindung für die fonerzeugung eines elektronischen MusIkgerätes, insbesondere einer elektronischen Orgel, eingesetzt wird. Dort wird durch den Druck auf eine Spieltaste ein entsprechend der gewünschten Tonfrequenz schwingender Oszillator aktiviert oder die betreffende Tonfrequenz über einen Frequenzteiler erzeugt. Das jeweils angeschlagene und durch eine entsprechende Schwingungsfolge gegebene elektrische Tonsignal wird dann unmittelbar mit seinem Auftreten an den Signaleingang E der gemäss der Erfindung vorgeschlagenen Halbleiterschaltung gelegt und mit allmählich ansteigenden Amplituden versehen. Ist der maximale Zählstand erreicht, dann wird die weitere Zufuhr von Zählimpulsen so lange unterbunden, bis die Spieltaste wieder losgelassen wird. In diesem Augenblick setzt erneut die Zufuhr von Zählimpulsen ein, wodurch der nunmehr auf den Betrieb als Rückwärtszähler geschaltete Dualzähler die Amplitude des durch entsprechende Massnahmen weiter aufrechterhaltenen elektrischen Tonsignals bis zum Verschwinden abgebaut wird. Der die betreffende Tonfrequenz liefernde Oszillator wird dann abgeschaltet, um erst bei erneuter Betätigung der betreffenden Spieltaste wieder aktiviert zu werden.

Wie bereits soeben angedeutet wurde, können dabei entsprechend den Tönen der höchsten Oktave schwingende Oszillatoren vorgesehen sein, die dann über Frequenzteilerstufen, die den Tönen der niedrigeren Oktaven entsprechende elektrische Schwingungen erzeugen. Ferner können die für die Beaufschlagung des Dualzählers Z dienenden Zählimpulse von einem Oszillator mit konstanter Frequenz über umschaltbare Frequenzteilerstufen an den Eingang TE des Dualzählers Z geliefert werden. Hierdurch lassen sich auch nichtlineare Hüllkurven für die Amplituden der am Ausgang A erscheinenden Signale realisieren.