-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Derartige Schaltungsanordnungen und insbesondere die Architektur des oder der darin implementierten Digital-Analog-Wandler, nachfolgend auch kurz als ”DAC” bezeichnet, sind aus dem Stand der Technik bekannt.
-
Eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist beispielsweise aus der
US 2002/0044076 A1 bekannt. Die bekannte Schaltungsanordnung umfasst einen Digital-Analog-Wandler mit einer Mehrzahl von parallel zueinander angeordneten ”Einheitszellen” zur Bereitstellung von jeweils fest vorgegebenen Stromanteilen. Jede Einheitszelle weist mehrere FETs auf, die jeweils zur Stromeinstellung bzw. zum Ein- und Ausschalten des jeweiligen Stromanteils dienen. Den Stromeinstell-FETs werden an deren Gate-Anschlüssen über jeweils gemeinsame Einstellpotentialleitungen gemeinsame Einstellpotentiale zugeführt. Eine weitere Einstellpotentialleitung ist zur Einstellung eines gemeinsamen Substratpotentials der Schalt-FETs vorgesehen.
-
Aus der
DE 103 50 594 A1 ist es bekannt, einen Digital-Analog-Wandler der herkömmlichen Art in einen Rückkoppelzweig eines Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandlers anzuordnen.
-
Die
US 5,815,537 offenbart die Verwendung eines RC-Gliedes in einer Stromquellenanordnung mit parallel geschalteten Stromspiegeln. Das RC-Glied ist hierbei ausgangsseitig angeordnet, um Hochfrequenzkomponenten aus einem Ausgangssignal herauszufiltern.
-
1 zeigt einige zum Verständnis der vorliegenden Erfindung wesentliche Komponenten eines herkömmlichen Digital-Analog-Wandlers.
-
Der in 1 dargestellte Teil des DAC umfasst eine Mehrzahl (hier: 8) parallel zueinander angeordnete FETs N1–N8 (”Stromquellentransistoren”). Im Betrieb des DAC dienen die Transistoren N1–N8 zur Bereitstellung von jeweils fest vorgegebenen, zur Bildung eines analogen Stromsignals verwendeten Stromanteilen I1–I8. Durch einen in 1 nicht dargestellten Teil des DAC tragen diese Stromanteile I1–I8, je nach Zustand eines eingegebenen Digitalsignals, zu einem analogen Stromsignal bei, welches durch eine Addition der Einzelstromanteile erhalten wird. Das Zuschalten und Abschalten eines bestimmten Stromanteils kann hierbei in an sich bekannter Weise durch einen in Reihe zu dem betreffenden Stromquellentransistor angeordneten Schalttransistor realisiert sein. Die durch das Digitalsignal aktuell ausgewählten Stromanteile tragen zum analogen Ausgangssignal des DAC bei, sei es direkt durch Ausgabe eines Stromsignals oder indirekt bei Ausgabe eines Spannungssignals, welches z. B. dadurch erhalten werden kann, dass das Stromsignal über ein Widerstandselement geführt wird.
-
Die Steuereingänge (hier: Gate-Anschlüsse) der Transistoren N1–N8 sind, wie aus 1 ersichtlich, miteinander und über eine nachfolgend als ”Einstellpotentialleitung” bezeichnete Leitungsverbindung mit dem Gate-Anschluss eines in an sich bekannter Weise als Stromeinstelltransistor geschalteten FETs Nbias verbunden, durch welchen ein fest vorgegebener Referenzstrom Ibias fließt.
-
Die dargestellte Anordnung realisiert somit einen Stromspiegel, welcher den durch den Referenztransistor Nbias fließenden Referenzstrom Ibias auf die Mehrzahl von Strompfaden der Stromquellentransistoren N1–N8 spiegelt. Das sich auf Basis des Referenzstroms Ibias am Transistor Nbias einstellende Gate-Potential bestimmt die Werte der einzelnen, zum DAC-Ausgangssignal beitragenden Stromanteile I1–I8.
-
Jegliche Störung im Bereich der Erzeugung und Übertragung dieses Einstellpotentials führt zu einer entsprechenden, gegebenenfalls sogar verstärkten Störung der im Idealfall fest vorgegebenen Stromanteile I1–I8. In dieser Hinsicht wirkt sich beispielsweise ein Rauschen, z. B. thermisches Rauschen im Referenzstrom Ibias sehr nachteilig auf die Stromanteile I1–I8 aus.
