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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte Schaltung mit einer
Vielzahl von Digital-Analog-Wandlern, eine Sigma-Delta-Modulatorschaltung und ein Verfahren
zur Kalibrierung einer Vielzahl von Multibit-Digital-Analog-Wandlern.
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Für manche
Anwendungen ist eine hohe Linearität von Multibit-Digital-Analog-Wandlern
entscheidend. Zum Beispiel profitieren Sigma-Delta-Modulatorschaltungen,
wie sie beispielsweise bei Kommunikationsanwendungen zur Analog-Digital-Wandlung
verwendet werden, von einer hohen Linearität eines Digital-Analog-Wandlers,
welcher in der Rückkopplungsschleife
der Sigma-Delta-Modulatorschaltung verwendet wird.
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Um
die Linearität
der Digital-Analog-Wandler zu verbessern, ist es bekannt, dynamische
Elementanpassung („Dynamic
Element Matching")
zu verwenden oder die Digital-Analog-Wandler mit einer Selbstkalibrierungsfunktion
zu versehen.
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Bei
einigen Anwendungen sind in einer integrierten Schaltung mehrere
Multibit-Digital-Analog-Wandler vorgesehen. Zum Beispiel werden
bei Multifeedback-Sigma-Delta-Modulatoren, d. h. Sigma-Delta-Modulatoren
mit mehrfacher Rückkopplung,
ein erster Digital-Analog-Wandler und ein zweiter Digital-Analog-Wandler verwendet,
um analoge Rückkopplungssignale
verschiedenen Rückkopplungspunkten
der Schaltung zuzuführen.
In diesem Fall kann die Verwendung von auf dynamischer Elementanpassung
beruhenden Techniken bei der Sigma-Delta-Modulatorschaltung zu einer erhöhten Verzögerung des
als "Excess Loop
Delay" bezeichneten Typs
führen.
Darüber
hinaus kann die Verwendung von selbstkalibrierenden Digital-Analog-Wandlern zu einem
erhöhten
Bedarf an Chipfläche
und zu einer erhöhten
Leistungsaufnahme führen.
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Es
besteht daher ein Bedarf für
verbesserte Kalibrierungstechniken für Digital-Analog-Wandler.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung werden eine integrierte Schaltung gemäß Patentanspruch 1, eine Sigma-Delta-Modulatorschaltung
gemäß Patentanspruch
10 und ein Verfahren zur Kalibrierung einer Vielzahl von Multibit-Digital-Analog-Wandlern gemäß Patentanspruch
21 bereitgestellt. Die abhängigen Patentansprüche definieren
Weiterbildungen der Erfindung.
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Gemäß Ausführungsbeispielen
der Erfindung ist somit eine Kalibrierungsschaltung vorgesehen,
welche von einem ersten Multibit-Digital-Analog-Wandler und einem
zweiten Multibit-Digital-Analog-Wandler
gemeinsam genutzt wird.
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Weitere
Eigenschaften, Merkmale und Vorteile von Ausführungsbeispielen der Erfindung
sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen
ersichtlich.
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1 veranschaulicht
schematisch eine Sigma-Delta-Modulatorschaltung
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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2 veranschaulicht
schematisch Schaltungskomponenten eines kalibrierten Digital-Analog-Wandlers
in einem Sigma-Delta-Modulator
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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3 veranschaulicht
beispielhafte Signalwerte bei einem Sigma-Delta-Modulator, wie er
in 1 dargestellt ist.
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4 veranschaulicht
schematisch eine mehrstufige Sigma-Delta-Modulatorschaltung gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Im
Folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf beispielhafte
Ausführungsformen
und auf die beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert.
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Es
versteht sich, dass in der folgenden detaillierten Beschreibung
von beispielhaften Ausführungsformen
jegliche dargestellte oder beschriebene direkte Verbindung oder
Kopplung zwischen zwei funktionalen Blöcken, Vorrichtungen, Komponenten oder
anderen physikalischen oder funktionalen Einheiten auch durch eine
indirekte Verbindung oder Kopplung implementiert sein könnte.
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Die
nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele
betreffen eine integrierte Schaltung mit einer Sigma-Delta-Modulatorschaltung,
welche typischerweise bei Kommunikationsanwendungen zur Digital-Analog-Wandlung
von Kommunikationsdaten verwendet wird, und ein entsprechendes Kalibrierungsverfahren.
Die Kommunikationsdaten können über eine
drahtlose Verbindung oder über
eine drahtgebundene Verbindung übertragen
werden. Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Sigma-Delta-Modulatorschaltung
vom zeitkontinuierlichen Typ (Continuous-Time-Typ). Bei anderen
Ausführungsbeispielen
können
andere Typen von Sigma-Delta-Modulatorschaltungen verwendet werden, z.
B. vom kondensatorgeschalteten Typ (Switched-Capacitor-Typ). Ferner
versteht es sich, dass die nachstehend beschriebenen Konzepte auch
bei anderen Typen von integrierten Schaltungen mit wenigstens zwei
Multibit-Digital-Analog-Wandlern
angewendet werden können.
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1 veranschaulicht
schematisch eine Sigma-Delta-Modulatorschaltung,
welche vom zeitkontinuierlichen Typ ist und eine mehrfache Rückkopplung
aufweist. Wie dargestellt umfasst die Sigma-Delta-Modulatorschaltung
einen analogen Eingang 140, ein Filternetzwerk 150,
einen N-Bit-Analog-Digital-Wandler
(ADC) 160 und Rückkopplungsschleifen,
welche einen ersten Digital-Analog-Wandler (DAC) 100A und
einen zweiten Digital-Analog-Wandler 100B umfassen. Der
Analog-Digital- Wandler 160 ist
vom Multibit-Typ, d. h. N > 1. Ebenso
sind der erste Digital-Analog-Wandler 100A und der zweite
Digital-Analog-Wandler 100B vom Multibit-Typ.
