DE102012209717A1

DE102012209717A1 - Analog-Digital-Wandler

Info

Publication number: DE102012209717A1
Application number: DE102012209717A
Authority: DE
Inventors: Peter Bogner; Franz Kuttner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2011-06-14
Filing date: 2012-06-11
Publication date: 2012-12-20
Anticipated expiration: 2032-06-12
Also published as: CN102832937B; US8564470B2; DE102012209717B4; US20120319878A1; CN102832937A

Abstract

Es werden ein Analog-Digital-Wandler mit Stromeingang sowie eine korrespondierende Messschaltung beschrieben. Gemäß einem Beispiel der Erfindung umfasst eine Analog-Digital-Wandlerschaltung ein Register zum Speichern eines digitalen Registerwertes sowie einen Digital-Analog-Wandler, der dazu ausgebildet ist, an einem Schaltungsknoten einen Referenzstrom bereit zu stellen, welcher nach Maßgabe des digitalen Registerwertes eingestellt wird. Das elektrische Potential des Eingangsknotens hängt von dem eingestellten Referenzstrom ab. Eine Komparatorschaltung ist dazu ausgebildet, das Potential des Schaltungsknotens mit zumindest einem Schwellwert zu vergleichen, um zu beurteilen, ob das Potential des Schaltungsknotens zumindest ungefähr einem Sollwert entspricht. Eine Steuerschaltung, die auf den Ausgang der Komparatorschaltung reagiert, ist dazu ausgebildet, den im Register gespeicherten digitalen Registerwert und somit den Referenzstrom anzupassen, bis der Komparator anzeigt, dass das Potential des Schaltungsknotens nicht (mehr) vom Sollwert abweicht.

Description

Die vorliegende Beschreibung betrifft das Gebiet der Analog-Digital-Wandler, beispielsweise zur Verwendung in Strommessanwendungen, welche einen digitalen Messwert erzeugen, der den gesuchten Stromwert repräsentiert.
Es sind viele unterschiedliche Typen von Analog-Digital-Wandler (ADCs) bekannt, beispielsweise Direktumsetzer (direct conversion ADC, Flash-Konverter), Nachlaufumsetzer nach dem sukzessiven Aproximationsverfahren (successive approximation ADC), Single-Slope-ADCs, integrierende ADCs (zum Beispiel Dual-Slope-ADCs), um nur einige wenige zu nennen. Jedoch sind alle üblichen ADCs dazu ausgebildet, analoge Spannungswerte in korrespondierende Digitalwerte umzusetzen. Für die Digitalisierung von Stromwerten wird der Strom, dessen Wert gesucht ist, einem Widerstand mit einem definierten Widerstandswert zugeführt, was einen entsprechenden Spannungsabfall über dem Widerstand zur Folge hat, der dem Produkt der gesuchten Spannung und dem Widerstandswert entspricht. Der Spannungsabfall wird dann mit Hilfe eines ADCs digitalisiert. Eine Folge des oben beschriebenen Ansatzes zur Strommessung besteht darin, dass der Widerstandswert des Widerstands in das Messergebnis eingeht. Folglich beinhaltet das Messergebnis systematische Fehler, wenn der tatsächliche Widerstandswert von dem gewünschten Nominalwert abweicht, was immer der Fall ist, da die Widerstandswerte unvermeidbaren, fertigungsbedingten Toleranzen unterliegen.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht darin, einen verbesserten Analog-Digital-Wandler zur Verfügung zu stellen, welcher dazu ausgebildet ist, Stromwerte in korrespondierende Digitalwerte umzusetzen. Diese Aufgabe wird durch eine Analog-Digital-Wandlerschaltung gemäß Anspruch 1, durch eine Strommessschaltung gemäß Anspruch 9 sowie durch den Halbleiterchip gemäß Anspruch 14 gelöst. Unterschiedliche Weiterentwicklungen und Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Es werden ein Analog-Digital-Wandler mit Stromeingang sowie eine korrespondierende Messschaltung beschrieben. Gemäß einem Beispiel der Erfindung umfasst eine Analog-Digital-Wandlerschaltung ein Register zum Speichern eines digitalen Registerwertes sowie einen Digital-Analog-Wandler, der dazu ausgebildet ist, an einem Schaltungsknoten einen Referenzstrom bereit zu stellen, welcher nach Maßgabe des digitalen Registerwertes eingestellt wird. Das elektrische Potential des Eingangsknotens hängt von dem eingestellten Referenzstrom ab. Eine Komparatorschaltung ist dazu ausgebildet, das Potential des Schaltungsknotens mit zumindest einem Schwellwert zu vergleichen, um zu beurteilen, ob das Potential des Schaltungsknotens zumindest ungefähr einem Sollwert entspricht. Eine Steuerschaltung, die auf den Ausgang der Komparatorschaltung reagiert, ist dazu ausgebildet, den im Register gespeicherten digitalen Registerwert und somit den Referenzstrom anzupassen, bis der Komparator anzeigt, dass das Potential des Schaltungsknotens nicht (mehr) vom Sollwert abweicht.
