DE102006004012B3 - Zeitkontinuierlicher Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler mit Operationsverstärkern - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen zeitkontinuierlichen Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler zur Umwandlung eines analogen Eingangssignals in ein digitales Ausgangssignal, umfassend ein analoges Filter, welches das analoge Eingangssignal filtert und wenigstens einen zur Bildung einer Integratorstufe extern beschalteten Operationsverstärker (OPAMP) aufweist, einen getaktet betriebenen Quantisierer, welcher das durch das analoge Filter abgegebene gefilterte analoge Signal zur Erzeugung des digitalen Ausgangssignals quantisiert, und eine Rückkopplungsanordnung mit wenigstens einem Digital-Analog-Wandler, welche dem analogen Filter wenigstens ein analoges Rückkoppelsignal auf Basis des digitalen Ausgangssignals zuführt. Zur Reduzierung des erforderlichen Verstärkung-Brandbreite-Produkts des Operationsverstärkers (OPAMP) ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Operationsverstärker (OPAMP) einen ersten Verstärkerpfad (gm3) und parallel dazu einen zweiten Verstärkerpfad (gm2, gm5) aufweist, wobei die Transitfrequenz des zweiten Verstärkerpfads (gm2, gm5) kleiner als die Transitfrequenz des ersten Verstärkerpfads (gm3) ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen zeitkontinuierlich arbeitenden Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Ein derartiger Wandler ist beispielsweise aus der DE 10 2004 009 611 A1 bekannt. Bei diesem Stand der Technik weist ein analoges Filter zum Filtern des Eingangssignals einen Integrator auf, der durch einen Operationsverstärker realisiert ist, dessen Ausgang über einen Kondensator an den invertierenden Signaleingang des Operationsverstärkers rückgekoppelt ist. Der Aufbau des Operationsverstärkers ist in dieser Veröffentlichung nicht beschrieben.
  • Ein prinzipielles Problem bei herkömmlichen zeitkontinuierlichen Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandlern (engl. "continuous-time delta-sigma analog digital converter") ist die Gewährleistung einer ausreichend großen Transitfrequenz des oder der Operationsverstärker, die zur Bildung einer oder mehrer Integratorstufen verwendet werden. Bekanntlich nimmt die Verstärkung (offene Verstärkung bzw. "open loop gain") eines Operationsverstärkers bei hohen Frequenzen mit zunehmender Frequenz ab. Als "Transitfrequenz" eines Operationsverstärkers wird diejenige Frequenz bezeichnet, bei welcher dessen Verstärkung auf den Betrag 1 abgesunken ist. Eine Integratorstufe, die durch einen extern beschalteten Operationsverstärker realisiert ist, funktioniert daher zuverlässig nur für Signalfrequenzen, die wesentlich kleiner als die Transitfrequenz des verwendeten Operationsverstärkers sind. Anders ausgedrückt muss für eine vorgegebene Transitfrequenz bzw. Bandbreite einer Integratorstufe ein Operationsverstärker mit einer demgegenüber wesentlich größeren Transitfrequenz verwendet werden. Operationsverstärker mit einer hohen Transitfrequenz verbrauchen jedoch vergleichsweise viel elektrische Leistung.
  • Aus der DE 101 43 770 A1 ist eine Verstärkerschaltung, insbesondere für die Anwendung in einem Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler bekannt. Für die insbesondere mit einem extern beschalteten Operationsverstärker auszubildende Verstärkerschaltung wird vorgeschlagen, dass der Operationsverstärker neben dem normalerweise vorhandenen Signalpfad mindestens einen weiteren Zweig bzw.
