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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Wandlerkreis zur Umwandlung
eines pulsweitenmodulierten Eingangssignals in ein Spannungsausgangssignal.
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In
einigen Systemen wird ein Signalwert in der Zeitdomäne unter
Verwendung einer Pulsweitenmodulation kodiert. Üblicherweise stellt ein Tastverhältnis < 50% einen negativen
Wert und ein Tastverhältnis > 50% einen positiven
Wert dar. Ein herkömmlicher
Weg zur Umwandlung eines pulsweitenmodulierten Signals in ein analoges
Spannungssignal besteht in der Verwendung von Filtern, die Verzögerungen
und Phasenverschiebungen einfügen
und RC-Bauelemente mit großen
Werten erfordern, die nicht in eine integrierte Schaltung implementiert
werden können.
Andere Ansätze
bestehen in der Verwendung eines schnellen Überabtastungstakts („oversampling
clock") zur Zählung der
PWM-Zeitdifferenz oder in der Verwendung eines Filters mit geschalteten
Kapazitäten
("switched-capacitor filter").
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EP 0 734 123 A2 offenbart
die Verwendung eines pulsweiten modulierten Signals zur digitalen Datenübertragung.
Ein analoger Prozessor umfaßt eine
Anzahl von Hochpaßfiltern
und einen Tiefpaßfilter
sowie zwei Komparatoren. Am Ausgang des analogen Prozessors steht
ein demoduliertes, digitales Signal zur Verfügung.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wandlerkreis zur Umwandlung
eines pulsweitenmodulierten Eingangssignals in ein Spannungsausgangssignal
bereitzustellen, der einfach in eine integrierte Schaltung implementiert
werden kann und einen Versatz (Offset) auf Grund von Fehlanpassungen
von Bauelementen eliminiert. Der Wandlerkreis der Erfindung weist
mindestens zwei gleiche Kanäle auf.
Jeder Kanal weist einen Operationsverstärker mit Differenzeingängen und
Differenzausgängen
auf. Ein erster Kondensator in jedem Kanal stellt eine negative
Rückkopplung
von einem ersten Ausgang zu einem ersten Eingang bereit, und ein
zweiter Kondensator in jedem Kanal stellt eine negative Rückkopplung
von einem zweiten Ausgang zu einem zweiten Eingang bereit. Jeder
Kanal wird von einer gesteuerten Schalteranordnung als Reaktion
auf das PWM-Signal gezwungen, entweder in einem Integrationsmodus,
einem Abtastmodus oder einem Rücksetzmodus
zu arbeiten. In jedem Kanal
- – verbindet
die Schalteranordnung in dem Integrationsmodus selektiv die Referenzstromquelle
der ersten Polarität
entweder mit dem ersten oder dem zweiten Eingang des Operationsverstärkers und
die Referenzstromquelle der zweiten Polarität mit dem jeweils anderen Eingang,
- – trennt
die Schalteranordnung in dem Abtastmodus selektiv die Referenzstromquellen
der ersten und zweiten Polarität
ab, und die Ausgänge
des Operationsverstärkers
stellen das Spannungsausgangssignal bereit,
- – trennt
die Schalteranordnung in dem Rücksetzmodus
selektiv die Referenzstromquellen der ersten und zweiten Polarität ab und
schließt
den ersten und den zweiten Kondensator kurz.
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Der
erfindungsgemäße Wandlerkreis
basiert auf dem Grundsatz der Integration von Strömen mit unterschiedlicher
Polarität über einen
Kondensator. Unter idealen Bedingungen ergibt dies ein vollkommen
lineares Verhältnis
zwischen dem Tastverhältnis des
PWM-Eingangssignals und dem analogen Spannungsausgangssignal mit
Schaltungselementen, die leicht in eine integrierte Schaltung implementiert
werden können.