Der erste Digital-Analog-Wandler 100A und
der zweite Digital-Analog-Wandler 100B haben die gleiche
Anzahl von Bits wie der Analog-Digital-Wandler 160.
Der Zweck des ersten Digital-Analog-Wandlers 100A und des zweiten
Digital-Analog-Wandlers 100B ist, ein digitales Ausgangssignal des
Analog-Digital-Wandlers 160 an Rückkopplungspunkte des Filternetzwerks 150 zurückzuführen, d.
h. der erste Digital-Analog-Wandler 100A kann sich in einer
ersten Rückkopplungsschleife
befinden, und der zweite Digital-Analog-Wandler 100B kann
sich in einer zweiten Rückkopplungsschleife
befinden. Wie dargestellt können
sich die Rückkopplungspunkte
innerhalb des Filternetzwerks 150 oder an einem Eingang
des Filternetzwerks 150 befinden. Der erste Digital-Analog-Wandler 100A und
der zweite Digital-Analog-Wandler 100B können jeweils
auf Basis einer Vielzahl von selektiv steuerbaren Ausgangszellen,
z. B. Stromzellen, implementiert sein, wobei jede der Ausgangszellen
ein Ausgangssignal zur Addition an einem Signalausgang des Digital-Analog-Wandlers bereitstellt.
Der Analog-Digital-Wandler 160 wird auf Basis eines Taktsignals
CLK betrieben. Der erste Digital-Analog-Wandler 100A und
der zweite Digital-Analog-Wandler 100B werden
auf Basis von Taktsignalen CLKDAC betrieben.
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Das
Filternetzwerk 150 umfasst einen ersten Integrator mit
einem Signalpuffer 152, Kondensatoren C1 und Widerständen RZ1
sowie einen zweiten Integrator mit einem Signalpuffer 154,
Kondensatoren C2 und Widerständen
RZ2. Der erste Integrator empfängt
sein Eingangssignal ausgehend von dem analogen Eingang 140 über Widerstände R1.
Der zweite Integrator nimmt das Ausgangssignal des ersten Integrators über Widerstände R2 auf.
Das Ausgangssignal des zweiten Integrators wird dem Analog-Digital-Wandler 160 zugeführt. Darüber hinaus
ist der Eingang des ersten Integrators über Widerstände RG mit dem Ausgang des
zweiten Integrators gekoppelt.
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Es
versteht sich, dass die obige Implementierung des Filternetzwerks 150 lediglich
beispielhaft ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen können andere
Typen von Filternetzwerken verwendet werden. Zum Beispiel können die
Integratoren auf eine andere Weise implementiert sein. Darüber hinaus
kann die Anzahl von Integratoren in dem Filternetzwerk 150 je
nach Erfordernis ausgewählt
werden.
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Wie
dargestellt liefert der erste Digital-Analog-Wandler 100A sein
Ausgangssignal an einen Rückkopplungspunkt
an dem Eingang des ersten Integrators, und der zweite Digital-Analog-Wandler 100B liefert
sein Ausgangssignal an einen Rückkopplungspunkt
an dem Eingang des zweiten Integrators. Bei anderen Ausführungsbeispielen
können sich
die Rückkopplungspunkte
an anderen Positionen befinden.
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Wie
weiterhin dargestellt ist der Analogabschnitt der Sigma-Delta-Modulatorschaltung
zum Betrieb auf Grundlage von differentiellen Signalen ausgestaltet.
Bei anderen Ausführungsbeispielen
kann der Analogabschnitt der Sigma-Delta-Modulatorschaltung zum Betrieb auf Grundlage
von einpolig massebezogenen Signalen ausgestaltet sein.
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Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst
die Sigma-Delta-Modulatorschaltung
darüber
hinaus eine Kalibrierungsschaltung 200 zum Kalibrieren
des ersten Digital-Analog-Wandlers 100A und
des zweiten Digital-Analog-Wandler 100B. Das heißt, die
Kalibrierungsschaltung 200 wird von dem ersten Digital-Analog-Wandler 100A und
dem zweiten Digital-Analog-Wandler 100B gemeinsam
genutzt.
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Die
Kalibrierungsschaltung 200 liefert ein Kalibrierungseingangssignal
CALIN an den ersten Digital-Analog-Wandler 100A und an
den zweiten Digital-Analog-Wandler 100B. Das Kalibrierungseingangssignal
CALIN wird innerhalb des ersten Digital-Analog-Wandlers 100A und des
zweiten Digital-Analog-Wandlers 100B verwendet, um wenigstens
eine aus einer Vielzahl von Ausgangszellen zur Kalibrierung auszuwählen. Dies
wird auf eine kontinuierliche Weise während des Normalbetriebs des ersten
Digital-Analog-Wandlers 100A und des zweiten Digital-Analog-Wandlers 100B bewerkstelligt.
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Darüber hinaus
empfängt
die Kalibrierungsschaltung 200 das Ausgangssignal ADCOUT
des Analog-Digital-Wandlers 160 und erzeugt auf Grundlage
des Ausgangssignals ADCOUT des Analog-Digital-Wandlers 160 ein Dateneingangssignal
DACIN für
den ersten Digital-Analog-Wandler 100A und für den zweiten
Digital-Analog-Wandler 100B. Das Dateneingangssignal DACIN
wird innerhalb des ersten Digital-Analog-Wandlers 100A und
des zweiten Digital-Analog-Wandlers 100B verwendet, um
die Ausgangszellen entsprechend einem kodierten Digitalwert zu steuern.