  • Signalpfad aufweist. Dabei sind die parallelen Zweige symmetrisch zu bzw. in Übereinstimmung mit denjenigen Signalpfaden, zu denen sie parallel geschaltet sind, aufgebaut. Durch ein Aktivieren bzw. Deaktivieren des/der Parallelzweig(e) soll ein unterschiedliches Betriebsverhalten der Verstärkerschaltung realisiert werden.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler der eingangs genannten Art bereitzustellen, der bei einem vorgegebenen Leistungsbedarf für vergleichsweise hohe Signalfrequenzen geeignet ist bzw. für eine vorgegebene Signalbandbreite vergleichsweise wenig Leistungsbedarf besitzt.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Wandler ist vorgesehen, dass der Operationsverstärker einen ersten Verstärkerpfad und parallel dazu einen zweiten Verstärkerpfad aufweist, wobei die Transitfrequenz des zweiten Verstärkerpfads kleiner als die Transitfrequenz des ersten Verstärkerpfads ist.
  • Bevorzugt ist die Transitfrequenz des zweiten Verstärkerpfads wenigstens um einen Faktor 2 kleiner als die Transitfrequenz des ersten Verstärkerpfads.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Transitfrequenz des ersten Verstärkerpfads größer als die Transitfrequenz der mittels des Operationsverstärkers gebildeten Integratorstufe. Bevorzugt unterscheiden sich diese Transitfrequenzen um wenigstens einen Faktor 2.
  • Zur grafischen Darstellung der Verstärkung eines Operationsverstärkers bzw. der Verstärkungen der erfindungsgemäß vorgesehenen Verstärkerpfade eines Operationsverstärkers in Abhängigkeit von der Frequenz eignet sich besonders, gut ein so genanntes Bode-Diagramm. Es handelt sich hierbei um eine doppelt-logarithmische Auftragung, bei welcher die logarithmierte Verstärkung (z. B. in dB gemessen) gegen den Logarithmus der Frequenz aufgetragen wird. In einem solchen Diagramm ergibt sich typischerweise ein im Wesentlichen linearer Verlauf für die frequenzabhängige Verstärkung, die zu höheren Frequenzen hin abnimmt und bei der Transitfrequenz den Wert 1 (für die Verstärkung) bzw. 0 (für die logarithmierte Verstärkung) annimmt. Wenn nachfolgend von der "Steigung" in einem Bode-Diagramm die Rede ist, so ist damit die streng genommen negative Steigung gemeint. Dementsprechend soll eine "größere Steigung" einen zu größeren Frequenzen hin stärker abfallenden Verlauf der frequenzabhängigen Verstärkung bezeichnen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass für Frequenzen, die kleiner als die Transitfrequenz des zweiten Verstärkerpfads sind, die Steigung der in einem Bode-Diagramm aufgetragenen Verstärkung des zweiten Verstärkerpfads um einen Faktor von wenigstens 2 größer als die entsprechende Steigung für den ersten Verstärkerpfad ist.
  • In einer schaltungstechnisch besonders einfachen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der zweite Verstärkerpfad aus einer Hintereinanderschaltung mehrerer Verstärkerstufen gebildet ist.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Operationsverstärker einen dritten Verstärkerpfad aufweist, dessen Transitfrequenz kleiner als die Transitfrequenz des zweiten Verstärkerpfads ist. Wieder ist es hierbei besonders günstig, wenn diese Transitfrequenzen sich um wenigstens einen Faktor 2 voneinander unterscheiden. Ferner kann für Frequenzen, die kleiner als die Transitfrequenz des dritten Verstärkerpfads sind, die Steigung der in einem Bode-Diagramm aufgetragenen Verstärkung des dritten Verstärkerpfads um einen Faktor von wenigstens 2 größer gewählt sein als die entsprechende Steigung für den zweiten Verstärkerpfad.
  • In entsprechender Weise können weitere Verstärkerpfade mit jeweils verringerter Transitfrequenz in die Auslegung der schaltungstechnischen Struktur des Operationsverstärkers einbezogen werden. Auch hierbei können wieder die oben für die ersten zwei bzw. ersten drei Verstärkerpfade formulierten Dimensionierungsregeln betreffend die Transitfrequenz und/oder die. Steigung der Verstärkung vorgesehen werden.