Des Weiteren ist ein Halbleiterchip beschrieben. Der Chip ist in einem ersten Chipgehäuse integriert und umfasst zumindest einen externen Anschluss-Pin zum Zuführen eines Stromsignals als Messsignal, welches von einem Sense-Transistor bereit gestellt wird. Der Sense-Transistor ist mit einem korrespondierenden Lasttransistor gekoppelt und beide Transistoren sind in einem separaten, zweiten Chipgehäuse integriert, welches das Stromsignal als Messsignal über einen externen Anschluss-Pin des zweiten Chipgehäuses zur Verfügung stellt. Der Halbleiterchip umfasst eine Schaltungsanordnung, die dazu ausgebildet ist, das Strommesssignal zu empfangen und einen entsprechenden Digitalwert zur Verfügung zu stellen.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die folgenden Abbildungen und die zugehörende Beschreibung näher erläutert. Die in den Figuren dargestellten Komponenten sind nicht notwendigerweise als Einschränkung zu verstehen, vielmehr wird Wert darauf gelegt, das der Erfindung zu Grunde liegende Prinzip zu illustrieren. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen korrespondierende Teile.
In den Abbildungen ist
1 ein Blockdiagramm zur Illustration einer ADC-Schaltung gemäß einem ersten Beispiel der Erfindung;
2 ein Blockdiagramm zur Illustration einer ADC-Schaltung gemäß einem zweiten Beispiel der vorliegenden Erfindung;
3 ein Blockdiagramm zur Illustration einer Strommessschaltung gemäß einem Beispiel der vorliegenden Erfindung; und
4 ein Blockdiagramm zur Illustration einer Strommessschaltung gemäß einem weiteren Beispiel der vorliegenden Erfindung.
1 ist ein Blockdiagramm einer Analog-Digital-Wandlerschaltung, die dazu geeignet ist, einen zu messenden Eingangsstrom (in der Folge als Messstrom i_M bezeichnet) in einen Digialwert x_OUT (das heißt in ein n-Bit-Binärwort) umzusetzen, welches den tatsächlichen Wert des Messstroms repräsentiert. In dem in 1 gezeigten Beispiel symbolisiert die ideale Stromquelle Q die (tatsächliche, reale) Stromquelle, welche den Messstrom i_M bereitstellt.
Die Schaltung umfasst einen Digital-Analog-Wandler DAC mit Stromausgang (auch als „current output DAC“ bezeichnet), welcher an einem Schaltungsknoten IN einen (positiven oder negativen) Referenzstrom i_DAC zur Verfügung stellt, welcher eine analoge Verkörperung des digitalen Registerwertes x_COUNT ist. Das elektrische Potential an dem Schaltungsknoten IN ist schwebend (floating) und kann auf einen geeigneten Wert (zum Beispiel auf einen Arbeitspunkt) initialisiert werden (die Initialisierung ist in 1 nicht gezeigt). Wenn der Digital-Analog-Wandler mit Stromausgang DAC aktiv ist und wenn dessen Augangsstrom i_DAC exakt dem Messstrom i_M entspricht, dann hat die Aktivierung des Digital-Analog-Wandlers keinen Effekt und das elektrische Potential des Schaltungsknotens IN bleibt (ungefähr) auf seinem ursprünglichen Wert. Wenn jedoch der Ausgangsstrom i_DAC des Digital-Analog-Wandlers auf einen zu geringen Wert eingestellt wird, dann wird das elektrische Potential des Schaltungsknotens IN steigen bis zu einem oberen Sättigungspegel. Umgekehrt wird, wenn der Ausgangsstrom i_DAC des Digital-Analog-Wandlers auf einen zu hohen Wert eingestellt wird, das elektrische Potential des Schaltungsknoten IN auf einen unteren Sättigungspegel fallen. Das heißt, eine Überwachung des Potentials des Schaltungsknotens IN ermöglicht eine Beurteilung dahingehend, ob der Ausgangsstrom i_DAC des Digital-Analog-Wandlers DAC „korrekt“ eingestellt ist.
Eine Komparatorschaltung ist dazu ausgebildet, das Potential des Schaltungsknotens IN mit einem oder mehreren vordefinierten Schwellwerten zu vergleichen und zu signalisieren, ob der Ausgangsstrom i_DAC des Digital-Analog-Wandlers DAC korrekt eingestellt ist oder nicht. Des Weiteren kann der Komparator anzeigen, ob der Ausgangsstrom i_DAC des Digital-Analog-Wandlers DAC zu hoch oder zu niedrig eingestellt ist.
Zu diesem Zweck kann die Komparatorschaltung einen Komparator K₁ umfassen mit einem Eingang, der kapazitiv an den Eingangsschaltungsknoten IN über einen (optionalen) Koppelkondensator C_CMP gekoppelt ist. Wie zuvor erwähnt kann das Potential am Knoten IN sowie das Potential, welches direkt am Komparatoreingang anliegt auf geeignete Werte initialisiert werden (zum Beispiel auf den Arbeitspunkt der Eingangsstufe des Komparators K₁). Diese Initialisierung kann unter Verwendung geeignet verschalteter Halbleiterschalter (nicht gezeigt) durchgeführt werden. Der Komparator K₁ kann eine (schmale) Hysterese aufweisen, um ein Hin- und Herschalten (Toggling) zu vermeiden.
Es ist anzumerken, dass der Messstrom i_M, welcher dem Schaltungsknoten IN zugeführt ist, und der Strom i_DAC, welcher von dem Digital-Analog-Wandler DAC aufgenommen wird, immer gleich sind, so dass der „Reststrom“ i_D = i_M – i_DAC immer 0 ist (oder zumindest näherungsweise 0), da der Komparator K₁ einen hochohmigen Eingang aufweist. Wenn der Ausgangsstrom i_DAC des DAC auf einen Wert eingestellt wird, der ungleich dem Strom i_M der Stromquelle Q ist, dann verschiebt sich – wie oben erwähnt – das Potential am Knoten IN so lange (bis hin zu den Betriebsspannungsgrenzen), bis ein Gleichgewichtszustand hergestellt ist. Diese Potentialverschiebung wird mit Hilfe der Komparatorschaltung detektiert.