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Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden
diejenigen der Ausgangszellen, welche nicht zur Kalibrierung ausgewählt sind,
zur Steuerung entsprechend dem kodierten Digitalwert ausgewählt. Wenn
z. B. zu einem gegebenen Zeitpunkt eine der Ausgangszellen des ersten
Digital-Analog-Wandlers 100A und eine der Ausgangszellen
des zweiten Digital-Analog-Wandlers 100B zur Kalibrierung
ausgewählt
ist, können
die anderen Ausgangszellen entsprechend dem kodierten Digitalwert
gesteuert werden. Zu diesem Zweck ist die Anzahl der Ausgangszellen
des ersten Digital-Analog-Wandlers 100A und des zweiten
Digital-Analog-Wandlers 100B größer als
die Anzahl von für
die bloße
Umwandlung der kodierten Digitalwerte erforderlichen Ausgangszellen. Zum
Beispiel können
der erste Digital-Analog-Wandler 100A und
der zweite Digital-Analog-Wandler 100B jeweils sechzehn
Ausgangszellen umfassen, welche jeweils ein Einheitsausgangssignal
zur Addition am Signalausgang des Digital-Analog-Wandlers liefern.
Nur fünfzehn
Ausgangszellen sind erforderlich zur Erzeugung eines Ausgangssignals
mit sechzehn verschiedenen Stufen, einschließlich einer Signalstufe von
null. Folglich ist eine der Ausgangszellen zur Ka librierung verfügbar. In
jedem Taktzyklus wird eine andere der Ausgangszellen zur Kalibrierung ausgewählt. Das
Dateneingangssignal DACIN des ersten Digital-Analog-Wandlers 100A und
des zweiten Digital-Analog-Wandlers 100B wird derart erzeugt,
dass die zur Kalibrierung ausgewählte
Ausgangszelle nicht von dem Dateneingangssignal DACIN gesteuert
wird. Diese Struktur ermöglicht
eine Kalibrierung der Digital-Analog-Wandler 100A, 100B während des
normalen Umwandlungsbetriebs.
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Das
N-Bit-Ausgangssignal ADCOUT des Analog-Digital-Wandlers 160 kann
der Kalibrierungsschaltung 200 unter Verwendung von 2N – 1
Signalleitungen in Thermometerkodierung zugeführt werden. Da in dem ersten
Digital-Analog-Wandler 100A eine zusätzliche zu steuernde Ausgangszelle
vorhanden ist und in dem zweiten Digital-Analog-Wandler 100B eine
zusätzliche
zu steuernde Ausgangszelle vorhanden ist, wird das Dateneingangssignal
DACIN dann den Digital-Analog-Wandlern 100A, 100B über 2N Signalleitungen zugeführt, wobei ebenfalls eine Thermometerkodierung
verwendet wird. Bei anderen Ausführungsbeispielen
kann eine binär
gewichtete Kodierung verwendet werden. Darüber hinaus kann in dem ersten
Digital-Analog-Wandler 100A und in dem zweiten Digital-Analog-Wandler 100B eine
noch größere Anzahl
von Ausgangszellen vorgesehen sein. In diesem Fall können mehrere
der Ausgangszellen gleichzeitig kalibriert werden, oder Ausgangszellen
können
als Ersatzzellen verwendet werden.
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Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst
die Kalibrierungsschaltung 200 einen Datenmultiplexer 220 und
eine Steuerschaltung 240, welche auf Grundlage eines Zustandsapparats
implementiert ist. Der Datenmultiplexer 220 bewerkstelligt die
oben genannte Erzeugung des Dateneingangssignals DACIN für den ersten
Digital-Analog-Wandler 100A und den zweiten Digital-Analog-Wandler 100B auf
Grundlage des durch das Ausgangssignal ADCOUT des Analog-Digital-Wandlers 160 kodierten Digitalwerts.
Die Steuerschaltung 240 erzeugt das Kalibrierungseingangssignal
CALIN. Darüber
hinaus erzeugt die Steuerschaltung 240 ein Steuersignal MUXCTL
zur Steuerung des Datenmultiplexers 220.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
umfasst das Kalibrierungseingangssignal CALIN eine Anzahl von Schaltsignalen,
welche der Anzahl von Ausgangszellen in dem ersten Digital-Analog-Wandler 100A und der
Anzahl von Ausgangszellen in dem zweiten Digital-Analog-Wandler 100B entspricht.
Jeweils eines der Schaltsignale wird verwendet, um eine entsprechende
Ausgangszelle in einen Kalibrierungsmodus umzuschalten. Auf ähnliche
Weise kann das Steuersignal MUXCTL für den Datenmultiplexer 220 eine Anzahl
von Schaltsignalen umfassen, welche der Anzahl von Signalleitungen
entspricht, wobei die Schaltsignale zur Zuführung des Dateneingangssignals DACIN
von dem Datenmultiplexer 220 an den ersten Digital-Analog-Wandler 100A und
an den zweiten Digital-Analog-Wandler 100B verwendet werden.
Die Steuerschaltung 240 und/oder der Zustandsapparat können durch
spezielle Hardware, durch Software oder eine Kombination von spezieller
Hardware und Software implementiert sein.
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2 veranschaulicht
schematisch interne Schaltungskomponenten eines Digital-Analog-Wandlers,
z. B. des ersten Digital-Analog-Wandlers 100A oder des
zweiten Digital-Analog-Wandlers 100B,
wie er in einer integrierten Schaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung verwendet wird. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
umfasst der Digital-Analog-Wandler
eine Vielzahl von Ausgangszellen 300, welche als jeweils
einen Einheitsausgangsstrom bereitstellende Stromzellen implementiert
sind. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die Anzahl von Ausgangszellen 300 für einen N-Bit-Digital-Analog-Wandler
2N. Die Ausgangszellen 300 sind
auf Grundlage von Stromspiegeln bezüglich eines Stromquellenblocks 330 implementiert. Wie
dargestellt umfasst der Stromquellenblock 330 Transistoren 340, 350, 360,
welche dazu ausgestaltet sind, einen Stromspiegel mit Transistoren 305, 310, 315 in
jeder der Stromzellen 300 zu bilden. Bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel
sind die Stromspiegel auf Grund lage von PMOS-Transistoren implementiert.
