DE102004009613A1 - Schaltungsanordnung zum Kompensieren von Nichtlinearitäten von zeitversetzt arbeitenden Analog-Digital-Wandlern - Google Patents

Schaltungsanordnung zum Kompensieren von Nichtlinearitäten von zeitversetzt arbeitenden Analog-Digital-Wandlern Download PDF

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Abstract

Schaltungsanordnung (10) zum Kompensieren von Nichtlinearitäten (NL1, NL2) von zeitversetzt arbeitenden Analog-Digital-Wandlern (15, 16) mit mindestens zwei jeweils zeitversetzt getakteten Analog-Digital-Wandlern (15, 16), die jeweils eine vorbestimmte nichtlineare Wandlerkennlinie mit integralen Nichtlinearitäten (NL1, NL2) aufweisen und die ein an einem Eingang (11) der Schaltungsanordnung anliegendes analoges Eingangssignal (VIN) entgegennehmen und jeweils in ein digitales Zwischensignal (Z1, Z2) wandeln; und mit einem den Analog-Digital-Wandlern nachgeschaltet angeordneten Multiplexer (22), der die digitalen Zwischensignale (Z1, Z2) zum Erzeugen eines digitalen Ausgangssignals (ZD) der Schaltungsanordnung (10) nacheinander durchschaltet; wobei mindestens eine der nichtlinearen Wandlerkennlinien verschiedenen Analog-Digital-Wandler (15, 16) so vorbestimmt sind, dass sich nach dem Zusammenführen der Zwischensignale im Multiplexer (22) die integralen Nichtlinearitäten (NL1, NL2) der verschiedenen Analog-Digital-Wandler (15, 16) im Wesentlichen kompensieren.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Kompensieren von Nichtlinearitäten von zeitversetzt arbeitenden Analog-Digital-Wandlern, insbesondere bei Wandlern deren Nichtlinearitäts-bestimmende Bauelement bekannt sind.
  • Felder von parallel arbeitenden Analog-Digital-Wandlern bestehen aus mehreren Analog-Digital-Wandlern, die parallel, jedoch mit einem gewissen zeitlichen Versatz ein Analogsignal digitalisieren. Die einzelnen digitalen Signale werden dann mittels eines Multiplexers wieder zusammengeführt, so dass effektiv eine höhere Abtastrate als die der einzelnen Analog-Digital-Wandler erreicht wird. Derartige Wandler-Arrays oder Konverter-Arrays werden auch TIADCs (= Time Interleaved Analog to Digital Converters) genannt.
  • Im einfachsten Fall eines TIADCs sind zwei Analog-Digital-Wandler parallel geschaltet, tasten abwechselnd ein gemeinsames analoges Eingangssignal ab und digitalisieren es. Dadurch erscheint die Abtast- bzw. Umsetzrate des Gesamtsystems gegenüber der Abtastrate der einzelnen Analog-Digital-Wandler verdoppelt.
  • Im allgemeineren Fall lässt sich durch eine Erhöhung der Anzahl der parallel arbeitenden Analog-Digital-Wandler bzw. einer Erhöhung der Anzahl der Kanäle, bei N Analog-Digital-Wandlern die effektive Abtastrate des Wandlerarrays auf das N-fache der Abtastrate eines einzelnen Analog-Digital-Wandlers erhöhen.
  • Die 1 zeigt ein Wandler-Array bzw. TIADC nach dem Stand der Technik. Es sind N Analog-Digital-Wandler A/D1, A/D2, ... A/DN vorgesehen, die jeweils einen analogen Eingang E1, E2, ... EN, einen digitalen Ausgangs A1, A2, ... AN und einen Eingang C1, C2, ..., CN für ein jeweiliges Taktsignal CLK1, CLK2, ..., CLKN aufweisen.
  • An die analogen Eingänge E1, E2, ..., EN ist ein gemeinsames analoges Eingangssignal VIN angelegt. Die Analog-Digital-Wandler A/D1, A/D2, ..., A/DN liefern an ihren Ausgängen A1, A2, ..., AN jeweils digitale Zwischensignale Z1, Z2, ..., ZN, die von einem nachgeschalteten Multiplexer MUX als digitales Ausgangssignal ZD des TIADCs nacheinander durchgeschaltet werden.