Der Koppelkondensator C_CMP ermöglicht eine Gleichstromentkopplung (DC decoupling) des Komparators K₁ von dem Schaltungsknoten IN. Wenn der Komparator K₁ nicht auslöst, dann ist der Strom i_M (erzwungenermaßen gleich dem Strom i_DAC aufgrund des Digital-Analog-Wandlers DAC) auf seinem korrekten Pegel und der Digitalregisterwert x_COUNT, welche den Referenzstrom i_DAC repräsentiert, kann als digitales Messergebnis verwendet werden. Folglich wird das digitale Ausgangswort x_OUT auf den aktuellen Wert des Registerwertes x_COUNT gesetzt, wenn der Strom i_M durch den Digital-Analog-Wandler DAC korrekt eingestellt wurde.
Die Digital-Analog-Wandler-Schaltung gemäß 1 umfasst weiter ein Register R zum Speichern des digitalen Registerwertes x_COUNT sowie eine Steuerschaltung CTRL, welche auf den Ausgang der Komparatorschaltung reagieren kann. Die Steuerschaltung CTRL und das Register R sind in dem Beispiel aus 1 zusammen als Sukzessives-Approximations-Register SAR (successive approximation register) dargestellt. Jedoch können auch andere Typen von Registern verwendet werden. Das Sukzessive-Approximations-Register SAR ist dazu ausgebildet, den Inhalt des Registers (das heißt den digitalen Registerwert x_COUT) und folglich den Referenzstrom i_DAC solange (gemäß dem Verfahren der sukzessiven Approximation) zu variieren, wie die Komparatorschaltung (zum Beispiel über das Komparatorausgangssignal CMP) eine inkorrekte Einstellung des DAC-Ausgangsstroms anzeigt. Des Weiteren ist das Sukzessive-Approximations-Register SAR dazu ausgebildet, den digitalen Registerwert als Digitalwort x_OUT auszugeben, wenn die Komparatorschaltung einen Abgleich anzeigt, das heißt eine korrekte Einstellung des DAC-Ausgangsstroms i_DAC. In diesem Zusammenhang bedeutet eine inkorrekte Einstellung des DAC-Ausgangsstroms, dass das Potential am Knoten IN vom Sollwert um mehr als eine definierte maximal erlaubte Abweichung abweicht.
Das erwähnte Variieren des Registerwerts x_COUNT kann in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung unterschiedlich erfolgen. Beispielsweise kann der Registerwert x_COUNT mit 0 initialisiert werden, nachdem der Kondensator C_CMP (zum Beispiel durch Entladen oder Laden auf einen vordefinierten Wert) initialisiert wurde. In der Folge kann der Wert x_COUNT schrittweise um 1 erhöht werden, solange die Komparatorschaltung eine Abweichung anzeigt. Wenn der Komparator einen Abgleich anzeigt, dann wird der Registerwert x_COUNT an den SAR-Ausgang weitergeleitet, an dem er als Ausgangswort x_OUT für die weitere digitale Signalverarbeitung bereitgestellt wird. Danach kann der nächste Analog-Digital-Wandlungszyklus durch Reinitialisierung des Registerwerts x_COUNT sowie des Kopplungskondensators C_CMP beginnen. Die für die Initialisierung des Kondensators C_CMP benötigten Schalter sind der Einfachheit halber nicht dargestellt.
2 zeigt eine Analog-Digital-Wandler-Schaltung, welche dem Beispiel aus 1 sehr ähnlich ist. Das Beispiel aus 2 unterscheidet sich von dem Beispiel aus 1 lediglich darin, dass der Messstrom i_M dem Eingangsschaltungsknoten IN über den Laststrompfad eines Kaskode-Transistors (zum Beispiel über den Drain-Source Pfad eines Feldeffekttransistors T_C) zugeführt wird. Dies kann besonders dann nützlich sein, wenn der Messstrom i_M von einer Schaltung stammt, welche im Vergleich zu den in der Analog-Digital-Wandler-Schaltung vorhandenen elektrischen Potentialen bei verhältnismäßig hohen Spannungen arbeitet. Dadurch, dass der Messstrom i_M über den Kaskode-Transistor T_C an den Eingangsschaltungsknoten IN geleitet wird, wird die Verwendung von Niederspannungsbauelementen in der Analog-Digital-Wandler-Schaltung ermöglicht abgesehen von dem Kaskode-Transistor T_C, welcher den hohen Spannungsabfall aufnimmt. Die Steuerelektrode (zum das Gate bzw. die Basis) des Kaskode-Transistors T_C kann mit einer konstanten Bias-Spannung V_C vorgespannt sein.
3 zeigt eine Strommessschaltung, bei der eine Analog-Digital-Wandler-Schaltung gemäß dem Beispiel aus 2 vorteilhaft verwendet wird. Die Strommessschaltung verwendet eine sogenannte Sense-Transistor-Anordnung, welche für die Messung hoher, durch einen Leistungstransistor fließender Ströme häufig verwendet wird (siehe zum Beispiel die Publikation US 5,023,693 ).
