DE102009040617A1 - Analog-Digital-Wandler - Google Patents

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DE102009040617A1
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Abstract

Ein Analog-Digital-Wandler kann in einer Verstärker-Konfiguration oder einer Wandler-Konfiguration arbeiten. In der Verstärker-Konfiguration empfängt der Analog-Digital-Wandler eine Eingangsspannung und skaliert die Eingangsspannung während wenigstens eines Taktzyklus mit einem Faktor. In der Wandler-Konfiguration verwendet der Analog-Digital-Wandler die skalierte Eingangsspannung, um einen digitalen Wert zu bestimmen, der der Eingangsspannung entspricht.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Patentbeschreibung betrifft elektrische Schaltungen.
  • Hintergrund
  • Ein Analog-Digital-Wandler wandelt analoge Eingangssignale in digitale Werte um. Zu verbreiteten Analog-Digital-Wandlern gehören Flash-Analog-Digital-Wandler, Analog-Digital-Wandler mit schrittweiser Annäherung und Pipeline-Analog-Digital-Wandler. In einigen Analog-Digital-Wandlersystemen wird das analoge Eingangssignal durch einen Verstärker mit programmierbarem Verstärkungsfaktor, einen sog. PGA (programmable gain amplifier), verstärkt, bevor es in digitale Werte umgewandelt wird. Durch den PGA nimmt die Größe dieser Analog-Digital-Wandlersysteme zu. Des Weiteren wird durch den PGA der Stromverbrauch in diesen Analog-Digital-Wandlersystem erhöht.
  • Zusammenfassung
  • Ein Analog-Digital-Wandler kann in einer Verstärker-Konfiguration oder einer Wandler-Konfiguration arbeiten. In der Verstärker-Konfiguration empfängt der Analog-Digital-Wandler eine Eingangsspannung und skaliert die Eingangsspannung während wenigstens eines Taktzyklus mit einem Faktor. In der Wandler-Konfiguration verwendet der Analog-Digital-Wandler die skalierte Eingangsspannung, um einen digitalen Wert zu bestimmen, der der Eingangsspannung entspricht.
  • Bestimmte Ausführungsformen des in der vorliegenden Patentbeschreibung beschriebenen Gegenstandes können implementiert werden, um einen oder mehrere der folgenden Vorteile zu erzielen:
    • I. Ein Analog-Digital-Wandlersystem kann ohne einen PGA implementiert werden, wodurch Fläche gespart wird und der Stromverbrauch reduziert wird.
    • II. Ein Analog-Digital-Wandler kann in einer Verstärker-Konfiguration arbeiten und ein Eingangssignal verstärken.
    • III. Ein Verstärker kann in einer Wandler-Konfiguration arbeiten, um ein analoges Eingangssignal in einen digitalen Wert umzuwandeln.
  • Verstärkung ist beispielsweise nützlich, um das Signal-Rausch-Verhältnis des Eingangssignals zu erhöhen oder das analoge Eingangssignal zu verstärken, so dass es näher an einer Bezugsspannung liegt, wodurch der gesamte Bereich eines Analog-Digital-Wandlers genutzt werden kann.
  • Die Einzelheiten einer oder mehrerer Ausführungsform/en des in dieser Patentbeschreibung beschriebenen Gegenstandes werden in den beigefügten Zeichnungen und der folgenden Beschreibung dargestellt. Andere Merkmale, Aspekte und Vorteile des Gegenstandes werden aus der Beschreibung, den Zeichnungen und den Patentansprüchen ersichtlich.
  • Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein konzeptionelles Blockschaltbild eines beispielhaften Analog-Digital-Wandlersystems.
  • 2 ist ein Schema eines beispielhaften Pipeline-Analog-Digital-Wandlersystems.
  • 3 stellt Diagramme von Zeitablauf und Spannungspegeln des Pipeline-Analog-Digital-Wandlersystems in 2 dar.
  • Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen in den verschiedenen Zeichnungen gleiche Elemente.
  • Ausführliche Beschreibung
  • Überblick über beispielhaften Analog-Digital-Wandler
  • 1 ist ein konzeptionelles Blockschaltbild eines beispielhaften Analog-Digital-Wandlersystems 100. In einigen Umsetzungsformen kann das Analog-Digital-Wandlersystem 100 die erste Abtast-und-Halte-Schaltung 102, den Grob-Analog-Digital-Wandler 104, die digitale Schaltung 106, den Digital-Analog-Wandler 108, die Kombinierschaltung 110, den Verstärker 112 und die zweite Abtast-und-Halte-Schaltung 114 enthalten.