  • Falls der oben erwähnte dritte Verstärkerpfad vorgesehen ist, so ist dieser bevorzugt aus einer Hintereinanderschaltung einer Anzahl von Verstärkerstufen gebildet, die größer als die Anzahl der Verstärkerstufen des zweiten Verstärkerpfads ist. Falls noch mehr Verstärkerpfade vorgesehen sind, so kann dementsprechend eine weitere sukzessive Erhöhung der Anzahl von Verstärkerstufen für die weiteren Verstärkungspfade vorgesehen sein.
  • Die gemäß der Erfindung vorgesehene besondere Verstärkerpfadstruktur ermöglicht die Realisierung eines Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandlers mit überragenden Leistungseigenschaften, z. B. mit einem bis zu sehr hohen Frequenzen reichenden Signalband bei gleichzeitig niedrigem Leistungsbedarf und hoher Qualität (z. B. Linearität) des Ausgangssignals. Insbesondere in diesem Zusammenhang ist eine Ausführungsform von Vorteil, bei welcher der Quantisierer mehrere Quantisierungsstufen aufweist und/oder das digitale Ausgangssignal des Quantisierers eine Thermometerkodierung besitzt. In einer Ausführungsform weist der Quantisierer beispielsweise 16 Quantisierungsstufen (entsprechend 4 Bit) auf. Sowohl für eine rasche Quantisierung als auch für eine rasche Digital-Analog-Wandlung in der Rückkopplungsanordnung ist es von Vorteil, wenn das digitale Ausgangssignal des Quantisierers eine Thermometerkodierung besitzt.
  • In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler voll-differentiell aufgebaut ist.
  • Eine bevorzugte Fertigungstechnologie für den Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler ist die CMOS-Technologie. Der Wandler kann insbesondere einen Funktionsblock einer integrierten Schaltungsanordnung darstellen.
  • In an sich bekannter Weise kann dem Quantisierer ein digitaler Digitalprozessor (DSP) zur Weiterverarbeitung des digitalen Ausgangssignals nachgeschaltet sein. In diesem Fall kann das digitale Ausgangssignal von einem zwischen dem Quantisierer und dem digitalen Signalprozessor angeordneten Schaltungsknoten abgezweigt und der Rückkopplungsanordnung zugeführt werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
  • 1 ein Blockschaltbild eines Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandlers,
  • 2 eine grafische Darstellung (Bode-Diagramm) der Abhängigkeit einer Verstärkung A sowie einer Phase P eines Operationsverstärkers von der Frequenz f, einerseits für einen herkömmlichen Operationsverstärker und andererseits für einen gemäß der Erfindung aufgebauten Operationsverstärker,
  • 3 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer Operationsverstärkerstruktur gemäß einer ersten Ausführungsform, und
  • 4 ein detaillierteres Schaltbild einer Operationsverstärkerstruktur gemäß einer zweiten Ausführungsform.
  • 1 veranschaulicht den Aufbau eines Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandlers 10 zur Umwandlung eines analogen Eingangssignals Vin in ein digitales Ausgangssignal Vout. Das analoge Eingangssignal Vin wird durch eine Eingangsspannung und das digitale Ausgangssignal durch ein Ausgangsspannungssignal dargestellt.
  • Der Wandler 10 umfasst ein analoges Filter 20 zum Filtern des analogen Eingangssignals Vin, einen durch ein Taktsignal getakteten 4-Bit-Quantisierer 30 zur Erzeugung des digitalen Ausgangssignals Vout durch Quantisierung des vom analogen Filter 20 abgegebenen Signals, und eine Rückkopplungsanordnung 40 zum Rückkoppeln von analogen Rückkoppelsignalen auf Basis des digitalen Ausgangssignals Vout.