-
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine integrierte Schaltungsanordnung der gattungsgemäßen Art bereitzustellen, bei welcher Störungen, insbesondere Rauschen, in den einzelnen Stromanteilen reduziert werden können.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine integrierte Schaltungsanordnung nach Anspruch 1. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen und Anwendungsgebiete der Erfindung.
-
Für die Erfindung wesentlich ist, dass in einem von der Einstellschaltung zu der Mehrzahl von Stromquellentransistoren führenden Abschnitt der Einstellpotentialleitung ein Widerstandselement angeordnet ist und die integrierte Schaltungsanordnung einen mit der Einstellpotentialleitung verbundenen Außenanschluss aufweist, an welchem ein externer Kondensator angeschlossen ist, der mit dem Widerstandselement das Einstellpotential stabilisiert. Damit kann das an der Einstellpotentialleitung herrschende Einstellpotential sehr wirkungsvoll stabilisiert werden, so dass damit wiederum das Ausgangssignal des DAC in seiner Qualität verbessert wird.
-
Die Erfindung ermöglicht insbesondere den Einsatz eines externen Kondensators mit einer relativ großen Kapazität, wie sie im Bereich der integrierten Schaltungsanordnung selbst nur schwer oder überhaupt nicht realisierbar wäre.
-
Der Begriff ”externer Kondensator” ist im Rahmen der Erfindung sehr breit zu verstehen und umfasst jede Anordnung, die eine elektrische Kapazität bereitstellt und nicht unmittelbar durch die zur Fertigung der integrierten Schaltungsanordnung verwendete Technologie (z. B. CMOS-Technologie) gefertigt wurde. Diese als externer Kondensator bezeichnete Anordnung kann beispielsweise unmittelbar an einem Außenanschluss eines Halbleitersubstrats (”die”) vorgesehen sein, unabhängig davon, ob es sich um eine gehäuste oder eine ungehäuste Schaltungsanordnung handelt. Falls es sich um eine gehäuste Schaltungsanordnung handelt, beispielsweise um einen gemäß eines Standardverfahrens gehäusten Chip (”package”), so kann der externe Kondensator ohne weiteres innerhalb des Gehäuses (z. B. eine Vergussmasse) angeordnet sein. In einer alternativen Ausführungsform stellt der ”Außenanschluss” im Sinne der Erfindung jedoch einen Anschluss außerhalb eines Gehäuses der integrierten Schaltungsanordnung dar, der in an sich bekannter Weise über eine Leitungsverbindung (z. B. Bonddrähte) mit einem so genannten ”pad” eines Halbleitersubstrats verbunden ist.
-
Die mit der Erfindung erzielte Qualitätsverbesserung des DAC ermöglicht vorteilhaft die Realisierung von neuartigen integrierten Schaltungsanordnungen, deren Schaltungskonzepte bislang auf Grund der begrenzten Qualität eines darin enthaltenen DAC scheiterten. Derartige Schaltungsanordnungen bzw. Anwendungsgebiete werden weiter unten noch erläutert.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die integrierte Schaltungsanordnung ferner einen mit einer Referenzpotentialleitung der integrierten Schaltungsanordnung verbundenen weiteren Außenanschluss. Damit können etwaige kleinere Störungen, die erst durch die elektrische Verbindung eines externen Kondensators mit der integrierten Schaltungsanordnung hervorgerufen werden, vorteilhaft reduziert werden. Die Referenzpotentialleitung kann beispielsweise eine Leitung sein, an welcher ein Versorgungspotential (oder ein davon abgeleitetes Potential) der integrierten Schaltungsanordnung anliegt. Bevorzugt ist die Referenzpotentialleitung mit einem Kanalanschluss sämtlicher Stromquellentransistoren verbunden.
-
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in dem von der Einstellschaltung zu der Mehrzahl von Stromquellentransistoren führenden Abschnitt der Einstellpotentialleitung das Widerstandselement angeordnet ist. Ansonsten sollten die übrigen Abschnitte der Einstellpotentialleitung möglichst niederohmig ausgebildet sein.
-
In einer ersten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die integrierte Schaltungsanordnung eine Mehrzahl von Digital-Analog-Wandlern mit jeweils einer Mehrzahl von Stromquellentransistoren umfasst, wobei die Einstellschaltung und die Einstellpotentialleitung gemeinsam für die Mehrzahl von Digital-Analog-Wandlern vorgesehen ist. Damit kann der extern angeordnete Kondensator vorteilhaft gleichzeitig die Qualität einer Mehrzahl von DACs verbessern.
-
In einer zweiten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Digital-Analog-Wandler in einer Rückkopplungsanordnung eines von der integrierten Schaltung ausgebildeten Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandlers angeordnet ist.