  • Analog-Digital-Wandlersystem 100 kann unabhängig sein, oder es kann eine Stufe in einer Reihe von Stufen sein. Analog-Digital-Wandlersystem 100 kann beispielsweise eine Stufe eines Pipeline-Analog-Digital-Wandlers sein. Pipeline-Analog-Digital-Wandler weisen üblicherweise eine Reihe von Stufen auf, die durch Abtast-und-Halte-Schaltungen getrennt sind. Die erste Stufe in der Analog-Digital-Wandler-Pipeline bearbeitet den aktuellsten Abtastwert der analogen Eingangsspannungen Vin, während spätere Stufe analoge Restspannungen Vres verarbeiten, wie dies unter Bezugnahme auf 2 beschrieben ist. In der beispielhaften Konfiguration in 1 wird die analoge Restspannung Vres in die zweite Abtast-und-Halte-Schaltung 114 eingegeben, die der Eingang einer zweiten Stufe einer Analog-Digital-Wandler-Pipeline sein kann.
  • In einigen Umsetzungsformen kann Analog-Digital-Wandlersystem 100 beispielsweise unter Verwendung eines Schalters 118 in eine Verstärker-Konfiguration oder eine Wandler-Konfiguration versetzt werden. Wenn sich Analog-Digital-Wandlersystem 100 in einer Wandler-Konfiguration befindet, koppelt Schalter 118 eine erste Abtast-und-Halte-Schaltung mit Grob-Analog-Digital-Wandler 104, und Analog-Digital-Wandlersystem 100 wandelt einen Abtastwert analoger Eingangsspannung Vin in einen digitalen Wert um, der beispielsweise in einem Register/Codierer 122 der digitalen Schaltung 106 gespeichert werden kann. Wenn sich Analog-Digital-Wandlersystem 100 in einer Verstärker-Konfiguration befindet, koppelt Schalter 118 einen Erdknoten 116 mit Grob-Analog-Digital-Wandler 104 (um Grob-Analog-Digital-Wandler 104 zu umgehen), und Verstärker 112 verstärkt die analoge Eingangsspannung Vin (multipliziert sie beispielsweise mit einem Faktor 2).
  • In einigen Umsetzungsformen weist ein digitales Steuersignal 120 Digital-Analog-Wandler 108 an, ein Erdsignal unabhängig von dem in Digital-Analog-Wandler 108 eingegebenen digitalen Wert auszugeben. In der Verstärker-Konfiguration ist Analog-Digital-Wandlersystem 100 so konfiguriert, dass Kombinierschaltung 110 den gehaltenen Abtastwert von Abtast-und-Halte-Schaltung 102, VSH1, ausgibt, der durch Verstärker 112 verstärkt wird.
  • Beispielhafte Analog-Digital-Wandlerstruktur
  • Die erste Abtast-und-Halte-Schaltung 102 tastet die analoge Eingangspannung Vin ab, und stellt einen Spannungs-Abtastwert VSH1 bereit. In einigen Umsetzungsformen enthält Abtast-und-Halte-Schaltung 102 einen oder mehrere Kondensatoren, die so konfiguriert sein können, dass sie die abgetastete Spannung VSH1, halten, so dass sie durch den Grob-Analog-Digital-Wandler 104 in einen digitalen Wert umgewandelt werden kann, wie dies unter Bezugnahme auf 2 beschrieben wird.
  • Grob-Analog-Digital-Wandler 104 kann eine niedrigere Auflösung haben als Analog-Digital-Wandlersystem 100 und so eine digitalen Wert erzeugen, der weniger Bits umfasst oder weniger genau ist als ein durch Analog-Digital-Wandlerwandlersystem 100 erzeugter digitaler Wert. Wenn beispielsweise Analog-Digital-Wandlersystem 100 digitale 8-bit-Werte bereitstellt, kann Grob-Analog-Digital-Wandler 104 digitale 2-bit-Werte bereitstellen oder 1 bit zu einem digitalen 8-bit-Wert auflösen. In einigen Umsetzungsformen ist Grob-Analog-Digital-Wandler 104 ein Flash-Analog-Digital-Wandler. In anderen Umsetzungsformen enthält Grob-Analog-Digital-Wandler 104 einen oder mehrere Komparatoren, die so konfiguriert sind, dass sie eine Eingangsspannung mit einer Bezugsspannung vergleichen. In weiteren Umsetzungsformen ist Grob-Analog-Digital-Wandler 104 ein anderer Typ Analog-Digital-Wandler, so beispielsweise ein Analog-Digital-Wandler mit schrittweiser Annäherung oder ein Pipeline-Analog-Digital-Wandler.