  • Ganz allgemein wird bei einem Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler. die integrierte ("Sigma") Differenz ("Delta") zwischen einem analogen Eingangssignal und einer analogen Darstellung des quantisierten digitalen Ausgangssignals dem Quantisierer (Analog-Digital-Wandlerstufe) zugeführt. Bei einer anderen Ausführung eines solchen Wandlers, im engeren Sinne auch als "Delta-Modulator" bezeichnet, wird die Differenz ("Delta") zwischen einem analogen Eingangssignal und dem Integral ("Sigma") des quantisierten digitalen Ausgangssignals dem Quantisierer zugeführt. Durch die Rückkopplung erzeugt der Quantisierer einen Ausgangsbitstrom, dessen Wert im zeitlichen Mittel dem analogen Eingangssignal folgt. Der zeitkontinuierlich arbeitende Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler bietet gegenüber den zeitdiskret arbeitenden Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandlern den Vorteil einer niedrigeren Leistungsaufnahme bzw. bei vorgegebener Leistungsaufnahme den Vorteil einer höheren Signalbandbreite.
  • Das analoge Filter 20 umfasst im dargestellten Ausführungsbeispiel mehrere Integratoren 22-1, 22-2 und 22-3 (Integratorkaskade), die ein Filternetzwerk bilden. Die dargestellte Konfiguration des Filters 20 ist selbstverständlich nur beispielhaft zu verstehen und kann in an sich bekannter Weise weitreichend modifiziert werden.
  • Bei der dargestellten Implementierung sind die Integratoren 22-1, 22-2 und 22-3 des analogen Filters 20 jeweils durch geeignet extern beschaltete Operationsverstärker OPAMP1, OPAMP2 und OPAMP3 realisiert. Die externe Beschaltung besteht wie dargestellt aus geeignet dimensionierten Widerständen R und Kondensatoren C.
  • Der Quantisierer 30 besitzt 16 Quantisierungsstufen und stellt das Ausgangssignal Vout in einer Thermometerkodierung auf 15 Ausgangsleitungen dar, die der Einfachheit der Darstellung von 1 halber lediglich durch eine einzige Leitungsverbindung symbolisiert sind. Der Quantisierer 30 ist hierfür in an sich bekannter Weise als Parallelschaltung von 15 Komparatoren mit 15 in einer "Leiter" angeordneten Komparatorschwellen aufgebaut. Den Komparatoren wird simultan ein gemeinsames Taktsignal CLK zugeführt, durch welches die jeweiligen Vergleiche des gefilterten Eingangssignals mit den Komparatorschwellen zu zeitdiskreten periodischen Zeitpunkten durchgeführt werden, so dass am Ausgang des Quantisierers 30 ein getaktet bereitgestelltes 4-Bit-Ausgangssignal Vout vorliegt. Die physikalische Darstellung erfolgt gemäß der Thermometerkodierung in 15 digitalen Spannungen (symbolisiert durch Vout).
  • Ferner erkennt man in 1 einen digitalen Signalprozessor (DSP) 60 zur weiteren digitalen Verarbeitung des vom Quantisierer 30 ausgegebenen Bitstroms.
  • Die Rückkopplungsanordnung 40 des Wandlers 10 wird im Wesentlichen durch die nachfolgend beschriebenen Schaltungskomponenten 42-1, 42-2, DAC1, DAC2 und DAC3 gebildet. Diese Komponenten sind in 1 der Einfachheit der Darstellung halber lediglich jeweils einfach eingezeichnet. Tatsächlich sind diese Komponenten entsprechend der Verarbeitung des über 15 Leitungen entsprechend einer Thermometerkodierung übertragenen Signals in 15-facher Ausführung parallel zueinander vorgesehen.
