DE102013109038A1

DE102013109038A1 - Ratiometrische A/D-Wandler-Schaltungsanordnung

Info

Publication number: DE102013109038A1
Application number: DE102013109038.9A
Authority: DE
Inventors: Peter Bogner; Hubert Rothleitner
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2012-08-27
Filing date: 2013-08-21
Publication date: 2014-02-27
Anticipated expiration: 2033-08-22
Also published as: CN103634007B; DE102013109038B4; US8604961B1; CN103634007A

Abstract

In verschiedenen Ausführungsformen wird eine Analog-Digital-Wandleranordnung (300) bereitgestellt, die eine Eingangsklemme (302) aufweisen kann, die zum Empfangen eines umzuwandelnden Signals (Vin) konfiguriert ist; eine Referenzklemme (304), die zum Empfangen eines Referenzsignals (Vref) konfiguriert ist; eine spannungsdomänenspezifische Referenzklemme (310), die zum Empfangen eines spannungsdomänenspezifischen Referenzsignals (Vref_internal) konfiguriert ist; einen Analog-Digital-Wandler (312), der mit dem ersten Eingang (302), dem zweiten Eingang (304) und mit dem Analog-Digital-Eingang gekoppelt ist und zum Vergleichen des umzuwandelnden Signals (Vin) mit dem Analog-Digital-Referenzsignal (Vref_internal) konfiguriert ist, wodurch ein erstes digitales Vergleichssignal generiert wird, und zum Vergleichen des externen Referenzsignals (Vref) mit dem Analog-Digital-Referenzsignal, wodurch ein zweites digitales Vergleichssignal generiert wird; und eine ratiometrische Schaltung, die zum Bestimmen eines digital umgewandelten Signals des umzuwandelnden Signals (Vin) durch Verwenden des ersten digitalen Vergleichssignals und des zweiten digitalen Vergleichssignals konfiguriert ist.

Description

Verschiedene Ausführungsformen betreffen im Allgemeinen eine ratiometrische A/D-Wandler-Schaltungsanordnung (Analog-Digital-Wandler-Schaltungsanordnung).
Standard-A/D-Wandler wandeln analoge Spannungseingangssignale durch Vergleichen davon mit einem Referenzspannungssignal um. Die Spannung, die von den A/D-Wandlern als Referenz verwendet wird, definiert den vollständigen Skalenbereich des Wandlungsbereichs. Typischerweise wird das digitale Ausgangssignal D_out von dem Verhältnis zwischen der umzuwandelnden Speisespannung V_in und der Referenzspannung V_ref definiert: D_out = 2ⁿ·(V_in/V_ref), worin n die digitale Länge des Ausgangssignalworts ist und dadurch auch die Auflösung des Wandlungsprozesses spezifiziert. Die Gleichung repräsentiert in einigen Anwendungen das gewünschte digitale Ergebnis als erwarteten Ausgang. Wie zu sehen ist, basiert das digitale Ergebnis D_out auf einem ratiometrischen Wert, d. h. einem Verhältnis; in diesem Fall auf dem Verhältnis zwischen der umzuwandelnden Speisespannung V_in und der Referenzspannung V_ref, die typischerweise von der Anwendung bereitgestellt wird und einen Wert von zum Beispiel 3,3 V oder 5 V aufweisen kann.
Bei Standard-A/D-Wandlern, die zum Digitalisieren eines analogen Eingangswertes verwendet werden, wird eine externe Referenzspannung an den A/D-Wandler angelegt. Diese externe Referenzspannung wird oftmals von der Referenzspannung der Anwendung abgeleitet, in die der A/D-Wandler eingebettet ist. Typischerweise kann diese Referenzspannung zum Beispiel 3,3 V oder 5 V betragen und kann von einem externen Spannungsregler generiert werden. Demzufolge müssen beim Entwurf der A/D-Wandler-Vorrichtungen/-Komponenten (wie Transistoren und Kondensatoren), die eine Nennbetriebsspannung von 3,3 V oder 5 V aufweisen, diese derart verwendet werden, dass die externe Referenzspannung V_ref in den A/D-Wandler-Kern eingespeist werden kam, ohne dass der A/D-Wandler-Kern beschädigt wird oder gefälschte Ergebnisse erzeugt. Mit anderen Worten, muss der Kern des A/D-Wandlers mit 3,3 V oder 5 V umgehen können.