-
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 einem 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 (enthaltend wenigstens einen DAC) erzeugt der Quantisierer einen Ausgangsbitstrom, dessen Wert im zeitlichen Mittel dem analogen Eingangssignal folgt. Ein zeitkontinuierlich arbeitender 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. Die vorliegende Erfindung ist zur Realisierung von Digital-Analog-Wandlern in einer Rückkopplungsanordnung von jeglicher Art von Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandlern geeignet.
-
Eine besonders bevorzugte Kombination der vorstehend erläuterten beiden Weiterbildungen der Erfindung besteht darin, dass die integrierte Schaltungsanordnung eine Mehrzahl von Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandlern mit jeweils wenigstens einem Digital-Analog-Wandler in einer Rückkopplungsanordnung des Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandlers umfasst, wobei die Einstellschaltung und die Einstellpotentialleitung gemeinsam für die Mehrzahl von Digital-Analog-Wandlern vorgesehen ist.
-
Die Nutzung der Erfindung zur Realisierung eines DACs (oder mehrerer DACs), der wiederum einen Teil eines Analog-Digital-Wandlers, nachfolgend auch kurz als ”ADC” bezeichnet, bildet, verbessert folglich die Qualität des betreffenden ADCs. Dieser Umstand ermöglicht die Realisierung eines in der Praxis höchst vorteilhaften Schaltungskonzepts, welches darin besteht, die Genauigkeit einer Analog-Digital-Wandlung durch eine redundante Anordnung mehrerer einzelner ADCs signifikant zu erhöhen. Theoretisch sollte beispielsweise eine Verdopplung der Anzahl von parallel arbeitenden ADCs das Signal-zu-Rausch-Verhältnis (”SNR”) um 3 dB erhöhen. Diese Verbesserung ergibt sich jedoch nur für den Fall von unkorrelierten Störungen, bei denen sich Störamplituden ”geometrisch aufaddieren”. In der Praxis scheiterten solche Schaltungskonzepte zumeist daran, dass die in der Praxis vorkommenden korrelierten Störungen sich derart aufaddieren, dass das SNR letztlich nicht verbessert wird.
-
Durch die Unterdrückung insbesondere der korrelierten Störungen kann diese Problematik überwunden werden. In einer Ausführungsform ist beispielsweise vorgesehen, dass die Mehrzahl von Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandlern zur redundanten Analog-Digital-Wandlung eines gemeinsamen analogen Eingangssignales vorgesehen sind und digitale Ausgangssignale der einzelnen Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler einer digitalen Signalverarbeitungseinrichtung der integrierten Schaltungsanordnung zugeführt werden. Die digitale Signalverarbeitungseinrichtung kann beispielsweise zur Mittelwertbildung der von der Wandlermehrzahl erhaltenen Digitalsignale ausgebildet sein.
-
Die durch die Erfindung drastisch verbesserbare Qualität einer Analog-Digital-Wandlung kann vorteilhaft insbesondere im Bereich der Messtechnik genutzt werden, um ein analoges Messsignal mit hoher Genauigkeit zu digitalisieren. Ein spezieller, im Rahmen der Erfindung besonders bevorzugter Anwendungsbereich ist z. B. die Wandlung und gegebenenfalls nachfolgende Auswertung von analogen Messsignalen, die von Ultraschallsensoren (z. B. in medizintechnischen Geräten) geliefert werden. Insbesondere für diesen Anwendungsbereich ermöglicht die Erfindung die Bereitstellung von ”Mixed-Signal-Chips”, durch welche mittels einer einzigen integrierten Schaltungsanordnung sowohl eine präzise Analog-Digital-Wandlung als auch eine nachfolgende digitale Signalverarbeitung implementiert werden kann. Dies ist insbesondere für Radaranwendungen (z. B. Ultraschallradar) interessant.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
-
1 eine Stromquellenanordnung eines herkömmlichen Digital-Analog-Wandlers (DAC),
-
2 eine der in 1 dargestellten Anordnung entsprechende Stromquellenanordnung, jedoch in einer Ausgestaltung der Erfindung,
-
3 eine Darstellung zur Erläuterung der Bereitstellung eines DAC-Ausgangssignals in Form einer Spannung, und
-
4 eine Darstellung zur Erläuterung einer bevorzugten Anwendung der Erfindung.
-
2 zeigt eine in CMOS-Technologie integrierte Schaltungsanordnung 10 umfassend einen Digital-Analog-Wandler (DAC) 12, von welchem im rechten Teil der 8 parallel zueinander angeordnete Stromquellentransistoren N1–N8 (hier: FETs) zur Bereitstellung von jeweils fest vorgegebenen Stromanteilen I1–I8 ersichtlich sind.