  • Ein erster Rückkopplungspfad verläuft von einem Abwzeigungsknoten 50 zum ersten Integrator 22-1 des analogen Filters 20 und umfasst einen als so genanntes "Latch" ausgebildeten, durch das Taktsignal CLK (genauer: die invertierte Version CLK-B des Taktsignals CLK) getaktet betriebenen digitalen Signalspeicher 42-1, dem das digitale Ausgangssignal Vout zugeführt wird und dessen Ausgangssignal wiederum dem Eingang eines Digital-Analog-Wandlers DAC1 eingegeben wird. Das Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers DAC1 wird als voll-differentielles Stromsignal dem Integrator 22-1 zugeführt. Im Bereich des Integrators 22-1 ist eine Addition der über Einkoppelwiderstände R1 bereitgestellten und der am Ausgang des Digital-Analog-Wandlers DAC1 bereitgestellten Ströme realisiert.
  • Der Signalspeicher 42-1 ist ein Register, dessen Ausgangssignal dem Eingangssignal folgt, wenn das eingegebene Taktsignal CLK-B einen bestimmten der zwei möglichen Taktsignalzustände besitzt (Das Taktsignal dient gewissermaßen als ein "Erlaubnissignal"). Bei üblicher Verwendung eines rechteckförmigen Taktsignals CLK, welches die erste Hälfte einer Taktperiode T einen logischen Pegel "1" und die zweite Hälfte der Taktperiode einen logischen Pegel "0" besitzt, ergibt sich am Ausgang des Signalspeichers 42-1 das um die halbe Taktperiode des Taktsignals CLK verzögerte Ausgangssignal Vout. Schaltungstechnisch betrachtet besteht der in 1 eingezeichnete Signalspeicher 42-1 tatsächlich aus einer Parallelanordnung von 15 1-Bit-Signalspeichern zur parallelen Verzögerung der auf 15 Leitungen dargestellten Signalpegel.
  • Das durch den Signalspeicher 42-1 um eine halbe Taktperiode verzögerte Ausgangssignal Vout wird außerdem dem Eingang eines Digital-Analog-Wandlers DAC2 zugeführt, der an seinem Ausgang ein voll-differentielles Stromsignal (entsprechend dem Ergebnis der Digital-Analog-Wandlung) bereitstellt. Außerdem wird das Ausgangssignal des digitalen Signalspeichers 42-1 dem Eingang eines zweiten digitalen Signalspeichers 42-2 eingegeben, der wie der erste Signalspeicher 42-1 aufgebaut ist, jedoch mit dem nicht-invertierten Taktsignal CLK getaktet betrieben wird. Der zweite Signalspeicher 42-2 verzögert das ihm zugeführte Signal wieder um eine halbe Taktperiode des Taktsignals CLK, so dass aufgrund der Hintereinanderschaltung der als Verzögerungsglieder wirkenden Signalspeicher 42-1 und 42-2 am Ausgang des zweiten Signalspeichers 42-2 ein insgesamt um eine ganze Taktperiode T des Taktsignals CLK verzögerte Version des Ausgangssignals Vout bereitgestellt wird. Dieses Ausgangssignal des zweiten Signalspeichers 42-2 wird dem Eingang eines Digital-Analog-Wandlers DAC3 zugeführt, der (wie der Digital-Analog-Wandler DAC2) ein voll-differentielles Stromsignal liefert, welches wie das Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers DAC2 in den Bereich des Integrators 22-3 eingespeist wird.
  • Die beiden Signalspeicher 42-1, 42-2 und die beiden Digital-Analog-Wandler DAC2, DAC3 bilden zusammenfassend einen Funktionsblock der Rückkopplungsanordnung 40 zur Erzeugung eines dem differenzierten Ausgangssignal Vout des Quantisierers 30 entsprechenden Rückkoppelsignals. Die Erzeugung dieses differenzierten Signals beruht hierbei auf der analogen Subtraktion von zwei Signalen, die ausgehend von dem digitalen Ausgangssignal durch Vorsehen von verschiedenen Verzögerungen und jeweils einer Digital-Analog-Wandlung bereitgestellt werden.
  • Für jeden der Operationsverstärker OPAMP1, OPAMP2 und OPAMP3 sollte eine Verstärkungscharakteristik (frequenzabhängige Verstärkung) realisiert sein, welche die gewünschte Funktion der damit jeweils gebildeten Integratorstufe 22-1, 22-2 bzw. 22-3 gewährleistet.