Aufgrund der Verwendung von 3,3 V- oder 5 V-Signalen erfordern solche Arten von A/D-Wandlern, die in einer Technologie im Submikrometerbereich implementiert sind, Vorrichtungen in dem A/D-Wandlerkern, die 5 V-Signale handhaben können. Dies kann zu einem hohen Bereichsverbrauch des A/D-Wandlers fuhren, da Vorrichtungen, die für höhere Spannungen entworfen wurden, zu einer größeren Größe tendieren. Außerdem wird die Geschwindigkeit einer A/D-Wandler-Schaltung hauptsächlich von der Leistung der Hochspannungsvorrichtungen vorgegeben, die im Vergleich zu digitalen Kernlogikvorrichtungen, die typischerweise mit Betriebsspannungen in der Kernspannungsdomäne von zum Beispiel 1,5 V oder weniger betrieben werden, geringer ist.
In verschiedenen Ausführungsformen wird eine Analog-Digital-Wandleranordnung bereitgestellt, die eine Eingangsklemme aufweisen kann, die zum Empfangen eines umzuwandelnden Signals konfiguriert ist; eine Referenzklemme, die zum Empfangen eines Referenzsignals konfiguriert ist; eine spannungsdomänenspezifische Referenzklemme, die zum Empfangen eines spannungsdomänenspezifischen Referenzsignals konfiguriert ist; eine Analog-Digital-Wandlerschaltung, die mit der Eingangsklemme, der Referenzklemme und mit der spannungsdomänenspezifischen Referenzklemme gekoppelt ist und zum Vergleichen des umzuwandelnden Signals mit dem spannungsdomänenspezifischen Referenzsignal konfiguriert ist, wodurch ein erstes digitales Vergleichssignal generiert wird, und zum Vergleichen des Referenzsignals mit dem spannungsdomänenspezifischen Referenzsignal, wodurch ein zweites digitales Vergleichssignal generiert wird; und eine ratiometrische Schaltung, die zum Bestimmen eines digital umgewandelten Signals des umzuwandelnden Signals durch Verwenden des ersten digitalen Vergleichssignals und des zweiten digitalen Vergleichssignals konfiguriert ist.
Gemäß weiterer Ausführungsformen der Analog-Digital-Wandleranordnung kann die Referenzklemme zum Empfangen des Referenzsignals konfiguriert sein, wobei das Referenzsignal aus einer anderen Spannungsdomäne stammen kann, als das spannungsdomänenspezifische Referenzsignal.
Gemäß weiterer Ausführungsformen der Analog-Digital-Wandleranordnung kann die Referenzklemme zum Empfangen des Referenzsignals konfiguriert sein, das eine größere Amplitude aufweisen kann, als das spannungsdomänenspezifische Referenzsignal.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der Analog-Digital-Wandleranordnung kann die Referenzklemme zum Empfangen von Referenzsignalen mit einer Amplitude von 3,3 V oder mehr konfiguriert sein.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der Analog-Digital-Wandleranordnung kann die spannungsdomänenspezifische Referenzklemme zum Empfangen von spannungsdomänenspezifischen Referenzsignalen mit einer Amplitude von 1,5 V oder weniger konfiguriert sein.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der Analog-Digital-Wandlervorrichtung kann die spannungsdomänenspezifische Referenzklemme zum Empfangen von spannungsdomänenspezifischen Referenzsignalen konfiguriert sein, deren Spannungsdomäne der Kernspannungsdomäne der Analog-Digital-Wandlerschaltung entsprechen kann.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die Analog-Digital-Wandleranordnung eine erste Abtast-Halte-Schaltung aufweisen, die mit der Eingangsklemme gekoppelt ist und zum Abtasten und Halten des umzuwandelnden Signals konfiguriert ist.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die Analog-Digital-Wandleranordnung eine zweite Abtast-Halte-Schaltung aufweisen, die mit der Referenzklemme gekoppelt ist und zum Abtasten und Halten des Referenzsignals konfiguriert ist, wobei die erste Abtast-Halte-Schaltung und die zweite Abtast-Halte-Schaltung zum gleichzeitigen Abtasten des umzuwandelnden Signals bzw. des Referenzsignals konfiguriert sein können.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die Analog-Digital-Wandleranordnung ferner eine erste Spannungsteilerschaltung aufweisen, die zum Teilen des umzuwandelnden Signals konfiguriert ist.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der Analog-Digital-Wandleranordnung kann die erste Spannungsteilerschaltung zwischen der Eingangsklemme und der ersten Abtast-Halte-Schaltung gekoppelt sein.