Eine Sense-Transistor-Anordnung kann zum Messen des Laststroms i_L eines Leistungstransistors T_P (Lasttransistor) verwendet werden. Der Leistungstransistor T_P ist üblicherweise (jedoch nicht notwendigerweise) ein High-Side-Schalter, dessen Drain-Anschluss (oder Kollektor-Anschluss im Falle eine Bipolar-Transistors) an ein oberes Versorgungspotential V_DD (zum Beispiel Batteriespannung bei automobilen Anwendungen) gekoppelt ist, wohingegen dessen Source-Anschluss (oder Emitter-Anschluss im Falle von Bipolar-Transistoren) mit einer Last gekoppelt ist (im vorliegenden Beispiel ist diese durch den Lastwiderstand R_L symbolisiert). Der Sense-Transistor T_S ist vom selben Typ wie der Leistungstransistor T_P, und beide Transistoren T_P, T_S sind im Wesentlichen parallel geschaltet, das heißt beide Transistoren T_P, T_S sind mit dem gleichen Gate-Potential sowie mit dem gleichen Drain-Potential versorgt. Folglich arbeiten beide Transistoren im gleichen Arbeitspunkt, wenn auch deren Source-Potentiale im Wesentlichen gleich sind. Letzteres kann durch unterschiedliche Maßnahmen sichergestellt werden. Der Sense-Transistor hat eine kleinere aktive Fläche als der Leistungs-Transistor, und folglich ist der Laststrom (also der Messstrom i_M) des Sense-Transistors T_S ein Bruchteil (zum Beispiel 1/1000) des Laststroms des Leistungstransistors T_P. In der Praxis wird der Leistungstransistor T_P durch eine Vielzahl von parallel geschalteten Transistorzellen gebildet, von denen eine oder mehrere verwendet werden, um einen Sense-Transistor mit einem separaten Source-(oder Emitter-)Anschluss zu bilden. Wie oben erwähnt, ist der Messstrom i_M proportional zu dem Laststrom i_L, wenn die Source-Anschlüsse beider Transistoren T_P, T_L das gleiche Potential aufweisen.
In dem Beispiel aus 3 ist der Kaskode-Transistor zwischen den Stromausgang des Digital-Analog-Konverters DAC und den Eingangsknoten IN geschaltet, welcher wiederum über den Kondensator C_CMP und (zusätzlich zu dem Beispiel aus 2) über den Schalter SW₂ mit dem Komparator K₁ verbunden ist. Des Weiteren kann der Schaltungsknoten zwischen der Last R_L und dem Source-Anschluss des Leistungstransistors T_P (in der Abbildung als Schaltungsknoten IN‘ bezeichnet) kapazitiv an den Komparator K₁ über einen weiteren Schalter SW₁ und den Kondensator C_CMP gekoppelt sein, so dass entweder der Source-Anschluss des Leistungstransistors T_P (Schalter SW₁ geschlossen, SW₂ offen) oder der Source-Anschluss des Sense-Transistors T_S (Schalter SW₂ geschlossen, SW₁ offen) mit der Komparatorschaltung verbunden ist. Ein Schalter SW₃ ermöglicht die Initialisierung der Ladung des Kondensators C_CMP auf einen definierten Wert. Im vorliegenden Beispiel wird der Kondensator durch Schließen der Schalter SW₁ und SW₃ (wobei Schalter SW₂ offen) initialisiert. Der Schalter SW₃ schließt den Komparator K₁ kurz, was das Potential am Komparatoreingang auf das Potential am Arbeitspunkt der Komparatoreingangsstufe zwingt. Jedoch sind auch andere Initialisierungsmethoden anwendbar.
Um einen Abtastwert des Messstroms i_M zu erfassen, wird der Komparator K₁ zunächst (über den Kondensator C_CMP) mit dem Schaltungsknoten IN‘ verbunden, das heißt die Schalter SW₁ und SW₃ sind geschlossen und der Schalter SW₂ ist offen. Folglich lädt sich der Kondensator auf eine Kondensatorspannung auf, welche von der Source-Spannung des Leistungstransistors T_P bestimmt ist. Nachdem der Kondensator C_CMP einen eingeschwungenen Zustand erreicht hat, wird der Komparator K₁ (über den Kondensator C_CMP) mit dem Eingangsschaltungsknoten IN verbunden (Schalter SW₁ und SW₃ sind offen, Schalter SW₂ ist geschlossen). Falls die Source-Potentiale beider Transistoren T_S und T_P identisch sind, wird sich die Ladung des Kondensators C_CMP nicht ändern, wenn der Schalter SW₂ ein- und die Schalter SW₁ und SW₃ ausgeschaltet werden, was anzeigt, dass der Messstrom i_M exakt proportional zu dem Laststrom i_L ist. In diesem Fall ist der Ausgangsstrom des DAC korrekt eingestellt (und der Digitalwert x_COUNT folglich proportional zum Laststrom i_L). Im Falle einer Differenz (Fehlanpassung) zwischen den beiden Source-Potentialen wird sich die Spannung am Komparatoreingang ändern, wenn der Schalter SW₂ ein- und die Schalter SW₁ und SW₃ ausgeschaltet werden. Eine solche Änderung würde von dem Komparator K₁ detektiert werden, welcher wiederum das Sukzessiv-Approximations-Register SAR triggert, um den digitalen Registerwert x_COUNT zu variieren und so den Ausgangsstrom des Digital-Analog-Wandlers DAC anzupassen und folglich auch den Strom i_M durch den Sense-Transistor T_S in der bereits unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Art und Weise. Danach beginnt der Zyklus von Neuem durch Schließen der Schalter SW₁ und SW₃ und Öffnen des Schalters SW₂, Laden des Kondensators C_CMP, Öffnen der Schalter SW₁ und SW₃ und Schließen des Schalters SW₂ und Detektieren, ob die Eingangsspannung am Komparator sich ändert. Dies wird so lange durchgeführt bis ein Strom i_M gefunden wird, bei dem die Source-Potentiale der Transistoren T_P und T_S gleich sind. In diesem angepassten (abgeglichenem) Zustand repräsentiert der digitale Registerwert den Messstrom i_M, welcher proportional zu dem Laststrom i_L ist.