  • 2 veranschaulicht beispielhaft Verstärkungscharakteristiken einerseits für einen herkömmlichen Operationsverstärker (gestrichelte Linien) und andererseits für einen für die Verwendung bei dem erfindungsgemäßen Wandler 10 modifizierten Operationsverstärker (durchgezogene Linien).
  • Die nachfolgend beschriebene Besonderheit der Verstärkungscharakteristik ist für wenigstens einen der Operationsverstärker des Wandlers 10 vorgesehen, bevorzugt jedoch für mehrere, insbesondere alle Operationsverstärker, welche bei dem Wandler 10 zur Bildung von Integratorstufen eingesetzt werden.
  • In 2 oben ist die logarithmierte Verstärkung A gegen die logarithmierte Frequenz f aufgetragen. In 2 unten ist der Verlauf der Phase des Ausgangssignals des betreffenden Operationsverstärkers dargestellt. SB bezeichnet das Signalband des betreffenden Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandlers.
  • Wie aus 2 ersichtlich, ergibt sich für einen herkömmlichen Operationsverstärker (gestrichelte Linien) ein annähernd linearer Verlauf der Verstärkung, die mit steigender Frequenz absinkt und bis zur Transitfrequenz des Operationsverstärkers nutzbar ist, die im dargestellten Beispiel bei etwa 2 GHz liegt. Die Phase P des Ausgangssignals des Operationsverstärkers ist über den nutzbaren Frequenzbereich im Wesentlichen konstant und liegt bei etwa –90°.
  • Es sei angenommen, dass die Transitfrequenz der damit gebildeten Integratorstufe bei etwa 300 MHz liegt, also bei einer Frequenz, die wesentlich niedriger als die Transitfrequenz des Operationsverstärkers ist, so dass eine einwandfreie Funktion der Integratorstufe gewährleistet ist.
  • Die Verstärkercharakteristik des herkömmlichen Operationsverstärkers ist durch eine "Verstärkungscharakteristik erster Ordnung" O1 vorgegeben, welche durch deren Transitfrequenz und deren Steigung charakterisiert ist.
  • Die Grundidee der Erfindung besteht darin, bei dem zur Bildung der Integratorstufe verwendeten Operationsverstärker eine Verstärkungscharakteristik vorzusehen, bei welcher einerseits eine hohe Transitfrequenz gegeben ist und andererseits für den sich zu niedrigeren Frequenzen hin anschließenden Frequenzbereich eine vergleichsweise große Verstärkung erzielt wird. Ein bei der Erfindung sich ergebender Verlauf der Verstärkungscharakteristik ist in 2 beispielhaft dargestellt (durchgezogene Linien) und besitzt Abschnitte mit unterschiedlichen Steigungen, die in der Figur mit O1, O2 und O3 bezeichnet sind.
  • Diese besondere Charakteristik wird schaltungstechnisch dadurch erzielt, dass der betreffende Operationsverstärker mehrere (hier: drei) Verstärkerpfade besitzt, die unterschiedliche Transitfrequenzen besitzen und zur Erzielung der in 2 dargestellten Charakteristik zusammenwirken.
  • 3 zeigt eine solche schaltungstechnische Realisierung eines Operationsverstärkers OPAMP in voll-differenzieller Ausführung mit Eingangsanschlüssen inp, inn und Ausgangsanschlüssen outp, outn. Im linken Teil des Schaltbilds ist eine aus Transkonduktanzstufen gm1 bis gm5 gebildete Eingangsstufe zu erkennen, welche eine im rechten Teil der Figur dargestellte Ausgangsstufe treibt.