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der Analog-Digital-Wandleranordnung kann die erste Spannungsteilerschaltung in der Analog-Digital-Wandlerschaltung implementiert sein.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der Analog-Digital-Wandleranordnung kann die erste Spannungsteilerschaltung einen resistiven Spannungsteiler einschließen.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der Analog-Digital-Wandleranordnung kann die erste Spannungsteilerschaltung einen kapazitiven Spannungsteiler einschließen.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der Analog-Digital-Wandleranordnung kann die erste Spannungsteilerschaltung zum Teilen des umzuwandelnden Signals konfiguriert sein, sodass das geteilte umzuwandelnde Signal eine Amplitude aufweisen kann, die gleich oder kleiner als die des spannungsdomänenspezifischen Referenzsignals sein kann.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die Analog-Digital-Wandleranordnung ferner eine zweite Spannungsteilerschaltung aufweisen, die zwischen der Referenzklemme und der zweiten Abtast-Halte-Schaltung gekoppelt ist und zum Teilen des Referenzsignals konfiguriert ist.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der Analog-Digital-Wandleranordnung umfasst die zweite Spannungsteilerschaltung einen resistiven Spannungsteiler.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der Analog-Digital-Wandleranordnung kann die zweite Spannungsteilerschaltung einen kapazitiven Spannungsteiler einschließen.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der Analog-Digital-Wandleranordnung kann das geteilte Referenzsignal eine Amplitude aufweisen, die gleich oder kleiner ist als das spannungsdomänenspezifische Referenzsignal.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die Analog-Digital-Wandleranordnung mindestens eine weitere Eingangsklemme einschließen, die zum Empfangen eines weiteren umzuwandelnden Signals konfiguriert ist, wobei die mindestens eine weitere Eingangsklemme mit der Analog-Digital-Wandlerschaltung gekoppelt sein kann,
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die Analog-Digital-Wandlungsanordnung einen Multiplexer einschließen, der zum Bereitstellen eines umzuwandelnden Signals, Referenzsignals und mindestens eines weiteren Eingangssignals an die Analog-Digital-Wandlungsschaltung konfiguriert ist.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die Analog-Digital-Wandleranordnung ferner ein erstes Register einschließen, das mit der Analog-Digital-Wandlerschaltung gekoppelt ist und zum Speichern des ersten digitalen Vergleichssignals konfiguriert ist.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die Analog-Digital-Wandleranordnung ferner ein zweites Register einschließen, das mit der Analog-Digital-Wandlerschaltung gekoppelt ist und zum Speichern des zweiten digitalen Vergleichssignals konfiguriert ist.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der Analog-Digital-Wandlungsanordnung kann die ratiometrische Schaltung zum Teilen des ersten Vergleichssignals, das in einem ersten Register gespeichert ist, durch das zweite Vergleichssignal, das in einem zweiten Register gespeichert ist, konfiguriert sein, wodurch ein Quotientensignal generiert wird.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der Analog-Digital-Wandleranordnung kann die ratiometrische Schaltung ferner zum Multiplizieren des Quotientensignals mit (2ⁿ – 1) konfiguriert sein, wobei n die Bitlänge des digitalen Ausgangssignals der Analog-Digital-Wandlungsschaltung repräsentiert.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der Analog-Digital-Wandlungsvorrichtung kann die Analog-Digital-Wandlungsanordnung zum Bereitstellen des ersten Vergleichssignals als digitales Ausgangssignal nur durch Auslesen des ersten Registers konfiguriert sein.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die Analog-Digital-Wandlungsanordnung ferner eine Spannungsteilerschaltung einschließen, die zwischen dem Multiplexer und der Analog-Digital-Wandlungsschaltung gekoppelt ist und zum Teilen des Ausgangssignals aus dem Multiplexer und Bereitstellen des geteilten Signals an die Analog-Digital-Wandlerschaltung konfiguriert ist.