  • Ein Taktgenerator CLKG erzeugt ein globales Taktsignal CLK, welches an eine Delay Locked Loop DLL geführt ist, daraus daraus einen N-Phasentakt erzeugt, bzw. N-Taktsignale CLK1, CLK2, ..., CLKN, die jeweils dieselbe Taktperiode T wie das globale Taktsignal CLK aufweisen, jedoch jeweils um einen Zeitversatz von T/N = ΔT verzögert sind. Diese Taktsignale CLK1, CLK2, ..., CLKN sind jeweils an die Takteingänge C1, C2, ..., CN der einzelnen Analog-Digital-Wandler A/D1, A/D2, ..., A/DN geführt.
  • Bei solchen Arrays besteht die Schwierigkeit, dass jede Art von Ungleichheit der einzelnen Wandler untereinander zu Umsetzfehlern führt. Zum Beispiel führen unterschiedliche Offset-Werte der verschiedenen Analog-Digital-Wandler zu störenden Tönen bei Frequenzen, die ganze Teile der Abtastfrequenz aufweisen. Auch unterschiedliche Nichtlinearitäten der Kanäle, Unterschiede im Gain, Abweichen vom idealen Abtastzeitpunkt oder eine unterschiedliche Bandbreite der Analog-Digital-Wandler führen zu unerwünschten Störungen im digitalen Ausgangssignal.
  • Insbesondere unterschiedliche Nichtlinearitätseigenschaften der eingesetzten Analog-Digital-Wandler führen zu Ausgangssignalenergien im Frequenzspektrum des Wandler-Arrays, die störend sind.
  • In der 2 ist beispielhaft die Kennlinie eines 3-Bit-Analog-Digital-Wandlers gezeigt. Bei einer Kennlinie bzw. Übertragungsfunktion eines Analog-Digital-Wandlers wird das digitale Ausgangssignal Z über das analoge Eingangssignal VIN, welches hier auf den Maximalpegel des analogen Eingangssignal VINMAX normiert ist, aufgetragen. Ein idealer Wandler mit unendlich hoher Auflösung ergäbe eine exakte winkelhalbierende IAD als Kennlinie. Eine ideale Kennlinie eines idealen Analog-Digital-Wandlers mit endlicher Auflösung liefert eine Treppenkurve I3BAD, wobei die Stufen alle dieselbe Breite und Höhe aufweisen. Die gepunktete Linie entspricht einer Kennlinie eines 3-Bit-Analog-Digital-Wandlers, der zwei Nichtlinearitäten NL1, NL2 aufweist. Die integrale Nichtlinearität bzw. der Linearitätsfehler ist ein Maß für die maximale Abweichung der Wandlerkennlinie von der Winkelhalbierenden und wird in der Regel in der Anzahl des niedrigstwertigen Bits angegeben. Die Nichtlinearität NL1 ist beispielsweise ein positiver Linearitätsfehler und die Nichtlinearität NL2 ein negativer Nichtlinearitätsfehler.
  • Um Nichtlinearitäten in Analog-Digital-Wandlern zu vermindern, jedoch nicht zu beheben, sind Verfahren bekannt. Die 3A zeigt beispielsweise ein Prinzipschaltbild eines Flash-Analog-Digital-Wandlers.
  • Der Wandler hat eine Mehrzahl von Komparatoren K1-K8, die jeweils einen ersten Eingang EF1-EF8, einen zweiten Eingang DF1-DF8 und einen Ausgang AF1-AF8 aufweisen. An die ersten Eingänge EF1-EF8 ist ein analoges Eingangssignal VIN eingekoppelt.
  • Es ist eine Widerstandsleiter aus einer Mehrzahl von Widerständen R1-R8 vorgesehen, die zwischen einer ersten Referenzspannung VREF und einer zweiten Referenzspannung bzw. Masse GND geschaltet sind. Zwischen den Widerständen sind Referenz potenziale U0-U7 abgreifbar, die jeweils an die zweiten Eingänge DF1-DF8 der Komparatoren K1-K8 geführt sind.
  • Die Komparatoren K1-K8 liefern Zwischensignale W1-W8, die an eine Dekodierer DEK geführt sind. Da die Komparatoren K1-K8 durch die Referenzspannung U0-U7 unterschiedliche Schaltpotenziale bzw. Schaltschwellen aufweisen, bilden die Zwischensignale W1-W8 das analoge Eingangssignal in ein digitales Signal im Thermometercode ab. Dieser Thermometercode wird von dem Dekodierer DEK in einen geeigneten digitalen Kode umgesetzt und als digitales Ausgangssignal WD ausgegeben.