  • Der Operationsverstärker OPAMP, dessen Struktur wie oben bereits erwähnt für jeden der in 1 dargestellten Operationsverstärker OPAMP1, OPAMP2, OPAMP3 einsetzbar ist, weist einen ersten durch die Transkonduktanzstufe gm3 gebildeten Verstärkerpfad mit einer bestimmten Transitfrequenz auf, nachfolgend als "erste Transitfrequenz" bezeichnet. Dieser Verstärkerpfad dominiert die in 2 dargestellte Verstärkungscharakteristik im Bereich O1.
  • Der Operationsverstärker OPAMP weist parallel dazu ferner einen zweiten Verstärkerpfad auf, der durch eine Hintereinanderschaltung der Transkonduktanzstufen gm2 und gm5 gebildet ist und insgesamt eine Transitfrequenz aufweist, die nachfolgend als "zweite Transitfrequenz" bezeichnet wird und wesentlich kleiner als die erste Transitfrequenz ist. Im dargestellten Beispiel ist die Transitfrequenz der Transkonduktanzstufe gm5 etwa so groß wie die erste Transitfrequenz. Die Transitfrequenz der Kombination aus gm2 und gm5 wird jedoch maßgeblich bestimmt durch die demgegenüber wesentlich kleinere Transitfrequenz der Transkonduktanzstufe gm2.
  • Der zweite Verstärkerpfad gm2, gm3 dominiert die in 1 dargestellte Charakteristik im Bereich O2.
  • Schließlich weist der Operationsverstärker OPAMP im dargestellten Beispiel noch einen dritten Verstärkerpfad auf, der durch die Hintereinanderschaltung der Transkonduktanzstufen gm1, gm4 und gm5 gebildet ist und eine noch weiter verringerte Transitfrequenz besitzt, nachfolgend auch als "dritte Transitfrequenz" bezeichnet. Die Transkonduktanzstufe gm4 besitzt zwar etwa die gleiche Transitfrequenz wie die Transkonduktanzstufe gm2, die Transitfrequenz der vorgeschalteten Transkonduktanzstufe gm1 ist demgegenüber jedoch wesentlich kleiner.
  • Der dritte Verstärkerpfad gm1, gm4, gm5 dominiert die in 1 dargestellte Charakteristik im Bereich O3.
  • Eine vorteilhafte, jedoch nicht zwingende Besonderheit der in 3 dargestellten Struktur besteht darin, dass die Transkonduktanzstufe gm5 sowohl eine Komponente des zweiten Verstärkerpfads als auch eine Komponente des dritten Verstärkerpfads bildet.
  • 4 zeigt ein detaillierteres Schaltbild eines Operationsverstärkers OPAMP' gemäß einer weiteren Ausführungsform, bei welcher eine an sich bekannte schaltungstechnische Realisierung der Transkonduktanzstufen durch Transistorpaare verdeutlicht ist und abweichend von der Ausführung gemäß 3 eine Transkonduktanzstufe gm3 auf beide Ausgabepfade der im rechten Teil von 4 dargestellten Ausgangsstufe einwirkt. Ansonsten entspricht die Struktur und die Funktion des Operationsverstärkers OPAMP' dem bereits mit Bezug auf 3 beschriebenen Operationsverstärker.
  • Wenngleich die bei der Erfindung vorgesehene Struktur des Operationsverstärkers als solche bekannt ist, beispielweise als "multi-stage"- oder "multi-path"-Struktur, so liefert die Verwendung dieser Struktur im Rahmen der Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandlung eine gravierende Verbesserung der Leistungseigenschaften des betreffenden Wandlers. Das besondere Integratordesign gestattet es, das erforderliche Verstärkung-Bandbreite-Produkt für den Operationsverstärker zu verringern oder bei einem vorgegebenen Verstärkung-Bandbreite-Produkt Integratoren mit größerer Bandbreite und geringerer Phasenverschiebung zu realisieren. Insbesondere können Operationsverstärker mit wenigstens etwa doppelt so großer Transitfrequenz, insbesondere um einen Faktor von 5 größeren Transitfrequenz, bezogen auf die Integratorbandbreite, realisiert werden. Der Betrag der Phasenverschiebung kann nahe 90° gehalten werden. Die gemäß der Erfindung vorgesehene besondere Kombination von Verstärkerpfaden bietet eine wesentlich größere Verstärkung im Bereich der Integratorbandbreite als dies bei herkömmlichen Schaltungsanordnungen der Fall war.