In verschiedenen weiteren Ausführungsformen wird eine Analog-Digital-Wandlerschaltung bereitgestellt, wobei die Schaltung Folgendes einschließt: einen ersten Eingang zum Empfangen eines umzuwandelnden Signals; einen zweiten Eingang, der zum Empfangen eines externen Referenzsignals konfiguriert ist; einen internen Analog-Digital-Eingang, der zum Empfangen eines internen Analog-Digital-Referenzsignals konfiguriert ist; einen Analog-Digital-Wandler, der mit dem ersten Eingang, dem zweiten Eingang und mit dem internen Analog-Digital-Eingang gekoppelt ist und zum Vergleichen des umzuwandelnden Signals mit dem internen Analog-Digital-Referenzsignal konfiguriert ist, wodurch ein erstes digitales Vergleichssignal generiert wird, und zum Vergleichen des externen Referenzsignals mit dem internen Analog-Digital-Referenzsignal, wodurch ein zweites digitales Vergleichssignal generiert wird; und eine ratiometrische Schaltung, die zum Bestimmen eines digital umgewandelten Signals des umzuwandelnden Signals durch Verwenden des ersten digitalen Vergleichssignals und des zweiten digitalen Vergleichssignals konfiguriert ist.
In den Zeichnungen beziehen sich in den verschiedenen Ansichten ähnliche Bezugszeichen im Allgemeinen auf die gleichen Teile. Die Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsgetreu, wobei der Schwerpunkt stattdessen im Allgemeinen auf der Erläuterung der Prinzipien der Erfindung liegt. In der folgenden Beschreibung werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die folgenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 eine gewöhnliche Implementierung eines A/D-Wandlers;
2 ein Schema einer gewöhnlichen A/D-Wandleranordnung;
3 ein Schema einer A/D-Wandleranordnung 300 gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
4 ein beispielhaftes schematisches Layout einer A/D-Wandleranordnung gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
5 ein weiteres beispielhaftes schematisches Layout einer A/D-Wandleranordnung gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
6 eine beispielhafte Hardwareimplementierung einer A/D-Wandleranordnung 600 gemäß verschiedenen Ausführungsformen; und
7 ein Flussdiagramm 700, das einen möglichen Prozessfluss in dem A/D-Wandler gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt.
Die folgende ausführliche Beschreibung nimmt auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug, die beispielhaft spezifische Details und Ausführungsformen darstellen, durch welche die Erfindung ausgeführt werden kann.
Das Wort „beispielhaft” soll hierin „als Beispiel, Exemplar oder Illustration dienend” bedeuten. Jede Ausführungsform oder Ausgestaltung, die hierin als „beispielhaft” beschrieben wird, ist nicht unbedingt als bevorzugt oder vorteilhaft in Bezug auf andere Ausführungsformen oder Ausgestaltungen ausgelegt.
Das Wort „auf”, das im Hinblick auf ein abgeschiedenes Material verwendet wird, das „auf” einer Seite oder Oberfläche ausgebildet ist, kann hier verwendet werden, um zu bedeuten, dass das abgeschiedene Material „direkt auf” ausgebildet ist, z. B. in direktem Kontakt mit der besagten Seite oder Oberfläche. Das Wort „auf”, das im Hinblick auf ein abgeschiedenes Material verwendet wird, das „auf” einer Seite oder Oberfläche ausgebildet ist, kann hier verwendet werden, um zu bedeuten, dass das abgeschiedene Material „indirekt auf” der besagten Seite oder Oberfläche mit einer oder mehreren zusätzlichen Schichten ausgebildet ist, die zwischen der besagten Seite oder Oberfläche und dem abgeschiedenen Material angeordnet sind.