  • Der Ausgang von Grob-Analog-Digital-Wandler 104 ist mit der digitalen Schaltung 106 gekoppelt. Die digitale Schaltung 106 kann beispielsweise ein Register oder einen Codierer und ein Register 122 enthalten. In einigen Umsetzungsformen umfasst Analog-Digital-Wandler 104 einen oder mehrere Komparatoren, die ihre Eingänge (beispielsweise gehaltene Abtastspannung VSH1) mit einer Bezugsspannung vergleichen, und die digitale Schaltung 106 bestimmt auf Basis der Vergleiche ein oder mehr Bits des ausgegebenen digitalen Wertes von Analog-Digital-Wandlersystem 100.
  • Die digitale Schaltung 106 kann den ausgegebenen digitalen Wert halten (z. B. in Register 122 halten). Die digitale Schaltung 106 kann Logik enthalten, die den digitalen Wert verwendet, oder sie kann einen Mikroprozessor enthalten oder kann mit einem Mikroprozessor gekoppelt sein, der den digitalen Wert verwendet. In einigen Ausführungsformen führt die digitale Schaltung 106 Fehlerkorrektur durch.
  • In einigen Umsetzungsformen wird der Ausgang von Grob-Analog-Digital-Wandler 104 (der digitale Wert) als Eingang für Digital-Analog-Wandler 108 bereitgestellt. Digital-Analog-Wandler 108 kann die gleiche Auflösung haben wie Grob-Analog-Digital-Wandler 104 oder eine andere Auflösung. Es sind verschiedene Umsetzungsformen von Digital-Analog-Wandler 108 einschließlich verschiedener Auflösungen oder Konfigurationen möglich.
  • Der Ausgang von Digital-Analog-Wandler 108, VDAC ist mit Kombinierschaltung 110 gekoppelt. Abtast-und-Halte-Schaltung 102 ist ebenfalls mit Kombinierschaltung 110 gekoppelt. Kombinierschaltung 110 kann so konfiguriert sein, dass sie die Summe oder Differenz von Eingangssignalen erzeugt. Der Ausgang von Kombinierschaltung 110 kann beispielsweise die Summe oder Differenz von VSH1 und VDAC oder Vres = A(VSH1 – VDAC) sein, wobei A ein durch Verstärker 112 erzeugter Verstärkungsfaktor ist.
  • Der Ausgang von Kombinierschaltung 110 ist mit Verstärker 112 gekoppelt. Verstärker 112 kann beispielsweise ein Operationsverstärker sein, der seinen Eingang mit einem Verstärkungsfaktor (beispielsweise einem Verstärkungsfaktor 2) skaliert. Im Allgemeinen kann der Verstärkungsfaktor auf Basis der Auflösung des Analog-Digital-Wandlersystems 100 ausgewählt werden. Verstärker 112 gibt eine Restspannung Vres aus, die zu der zweiten Abtast-und-Halte-Schaltung 114 gekoppelt werden kann. In einigen Ausführungsformen kann die zweite Abtast-und-Halte-Schaltung 114 mit einer weiteren Stufe einer Analog-Digital-Wandler-Pipeline gekoppelt sein. Die weitere Stufe kann beispielsweise einen weiteren Grob-Analog-Digital-Wandler, einen Digital-Analog-Wandler und eine Kombinierschaltung enthalten. In anderen Umsetzungsformen kann die zweite Abtast-und-Halte-Schaltung 114 mit Grob-Analog-Digital-Wandler 104 gekoppelt sein, und ein digitales Steuersignal (beispielsweise ein Taktsignal) bestimmt, ob Grob-Analog-Digital-Wandler 104 den gehaltenen Abtastwert VSH1 der ersten Abtast-und-Halte-Schaltung 102 oder den gehaltenen Abtastwert VSH2 der zweiten Abtast-und-Halte-Schaltung 114 verwendet. Verschiedene andere Konfigurationen sind möglich. Analog-Digital-Wandler-System 100 ist insofern vorteilhaft, als das System 100 die Aufgabe der Analog-Digital-Umwandlung in mehrere aufeinanderfolgende Stufen unterteilt, d. h. eine Abtast-und-Halte-Stufe, auf die eine oder mehrere Pipeline-Stufe/n folgen. Wie unter Bezugnahme auf 1 zu sehen ist, tastet die erste Abtast-und-Halte-Schaltung 102 die analoge Eingangsspannung Vin und hält sie. Auf die erste Abtast-und-Halte-Schaltung 102 folgt eine erste Pipeline-Stufe, die bei diesem Beispiel den Grob-Analog-Digital-Wandler 104, die digitale Schaltung 106, den Digital-Analog-Wandler 108, die Kombinierschaltung 110 und den Verstärker 112 enthält. Die Pipeline-Stufe erzeugt einen digitalen Wert (einen Schätzwert) der gehaltenen analogen Spannung VSH1 am Eingang der Stufe. Nachdem der digitale Wert durch den Grob-Analog-Digital-Wandler 104 berechnet worden ist, wird der digitale Wert wieder in eine analoge Wellenform VDAC umgewandelt und wird von dem gehaltenen analogen Signal VSH1 subtrahiert, das am Eingang der ersten Pipeline-Stufe empfangen wird. Das Ergebnis der Subtraktion wird als Restspannung bezeichnet. Die Restspannung Vres kann durch Verstärker 112 in einer Haltephase (beispielsweise über einen oder mehrere Taktzyklen) verstärkt werden und der Pipeline-Stufe über die zweite Abtast-und-Halte-Schaltung 114 zugeführt werden, um sie auf identische Weise abzutasten und umzuwandeln.