Bei anderen Ausführungsbeispielen können andere
Transistortypen verwendet werden.
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In
jeder der Ausgangszellen 300 dient der Transistor 310 als
ein Spiegeltransistor, welcher den Strom durch die Transistoren 340, 350 des
Stromquellenblocks 330 spiegelt. Der Transistor 305 dient als
ein Kaskodentransistor, welcher zwischen einem Ausgangsschaltungsknoten
der Stromzelle 300 und dem Spiegeltransistor 310 bereitgestellt
ist, so dass eine Kaskodenstruktur gebildet wird. Der Transistor 315 dient
als ein Kalibrierungstransistor und ist parallel zu dem Spiegeltransistor 310 geschaltet.
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Die
jeweiligen Ausgangsschaltungsknoten der Stromzellen 300 sind über entsprechende
Schalter 370 mit einem differentiellen Signalausgang des Digital-Analog-Wandlers
gekoppelt. Das heißt,
dass mittels der Schalter 370 jede der Stromzellen 300 mit dem
differentiellen Ausgang des Digital-Analog-Wandlers gekoppelt werden
kann, um einen Einheitsstrom auszugeben. Das Ausgangssignal des
Digital-Analog-Wandlers wird dann durch die Summe der einzelnen
Einheitsströme
gebildet. Der Gesamtwert des Ausgangssignals kann durch Verwendung der
Schalter 370 auf eine von 2N verschiedenen
Stufen gesteuert werden.
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Wie
weiterhin dargestellt umfasst der Digital-Analog-Wandler eine Kalibrierungsquelle 400, und
jede der Ausgangszellen 300 umfasst Schalter 320,
um die Ausgangszelle 300 mit der Kalibrierungsquelle 400 zu
verbinden. Die Kalibrierungsquelle 400 kann ebenfalls auf
Grundlage von Stromquellen implementiert sein. Bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel
umfasst die Kalibrierungsquelle 400 NMOS-Transistoren 430, 440, 450.
Bei anderen Ausführungsbeispielen
können
andere Transistortypen oder andere Implementierungen der Kalibrierungsquelle 400 verwendet
werden.
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Die
Funktionsweise des Digital-Analog-Wandlers mit den obigen Schaltungskomponenten
ist wie folgt: im Normalbetrieb des Digital-Analog-Wandlers werden
2N – 1
der Ausgangszellen 300 verwendet, um das Ausgangssignal
des Digital-Analog-Wandlers zu erzeugen, d. h. gesteuert durch die Schalter 370 dem
differentiellen Ausgang 380, 390 selektiv einen
Einheitsstrom zuzuführen.
Die verbleibende der Ausgangszellen 300 wird zur Kalibrierung ausgewählt und
unter Verwendung der Schalter 320 mit der Kalibrierungsquelle 400 gekoppelt.
In diesem Kalibrierungsmodus der Ausgangszelle 300 sind
deren Schalter 320 geschlossen. In dieser Konfiguration
ist der Kalibrierungstransistor 315 derart angeschlossen,
dass er im Wesentlichen als Diode arbeitet, d. h. der Drain-Anschluss
des Kalibrierungstransistors 315 ist über den Kaskodentransistor 305 mit dem
Gate-Anschluss des Kalibrierungstransistors 315 gekoppelt.
In diesem Zustand wird der Strom durch die Ausgangszelle 300 auf
einen Wert eingestellt, welcher einem von der Kalibrierungsquelle 400 bereitgestellten
Kalibrierungsstrom entspricht. Nach Öffnen der Schalter 320 wird
der eingestellte Wert des Stroms im Normalbetrieb der Ausgangszelle 300 beibehalten,
weil die Gate-Source-Kapazität
des Kalibrierungstransistors 315 eine Gate-Spannung des Kalibrierungstransistors 315 auf
einem im Wesentlichen konstanten Wert hält, bis die Ausgangszelle 300 erneut
zur Kalibrierung ausgewählt
wird.
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Die
Ausgangszellen 300 werden auf eine zyklische Weise zur
Kalibrierung ausgewählt,
wodurch der Einheitsstrom der Ausgangszellen 300 auf zyklische
Weise eingestellt wird, so dass er im Wesentlichen dem von der Kalibrierungsquelle 400 bereitgestellten
Kalibrierungsstrom entspricht. Auf diese Weise liefert jede der
Ausgangszellen 300 im Wesentlichen denselben Einheitsstrom,
unabhängig
von einer Fehlanpassung der in den Ausgangszellen 300 verwendeten
Transistoren. Dies verbessert wiederum die Linearität des Digital-Analog-Wandlers.
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Die
Schalter 320 der Ausgangszellen 300 werden wie
im Zusammenhang mit 1 erläutert durch das Kalibrierungseingangssignal
CALIN gesteuert. Die Schalter 370 werden wie im Zusammenhang
mit 1 erläutert
durch das Dateneingangssignal DACIN gesteuert. Die Schalter 320 und 370 können unter
Verwendung von Transistoren oder anderen geeigneten Schaltvorrichtungen
implementiert sein.
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3 veranschaulicht
beispielhafte Werte der im Zusammenhang mit 1 erläuterten
Signale ADCOUT, DACIN, MUXCTL und CALIN. Die beispielhaften Werte
von 3 beziehen sich auf eine Implementierung, bei
welcher für
den Analog-Digital-Wandler 160 sowie
für den
ersten Digital-Analog-Wandler 100A und den zweiten Digital-Analog-Wandler 100B die
Anzahl von Bits N = 4 ist. Das Ausgangssignal ADCOUT des Analog-Digital-Wandlers 160 wird
in Thermometerkodierung folglich durch 15 Signalleitungen dargestellt.