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In
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird
der Mittelwert der Spannungsausgangssignale zweier aufeinander folgender
Perioden des PWM-Eingangssignals
gebildet. Der erste und der zweite Kanal des Kanalpaares werden
so betrieben, dass
- – in einer aktuellen Periode
des pulsweitenmodulierten Eingangssignals und während das Eingangssignal den
ersten Pegelzustand aufweist, der erste Kanal in dem Integrationsmodus
arbeitet, wobei die Referenzstromquelle der ersten Polarität mit dem
ersten Eingang verbunden ist, und die Referenzstromquelle der zweiten
Polarität
mit dem zweiten Eingang verbunden ist, und der zweite Kanal in dem
Abtastmodus arbeitet;
- – in
der aktuellen Periode des pulsweitenmodulierten Eingangssignals
und während
das Eingangssignal den zweiten Pegelzustand aufweist, der erste
Kanal in dem Integrationsmodus arbeitet, wobei die Referenzstromquelle
der zweiten Polarität
mit dem ersten Eingang verbunden ist, und die Referenzstromquelle
der ersten Polarität mit
dem zweiten Eingang verbunden ist, und der zweite Kanal in dem Rücksetzmodus
arbeitet;
- – in
einer anschließenden
Periode des pulsweitenmodulierten Eingangssignals und während das
Eingangssignal den ersten Pegelzustand aufweist, der erste Kanal
in dem Abtastmodus arbeitet, und der zweite Kanal in dem Integrationsmodus
arbeitet, wobei die Referenzstromquelle der zweiten Polarität mit dem
ersten Eingang verbunden ist, und die Referenzstromquelle der ersten Polarität mit dem
zweiten Eingang verbunden ist;
- – in
der anschließenden
Periode des pulsweitenmodulierten Eingangssignals und während das Eingangssignal
den zweiten Pegelzustand aufweist, der erste Kanal in dem Rücksetzmodus
arbeitet, und der zweite Kanal in dem Integrationsmodus arbeitet,
wobei die Referenzstromquelle der ersten Polarität mit dem ersten Eingang verbunden
ist, und die Referenzstromquelle der zweiten Polarität mit dem
zweiten Eingang verbunden ist.
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Wie
durch eine einfache Berechnung bewiesen werden kann, gestattet dieses
Ausführungsbeispiel
der Erfindung eine totale Aufhebung des Systemversatzes (Offset).
Obwohl die Stromfehlanpassungen und der Verstärkerversatz (Offset) einen
Fehler im Verstärkungsfaktor
(Gain) einbringen, ist der Fehler als Teil der Rückkopplungsschleifenverstärkung nicht
kritisch. Der kritische Parameter bei der PWM-Verarbeitung ist der
Systemversatz (Offset), der durch die vorliegende Erfindung vollständig beseitigt
werden kann.
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In
einer Ausführungsform,
bei der eine kontinuierliche Ausgangsspannung gewünscht ist,
umfasst der Wandlerkreis drei gleiche Kanäle. Der erste, der zweite und
der dritte Kanal werden durch die Schalteranordnung so gesteuert,
dass jedes Mal ein Kanal in dem Integrationsmodus arbeitet, ein
Kanal in dem Abtastmodus arbeitet und ein Kanal in dem Rücksetzmodus
arbeitet.
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Eine
weitere Verbesserung hinsichtlich der Beseitigung von Fehlanpassungen
(mismatch) wird mit einer Ausführungsform
erreicht, bei der die Reihenfolge, in der der erste und der zweite
Eingang des Differenzverstärkers
in dem Kanal mit den Referenzstromquellen verbunden sind, zwischen
einer Periode des pulsweitenmodulierten Signals, in der ein Kanal
in dem Integrationsmodus arbeitet, und einer nächsten Periode umgekehrt ist.
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Die
Steuersignale für
die Schalteranordnung werden in geeigneter Weise durch eine Zustandsmaschine
mit einem Eingang, an den das pulsweitenmodulierte Signal angelegt
wird, und einer Mehrzahl von Schaltersteuerausgängen, von denen jeder verbunden
ist, um einen zugehörigen
Schalter in der Schalteranordnung zu steuern, bereitgestellt.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung der Grundsätze
und einer bevorzugten Ausführungsform
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen. Es zeigen:
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1a ein
Grundschaltbild, das das zu Grunde liegende Prinzip der Erfindung
darstellt;
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1b ein
Signaldiagramm, das den Betrieb des Schaltkreises gemäß 1a darstellt;
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2 ein
schematisches Schaltbild eines wie in der vorliegenden Erfindung
verwendeten PWM-Spannungs-Wandlers;
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3 ein
Signaldiagramm, das den Betrieb der Schaltung gemäß 2 darstellt;
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4a eine
Zwei-Kanal-Implementierung des PWM-Spannungs-Wandlers in einer Periode
des PWM-Signals; und
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4b eine
Zwei-Kanal-Implementierung des PWM-Spannungs-Wandlers in einer anschließenden Periode
des PWM-Signals.