  • Ein entsprechender Analog-Digital-Wandler, wie er in 3A gezeichnet ist, weist in der Regel Nichtlinearitäten durch nicht genau identisch ausgeführte Komparatoren K1-K8 auf. Dies kann u.a. durch Schwankungen in den Substrateigenschaften eines Halbleitersubstrates, auf dem der Wandler gefertigt ist, bedingt sein. Dadurch können beispielsweise die Schaltschwellen der Komparatoren nicht exakt äquidistant sein und somit eine oder mehrere Nichtlinearitäten in der Übertragungskennlinie des Wandlers verursachen.
  • In der 3B ist eine mögliche Kompensierung von Nichtlinearitäten durch topologische Vertauschung der Widerstände in der Widerstandsleiter beschrieben.
  • Demgemäß sind die Widerstände der Widerstandsleiter derart verdrahtet, dass die über dem ursprünglichen Widerstand R1 abfallende Spannung bzw. das entsprechende Referenzpotenzial U1 an den Komparator K2 geführt ist.
  • Die über dem ursprünglichen Widerstand R8 (hier als R2' bezeichnet) abfallende Spannung U2 ist an den dritten Komparator K3 geschaltet.
  • Die über dem ursprünglichen Widerstand R2 (hier als R3' bezeichnet) abfallende Spannung U3 an den vierten Komparator K4 geschaltet.
  • Die über dem ursprünglichen Widerstand R7 (hier als R4' bezeichnet) abfallende Spannung U5 ist an den Komparator K5 geschaltet.
  • Die über den ursprünglichen Widerstand R6 (hier als R6' bezeichnet) abfallende Spannung U6 ist an den Komparator K7 geschaltet.
  • Und die über den ursprünglichen Widerstand R4 (hier als R7' bezeichnet) abfallende Spannung U7 ist an den Komparator K8 geschaltet.
  • Somit entspricht der Widerstand R1 aus 3B dem Widerstand R1 aus 3A, der Widerstand R3' dem Widerstand R2, der Widerstand R4' dem Widerstand R7, der Widerstand R5' dem Widerstand R3, der Widerstand R6' dem Widerstand R6, der Widerstand R7' dem Widerstand R4 und der Widerstand R8' dem Widerstand R5.
  • Eine derartige topologische Vertauschung nach dem Stand der Technik, um Nichtlinearitäten auszugleichen oder zu vermindern, ist jedoch sehr verdrahtungsaufwändig. Diese zusätzliche Verdrahtung verursacht zudem Parasitärkapazität, welche die maximale Taktfrequenz des Flash-Wandlers stark einschränkt. Eine derartige zusätzliche Verdrahtung muss zudem für jeden Analog-Digital-Wandler, der in einem Wandler-Array, wie er in 1 beschrieben ist, vorgehalten werden. Die Methode der topologischen Vertauschung ist daher für Analog-Digital-Wandler, die zum Einsatz in TIADCs bzw. Wandler-Arrays vorgesehen sind, nachteilig.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung zum Kompensieren von Nichtlinearitäten von zeitversetzt arbeitenden Analog-Digital-Wandlern zu schaffen, die einen geringen Schaltungsaufwand aufweist, und Fertigungstechnologie-unabhängig realisierbar ist.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Demgemäß ist eine Schaltungsanordnung zum Kompensieren von Nichtlinearitäten von zeitversetzt arbeitenden Analog-Digital-Wandlern vorgesehen, die mindestens zwei jeweils zeitversetzt getaktete Analog-Digital-Wandler aufweist, welche jeweils eine vorbestimmte nichtlineare Wandlerkennlinie mit integralen Nichtlinearitäten haben und welche ein an einem Eingang der Schaltungsanordnung anliegendes analoges Eingangssignal entgegennehmen und dieses jeweils in ein digitales Zwischensignal wandeln. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weist ferner einen den Analog-Digital-Wandlern nachgeschaltet angeordneten Multiplexer auf, der die digitalen Zwischensignale zum Erzeugen eines digitalen Ausgangssignals der Schaltungsanordnung nacheinander durchschaltet. Dabei ist mindestens eine der nichtlinearen Wandlerkennlinien der verschiedenen Analog-Digital-Wandler so vorbestimmt, dass sich nach dem Zusammenführen der Zwischensignale im Multiplexer die integralen Nichtlinearitäten der verschiedenen Analog-Digital-Wandler im Wesentlichen kompensieren.
  • Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, dass das Zusammenwirken der einzelnen nichtlinearen Kennlinien der jeweiligen Analog-Digital-Wandler ausgenutzt wird. Da nicht die einzelnen eingesetzten Analog-Digital-Wandler verändert werden, um deren Nichtlinearitäten zu beheben, sondern die vorhandenen integralen Nichtlinearitäten so genutzt werden, dass sie sich im Mittel, also nach dem Zusammenführen aller Zwischensignale zum digitalen Ausgangssignal kompensieren, ist die erfindungsgemäße Schaltanordnung besonders einfach. Herkömmlicherweise werden die im Array angeordneten Analog-Digital-Wandler möglichst identisch ausgeführt.
  • Erfindungsgemäß ist jedoch eine komplementäre Ausführung bezüglich der Linearitätsfehler vorgesehen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die nichtlinearen Wandlerkennlinien der Analog-Digital-Wandler so vorbestimmt, dass zu jeder integralen Nichtlinearität eines ersten Analog-Digital-Wandlers jeweils eine dazu komplementäre integrale Nichtlinearität des zweiten Analog-Digital-Wandlers vorbestimmt ist. Dies hat den Vorteil, dass jeweils paarweise integrale Nichtlinearitäten bestimmt sind, die sich praktisch gegenseitig kompensieren.
  • Es ist besonders bevorzugt, dass die nichtlinearen Wandlerkennlinien der Analog-Digital-Wandler so vorbestimmt sind, dass eine durch die Nichtlinearitäten verursachte Ausgangssignalenergie in höhere Frequenzbereiche eines Frequenzspektrums der Schaltungsanordnung verteilt ist. Durch die Verteilung in hohe Frequenzbereiche werden die fehlerhaften Ausgangssignalenergien, welche durch die Nichtlinearitäten verursacht sind, in Frequenzbereiche verteilt, die für den Frequenzgang der Schaltungsanordnung nicht wesentlich sind. Besonders bevorzugt liegen diese höheren Frequenzbereiche oberhalb der Nyquist-Frequenz der Analog-Digital-Wandler.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind die verschiedenen Analog-Digital-Wandler jeweils auf demselben Halbleitersubstrat angeordnet und weisen jeweils Nichtlinearitäts-bestimmende Halbleiterbauelement auf. Diese Nichtlinearitäts-bestimmenden Halbleiterbauelemente sind so auf dem Halbleitersubstrat angeordnet, dass sie in einer durch einen technologieabhängigen Gradienten vorgegebenen Richtung angeordnet sind. Vorzugsweise ist dieser Gradient eine Schichtdickenschwankung oder eine Dotierungsschwankung.
  • Dies hat den Vorteil, dass die Nichtlinearitätseigenschaften der verschiedenen Analog-Digital-Wandler von dem technologie abhängigen Gradienten abhängig sind und so die Analog-Digital-Wandler vorteilhafterweise so auf dem Halbleitersubstrat angeordnet sind, dass die jeweiligen Nichtlinearitätsbestimmenden Halbleiterbauelemente jeweilige nichtlineare Wandlerkennlinien erzeugen, so dass bei mindestens zwei Analog-Digital-Wandlern ihre Wandlerkennlinien von einer idealen Wandlerkennlinie komplementär abweicht.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind mehrere Analog-Digital-Wandler als Flash-Wandler ausgebildet. Diese weisen jeweils eine Mehrzahl von Komparatoren mit jeweils einem ersten Eingang, einem zweiten Eingang und einem Ausgang auf. Die Flash-Wandler weisen jeweils einen Dekodierer auf, an den die Ausgänge der Komparatoren geschaltet sind und der jeweils eines der digitalen Zwischensignale ausgibt. Dabei sind die ersten Eingänge der Komparatoren an den Eingang der Schaltungsanordnung gekoppelt, und die zweiten Eingänge der Komparatoren sind jeweils an Referenzspannungen gekoppelt. Die Referenzspannungen sind jeweils zwischen Widerständen einer jeweiligen Widerstandsleiter abgreifbar. Die Nichtlinearitäts-bestimmenden Bauelemente sind dabei die Komparatoren, und die einzelnen Flash-Wandler jeweils um eine Spiegelachse, die senkrecht zu dem Gradienten verläuft, auf dem Halbleitersubstrat angeordnet.