-
Wie es bereits eingangs mit Bezug auf 1 erläutert wurde, werden die Gate-Anschlüsse der Stromquellentransistoren N1–N8 über eine Einstellpotentialleitung 14 mit einem gemeinsamen Einstellpotential beaufschlagt, welches nach Maßgabe der Transistoreigenschaften die einzelnen Stromanteile I1–I8 definiert.
-
Das Einstellpotential wird durch eine im linken Teil der Figur ersichtliche Einstellschaltung 16 bereitgestellt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Einstellpotential am Gate-Anschluss eines als Referenzstromquelle dienenden Feldeffekttransistors Nbias erzeugt, der in an sich bekannter Weise durch eine Verbindung seines Gate-Anschlusses mit seinem Drain-Anschluss in Sättigung betrieben wird.
-
Die Schaltungsanordnung 10 umfasst einen über einen Schaltungsknoten K0 mit der Einstellpotentialleitung 14 verbundenen Außenanschluss (”Anschlusspad”) 18, an welchem ein externer Kondensator C0 angeschlossen ist. Der in 2 innerhalb der gestrichelten Linie befindliche Teil ist in der betreffenden Fertigungstechnologie (hier: CMOS-Technologie) gefertigt. Bei diesem Beispiel ist demnach auch der Außenanschluss 18 sowie ein unten noch beschriebener Außenanschluss 20 in dieser Technologie gefertigt. Der externe Kondensator C0 ist demgegenüber jedoch außerhalb des Substrats ausgebildet, welches die vorstehend beschriebenen elektronischen Komponenten (FETs etc.) bereitstellt. Falls die Schaltungsanordnung 10 als so genannter gehäuster Chip vorgesehen ist, also das Substrat z. B. in einer Epoxid-Vergussmasse eingekapselt ist, so ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass der externe Kondensator C0 sich innerhalb des Gehäuses befindet.
-
Dieser Kondensator C0 dient gewissermaßen als ”Pufferkondensator” und stabilisiert im Betrieb des DAC 12 das an der Einstellpotentialleitung 14 herrschende Potential, so dass etwaig in der Praxis auftretende Störungen im Bereich der Einstellschaltung 16 und/oder der Einstellpotentialleitung 14, insbesondere ein Rauschen im Referenzstrom Ibias, bei der Übertragung des Einstellpotentials zu den Stromquellentransistoren N1–N8 effektiv gedämpft werden und die Stromanteile I1–I8 dementsprechend wesentlich stabiler bereitgestellt werden.
-
Zu dieser Unterdrückung von Störungen trägt ferner ein im Verlauf der Einstellpotentialleitung 14 angeordneter Widerstand R0 bei, der im dargestellten Beispiel zwischen dem Gate-Anschluss des Referenztransistors Nbias und dem Schaltungsknoten K0 angeordnet ist.
-
Eine im Hinblick auf die Störungsunterdrückung ebenfalls vorteilhafte Besonderheit besteht darin, dass der zweite Anschluss des Kondensators C0 nicht extern mit einem Bezugspotential verbunden ist sondern über einen weiteren Außenanschluss 20 der integrierten Schaltungsanordnung 10 mit einer Referenzpotentialleitung 22 der integrierten Schaltungsanordnung 10 verbunden ist. Bevorzugt ist der weitere Außenanschluss 20 mit einem Abschnitt einer elektrischen Leitungsverbindung verbunden, welche vom Referenztransistor Nbias zu den Stromquellentransistoren N1–N8 (hier: an deren Source-Anschlüsse) führt.
-
Auf Grund der externen Anordnung des Kondensators C0 kann dieser problemlos mit einer relativ großen Kapazität (z. B. wenigstens 100 nF) vorgesehen werden.
-
3 zeigt nochmals einen Teil der in 2 dargestellten Komponenten des DAC 12, wobei auch beispielhaft Komponenten zur Erzeugung eines Spannungssignals Vout eingezeichnet sind, welches das analoge Ausgangssignal des DAC 12 darstellt.
-
Wie es aus dieser Figur ersichtlich ist, sind steuerbare Schalter in Form von digital betriebenen Feldeffekttransistoren Ni1–Ni8 vorgesehen, die jeweils einem der Stromquellentransistoren N1–N8 in Reihe geschaltet sind. Die den Transistoren N1–N8 abgewandten Kanalanschlüsse (Drain-Anschlüsse) dieser Schalttransistoren Ni1–Ni8 sind miteinander und mit einem ersten Anschluss eines Widerstands R verbunden, dessen zweiter Anschluss mit einem Bezugspotential (z. B. ein Versorgungspotential der Schaltungsanordnung) verbunden ist.