  • Beispielhafte Funktion von Analog-Digital-Wandler in Verstärker-Konfiguration
  • Wenn sich Analog-Digital-Wandlersystem 100 in einer Verstärker-Konfiguration befindet (Schalter 108 ist mit Erde 116 verbunden), gibt Kombinierschaltung 110 den gehaltenen Abtastwert VSH1 der ersten Abtast-und-Halte-Schaltung 102 aus, und Verstärker 112 verstärkt den Abtastwert. Wenn beispielsweise das Analog-Digital-Wandlersystem 100 die analoge Eingangsspannung Vin hält und der Verstärker 112 die gehaltene Spannung VSH1 mit einem Verstärkungsfaktor skaliert, hat die Restspannung Vres den Betrag der analogen Eingangsspannung Vin, skaliert mit dem Verstärkungsfaktor des Verstärkers 112. Indem die Restspannung Vres zu einer andere Stufe gekoppelt wird (beispielsweise über die zweite Abtast-und-Halte-Schaltung 114) oder Vres wieder in Kombinierschaltung 110 zurückgeführt wird, kann das Skalieren wiederholt werden. Wenn beispielsweise der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 112 „A” ist und die Skalierung „x” Mal wiederholt wird, kann das Analog-Digital-Wandlersystem 100 die analoge Eingangsspannung Vin um Ax skalieren bzw. verstärken.
  • Beispielhafte Funktion des Analog-Digital-Wandlers in Wandler-Konfiguration
  • Wenn sich Analog-Digital-Wandlersystem 100 in einer Wandler-Konfiguration befindet (Schalter 118 ist mit dem Ausgang von Abtast-und-Halte-Schaltung 102 verbunden), wird der von der ersten Abtast-und-Halte-Schaltung 102 gehaltene Abtastwert VSH1 durch Grob-Analog-Digital-Wandler 104 in einen groben Digitalwert umgewandelt. Digital-Analog-Wandler 108 wandelt den groben digitalen Wert in eine analoge Spannung VDAC um. Kombinierschaltung 110 kombiniert den Ausgang von Digital-Analog-Wandler 108, VDAC, mit der Abtastspannung VSH1, die von der ersten Abtast-und-Halte-Schaltung 102 gehalten wird. Verstärker 112 verstärkt den Ausgang von Kombinierschaltung 110, um eine verstärkte Restspannung Vres zu erzeugen. In einigen Umsetzungsformen wird Vres zu einer weiteren Stufe in einem Pipeline-Analog-Digital-Wandler weitergeleitet. In anderen Umsetzungsformen wird Vres über Grob-Analog-Digital-Wandler 104, Digital-Analog-Wandler 108, Kombinierschaltung 110 und Verstärker 112 zurückgeleitet.
  • Beispielhafte Schaltungs-Umsetzungsform
  • 2 ist ein Schema eines beispielhaften Analog-Digital-Wandlersystems 200. Das beispielhafte Analog-Digital-Wandlersystem 200 weist eine ähnliche Architektur auf wie das Analog-Digital-Wandlersystem 100, enthält jedoch zwei 1,5-bit-Pipeline-Stufen 202 und 204 und verwendet redundante Zeichendecodierung anstelle der einzelnen Stufe des Analog-Digital-Wandlersystems 100. Eine 1,5-bit-Pipelinestufe erzeugt 1 Bit eines digitalen Wertes. Im Allgemeinen verwendet eine 1,5-bit-Pipelinestufe zwei analoge Vergleichsebenen, und digitale Fehlerkorrektur kann genutzt werden, um die Redundanz zu eliminieren.