Claims (9)

  1. Zeitkontinuierlicher Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler (10) zur Umwandlung eines analogen Eingangssignals (Vin) in ein digitales Ausgangssignal (Vout), umfassend: – ein analoges Filter (20), welches das analoge Eingangsignal filtert und wenigstens einen zur Bildung einer Integratorstufe (22-1, 22-2, 22-3) extern beschalteten (R, C) Operationsverstärker (OPAMP1, OPAMP2, OPAMP3) aufweist, – einen getaktet betriebenen Quantisierer (30), welcher das durch das analoge Filter (20) abgegebene gefilterte analoge Signal zur Erzeugung des digitalen Ausgangssignals quantisiert, und – eine Rückkopplungsanordnung (40) mit wenigstens einem Digital-Analog-Wandler (DAC1, DAC2, DAC3), welche dem analogen Filter (20) wenigstens ein analoges Rückkoppelsignal auf Basis des digitalen Ausgangssignals (Vout) zuführt, dadurch gekennzeichnet, dass der Operationsverstärker (OPAMP1, OPAMP2, OPAMP3) einen ersten Verstärkerpfad (gm3) und parallel dazu einen zweiten Verstärkerpfad (gm2, gm5) aufweist, wobei die Transitfrequenz des zweiten Verstärkerpfads (gm2, gm5) kleiner als die Transitfrequenz des ersten Verstärkerpfads (gm3) ist.
  2. Wandler nach Anspruch 1, wobei die Transitfrequenz des ersten Verstärkerpfads (gm3) größer als die Transitfrequenz der mittels des Operationsverstärkers (OPAMP1, OPAMP2, OPAMP3) gebildeten Integratorstufe (22-1, 22-2, 22-3) ist.
  3. Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei für Frequenzen, die kleiner als die Transitfrequenz des zweiten Verstärkerpfads (gm2, gm5) sind, die Steigung der in einem Bode-Diagramm aufgetragenen Verstärkung des zweiten Verstärkerpfads (gm2, gm5) um einen Faktor von wenigstens 2 größer als die entsprechende Steigung für den ersten Verstärkerpfad (gm3) ist.
  4. Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der zweite Verstärkerpfad (gm2, gm5) aus einer Hintereinanderschaltung mehrerer Verstärkerstufen gebildet ist.
  5. Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Operationsverstärker (OPAMP1, OPAMP2, OPAMP3) einen dritten Verstärkerpfad (gm1, gm4, gm5) aufweist, dessen Transitfrequenz kleiner als die Transitfrequenz des zweiten Verstärkerpfads (gm2, gm5) ist.
  6. Wandler nach Anspruch 5, wobei für Frequenzen, die kleiner als die Transitfrequenz des dritten Verstärkerpfads (gm1, gm4, gm5) sind, die Steigung der in einem Bode-Diagramm aufgetragenen Verstärkung des dritten Verstärkerpfads (gm1, gm4, gm5) um einen Faktor von wenigstens 2 größer als die entsprechende Steigung für den zweiten Verstärkerpfad (gm2, gm5) ist.
  7. Wandler nach Anspruch 5 oder 6, wobei der dritte Verstärkerpfad (gm1, gm4, gm5) aus einer Hintereinanderschaltung einer Anzahl von Verstärkerstufen gebildet ist, die größer als die Anzahl der Verstärkerstufen des zweiten Verstärkerpfads (gm2, gm5) ist.
  8. Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Quantisierer (30) mehrere Quantisierungsstufen aufweist.
  9. Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das digitale Ausgangssignal (Vout) des Quantisierers (30) eine Thermometerkodierung besitzt.
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