Ein ähnliches Beispiel wie in 3 ist in 4 dargestellt. Das Beispiel aus 4 bietet den Vorteil, dass ein Lasttransistor T_L und der Sense-Transistor T_S, wie auch der Kaskodetransistor T_C (sofern vorhanden) im selben Chip integriert werden können. Folglich kann eine Messung des Sense-Stroms i_M (welcher als repräsentativ für den Laststrom i_L angesehen wird) an einem beliebigen sogenannten „smart switch“ (intelligenten Halbleiterschalter) durchgeführt werden, welcher ein separates Bauelement in einem separaten Chipgehäuse ist und welcher den Sense-Strom i_M an einem externen Chipanschluss (Anschluss-Pin) zur Verfügung stellt. Die Last R_L ist in 4 nicht dargestellt.
Wie in dem Beispiel aus 3 wird der Messstrom i_M über einen DAC mit Stromausgang abgeleitet (zum Beispiel zur Masse hin), wobei im vorliegenden Beispiel der DAC mit Stromausgang mit Hilfe eines Stromspiegel mit Mehrfachausgang implementiert wird.
Der Stromspiegel wird durch die Referenzstromquelle Q_REF gebildet, welche dem Eingangstransistor T₀ des Stromspiegels einen Referenzstrom i_REF zuführt. Der Eingangstransistor T₀ ist an die Ausgangstransistoren T₁, T₂, T₃, T₄ etc. des Stromspiegels gekoppelt. Im vorliegenden Beispiel sind lediglich vier Ausgangstransistoren dargestellt, welche einen mit vier Bit diskretisierten Ausgangsstrom darstellen können. Weitere Stromspiegelausgangstransistoren sind für eine höhere Auflösung notwendig. Die Ausgangstransistoren T_n (n= 1, 2, 3, 4 ...) sind derart ausgebildet, dass sie jeweils das 2^n–1-fache des Referenzstroms i_REF führen. Das heißt, der Transistor T₁ führt einen Drain-Strom i_REF, der Transistor T₂ führt einen Drain-Strom 2 i_REF, der Transistor T₃ führt einen Drain-Strom 4 i_REF, der Transistor T₄ führt einen Drain-Strom 8 i_REF, usw. Steuerbare Schalter SW_n (n = 1, 2, 3, 4, ...) werden zum Verbinden der jeweiligen Strompiegel-Ausgangstransistoren T_n (n = 1, 2, 3, 4, ...) mit dem Ausgangsschaltungsknoten IN des Digital-Analog-Wandlers DAC verwendet, wobei sich die Transistorströme überlagern. Die Schalter können Halbleiterschalter sein, welche nach Maßgabe eines Binärsignals ein- und ausgeschaltet werden können, welches die Bits des n-BIT-Worts x_COUNT repräsentiert, das wiederum von dem Register SAR, wie in dem Beispiel aus 3, bereitgestellt wird. Wenn, beispielsweise, der Digitalwert x_COUNT = 1001 ist, dann tragen die Lastströme der Ausgangstransistoren T₄ und T₁ zum gesamten Ausgangsstrom des Digital-Analog-Wandlers DAC bei und folglich beträgt der Ausgangsstrom des Digital-Analog-Wandlers DAC 9 i_REF (die Transistoren T₂ und T₃ sind inaktiv wegen den beiden Nullen im Digitalwert x_COUNT). Es bleibt anzumerken, dass der DAC-Strom als Ausgangsstrom (so wie durch den DAC eingestellt) gesehen wird, obwohl der Strom tatsächlich von dem DAC aufgenommen (und gegen ein Bezugspotential hin abgeleitet) wird.
Im Gegensatz zu dem Beispiel aus 3 werden die Potentiale der Source-Schaltungsknoten des Lasttransistors T_L sowie des Sense-Transistors T_S nicht durch den Komparator K₁ verglichen (um herauszufinden, ob die Potentiale abgeglichen sind), da der Source-Schaltungsknoten des Sense-Transistors nicht von außen (das heißt von außerhalb des Chipgehäuses des intelligenten Halbleiterschalters 10) nicht zugänglich ist. Stattdessen wird das Drain-Potential des Eingangstransistors T₀ des Stromspiegels mit dem Drain-Potential der aktiven (das heißt eingeschalteten) Ausgangstransistoren T₁, T₂, T₃, T₄ etc. des Stromspiegels verglichen unter Zuhilfenahme des Komparators K₁. Abhängig von diesem Vergleich wird der Registerwert x_COUNT variiert (beispielsweise unter Verwendung einer sukzessiven Approximation) bis die Drain-Potentiale abgeglichen (das heißt gleich) sind. Während das Drain-Potential des Eingangstransistors T₀ des Stromspiegels auf seinem Arbeitspunkt liegt, wird das Drain-Potential der aktiven Ausgangstransistoren des Stromspiegels (das heißt das Potential am Stromausgangsknoten des DAC) nur dann das gleiche Potential annehmen, wenn der DAC auf den „korrekten“ Ausgangsstrom eingestellt ist. Das heißt, die Arbeitspunkte der Transistoren sind nur dann gleich, wenn der Strom i_M, welcher von dem DAC aufgenommen wird, gleich groß ist wie der Sense-Strom sein würde, wenn dieser durch einen Widerstand abgeleitet werden würde, wie dies bei klassischen Sense-FET-Applikationen der Fall ist.