  • Bei dieser beispielhaften Konfiguration enthalten die Stufen 202 und 204 Kondensatoren 218, 220 und 222 bzw. 224. Kondensatoren 218 und 220 können eine Abtast-und-Halte-Funktion für Stufe 202 erfüllen, und die Kondensatoren 222 und 224 können eine Abtast-und-Halte-Funktion für Stufe 204 erfüllen. Die Stufen 202 und 204 enthalten des Weiteren Komparatorschaltungen 206 und 208. Bei dieser beispielhaften Konfiguration enthalten die Komparatorschaltungen 206 und 208 jeweils einen 1,5-bit-Analog-Digital-Wandler und einen 1,5-bit-Digital-Analog-Wandler. In Komparatorschaltung 208 sind der 1,5-bit-Analog-Digital-Wandler und der 1,5-bit-Digital-Analog-Wandler jeweils mit einem 2-bit-Bus 207 gekoppelt. Der 2-bit-Bus 207 kann mit einer digitalen Schaltung (nicht dargestellt) gekoppelt sein. In einigen Umsetzungsformen führt die digitale Schaltung (beispielsweise digitale Schaltung 106) Fehlerkorrektur durch und stellt einen digitalen Ausgang für einen Mikroprozessor (nicht dargestellt) bereit. In einigen Umsetzungsformen kann Komparatorschaltung 206 mit dem gleichen 2-bit-Bus 207 wie Komparatorschaltung 208 oder mit einem anderen 2-bit-Bus 209 gekoppelt sein.
  • Analog-Digital-Wandlersystem 200 kann Operationsverstärker 210 enthalten, der auf ähnliche Weise arbeitet wie Verstärker 112 in 1, wobei dies Durchführen analoger Vervielfachung einschließt. In einigen Umsetzungsformen gibt Operationsverstärker 210 eine Spannung aus, die das Doppelte seines Eingangs beträgt, d. h. er verstärkt die analoge Eingangsspannung Vin, um einen Verstärkungsfaktor 2. Operationsverstärker 210 gibt eine Restspannung Vres aus.
  • In einigen Umsetzungsformen kann der Ausgang von Operationsverstärker 210, Vres, mit Schaltern 232 und 230 zu Kondensatoren 218 und 220 gekoppelt werden. Schalter 232 arbeitet entsprechend einem Steuersignal „Feedback 2” oder „F2”. Schalter 230 arbeitet entsprechend einem Steuersignal „Feedback 1” bzw. „F1”. Im Allgemeinen stellt eine digitale Schaltung (beispielsweise die digitale Schaltung 106) oder ein Mikroprozessor die Steuersignale F1 und F2 bereit, und ein Inverter oder eine andere Logikvorrichtung kann ihre Komplemente F1 und F2 bereitstellen. So kann Vres durch Kondensatoren 218 und 220 in Stufe 202 abgetastet und gehalten werden.
  • Der Ausgang von Operationsverstärker 210, Vres, wird über Schalter 234 und 236 auch zu Kondensatoren 222 und 224 gekoppelt. Schalter 234 arbeitet entsprechend Steuersignal F2 (das Komplement von F2), so dass, wenn Schalter 232 offen ist, Schalter 234 geschlossen ist, und, wenn Schalter 232 geschlossen ist, Schalter 234 offen ist. Desgleichen arbeitet Schalter 236 entsprechend Steuersignal F1 (das Komplement von F1), so dass, wenn Schalter 230 geschlossen ist, Schalter 236 öffnet. So kann Vres von Kondensatoren 222 und 224 in Stufe 204 abgetastet und gehalten werden.
  • Der Ausgang von Operationsverstärker 210, Vres , kann des Weiteren über Schalter 240 und 238 zu Komparatorschaltungen 206 und 208 gekoppelt werden. Schalter 240 arbeitet (öffnet oder schließt) entsprechend Steuersignal F2, und Schalter 238 arbeitet entsprechend Steuersignal F2.
  • Schalter 240 koppelt Komparatorschaltung 208 mit Kondensator 224. Schalter 242 arbeitet entsprechend Steuersignal F2. Desgleichen koppelt Schalter 244 Komparatorschaltung 206 mit Kondensator 218. Schalter 244 arbeitet entsprechend Steuersignal F2.