  • Bei der bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird in vorteilhafter Weise ausgenutzt, dass bei spiegelbildlicher Anordnung von beispielsweise zwei Flash-Analog-Digital-Wandlern auch deren Nichtlinearitäten jeweils komplementär zueinander sind. Dadurch kompensieren sich die integralen Nichtlinearitäten der verschiedenen Flash-Wandler erfindungsgemäß.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
  • Dabei zeigt:
  • 1 ein Analog-Digital-Wandler-Array nach dem Stand der Technik;
  • 2 Kennlinien von 3-Bit-Analog-Digital-Wandlern;
  • 3A ein Prinzipschaltbild eines Flash-Wandlers nach dem Stand der Technik;
  • 3B einen Flash-Wandler mit topologisch vertauschten Widerständen;
  • 4 zwei komplementäre Kennlinien von Analog-Digital-Wandlern;
  • 5 eine erfindungsgemäße Anordnung von Analog-Digital-Wandlern auf einem Halbleitersubstrat;
  • 6 ein mehrstufiger Analog-Digital-Wandler nach der Erfindung; und
  • Die 4 zeigt zwei Wandlerkennlinien am Beispiel von 3-Bit-Analog-Digital-Wandlern, die jeweils komplementäre, integrale Nichtlinearitäten NL1, NL2 aufweisen.
  • Die erste Kennlinie ist gepunktet gezeichnet, die zweite Kennlinie durchgezogen. Eine mittlere Kennlinie, die aus Addition der beiden Kennlinien und Division durch zwei erreicht würde, bildet eine ideale Treppenkurve als Kennlinie ab.
  • D.h., wenn zwei Analog-Digital-Wandler, von denen einer die gepunktete Kennlinie aufweist und der zweite die durchgezogene Kennlinie aufweist, in einem Array angeordnet sind und ab wechselnd ein gemeinsames analoges Eingangssignal abtasten und wandeln, die Ausgangskennlinie des Wandler-Arrays im Mitel keine Nichtlinearitäten mehr aufweist. Sind die Kennlinien nicht exakt an der Winkelhalbierenden gespiegelt, sondern weisen lediglich komplementäre Nichtlinearitäten auf, die verschiedene Vorzeichen haben (positiver und negativer Linearitätsfehler) ist die Linearität eines erfindungsgemäßen Wandler-Array zumindest verbessert.
  • Nach dem Stand der Technik werden Analog-Digital-Wandler, welche zum Einsatz in einem Array vorgesehen sind, möglichst identisch gefertigt, d.h. sie weisen auch dieselben Nichtlinearitäten auf. Erfindungsgemäß wird jedoch gerade eine vorhandene Nichtlinearität ausgenutzt, indem ein komplementärer Analog-Digital-Wandler bezüglich der Linearitätsfehler ebenfalls im Array vorgesehen ist. Da die Analog-Digital-Wandler in der Regel Nichtlinearitäts-bestimmende Bauelemente aufweisen, wie z.B. Komparatoren oder Widerstände, und der jeweilige Analog-Digital-Wandler auf einem Halbleitersubstrat gefertigt ist, können komplementäre Analog-Digital-Wandler bzw. Analog-Digital-Wandler mit komplementären Nichtlinearitäten durch deren Anordnung auf dem Halbleitersubstrat geschaffen werden.
  • Die 5 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung von Analog-Digital-Wandlern auf einem Halbleitersubstrat.
  • Ein Halbleitersubstrat 1, auf dem die Analog-Digital-Wandler bzw. das gesamte Array angeordnet ist, weist in der Regel Schwankungen in Schichtdicken und/oder Dotierungen auf, die einem Gradienten 2 folgen. Diese Gradienten sind durch Technologieungenauigkeiten bedingt.
  • Auf dem Halbleitersubstrat 1 sind zwei Analog-Digital-Wandler 3, 3' vorgesehen, die jeweils Nichtlinearitäts-bestimmende Bauelemente 4, 5, 6, 4', 5', 6' aufweisen. Die beiden Analog-Digital-Wandler sind so angeordnet, dass sie gegenüber einer Spiegelachse 7, die senkrecht zu dem Gradienten 2 verläuft, liegen. Beispielsweise können die Nichtlinearitäts-bestimmenden Bauelemente Komparatoren in einem Flash-Wandler sein. Falls der Gradient 2 linear verläuft, haben die Nichtlinearitäts-bestimmenden Bauelement 4, 5, 6, 4', 5', 6' in den beiden Analog-Digital-Wandlern 3, 3' jeweils genau den komplementären Effekt auf die Nichtlinearität des jeweiligen Wandlers 3, 3'. Auf ähnliche Weise lassen sich weitere Analog-Digital-Wandler paarweise komplementär gestalten.