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In
dem oberen linken Abschnitt von 3 sind beispielhafte
Werte des Signals ADCOUT in Form einer Tabelle dargestellt. Jede
Spalte der Tabelle entspricht einer anderen Datenleitung, und die
verschiedenen Zeilen der Tabelle entsprechen verschiedenen Taktzyklen
des Analog-Digital-Wandlers 160. Auf der linken Seite der
Tabelle ist eine Taktzyklusnummer angegeben, welche in Richtung
des vertikalen Pfeils ansteigt. Auf der rechten Seite der Tabelle ist
der durch die jeweilige Zeile der Tabelle kodierte Digitalwert im
Dezimalformat angegeben. Wie dargestellt wird mit ansteigendem kodiertem
Digitalwert eine ansteigende Anzahl der Datenleitungen in einen aktiven
Zustand gebracht.
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In
dem unteren linken Abschnitt von 3 sind die
entsprechenden Werte des Dateneingangssignals DACIN in Form einer ähnlichen
Tabelle dargestellt. Die Nummer der Taktzyklen ist wiederum auf der
linken Seite der Tabelle angegeben, und der kodierte Digitalwert
ist auf der rechten Seite der Tabelle angegeben. Wie dargestellt,
ist für
das Signal DACIN eine Da tenleitung mehr vorhanden als für das Signal ADCOUT.
Dies beruht auf der Tatsache, dass das Signal DACIN berücksichtigt,
dass stets eine der Ausgangszellen des Digital-Analog-Wandlers zur Kalibrierung
ausgewählt
ist und daher nicht zur Erzeugung des Ausgangssignals des Digital-Analog-Wandlers verfügbar ist.
In 3 ist die Position der Datenleitung, welche der
zur Kalibrierung ausgewählten
Ausgangszelle entspricht, durch „X" markiert. Bis zu der durch „X" markierten Position
entspricht das Signal DACIN dem Signal ADCOUT. Ab der durch „X" markierten Position
entspricht die n-te Datenleitung des Signals ADCOUT der (n + 1)-ten
Datenleitung des Signals DACIN. Auf diese Weise enthält das Signal
DACIN dieselben Informationen bezüglich des kodierten Digitalwerts
wie das Signal ADCOUT. Bei anderen Ausführungsbeispielen können andere
Beziehungen zwischen dem Signal ADCOUT und dem Signal DACIN verwendet
werden.
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In
dem oberen rechten Abschnitt von 3 sind die
entsprechenden Werte des Signals MUXCTL in Form einer ähnlichen
Tabelle dargestellt. Die Nummer des Taktzyklus ist wiederum auf
der linken Seite der Tabelle angegeben. Das Signal MUXCTL umfasst
eine Datenleitung für
jede der Datenleitungen des Signals DACIN. Bei dem dargestellten
Beispiel wird das Signal MUXCTL beim ersten Taktzyklus beginnend
mit allen Datenleitungen im aktivierten Zustand erzeugt, indem nachfolgend
in dem jeweils nächsten
Taktzyklus, von links nach rechts fortschreitend, eine der Datenleitungen
deaktiviert wird. Dies führt
dazu, dass durch den Datenmultiplexer 220 das Signal ADCOUT
wie oben erläutert
in das Signal DACIN umgewandelt wird. Bei anderen Ausführungsbeispielen
kann das Signal MUXCTL abhängig
von der Konfiguration des Datenmultiplexers 220 auf eine
andere Weise erzeugt werden. Wenn schließlich alle Datenleitungen deaktiviert
sind, sind alle Ausgangszellen kalibriert worden, und der Vorgang
beginnt erneut mit allen Datenleitungen des Signals MUXCTL im aktivierten
Zustand.
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In
dem unteren rechten Abschnitt von 3 sind die
entsprechenden Werte des Signals CALIN dargestellt. Wie dargestellt
umfasst das Signal CALIN eine Datenleitung für jede der Datenleitungen des
Signals DACIN, d. h. eine Datenleitung für jede der Ausgangszellen des
Digital-Analog-Wandlers. Die der zu kalibrierenden Ausgangszelle
entsprechende Datenleitung ist aktiv, während die anderen Datenleitungen
inaktiv sind. In dem ersten Taktzyklus ist die erste Datenleitung
aktiv. Dann wird die aktive Datenleitung mit jedem Taktzyklus um
eine Position nach rechts verschoben. Dies führt dazu, dass diejenige Ausgangszelle
zur Kalibrierung ausgewählt wird,
welche in der das Dateneingangssignal DACIN darstellenden Tabelle
durch „X" markiert ist.
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Es
versteht sich, dass die obigen Werte des Signals ADCOUT, DACIN,
MUXCTL und CALIN lediglich beispielhaft sind. Insbesondere kann
die Auswahl der zu kalibrierenden Ausgangszellen entsprechend einem
anderen Muster bewerkstelligt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen
ist es sogar möglich,
die zu kalibrierende Ausgangszelle auf eine zufällige Weise auszuwählen. Wie
es sich für
diejenigen mit Kenntnissen der Technik versteht, müsste dann die
Erzeugung des Signals MUXCTL zur Steuerung des Datenmultiplexers 220 entsprechend
angepasst werden.
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4 veranschaulicht
schematisch eine integrierte Sigma-Delta-Modulatorschaltung gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung, welche eine mehrfache Rückkopplung aufweist. Die Sigma-Delta-Modulatorschaltung
ist wiederum vom zeitkontinuierlichen Typ. Bei anderen Ausführungsbeispielen
sind jedoch auch andere Implementierungen möglich, z. B. eine kondensatorgeschaltete
Implementierung.
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Im
Vergleich zu der Sigma-Delta-Modulatorschaltung von 1 ist
die Sigma-Delta-Modulatorschaltung von 4 vom mehrstufigen
Typ, z. B. vom MASH-Typ. Eine erste Modulatorstufe ist allgemein
im unteren Teil von 4 (4B) darge stellt. Eine
zweite Modulatorstufe ist allgemein im oberen Teil von 4 (4A)
dargestellt.