  • Analog-Digital-Wandlersystem 200 kann Schalter 212 und 214 enthalten. Wenn Schalter 212 und 214 mit Erdknoten gekoppelt sind, arbeitet Analog-Digital-Wandlersystem 200 in einer Verstärker-Konfiguration. Wenn Schalter 212 und 214 mit den 1,5-bit-Digital-Analog-Wandlern der Komparatorschaltung 208 bzw. 206 gekoppelt sind, arbeitet Analog-Digital-Wandlersystem 200, wie unter Bezugnahme auf 1 beschrieben, in Wandler-Konfiguration.
  • Beispielhafte Schaltungsfunktion
  • Analog-Digital-Wandlersystem 200 wandelt analoge Eingangssignale (beispielsweise Vin) in digitale Werte um, die in einem Register einer digitalen Schaltung (beispielsweise Register 122 der digitalen Schaltung 106) gespeichert werden können. Analog-Digital-Wandlersystem 200 kann zunächst in einer Verstärker-Konfiguration arbeiten und verstärkt einen Eingangs-Abtastwert (beispielsweise VSH1). Dann arbeitet Analog-Digital-Wandlersystem 200 in einer Wandler-Konfiguration und wandelt den verstärkten Eingangs-Abtastwert in einen digitalen Wert um.
  • Um Analog-Digital-Wandlersystem 200 in eine Verstärker-Konfiguration zu versetzen, können Schalter 212 und 214 mit Erdknoten gekoppelt werden. Dann können Schalter 226 und 228 entsprechend einem Steuersignal „S” geschlossen werden, das durch eine digitale Schaltung (beispielsweise digitale Schaltung 106) bereitgestellt wird. Wenn das Steuersignal F1 auf einen niedrigen Wert fällt (siehe 3), öffnet Schalter 230, Schalter 236 schließt, die Kondensatoren 218 und 220 tasten die Eingangsspannung Vin in Stufe 202 ab und halten sie, und die Schalter 226 und 228 öffnen.
  • Schalter 246 schließt, wenn ein Taktsignal auf einen niedrigen Wert fällt (siehe 3). Steuersignal F1 steigt auf einen hohen Wert, und Schalter 230 schließt und Schalter 236 öffnet. Operationsverstärker 210 führt eine Vervielfachung um 2 durch und erzeugt eine Restspannung Vres. Im Allgemeinen kann Vres wie folgt berechnet werden:
    Figure 00090001
  • In [1] ist EGain ein Verstärkungsfehler, der durch endlichen Gleichstrom/Verstärkung verursacht wird und Cmismatch ist eine Kondensator-Fehlanpassung zwischen den Kondensatoren 218, 220, 222, 224. Durch Abgleich von Kondensatoren und einen Operationsverstärker mit hohem Verstärkungsfaktor wird der resultierende Fehler minimiert.
  • Die Restspannung Vres kann an Kondensatoren 222 und 224 abgetastet werden. Indem Schalter 248 geschlossen wird, kann Operationsverstärker 210 seine Vervielfachung um 2 während eines anderen Taktzyklus durchführen. Die Vervielfachung kann wiederholt werden, um eine gewünschte Stufe der Verstärkung zu erzielen, wie dies in 3 für 5 Iterationen dargestellt ist.
  • Durch redundante Zeichendecodierung kann die Anzahl erforderlicher Schaltungselemente reduziert werden. Beispielsweise ist bei der dargestellten beispielhaften Konfiguration Operationsverstärker 210 mit einer ersten Abtast-und-Halte-Schaltung, (die durch Kondensatoren 222, 224 gebildet wird), und einer zweiten Abtast-und-Halte-Schaltung, (die durch Kondensatoren 218, 220 gebildet wird), gekoppelt, so dass während einer ersten Taktphase (die bewirkt, dass Schalter 248 geschlossen wird und Schalter 246 geöffnet wird) Operationsverstärker 210 die in der ersten Abtast-und-Halte-Schaltung gehaltene Spannung erhält und während einer zweiten Taktphase (die bewirkt, dass Schalter 248 geöffnet wird und Schalter 246 geschlossen wird) Operationsverstärker 210 die in der zweiten Abtast-und-Halte-Schaltung gehaltene Spannung erhält.