  • Die 6 zeigt ein Blockschaltbild eines mehrstufigen Analog-Digital-Wandlers mit erfindungsgemäßen komplementären Wandlern.
  • Der zweistufige Analog-Digital-Wandler 10 weist einen Eingang 11 zum Einkoppeln eines analogen Eingangssignals VIN und einen digitalen Ausgang 12 zur Ausgabe eines digitalen Ausgangssignals ZD auf.
  • Es ist ein erster grober Analog-Digital-Wandler 13 vorgesehen, der als Flash-Wandler ausgeführt ist und entsprechende Komparatoren K aufweist. Der grobe Analog-Digital-Wandler 13 ist an eine Widerstandskette 14 gekoppelt, die Referenzspannungen für die Komparatoren K bereitstellt.
  • Ferner weist der mehrstufige Analog-Digital-Wandler 10 einen ersten feinen Analog-Digital-Wandler 15 und einen zweiten feinen Analog-Digital-Wandler 16 auf. Die beiden feinen Analog-Digital-Wandler 15, 16 sind ebenfalls als Flash-Analog-Digital-Wandler ausgeführt und weisen demnach Komparatoren K auf. Die Komparatoren sind in diesem Ausführungsbeispiel die Nichtlinearitäts-bestimmenden Bauelemente.
  • Es ist eine zweite Widerstandskette 17 vorgesehen, die an die beiden feinen Analog-Digital-Wandler 15, 16 gekoppelt ist und den entsprechenden Komparatoren K Referenzpotenziale bereitstellt.
  • Das analoge Eingangssignal VIN wird in einem Eingangstreiber 18 verstärkt und als analoges Eingangssignal Z1 dem groben Analog-Digital-Wandler 13, dem ersten feinen Analog-Digital-Wandler 15 und dem zweiten feinen Analog-Digital-Wandler 16 zugeführt.
  • Es ist ein Taktgenerator 19 vorgesehen, der ein Taktsignal CLK liefert, welches an eine Taktsteuereinheit 20 geführt ist. Die Taktsteuereinheit 20 führt dem groben Analog-Digital-Wandler 13 das Taktsignal CLK, dem ersten feinen Analog-Digital-Wandler 15 ein Taktsignal CLK1 und dem zweiten feinen Analog-Digital-Wandler 16 ein Taktsignal CLK2 zu. Dabei weist das zweite Taktsignal CLK2 die halbe Taktfrequenz des Taktsignals CLK auf, und das erste Taktsignal CLK1 ist dem zweiten Taktsignal CLK2 komplementär bzw. invers.
  • Das digitale Ausgangssignal ZA des groben Analog-Digital-Wandlers 13 ist an einen Zwischenspeicher 21 geführt, wird dort zwischengespeichert und als zwischengespeichertes Signal Z3 einem Addierer zugeführt. Ferner werden dem Addierer das erste Zwischensignal Z1 vom ersten feinen Analog-Digital-Wandler 15 und das zweite Zwischensignal Z2 vom zweiten feinen Analog-Digital-Wandler 16 zugeführt. Der Addierer 21 addiert die drei Signale ZA, Z1, Z2 zum digitalen Ausgangssignal ZD, welches an den Ausgang 12 geführt ist.
  • Die Nichtlinearitäts-bestimmenden Bauelement sind bei den beiden feinen Analog-Digital-Wandlern 15, 16 jeweils Komparatoren K. Erfindungsgemäß sind die feinen Analog-Digital-Wandler 15, 16 beispielsweise wie in 5 gezeigt angeordnet, um komplementäre Kennlinien der beiden Analog-Digital-Wandler 15, 16 zu schaffen.