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Unter
Bezugnahme auf 1a besteht das Grundkonzept
der Erfindung in der Integration von Strömen mit gleichem Betrag und
unterschiedlicher Polarität über einen
Kondensator. I1 ist eine Stromquelle einer ersten Polarität, und I2
ist eine Stromquelle einer zweiten Polarität. Ein erster Schalter S verbindet
selektiv eine der Stromquellen I1 bzw. I2 über einen integrierenden Kondensator
Cint. Ein zweiter Schalter T verbindet den Kondensator Cint selektiv
mit dem Eingang einer Abtast-Halte-Schaltung („sample/hold circuit") S/H. Die Schalter
S und T werden durch ein PWM-Eingangssignal gesteuert, wie unter
Bezugnahme auf 1b erklärt wird.
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In 1b werden
das PWM-Signal, die Spannung Vc an dem Kondensator Cint und die
umgewandelte Ausgangsspannung Vdt an dem Ausgang der Abtast-Halte-Schaltung S/H über fünf Perioden
A–E des
PWM-Signals gezeigt. In jeder Periode weist das PWM-Signal während eines
Zeitintervalls t1 einen ersten vorbestimmten Pegelzustand und während eines
Zeitintervalls t2 einen zweiten vorbestimmten Pegelzustand auf.
In jedem Intervall t1 verbindet der Schalter S die erste Stromquelle
I1 mit dem Kondensator Cint, so dass der Kondensator geladen wird.
In jedem Intervall t2 verbindet der Schalter S die zweite Stromquelle
I2 mit dem Kondensator Cint, so dass der Kondensator entladen wird.
Am Ende jeder Periode ist der Kondensator Cint entladen.
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Wie
in 1b angenommen ist das PWM-Eingangssignal während der
ersten Periode A symmetrisch, und die Ausgangsspannung Vdt beträgt Null.
In der zweiten Periode B ist das Intervall t1 kürzer als das Intervall t2,
und die Ausgangsspannung Vdt nimmt einen negativen Wert an. In der
dritten und vierten Periode C bzw. D bleibt das Tastverhältnis konstant,
und die Ausgangsspannung Vdt behält
den gleichen negativen Wert bei. In der vierten Periode E ist das
Intervall t1 länger
als das Intervall t2, und die Ausgangsspannung Vdt nimmt einen positiven
Wert an.
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In
einer wie in 2 gezeigten praktischen Implementierung
wird eine aktive Integratorschaltung zur Verringerung der Ausgangsimpedanz
verwendet. In einem aktiven Integrator ist der integrierende Kondensator
zwischen den Ausgang und den invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers geschaltet, wodurch
er eine negative Rückkopplung
liefert, und die Stromquelle ist mit dem invertierenden Eingang verbunden.
In der konkreten Ausführungsform
gemäß 2 wird
ein volldifferentieller Operations-Transkonduktanz-Verstärker OTA
verwendet, der einen invertierenden Eingang, einen nicht invertierenden
Eingang, einen invertierenden Ausgang und einen nicht invertierenden
Ausgang aufweist. Da ein volldifferentieller Verstärker verwendet
wird, werden zwei integrierende Kondensatoren C1 und C2 benötigt, von
denen jeder einen der Ausgänge
mit einem entsprechenden Eingang des OTA verbindet. Eine Spannungsquelle
Vos in dem Pfad des invertierenden Eingangs symbolisiert die Abweichungen
der Bauelemente als Ursprung des Verstärkerversatzes (Offset). Die
Integratorschaltung wird sukzessive in einem Integrationsmodus,
einem Abtastmodus und einem Rücksetzmodus
betrieben.
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Es
wird auf 2 gemeinsam mit 3 Bezug
genommen. In 2 bilden insgesamt zehn Schalter
eine Schalteranordnung. Die Schalter in der Anordnung sind wie folgt
benannt:
- – Schalter ϕI und ϕII sind
in dem Integrationsmodus geschlossen und ansonsten geöffnet;
- – Schalter ϕIII und ϕIV sind
in dem Abtastmodus geschlossen und ansonsten geöffnet;
- – Schalter ϕV ist in dem Rücksetzmodus geschlossen und
ansonsten geöffnet.
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Auf
jede Schalternummer in 2 folgt eine Referenz in Klammern
auf das entsprechende Intervall und die entsprechende Periode des
PWM-Eingangssignals. „(t2A, t1C)" bedeutet zum Beispiel,
dass der Schalter während
den Intervallen t2 in Periode A und t1 in Periode C geschlossen
ist, und „(T1D)" bedeutet,
dass der Schalter in Intervall t1 in Periode D geschlossen ist.