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Ein
analoger Signaleingang 540 ist über Widerstände R11 mit einem Filternetzwerk 550A der ersten
Modulatorstufe gekoppelt. Ein Ausgangssignal des Filternetzwerks 550A ist
einem Analog-Digital-Wandler 560A der ersten Modulatorstufe
zugeführt.
Rückkopplungsschleifen
sind zur Rückkopplung
eines Ausgangssignals ADCOUT des Analog-Digital-Wandlers 560A an
Rückkopplungspunkte des
Filternetzwerks 550A vorgesehen. Zu diesem Zweck sind in
der ersten Modulatorstufe ein erster Digital-Analog-Wandler 500A und
ein zweiter Digital-Analog-Wandler 500B vorgesehen.
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Die
Rückkopplungsschleife 550A umfasst
einen ersten Integrator mit einem ersten Signalpuffer 552A,
Kondensatoren C11 und Widerständen
RZ11 sowie einen zweiten Integrator mit einem zweiten Signalpuffer 554A,
Kondensatoren C21 und Widerständen
RZ21. Ein Ausgangssignal des ersten Integrators ist über Widerstände R21
dem zweiten Integrator zugeführt.
Darüber
hinaus sind Widerstände RG1
vorgesehen, welche den Eingang des ersten Integrators mit dem Ausgang
des zweiten Integrators koppeln. Es versteht sich, dass die Implementierung des
Filternetzwerks 550A lediglich beispielhaft ist und bei
anderen Ausführungsbeispielen
andere Implementierungen des Filternetzwerks verwendet werden können.
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Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist
ein Ausgangssignal des ersten Digital-Analog-Wandlers 500A einem
Rückkopplungspunkt
an dem Eingang des ersten Integrators des Filternetzwerks 550A zugeführt, und
ein Ausgangssignal des zweiten Digital-Analog-Wandlers 500B ist
einem Rückkopplungspunkt
an dem Eingang des zweiten Integrators des Filternetzwerks 550A zugeführt. Bei anderen
Ausführungsbeispielen
können
die Rückkopplungspunkte
sich an anderen Positionen befinden.
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Ähnlich zu
der ersten Modulatorstufe umfasst die zweite Modulatorstufe ein
Filternetzwerk 550B und einen Analog-Digital-Wandler 560B,
welcher ein Ausgangssignal des Filternetzwerks 550B aufnimmt.
Darüber
hinaus umfasst die zweite Modulatorstufe Rückkopplungsschleifen zur Rückkopplung eines
Ausgangssignals ADCOUT des Analog-Digital-Wandlers 560B an
Rückkopplungspunkte
des Filternetzwerks 550B. Die Rückkopplungsschleifen umfassen
einen ersten Digital-Analog-Wandler 500C und einen zweiten
Digital-Analog-Wandler 500D der zweiten Modulatorstufe.
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Das
Filternetzwerk 550B der zweiten Modulatorstufe umfasst
einen ersten Integrator mit einem ersten Signalpuffer 552B,
Kondensatoren C12 und Widerständen
RZ12 sowie einen zweiten Integrator mit einem zweiten Signalpuffer 554B,
Kondensatoren C22 und Widerständen
RZ22. Wie durch gepunktete Linien dargestellt kann der erste Integrator
auch zusätzliche
Widerstände
RHC2 umfassen. Ein Ausgangssignal des ersten Integrators ist über die
Widerstände
R22 dem zweiten Integrator zugeführt.
Darüber
hinaus ist ein Eingang des ersten Integrators über Widerstände RG2 mit einem Ausgang des
zweiten Integrators gekoppelt.
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Ein
Ausgangssignal des ersten Digital-Analog-Wandlers 500C ist
einem Rückkopplungspunkt an
dem Eingang des ersten Integrators des Filternetzwerks 550B zugeführt, und
ein Ausgangssignal des zweiten Digital-Analog-Wandlers 500D ist
einem Rückkopplungspunkt
an dem Eingang des zweiten Integrators des Filternetzwerks 550B zugeführt. Bei anderen
Ausführungsbeispielen
können
die Rückkopplungspunkte
auf eine unterschiedliche Weise positioniert sein, oder das Filternetzwerk 550B kann auf
eine unterschiedliche Weise implementiert sein.
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Die
Kopplung zwischen der ersten Modulatorstufe und der zweiten Modulatorstufe
ist wie folgt: Ein Ausgangssignal des ersten Integrators des Filternetzwerks 550A in
der ersten Modulatorstufe ist dem Eingang des ersten Integrators
des Filter netzwerks 550B in der zweiten Modulatorstufe über Widerstände RS1
zugeführt.
Ein Ausgangssignal des zweiten Integrators des Filternetzwerks 550A in
der ersten Modulatorstufe ist dem Eingang des ersten Integrators
des Filternetzwerks 550B in der zweiten Modulatorstufe über Widerstände RS2
zugeführt.
Bei anderen Ausführungsbeispielen
kann die Kopplung zwischen der ersten Modulatorstufe und der zweiten
Modulatorstufe auf eine andere Weise bewerkstelligt werden.
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Die
Analogabschnitte der ersten Modulatorstufe und der zweiten Modulatorstufe
sind auf Basis von differentiellen Signalen implementiert. Bei anderen
Ausführungsbeispielen
können
die Analogabschnitte der ersten Modulatorstufe und der zweiten Modulatorstufe
auf Grundlage von einpolig massebezogenen Signalen implementiert
sein.
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Der
Digital-Analog-Wandler 500A, der Digital-Analog-Wandler 500B,
der Digital-Analog-Wandler 500C und der Digital-Analog-Wandler 500D können auf
eine ähnliche
Weise implementiert sein wie im Zusammenhang mit 2 erläutert. Insbesondere
kann jeder der Digital-Analog-Wandler 500A, 500B, 500C, 500D eine
Vielzahl von Ausgangszellen umfassen, welche auf Grundlage eines
Dateneingangssignals gesteuert werden. Die Ausgangszellen können als
Stromzellen implementiert sein.