  • Wenn die gewünschte Verstärkung erreicht ist, werden Schalter 212 und 214 mit den 1,5-bit-Digital-Analog-Wandlern der Komparatorschaltungen 208 bzw. 206 verbunden. Dadurch wird Analog-Digital-Wandlersystem 200 in eine Wandler-Konfiguration versetzt. Während eines oder mehrerer Taktzyklus/Taktzyklen wird der Ausgang Vres von Operationsverstärker 210 (über Schalter 234, 236) zur Komparatorschaltung 208 gekoppelt. Während anderer Taktzyklen wird der Ausgang Vres von Operationsverstärker 210 (über Schalter 230) zu Komparatorschaltung 206 gekoppelt.
  • In einigen Umsetzungsformen hat das Analog-Digital-Wandlersystem 200, wenn es sich in einer Wandler-Konfiguration befindet, die folgende Übertragungsfunktion:
    Figure 00100001
    In [2] ist Vref eine Bezugsspannung, die in dem 1,5-bit-Digital-Analog-Wandlern eingesetzt wird, und Vin ist das analoge Eingangssignal.
  • Beispielhaftes Zeitablaufdiagramm
  • 3 ist ein Zeitablaufdiagramm für einen beispielhaften Analog-Digital-Wandler, beispielsweise Analog-Digital-Wandlersystem 200. 3 zeigt verschiedene digitale Signale 302 und zwei analoge Spannungspegel 304 über einer horizontalen Zeitleiste. 3 zeigt ein Beispiel eines Analog-Digital-Wandlers, der zuerst einen Eingangs-Abtastwert (beispielsweise VSH1) verstärkt und dann den Eingangs-Abtastwert in einen digitalen Wert umwandelt.
  • Einige der digitalen Signale 302 sind Steuersignale einschließlich eines Taktsignals CK, eines Signals Convert zum Aktivieren des Analog-Digital-Wandlers, eines Signals Multiply, das bestimmt, ob sich der Analog-Digital-Wandler in einem Verstärker-Modus oder einem Wandler-Modus befindet, eines Signals S zum Öffnen eines Abtastschalters; eines ersten Regelsignals F1 und eines zweiten Regelsignals F2. Einige der digitalen Signale 302 sind digitale Ausgangswerte einschließlich eines niedrigstwertigen Bits LSB und eines höchstwertigen Bits MSB. Die analogen Spannungspegel 304 schließen Vin, eine Spannung eines analogen Eingangssignals und Vres, eine Restspannung (beispielsweise der Ausgang von Operationsverstärker 210), ein.
  • Wie unter Bezugnahme auf 3 und 2 zu sehen ist, steigen zur Zeit t1 die Steuersignale Convert und Multiply an. Wenn Multiply ansteigt, befindet sich der Analog-Digital-Wandler in einer Verstärker-Konfiguration. Der Analog-Digital-Wandler vervielfacht einen Eingangs-Abtastwert während Taktzyklen, in denen Convert und Multiply hoch sind, um 2. Zur Zeit t2 fällt Steuersignal Multiply ab. Wenn Multiply abfällt, befindet sich der Analog-Digital-Wandler in einer Wandler-Konfiguration.
  • Zwischen den Zeiten t1 und t2 vervielfacht der Analog-Digital-Wandler den Eingangs-Abtastwert fünfmal um 2, wie dies mit den fünf Spannungsstufen von Vres zwischen t1 und t2 dargestellt ist. Die durchgehende Linie, die Vres in den analogen Spannungspegeln 304 darstellt, demonstriert das Ergebnis jeder Vervielfachung.
  • Nach Zeit t2 wandelt der Analog-Digital-Wandler die resultierende Vres in einen digitalen Wert um. Der digitale Wert wird durch digitale Signale LSB und MSB (wenn von einem digitalen 2-bit-Wert ausgegangen wird) repräsentiert, die in einer digitalen Schaltung gespeichert werden können, beispielsweise in Register 122 in der digitalen Schaltung 106 in 1. LSB bezieht sich auf ein digitales Signal (beispielsweise 0 oder 1), das das niedrigstwerte Bit des digitalen Wertes repräsentiert, und MSB bezieht sich auf ein digitales Signal (0 oder 1), das das höchstwertige Bit des digitalen Wertes darstellt.