  • Der grobe Analog-Digital-Wandler 13 liefert zunächst ein grobes digitales Wandlerergebnis ZA, welches in dem Speicher 21 zwischengespeichert wird. Die zwei Feinstufen bzw. feinen A nalog-Digital-Wandler 15, 16 sind jeweils mit der halben Taktfrequenz aber komplementär getaktet. Somit liefern sie abwechselnd ein feines Wandlungsergebnis bzw. das erste und zweite digitale Zwischensignal Z1, Z2. Die beiden feinarbeitenden Analog-Digital-Wandler 15, 16 kompensieren erfindungsgemäß ihre Nichtlinearitäten gegenseitig, so dass die Kennlinie des zweistufigen Wandlers 10 insgesamt höchst linear ist.
  • Bei herkömmlichen mehrstufigen Wandlern werden die feinen Analog-Digital-Wandler möglichst identisch ausgeführt, so dass auch im Ergebnis des entsprechenden gesamten mehrstufigen Wandlers die Nichtlinearitäten im digitalen Ausgangssignal bemerkbar sind.
  • Obgleich die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugten Ausführungsform beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
  • So sei die Erfindung insbesondere nicht auf den in 6 beschriebenen Aufbau eines zweistufigen Wandlers beschränkt, sondern kann auf eine Vielzahl von Stufen und insbesondere die parallele Anordnung von vielen Analog-Digital-Wandlern, die erfindungsgemäße Nichtlinearitäten aufweisen, erweitert werden.
  • Insbesondere muss die räumliche Anordnung von Analog-Digital-Wandlern auf Halbleitersubstraten nicht notwendigerweise wie in 5 beschrieben geschehen. Auch eine nicht parallele Anordnung der Nichtlinearitäts-bestimmenden Bauelemente gegenüber dem Gradienten ist möglich, solange an einer zu dem Gradienten 2 senkrechten Spiegelachse gespiegelt wird.
  • Auch wenn nichtlineare Gradienten vorliegen, lässt sich die erfindungsgemäße Idee der komplementären integralen Nichtlinearitäten anwenden, wobei zumindest die Nichtlinearität ei nes Wandler-Arrays erheblich niedriger ist als die Nichtlinearitäten der einzelnen eingesetzten Analog-Digital-Wandler.
  • Die Erfindung bietet insbesondere den Vorteil, dass sie technologieunabhängig einsetzbar ist. Die Erfindung erfordert keine zusätzliche Verschaltung oder Abwandlung der Grundelemente von TIADCs bzw. Analog-Digital-Wandler-Arrays und kann an vielen Typen von Analog-Digital-Wandlern, z.B. Parallelwandlern, Kaskadenwandlern, Wandlern, die mit sukzessiver Approximation wandeln, Wandlern, die nach dem Zählverfahren arbeiten, etc. verwendet werden.
  • Die erfindungsgemäße Kompensation von Nichtlinearitäten in Arrays von zeitversetzt arbeitenden Analog-Digital-Wandlern führt zu erheblich verbesserten Wandlerergebnissen.
  • A/D1-A/DN
    Analog-Digital-Wandler
    C1-CN
    Takteingang
    E1-EN
    analoger Eingang
    A1-AN
    digitaler Ausgang
    Z1-ZN
    digitales Zwischensignal
    MUX
    Multiplexer
    ZD
    digitales Ausgangssignal
    VIN
    analoges Eingangssignal
    DLL
    delay-locked loop
    CLKG
    Taktgenerator
    CLK
    Taktsignal
    CLK1-CLKN
    Taktsignal
    K1-K8
    Komparator
    K
    Komparator
    DEK
    Decodierer
    WD
    digitales Ausgangssignal
    VREF
    Referenzpotenzial
    GND
    Referenzpotenzial/Masse
    U0-U8
    Referenzpotenzial
    W1-W8
    Digitalsignal
    AF1-AF8
    Komparatorausgang
    EF1-EF8
    Komparatoreingang
    DF1-DF8
    Komparatoreingang
    R1-R8
    Widerstand
    R1'-R8'
    Widerstand
    NL1, NL2
    Nichtlinearität
    IRD
    ideale Kennlinie
    I3BAD3Z
    ideales Ausgangssignal
    1
    Halbleitersubstrat
    2
    Gradient
    3, 3'
    Analog-Digital-Wandler
    4, 5, 6, 4', 5', 6'
    Nichtlinearitäts-bestimmende Bauelemente
    7
    Spiegelachse
    10
    Zweistufenwandler
    11
    Eingang
    12
    Ausgang
    13
    grober Analog-Digital-Wandler
    14
    Widerstandskette
    15, 16
    feiner Analog-Digital-Wandler
    17
    Widerstandskette
    18
    Eingangstreiber
    19