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Im
Betrieb werden die Stromquellen I1 und I2 dementsprechend mit den
Eingängen
des OTA während
Intervall t1 der Periode A und während
Intervall t2 der Periode C verbunden, aber die Stromquellen werden
zwischen diesen Intervallen, in denen der Wandlerkreis in dem Integrationsmodus
arbeitet, vertauscht. Während
dem Intervall t1 der Periode B und dem Intervall t1 der Periode
D werden beide Stromquellen abgetrennt, und die Ausgangssignale
des OTA werden an dem Systemausgang angelegt, aber die Ausgänge des
OTA werden zwischen diesen Intervallen, in denen der Wandlerkreis
in dem Abtastmodus arbeitet, vertauscht. Während dem Intervall t2 der
Periode B und dem Intervall t2 der Periode D sind beide Stromquellen
noch immer abgetrennt, und die Kondensatoren C1 und C2 sind jeweils
kurzgeschlossen, während
beide Ausgänge
des OTA ebenfalls abgetrennt sind; hierbei handelt es sich um den Rücksetzmodus.
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Unter
Bezugname auf 4a und 4b wird
nun ein Schaltungsaufbau mit zwei gleichen Kanälen gezeigt, bei dem jeder
Kanal allgemein dem Wandlerkreis gemäß 2 entspricht.
Gleiche Bezeichnungen in den 4a und 4b beziehen sich
auf analoge Bezeichnungen und Elemente in 2, aber
die beiden Stromquellen I1 und I2 werden von den beiden Kanälen gemeinsam
benutzt. In dem ersten Kanal wird der volldifferentielle Operations-Transkonduktanz-Verstärker als
OTA1 und in dem zweiten Kanal als OTA2 bezeichnet. Beide Kanäle verwenden
ebenfalls einen gemeinsamen Ausgang Vout.
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In 4a zeigt
der Schaltungsblock „A,
t1" die beiden Kanäle in einem
Zustand, in dem Kanal 1 in einem „Hinaufintegrier"-Zustand („integrate
up condition") arbeitet,
in der die Stromquelle I1 mit dem invertierenden Eingang des OTA1
verbunden ist, und die Stromquelle I2 mit dem nicht invertierenden
Eingang des OTA1 verbunden ist, und in dem Kanal 2 in einem „Halte"-Zustand („hold condition") arbeitet, in der
die Ausgänge
des OTA2 mit dem Systemausgang Vout verbunden sind. Der Schaltungsblock „A, t2" in 4a zeigt
die Kanäle
in einem Zustand, in dem Kanal 1 in einem „Herunterintegrier"-Zustand („integrate down condition") arbeitet, in der
die Stromquelle I2 mit dem invertierenden Eingang des OTA1 verbunden
ist, und die Stromquelle I1 mit dem nicht invertierenden Eingang
des OTA1 verbunden ist, und in dem Kanal 2 in dem Rücksetzmodus
arbeitet, in dem die Kondensatoren C1 und C2 kurzgeschlossen sind.
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In 4b zeigt
der Schaltungsblock „B,
t1" die beiden Kanäle in einem
Zustand, in dem Kanal 1 in einem „Halte"-Zustand („hold condition") arbeitet, in der
die Ausgänge
des OTA1 mit dem Systemausgang Vout verbunden sind, und in dem der
Kanal 2 in einem „Herunterintegrier"-Modus („integrate
down mode") arbeitet.
Der Schaltungsblock „B,
t2" in 4b zeigt
die beiden Kanäle
in einem Zustand, in dem sich Kanal 1 in dem Rücksetzmodus und Kanal 2 in
dem „Hinaufintegrier"-Modus („integrate
up mode) befindet.
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In
jeder der gezeigten Ausführungsformen werden
entsprechend zeitlich abgestimmte Steuersignale für die diversen
Schalter benötigt.
Es sollte darauf geachtet werden, dass Schalterzustände, die nicht
gleichzeitig zulässig
sind, vermieden werden („vor
dem Schließen
trennen"). Diese
Schaltersteuersignale werden am Besten durch eine Zustandsmaschine
erzeugt, die einen Eingang, an den das PWM-Signal angelegt wird,
und eine Mehrzahl von Ausgängen
aufweist, von denen jeder einem der Schalter in der Schalteranordnung
des Wandlerkreises zugehört.