Der Ausgangsschaltungsknoten des Digital-Analog-Wandlers, welcher auch der Messausgangsknoten des intelligenten Halbleiterschalters 10 ist wird als Schaltungsknoten IN bezeichnet. Der Referenzschaltungsknoten am Drain des Eingangstransistors T₀ des Stromspiegels ist als Schaltungsknoten IN‘ bezeichnet. Die Potentiale der Knoten IN und IN‘ werden mit Hilfe des Komparators K₁ verglichen, wobei der Komparator über die Kondensatoren C_CMP1 und C_CMP2, wie in 4 dargestellt, gekoppelt ist.
Es wird angenommen, dass die Kondensatoren C_CMP1 und C_CMP2, welche die Schaltungsknoten IN bzw. IN‘ mit dem jeweiligen Eingang des Komparators K₁ koppeln, auf einen definierten Zustand durch Schließen der Schalter SW_X, SW_Y und SW_Z für ein vordefiniertes Zeitintervall initialisiert wurden. Die Kondensatoren C_CMP1 und C_CMP2 werden dabei auf eine Referenzspannung aufgeladen, die von dem Potential am Knoten IN‘ abhängt (das heißt auf das Drain-Potential des Eingangstransistors T₀ des Stromspiegels). Beim Schließen des Schalters SW_A (der zwischen den Kondensator C_CMP2 und den Schaltungsknoten IN geschaltet ist), wird der Kondensator C_CMP2 auf eine Spannung aufgeladen, die vom Potential am Knoten IN abhängt (das heißt das gemeinsame Drain-Potential der aktiven Stromspiegelausgangstransistoren T₁, T₂, T₃, etc.). Folglich repräsentieren die Spannungen der Kondensatoren C_CMP1 und C_CMP2 die Drain-Spannung des Stromspiegel-Eingangstransistors T₀ bzw. der Stromspiegelausgangstransistoren T₁, etc.
Der Komparator K₁ ist dazu ausgebildet, die Kondensatorspannungen (und folglich die Potentiale an den Knoten IN und IN‘) zu vergleichen, um zu überprüfen, ob die Spannungen gleich sind. Wenn dies der Fall ist, sind die Potentiale an den Schaltungsknoten IN und IN‘ gleich, der Stromspiegel arbeitet ordnungsgemäß und der Messstrom i_M ist proportional zum Laststrom i_L. Folglich repräsentiert das Digitalwort x_COUNT, welches den tatsächlichen DAC-Ausgangsstrom bestimmt, auch den Laststrom (annäherende Proportionalität), und es wird folglich als digitaler Ausgangswert x_OUT bereit gestellt. Wenn die Spannungen nicht gleich sind (dies wird an das Register SAR über den Komparatorausgang signalisiert), wird der Registerwert x_COUNT variiert und der Messzyklus (beginnend mit der Initialisierung der Kondensatoren) beginnt von vorne. Dies wird wiederholt, bis die Spannungen der Kondensatoren gleich sind. Sofern ein Abgleich nicht erreicht werden kann, kann ein Fehler signalisiert werden. Um die oben beschriebene Funktionalität zu gewährleisten kann das Register SAR ein sukzessives Approximations-Register (SAR) sein, welches vom Komparator K₁ ein Eingangssignal erhält, welches anzeigt, ob die vom Komparator K₁ verglichenen Spannungen gleich sind, oder, wenn nicht, ob die Spannung des Kondensators C_CMP1 höher oder niedriger ist als die jeweils andere Kondensatorspannung.
Die mit dem intelligenten Halbleiterschalter 10 verbundene Schaltung gemäß 4 kann in einem Chip integriert sein zusammen mit einem digitalen Signalprozessor oder einem Mikrocontroller. So ein Signalprozessor- oder Mikroprozessorchip würde, um einen digitalen Strommesswert ohne die Notwendigkeit eines externen Shunt-Widerstands oder Ähnliches bereitzustellen, lediglich einen externen PIN benötigen zum Anschluss an den Sense-Strom-Ausgangs-Pin eines Chips umfassend einen intelligenten Halbleiterschalter.
Ganz allgemein kann die Auswertung des Stromsignals, welches von dem Sense-Transistor bereitgestellt wird in einem eigens dafür vorgesehenen Halbleiterchip durchgeführt werden. Ein solcher Chip ist in einem ersten Chipgehäuse integriert und umfasst zumindest einen externen Pin zum Empfangen des Stromsignals, welches von dem Sense-Transistor zur Verfügung gestellt wird. Der Sense-Transistor ist mit einem korrespondierenden Lasttransistor gekoppelt und beide Transistoren sind in einem separaten, zweiten Chipgehäuse integriert, welches das Messsignal als Stromsignal über einen externen Pin des zweiten Chipgehäuses zur Verfügung stellt. Der Halbleiterchip umfasst eine Schaltung, die dazu ausgebildet ist, das Strommesssignal zu empfangen und ein entsprechendes Digitalsignal zu erzeugen. Zum Zwecke der Erzeugung eines dem Strommesssignal entsprechenden Digitalsignals kann das zweite Chipgehäuse eine Schaltung gemäß 4 aufweisen. Andere Möglichkeiten zum Konvertieren des Sense-Stromsignals in einen digitalen Registerwert können jedoch ebenso anwendbar sein. Beispielsweise kann der Messstrom über einen Widerstand geleitet werden und der resultierende Spannungsabfall über den Widerstand kann digitalisiert werden. Nichtdestotrotz wird die Strominformation zwischen den beiden Chips als Stromsignal ausgetauscht.