    Taktgenerator
    20
    Taktverteiler
    21
    Zwischenspeicher
    22
    Addierer
    ZA
    digitales Ausgangssignal

Claims (8)

  1. Schaltungsanordnung (10) zum Kompensieren von Nichtlinearitäten (NL1, NL2) von zeitversetzt arbeitenden Analog-Digital-Wandlern (15, 16): mit mindestens zwei jeweils zeitversetzt getakteten Analog-Digital-Wandlern (15, 16), die jeweils eine vorbestimmte nichtlineare Wandlerkennlinie mit integralen Nichtlinearitäten (NL1, NL2) aufweisen und die ein an einem Eingang (11) der Schaltungsanordnung anliegendes analoges Eingangssignal (VIN) entgegennehmen und jeweils in ein digitales Zwischensignal (Z1, Z2) wandeln; und mit einem den Analog-Digital-Wandlern nachgeschaltet angeordneten Multiplexer (22), der die digitalen Zwischensignale (Z1, Z2) zum Erzeugen eines digitalen Ausgangssignals (ZD) der Schaltungsanordnung (10) nacheinander durchschaltet; wobei mindestens eine der nichtlinearen Wandlerkennlinien der verschiedenen Analog-Digital-Wandler (15, 16) so vorbestimmt sind, dass sich nach dem Zusammenführen der Zwischensignale im Multiplexer (22) die integralen Nichtlinearitäten (NL1, Nl2) der verschiedenen Analog-Digital-Wandler (15, 16) im Wesentlichen kompensieren.
  2. Schaltungsanordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zu jeder integralen Nichtlinearität (NL1, NL2) eines ersten Analog-Digital-Wandlers (15) jeweils eine dazu komplementäre integrale Nichtlinearität (NL1, NL2) eines zweiten Analog-Digital-Wandlers (16) vorbestimmmt ist.
  3. Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtlinearen Wandlerkennlinien der Analog-Digital-Wandler (15, 16) so vorbestimmt sind, dass eine durch die Nichtlinearitäten verursachte Ausgangssignalenergie in höhere Frequenzbereiche eines Frequenzspektrums der Schaltungsanordnung (10) verteilt ist.
  4. Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenen Analog-Digital-Wandler (3, 3') jeweils auf demselben Halbleitersubstrat (1) angeordnet sind und jeweils nichtlinearitätsbestimmende Halbleiterbauelemente () aufweisen, die auf dem Halbleitersubstrat in einer durch (4, 5, 6, 4', 5', 6') einen technologieabhängigen Gradienten (2) vorgegebenen Richtung angeordnet sind.
  5. Schaltungsanordnung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gradient (2) eine Schichtdickenschwankung ist.
  6. Schaltungsanordnung (10) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gradient (2) eine Dotierungsschwankung ist.
  7. Schaltungsanordnung (10) nach einem der Ansprüche 4 – 6, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Analog-Digital-Wandler (3, 3') und ihre jeweiligen nichtlinearitätsbestimmenden Halbleiterbauelemente (4, 5 ,6, 4', 5', 6') so auf dem Halbleitersubstrat (1) angeordnet sind, dass die jeweiligen nichtlinearen Wandlerkennlinien von mindestens zwei Analog-Digital-Wandlern (3, 3') komplementär von einer idealen Wandlerkennlinie abweichen.
  8. Schaltungsanordnung (10) nach einem der Ansprüche 4 – 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere der Analog-Digital-Wandler (3, 3', 15, 16) als Flash-Wandler ausgebildet ist, die jeweils eine Mehrzahl von Komparatoren (K) mit jeweils einem ersten Eingang, einem zweiten Eingang und einem Ausgang aufweisen, sowie jeweils einen Dekodierer aufweisen, an den die Ausgänge der Komparatoren geschaltet sind und der jeweils eines der digitalen Zwischensignale ausgibt, wobei die ersten Eingänge der Komparatoren an den Eingang der Schaltungsanordnung gekoppelt sind, und wobei die zweiten Eingänge der Komparatoren jeweils an Referenzspannungen gekoppelt sind, die jeweils zwischen Widerständen einer jeweiligen Widerstandsleiter abgreifbar sind, und wobei die einzelnen Flash-Wandler (3, 3', 15, 16) um eine Spiegelachse (7) die senkrecht zu dem Gradienten (2) verläuft, auf dem Halbleitersubstrat (1) angeordnet sind.
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