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Dem
Analog-Digital-Wandler 560A und dem Analog-Digital-Wandler 560B ist
jeweils ein Taktsignal CLK zugeführt.
Den Digital-Analog-Wandlern 500A, 500B, 500C, 500D sind
jeweils Taktsignale CLKDAC zugeführt.
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Wie
weiterhin dargestellt umfasst die Sigma-Delta-Modulatorschaltung einen Überlastungsblock 570 und
einen analogen Multiplexer 580, welche mit dem Ausgang
des ersten Integrators und dem Ausgang des zweiten Integrators des
Filternetzwerks 550A in der ersten Modulatorstufe sowie
mit dem Ausgang des ersten Integrators und dem Ausgang des zweiten
Integrators des Filternetzwerks 550B in der zweiten Modula torstufe
gekoppelt sind. Ein analoger Messausgangspuffer 590 ist
mit dem analogen Multiplexer 580 gekoppelt. Diese Strukturen
sind zum Zwecke einer Überwachung
und eines Überlastungsmanagements
vorgesehen.
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Darüber hinaus
umfasst die Sigma-Delta-Modulatorschaltung einen ersten Datenmultiplexer 620A zur
Aufnahme des Ausgangssignals ADCOUT des Analog-Digital-Wandlers 560A der
ersten Modulatorstufe und einen zweiten Datenmultiplexer 620B zur
Aufnahme des Ausgangssignals ADCOUT des Analog-Digital-Wandlers 560B der
zweiten Modulatorstufe. Die Funktionsweise der Datenmultiplexer 620A, 620B entspricht
derjenigen, wie sie für
den Datenmultiplexer 220 von 1 erläutert wurde.
Insbesondere wählt
der Datenmultiplexer 620A Ausgangszellen des ersten Digital-Analog-Wandlers 500A und des
zweiten Digital-Analog-Wandlers 500B in der ersten Modulatorstufe
zur Steuerung aus, so dass das Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers entsprechend
dem durch das Ausgangssignal ADCOUT des Analog-Digital-Wandlers 560A kodierten Digitalwert
erzeugt wird. Der Datenmultiplexer 620B wählt Ausgangszellen
des ersten Digital-Analog-Wandlers 500C und des zweiten
Digital-Analog-Wandlers 500D in
der zweiten Modulatorstufe zur Steuerung aus, um das Ausgangssignal
des Digital-Analog-Wandlers entsprechend dem durch das Ausgangssignal
ADCOUT des Analog-Digital-Wandlers 560B der
zweiten Modulatorstufe kodierten Digitalwert zu erzeugen.
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Die
Sigma-Delta-Modulatorschaltung beinhaltet darüber hinaus eine erste Steuerschaltung 600A der
ersten Modulatorstufe und eine zweite Steuerschaltung 600B der
zweiten Modulatorstufe. Die Steuerschaltungen 600A, 600B haben
jeweils eine ähnliche
Funktionsweise wie die Steuerschaltung 240 von 2.
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Insbesondere
erzeugt die erste Steuerschaltung 600A ein Kalibrierungseingangssignal
CALIN zur Bereitstellung an den ersten Digital-Analog-Wandler 500A und
an den zweiten Digital-Analog-Wandler 500B der ersten Modulatorstufe,
um eine aus einer Vielzahl von Ausgangszellen des Digital-Analog-Wandlers zur Kalibrierung
auszuwählen. Darüber hinaus
erzeugt die Steuerschaltung 600A ein Steuersignal MUXCTL
für den
Datenmultiplexer 620A der ersten Modulatorstufe. Wie im
Zusammenhang mit 3 erläutert werden die Signale CALIN und
MUXCTL derart erzeugt, dass in jedem Taktzyklus eine andere Ausgangszelle
des Digital-Analog-Wandlers zur Kalibrierung ausgewählt wird
und dass die verbleibenden Ausgangszellen zur Erzeugung des Ausgangssignals
des Digital-Analog-Wandlers auf Grundlage des Digitalwerts, welcher
durch das Ausgangssignal ADCOUT des Analog-Digital-Wandlers 560A der
ersten Modulatorstufe kodiert wird, verwendet werden.
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Auf ähnliche
Weise erzeugt die zweite Steuerschaltung 600B ein Kalibrierungseingangssignal CALIN
zur Bereitstellung an den ersten Digital-Analog-Wandler 500C und
den zweiten Digital-Analog-Wandler 500D der zweiten Modulatorstufe,
um eine aus einer Vielzahl von Ausgangszellen des Digital-Analog-Wandlers zur Kalibrierung
auszuwählen. Darüber hinaus
erzeugt die Steuerschaltung 600B ein Steuersignal MUXCTL
für den
Datenmultiplexer 620B. Wie oben erläutert, werden die Signale CALIN und
MUXCTL derart erzeugt, dass in jedem Taktzyklus eine andere der
Ausgangszellen des Digital-Analog-Wandlers zur Kalibrierung ausgewählt wird
und dass die verbleibenden Ausgangszellen des Digital-Analog-Wandlers
zur Erzeugung des Ausgangssignals des Digital-Analog-Wandlers entsprechend dem
Digitalwert, welcher durch das Ausgangssignal ADCOUT des Analog-Digital-Wandlers 560B der zweiten
Modulatorstufe kodiert wird, verwendet werden.
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Ähnlich zu
dem Ausführungsbeispiel
von 1 können
die Steuerschaltung 600A und die Steuerschaltung 600B auf
Grundlage eines Zustandsapparats implementiert sein.