Trotz dem, dass verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, wird für einen Fachmann deutlich, dass verschiedenste Änderungen bzw. Modifikationen gemacht werden können, um manche der Vorteile der Erfindung zu erreichen, ohne von dem Erfindungsgedanken abzuweichen. Es ist zudem für einen Fachmann klar, dass Komponenten, welche dieselbe Funktion erfüllen entsprechend substituiert werden können. Es bleibt zu erwähnen, dass Merkmale, die in Bezug auf eine spezifische Figur erläutert wurden, mit Merkmalen aus anderen Figuren kombiniert werden können, auch wenn dies nicht explizit erwähnt wurde. Des Weiteren können die beschriebenen Methoden sowohl in Software unter Verwendung geeigneter Prozessoren verwirklicht werden als auch als Hybridimplementierungen, welche eine Kombination von Hardware und Software verwenden, um das gleiche Ergebnis zu erzielen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5023693 [0021]

Claims

Eine Analog-Digital-Wandlerschaltung, die Folgendes aufweist: ein Register (R, SAR) zum Speichern eines digitalen Registerwertes (x_COUNT); einen Digital-Analog-Wandler (DAC), der dazu ausgebildet ist, an einem ersten Schaltungsknoten (IN) einen Referenzstrom (i_DAC) bereit zu stellen, der nach Maßgabe des digitalen Registerwertes (x_COUNT) eingestellt ist, wobei ein elektrisches Potential eines Eingangsschaltungsknotens von dem eingestellten Referenzstrom (i_DAC) abhängt; eine Komparatorschaltung (K₁, C_CMP) die dazu ausgebildet ist, ein Potential des ersten Schaltungsknotens (IN) mit zumindest einem Schwellwert zu vergleichen, wodurch überprüft wird, ob das Potential des ersten Schaltungsknotens (IN) zumindest ungefähr einem Sollwert entspricht; und eine Steuerschaltungsanordnung (CTRL), die auf einen Ausgang der Komparatorschaltung (K₁, C_CMP) reagiert und die dazu ausgebildet ist, den digitalen Registerwert (x_COUNT), welcher im Register (R) gespeichert ist, und folglich den Referenzstrom (i_DAC) anzupassen, bis die Komparatorschaltung (K₁, C_CMP) anzeigt, dass das Potential an dem ersten Schaltungsknoten (IN) nicht vom gewünschten Sollwert abweicht.
Die Analog-Digital-Wandler-Schaltung gemäß Anspruch 1, wobei die Komparatorschaltung aufweist: einen Komparator (K₁) mit einem Komparatoreingang und einem Komparatorausgang; und einen Kondensator (C_CMP), der zwischen den Schaltungsknotens (IN) und dem Komparatoreingang gekoppelt ist.
Die Analog-Digital-Wandler-Schaltung gemäß Anspruch 1 oder 2, die weiter einen Kaskode-Transistor (T_C) aufweist, der einen Laststrompfad hat, welcher den ersten Schaltungsknoten (IN) und einen Ausgang des Digital-Analog-Wandlers (DAC) koppelt.
Die Analog-Digital-Wandler-Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, die weiter einen an einen Lasttransistor (T_L) gekoppelten Sense-Transistor (T_S) aufweist, wobei der Sense-Transistor (T_S) einen Messstrom (i_M) an dem ersten Schaltungsknoten (i_S) bereit stellt und wobei der Lasttransistor (T_L) einen Laststrom (i_L) an einem zweiten Schaltungsknoten (IN’) bereitstellt.
Die Analog-Digtial-Wandler-Schaltung gemäß Anspruch 4, wobei der Sollwert von einem Potential an dem zweiten Schaltungsknoten (IN’) abhängt; und wobei die Steuerschaltung (CTRL) dazu ausgebildet ist, den digitalen Registerwert (x_COUNT), welcher im Register (R) gespeichert ist, und folglich den Referenzstrom (i_DAC) anzupassen, so dass das Potential am ersten Schaltungsknoten (IN) dem Potential am zweiten Schaltungsknoten (IN’) entspricht.
Die Analog-Digital-Wandler-Schaltung gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei die Komparatorschaltung aufweist: einen Komparator (K₁) mit einem Komparatoreingang und einem Komparatorausgang und einen Kondensator (C_CMP), der zwischen den Eingangsknoten (IN) und dem Komparatoreingang geschaltet ist.
Die Analog-Digital-Wandler-Schaltung gemäß Anspruch 6, die weiter aufweist: einen ersten Schalter (SW₁), der den zweiten Schaltungsknoten (IN’) und ein erstes Ende des Kondensators koppelt (C_CMP); und einen zweiten Schalter (SW₂), der den ersten Schaltungsknoten (IN) und das erste Ende des Kondensators (C_CMP) koppelt; wobei ein zweites Ende des Kondensators (C_CMP) mit dem Komparatoreingang verbunden ist.
Die Analog-Digital-Wandler-Schaltung gemäß Anspruch 6 oder 7, die weiter einen dritten Schalter (SW₃) aufweist, der derart geschaltet werden kann, um die auf dem Kondensator (C_CMP) gespeicherte Ladung auf einen von dem Potential an dem ersten oder zweiten Schaltungsknoten abhängigen (IN, IN’) Wert zu initialisieren.