  • Es ist eine Anzahl von Umsetzungsformen der Erfindung beschrieben worden. Es versteht sich jedoch, dass verschiedene Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise weiß der Fachmann, dass, obwohl Umsetzungsformen der Erfindung als symmetrische Schaltungen dargestellt und beschrieben worden sind, auch Differentialschaltungen eingesetzt werden können. Beispielsweise kann der Operationsverstärker 210 in 2 durch einen Differentialverstärker sowie durch zusätzliche Verdrahtung zum Leiten der Differentialsignale ersetzt werden. Dementsprechend erstreckt sich der Schutzumfang der folgenden Ansprüche auf andere Umsetzungsformen, wobei jeder Patentanspruch eine separate Ausführungsform sein kann und Kombinationen verschiedener Patentansprüche separate Ausführungsformen sein können.

Claims (10)

  1. Analog-Digital-Wandler, der eine Schaltung umfasst, die in einer Verstärker-Konfiguration oder einer Wandler-Konfiguration betrieben werden kann, wobei: in der Verstärker-Konfiguration der Analog-Digital-Wandler eine Eingangsspannung empfängt und die Eingangsspannung während wenigstens eines Taktzyklus mit einen Faktor skaliert; und in der Wandler-Konfiguration der Analog-Digital-Wandler die skalierte Eingangsspannung verwendet, um einen digitalen Wert zu bestimmen, der der Eingangsspannung entspricht.
  2. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 1, wobei die Schaltung umfasst: eine erste Abtast-und-Halte-Schaltung, die so betrieben werden kann, dass sie die Eingangsspannung abtastet; einen Grob-Analog-Digital-Wandler, der mit der ersten Abtast-und-Halte-Schaltung gekoppelt ist und so betrieben werden kann, dass er die abgetastete Eingangsspannung in einen digitalen Zwischenwert umwandelt, wobei der Grob-Analog-Digital-Wandler eine niedrigere Auflösung hat als der Analog-Digital-Wandler; einen Digital-Analog-Wandler, der mit dem Grob-Analog-Digital-Wandler gekoppelt ist und so betrieben werden kann, dass er den digitalen Zwischenwert in einen analogen Zwischenwert umwandelt; einen Verstärker, der mit der ersten Abtast-und-Halte-Schaltung gekoppelt ist, wobei der Verstärker so betrieben werden kann, dass er die abgetastete Eingangsspannung um den Faktor vervielfacht; und eine Kombinierschaltung, die mit dem Verstärker gekoppelt ist, wobei die Kombinierschaltung so betrieben werden kann, dass sie die vervielfachte abgetastete Eingangsspannung mit dem analogen Zwischenwert kombiniert, um eine Restspannung auszugeben.
  3. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 2, wobei: die durch die Kombinierschaltung ausgegebene Restspannung zu einer zweiten Abtast-und-Halte-Schaltung gekoppelt wird; und die zweite Abtast-und-Halte-Schaltung mit dem Verstärker oder der Kombinierschaltung gekoppelt ist.
  4. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 3, wobei in der Verstärker-Konfiguration: wenigstens der Digital-Analog-Wandler, der Grob-Analog-Digital-Wandler oder die Kombinierschaltung mit einem Erdknoten gekoppelt ist, so dass die Analog-Zwischenspannung, die die Kombinierschaltung erhält, Erde ist.
  5. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 3, wobei in der Wandler-Konfiguration: die zweite Abtast-und-Halte-Schaltung mit dem Grob-Analog-Digital-Wandler gekoppelt ist.
  6. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 2, wobei: die erste Abtast-und-Halte-Schaltung einen oder mehrere Kondensatoren umfasst; der Verstärker einen Operationsverstärker umfasst; und die Kombinierschaltung eine Addier- oder Subtrahierschaltung ist.
  7. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 2, wobei der Grob-Analog-Digital-Wandler umfasst: einen oder mehrere Komparatoren, die mit einer Bezugsspannung gekoppelt sind, und eine digitale Schaltung, wobei die Komparatoren die Bezugsspannung und die abgetastete Eingangsspannung vergleichen.
  8. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 7, wobei die digitale Schaltung ein Codierer ist.
  9. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 1, wobei die Schaltung umfasst: eine Pipeline-Stufe, die einen oder mehrere Digital-Analog-Wandler umfasst; und einen Verstärker, der mit einer ersten Abtast-und-Halte-Schaltung und einer zweiten Abtast-und-Halte-Schaltung gekoppelt ist, so dass während einer ersten Taktphase der Verstärker die in der ersten Abtast-und-Halte-Schaltung gehaltene Spannung erhält und während einer zweiten Taktphase der Verstärker die in der zweiten Abtast-und-Halte-Schaltung gehaltene Spannung erhält.
  10. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 9, wobei: in der Verstärker-Konfiguration die Analog-Digital-Wandler umgangen werden.
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