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Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist
ein erstes Dateneingangssignal DACIN ausgehend von dem Datenmultiplexer 620A über einen
Datensignalspeicher 630A dem Digital-Analog- Wandler 500A und
dem Digital-Analog-Wandler 500B zugeführt. Auf ähnliche Weise ist ein zweites
Dateneingangssignal DACIN ausgehend von dem Datenmultiplexer 620B über einen
Datensignalspeicher 630B dem Digital-Analog-Wandler 500C und
dem Digital-Analog-Wandler 500D zugeführt. Bei anderen Ausführungsbeispielen
kann auf den Datensignalspeicher 630A und/oder den Datensignalspeicher 630B verzichtet
werden.
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Wie
weiterhin dargestellt sind das Ausgangssignal ADCOUT des Analog-Digital-Wandlers 560A der
ersten Modulatorstufe und ein Ausgangssignal des Datensignalspeichers 630A der
ersten Modulatorstufe Decodern 650A bzw. 650B zugeführt. Auf ähnliche
Weise sind das Ausgangssignal ADCOUT des Analog-Digital-Wandlers 560B der
zweiten Modulatorstufe und das Ausgangssignal des Datensignalspeichers 630B der
zweiten Modulatorstufe Decodern 650C bzw. 650D zugeführt. Die
Decoder 650A, 650B, 650C, 650D haben
den Zweck, einen Thermometercode ihres Eingangssignals in einen
binär gewichteten
Code umzuwandeln, wodurch die Anzahl der digitalen Signalleitungen
zur Übertragung
des Signals reduziert wird.
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Ausgehend
von den Decodern 650A, 650B der ersten Modulatorstufe
ist das Signal einem ersten Multiplexer 700A zugeführt. Mittels
des ersten Multiplexers 700A wird ein weiterzuleitendes
Signal ausgewählt
zwischen dem Ausgangssignal des Decoders 650A und dem Ausgangssignal
des Decoders 650B. Auf ähnliche
Weise umfasst die zweite Modulatorstufe einen zweiten Multiplexer 700B,
welcher das Ausgangssignal des Decoders 650C und das Ausgangssignal
des Decoders 650D aufnimmt. Mittels des zweiten Multiplexers 700B kann
ein weiterzuleitendes Signal ausgewählt werden zwischen dem Ausgangssignal
des Decoders 650C und dem Ausgangssignal des Decoders 650D.
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Ein
Ausgangssignal des Multiplexers 700A ist einem Ratenreduzierer 740A zugeführt, und
ein Ausgangssignal des Multiplexers 700B ist einem Ratenreduzierer 740B zugeführt. Der
Zweck der Ratenreduzierer 740A, 740B ist, die
digitale Ausgabegeschwindigkeit durch Parallelisierung zu reduzieren.
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Ausgangssignale
der Ratenreduzierer 740A, 740B sind einer differenziellen
Niederspannungssignalschnittstelle 750 zugeführt, welche
zur Ausgabe von digitalen Daten mit niedrigen Signalamplituden verwendet
wird.
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Wie
weiterhin dargestellt umfasst die Sigma-Delta-Modulatorschaltung einen Multiplexer 710, eine
Chip-Steuerungsschnittstelle 720 zur
Einspeicherung von Steuerungsprogramminformationen und ein linear
gekoppeltes Schieberegister 730 zur Erzeugung eines pseudozufälligen Digitalsignals.
Das pseudozufällige
Digitalsignal kann den Rückkopplungsschleifen
der ersten Modulatorstufe und/oder der zweiten Modulatorstufe über den
Multiplexer 710 zugeführt
werden, um die Eigenschaften der Rückkopplungsschleifen zu analysieren
oder abzustimmen.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
von 4 bilden die Steuerschaltung 600A, der
Datenmultiplexer 620A und der Datensignalspeicher 630A eine
Kalibrierungsschaltung, welche von dem ersten Digital-Analog-Wandler 500A und
dem zweiten Digital-Analog-Wandler 500B der
ersten Modulatorstufe gemeinsam genutzt wird. Auf ähnliche
Weise bilden die Steuerschaltung 600B, der Datenmultiplexer 620B und
der Datensignalspeicher 630B eine Kalibrierungsschaltung,
welche von dem ersten Digital-Analog-Wandler 500C und dem
zweiten Digital-Analog-Wandler 500D der
zweiten Modulatorstufe gemeinsam genutzt wird. Bei anderen Ausführungsbeispielen
ist es auch möglich,
eine einzige Steuerschaltung zu verwenden, welche von dem Digital-Analog-Wandler 500A,
dem Digital-Analog-Wandler 500B, dem Digital-Analog-Wandler 500C und
dem Digital-Analog-Wandler 500D gemeinsam
genutzt wird, d. h. eine Kalibrierungsschaltung bereitzustellen,
welche Digital-Analog-Wandlern unterschiedlicher Modulatorstufen
oder von allen Digital-Analog-Wandlern
gemeinsam genutzt wird.
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Es
versteht sich, dass bei den zuvor genannten Ausführungsbeispielen verschiedene
Modifikationen möglich
sind, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Zum
Beispiel können
die oben genannten Konzepte in anderen integrierten Schaltungen
als in Sigma-Delta-Modulatorschaltungen verwendet werden. Darüber hinaus
können
die Konzepte in anderen Typen von Sigma-Delta-Modulatorschaltungen
verwendet werden, wie zum Beispiel in kondensatorgeschalteten Sigma-Delta-Modulatorschaltungen.
Darüber
hinaus können
unterschiedliche Typen von kalibrierten Digital-Analog-Wandlern
verwendet werden, ohne Einschränkung
auf stromsteuernde Digital-Analog-Wandler. Abhängig von dem Typ des Digital-Analog-Wandlers können andere
Kalibrierungsmechanismen verwendet werden, ohne Einschränkung auf
die Kalibrierung von Ausgangsströmen
wie im Zusammenhang mit 2 erläutert.
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Schließlich versteht
es sich, dass die Merkmale der obigen Ausführungsbeispiele nach Bedarf miteinander
kombiniert werden können.