-
Im Betrieb des DAC 12 wird aus den jeweils fest vorgegebenen Stromanteilen I1–I8 somit in Abhängigkeit von den Schaltzuständen der Schalttransistoren Ni1–Ni8 ein über den Widerstand R geführter Strom gebildet, welcher der Summe der aktuell zugeschalteten Stromanteile entspricht. Das Wandlerausgangssignal Vout ist dann als Spannungsabfall am Widerstand R ein zu diesem Gesamtstrom proportionales Signal.
-
Im dargestellten Ausführungsbeispiel stellt die Gesamtheit der an die Gate-Anschlüsse der Schalttransistoren Ni1–Ni8 geführten Potentiale in1–in8 das gemäß einer Thermometerkodierung dargestellte digitale Eingangssignal des DAC 12 dar. Die einzelnen Stromanteile I1–I8 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel auf Grund der identischen Ausbildung der Stromquellentransistoren N1–N8 gleich groß.
-
Selbstverständlich ist es abweichend vom dargestellten Ausführungsbeispiel denkbar, verschieden große Stromanteile I1–I8 (z. B. in einem Verhältnis von 1:2:4:8:...), z. B. durch eine entsprechend skalierte Dimensionierung der einzelnen Transistoren N1–N8, vorzusehen und/oder eine andere Kodierungsart für das digitale Eingangssignal in1–in8 zu verwenden.
-
Wesentlich ist, dass das über die Einstellpotentialleitung 14 zugeführte Einstellpotential in der oben beschriebenen Weise stabilisiert ist, um besonders gut definierte Stromanteile I1–I8 zu erzeugen (unabhängig davon, wie groß diese einzelnen Stromanteile sind und in welcher Weise diese zur Bildung des analogen Ausgangssignals herangezogen werden).
-
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung 10 zur Verwendung in Verbindung mit einem (nicht dargestellten) Ultraschallsensor, von welchem ein oder mehrere analoge Sensorausgangssignale durch die integrierte Schaltungsanordnung 10 ausgewertet werden sollen.
-
In der Figur ist ein solches Sensorausgangssignal als ein Eingangssignal Vin der integrierten Schaltungsanordnung 10 dargestellt. Zum Zwecke der Messung bzw. Auswertung dieses Sensorsignals Vin umfasst die Schaltungsanordnung 10 eine parallele und somit redundante Anordnung von 4 Analog-Digital-Wandlern ADC1–ADC4. Diese Mehrzahl von ADCs bildet 4 redundante digitale Darstellungen OUT1–OUT4, die einer digitalen Verarbeitungseinheit 24 eingegeben werden, welche aus diesen Digitalsignalen einen Mittelwert bildet und als digitales Ausgangssignal OUT ausgibt.
-
Die redundante Anordnung der ADCs führt vorteilhaft zu einer beträchtlichen Reduzierung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses bei der Digitalisierung des Sensorsignals Vin. Diese Verbesserung der Wandlungsqualität setzt jedoch voraus, dass miteinander korrelierte Störungen im Bereich der ADCs möglichst klein gehalten werden. Dies wird bei der dargestellten Ausführungsform dadurch erreicht, dass die als identische Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler ausgebildeten Wandler ADC1–ADC4 in ihren Rückkopplungsanordnungen jeweils mit einem Digital-Analog-Wandler (DAC1–DAC4) ausgestattet sind, für welche die oben beschriebene Störungsunterdrückung mittels eines externen Kondensators vorgesehen ist.
-
Besonders vorteilhaft wird hierbei ein einziger externer Kondensator C0 zur Stabilisierung eines von sämtlichen DACs genutzten Einstellpotentials verwendet. Diese Wandler DAC1–DAC4 sind somit in einfacher Weise in ihrer Wandlerqualität erheblich verbessert, was wiederum in der Praxis die Parallelschaltung der damit gebildeten ADCs besonders nutzbringend macht.
-
Wenngleich dies in 4 der Einfachheit halber nicht dargestellt ist, so können auch weitere ADC-Anordnungen über die Einstellpotentialleitung 14 mit dem stabilisierten Einstellpotential versorgt werden. Damit kann in einfacher Weise eine ”Mehrkanal-Analog-Digital-Wandlung” realisiert werden (z. B. zur Verarbeitung mehrerer Sensorsignale).