Eine Schaltungsanordnung, die aufweist: eine Sense-Transistor-Anordnung mit einem Sense-Transistor (T_S) und einem Lasttransistor (T_L), wobei der Sense-Transistor (T_S) einen Messstrom (i_M) an einem ersten Schaltungsknoten (IN) bereitstellt, und der Lasttransistor (T_L) einen Laststrom (i_L) an einem zweiten Schaltungsknoten (IN’); ein Register (R) zum Speichern eines digitalen Registerwertes (x_COUNT); einen Digital-Analog-Wandler (DAC), der dazu ausgebildet ist, einen Strom an dem ersten Schaltungsknoten (IN) auf einen Referenzstrom zu setzen nach Maßgabe des digitalen Registerwertes (x_COUNT), wobei ein elektrisches Potential eines Eingangsknotens von dem eingestellten Referenzstrom (i_DAC) abhängt; eine Komparatorschaltung (K₁, C_CMP), die dazu ausgebildet ist, ein Potential des ersten Schaltungsknotens (IN) mit zumindest einem Schwellwert zu vergleichen, wodurch überprüft wird, ob das Potential am ersten Schaltungsknoten (IN) zumindest ungefähr gleich einem Sollwert ist, der von einem Potential am zweiten Schaltungsknoten (IN’) bestimmt wird; und eine Steuerschaltungsanordnung (CTRL), die auf den Ausgang der Komparatorschaltung reagieren kann, und die dazu ausgebildet ist, den digitalen Registerwert (x_COUNT), der in dem Register (R) gespeichert ist, und somit den Referenzstrom (i_DAC) anzupassen, bis die Komparatorschaltung anzeigt, dass das Potential am ersten Schaltungsknoten (IN) nicht von dem Sollwert abweicht.
Die Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 9, die weiter aufweist: einen Kaskode-Transistor (T_C) mit einem Laststrompfad, der den ersten Schaltungsknoten (IN) und einen Ausgang des Digital-Analog-Wandlers (DAC) koppelt.
Die Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei die Komparatorschaltung weiter aufweist: einen Komparator (K₁) mit einem Komparatoreingang und einen Komparatorausgang, einen Kondensator (C_CMP), der zwischen den Eingangsknoten und den Komparatoreingang geschaltet ist.
Die Strommessschaltung gemäß Anspruch 9, wobei der Digital-Analog-Wandler (DAC) eine Vielzahl von Stromspiegel-Ausgangstransistoren (T₁, T₂, T₃, T₄) aufweist, die derart gekoppelt sind, dass die jeweiligen Ausgangsströme der Transistoren (T₁, T₂, T₃, T₄) sich an dem ersten Schaltungsknoten (IN) überlagern; und der Schwellwert von einer Drain- oder Source-Spannung eines Stromspiegel-Eingangstransistors (T₀) abhängt, welcher einen vordefinierten fixen Referenzstrom (i_REF) führt, welcher die Ausgangsströme der Stromspiegel-Ausgangstransistoren (T₁, T₂, T₃, T₄) bestimmt.
Der Stromspiegel gemäß Anspruch 12, wobei der Ausgangsstrom von jedem Stromspiegel-Ausgangstransistor (T₁, T₂, T₃, T₄) ein- und ausgeschaltet werden kann, nach Maßgabe des digitalen Registerwerts (x_COUNT).
Ein in einem ersten Chipgehäuse integrierter Halbleiterchip, der zumindest einen externen Pin zum Empfangen eines Messstroms (i_M) als Messsignal aufweist, der von einem Sense-Transistor (T_S) bereit gestellt wird, wobei der Sense-Transistor (T_S) mit einem korrespondierenden Lasttransistor (T_L) verbunden ist, und beide Transistoren (T_S, T_L) in einem separaten zweiten Chipgehäuse integriert sind, welches das Stromsignal (i_M) über einen externen Pin des zweiten Chipgehäuses zur Verfügung stellt, wobei der Halbleiterchip eine Schaltungsanordnung aufweist, die dazu ausgebildet ist, das Stromsignal (i_M) zu empfangen und ein entsprechendes Digitalsignal (x_OUT) zu erzeugen.
Der Halbleiterchip gemäß Anspruch 14, wobei die Schaltungsanordnung einen Analog-Digital-Wandler aufweist, der das dem Stromsignal (i_M) entsprechende Digitalsignal (x_OUT) erzeugt.
Der Halbleiterchip gemäß Anspruch 15, wobei die Schaltungsanordnung einen Strom-/Spannungswandler aufweist, der eine Spannung für den Analog-Digital-Wandler bereitstellt, wobei die Spannung das Stromsignal (i_M) repräsentiert.
Der Halbleiterchip gemäß Anspruch 16, wobei der Strom-/Spannungswandler ein Widerstand ist.
Der Halbleiterchip gemäß Anspruch 15, wobei der Analog-Digital-Wandler einen Digital-Analog-Wandler mit Stromausgang (DAC) aufweist, welcher dazu ausgebildet ist, an seinem Ausgang das Strommesssignal (i_M) aufzunehmen.
Der Halbleiterchip gemäß Anspruch 18, wobei dem Digital-Analog-Wandler mit Stromausgang (DAC) ein digitaler Eingangswert (x_COUNT) zugeführt ist, nach Maßgabe dessen das Strommesssignal (i_M) eingestellt wird.