Eine ratiometrische A/D-Wandleranordnung gemäß den verschiedenen Ausführungsformen kann auf kompaktere Weise durch Reduzieren der Referenzspannung implementiert werden, die der A/D-Wandleranordnung in dem Bereich der Kernspannung oder der Versorgungsspannung der A/D-Wandleranordnung bereitgestellt wird. Die Kernspannnung oder Versorgungsspannung des digitalen Kerns der A/D-Wandleranordnung, die im Folgenden auch als spannungsdomänenspezifische Referenzspannung bezeichnet wird (als der Spannungsdomäne des Kerns der A/D-Wandleranordnung zugehörig), beträgt typischerweise 1,5 V oder weniger. Die A/D-Wandleranordnung gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann nur durch das Verwenden von Kernvorrichtungen bzw. -komponenten in der Hardware implementiert werden, d. h. Vorrichtungen/Komponenten wie Transistoren und/oder Kondensatoren, die zum Betrieb bei Spannungen in der Kerndomäne der A/D-Wandler-Schaltung ausgelegt sind, zum Beispiel bei 1,5 V oder weniger. Wenn nur Kernvorrichtungen bzw. komponenten zum Implementieren der A/D-Wandler-Schaltung verwendet werden, kann die gewöhnliche externe Referenzspannung, die in dem A/D-Wandlerkern bereitgestellt wird und die in dem Bereich von 5 V oder mehr liegen kann, nicht für die A/D-Wandler-Schaltung verwendet werden, aus dem einfachen Grund, weil diese den Spannungsbereich überschreitet, für den der A/D-Wandler ausgelegt wurde. Mit anderen Worten muss die (externe) Referenzspannung, die von dem A/D-Wandler verwendet wird und gewöhnlich einer Referenzspannung entspricht, die außerhalb des Kerns des A/D-Wandlers verwendet wird, und zum Beispiel 5 V oder mehr entsprechen kann, verringert werden, wodurch ein anderes Konzept zum Bereitstellen einer Referenzspannung für den A/D-Wandler verwendet werden muss. Das endgültige digitale, ratiometrische Ergebnis kann durch Multiplexing des Eingangssignals erhalten werden, d. h. des umzuwandelnden Signals und des (externen) Referenzsignals, und damit der Berechnung des digitalen Ausgangs, der einem Verhältnis zwischen dem Eingangssignal und dem (externen) Referenzsignal entspricht.
1 zeigt eine Implementierung eines gewöhnlichen A/D-Wandlers 100 in Form eines kapazitiv sukzessiven Näherungs-A/D-Wandlers 100. Der A/D-Wandler 100 weist eine Anordnung binär gewichteter Kondensatoren auf, einen Referenzkondensator C0, einen ersten Kondensator C1, einen zweiten Kondensator C2 und so weiter (in 1 sind nur drei Kondensatoren des Arrays dargestellt), die einzeln geschaltet sein können. Beginnend bei dem ersten Kondensator C1, weist jeder folgende Kondensator eine Kapazität auf, die um einen Faktor 2 größer ist, d. h. der erste Kondensator C1 weist eine Kapazität C auf, der zweite Kondensator C2 weist eine Kapazität von 2C auf, der dritte Kondensator (nicht in 1 dargestellt), weist eine Kapazität von 4C auf, der vierte Kondensator (nicht in 1 dargestellt), weist eine Kapazität von 8C auf und so weiter. Die Gesamtzahl an Kondensatoren, die in dem Kondensatorarray vorhanden sind, werden von der gewünschten Auflösung des A/D-Wandlers 100 vorgegeben. Zum Beispiel würde das Kondensatorarray eines kapazitiven 16-Bit-A/D-Wandlers 16 Kondensatoren aufweisen (und den zusätzlichen Referenzkondensator C0), wobei der sechzehnte Kondensator C16 eine Kapazität von 32768C aufweisen würde. Eine Seite jedes der Kondensatoren in dem Array von Kondensatoren C0, C1, C2 ist mit einem Summierknoten 112 des A/D-Wandlers 100 gekoppelt. Der Summierknoten 112 des A/D-Wandlers 100 ist mit einem Eingang eines Komparators 102 gekoppelt. Ein Ausgang des Komparators 102 ist mit einem SAR 104 (SAR = Successive Approximation Register) gekoppelt. Das SAR 104 ist mit einem Array aus Dreiwegeschaltern gekoppelt, wobei jeder der Schalter einem der Kondensatoren C0, C1, C2 in dem Array von Kondensatoren zugeteilt ist. Der A/D-Wandler 100 weist einen ersten Eingang 106 auf, an den eine Speisespannung V_in angelegt werden kann. Die Speisespannung V_in kann dem umzuwandelnden Signal entsprechen. Der A/D-Wandler 100 kann ferner einen zweiten Eingang 108 aufweisen, an den eine positive Referenzspannung V_{ref_p} angelegt werden kann. Die positive Referenzspannung V_{ref_p} kann zum Beispiel 5 V betragen. Der A/D-Wandler 100 weist ferner einen dritten Eingang 110 auf, an den eine negative Referenzspannung V_{ref_n} angelegt werden kann. Die negative Referenzspannung V_{ref_n} kann zum Beispiel 0 V betragen, und kann die Nullspannung für den A/D-Wandler 100 definieren. In dem beispielhaften A/D-Wandler 100, der in 1 dargestellt ist, entspricht die (externe) Referenzspannung V_ref, die dem A/D-Wandler 100 bereitgestellt und von diesem verwendet wird, V_ref = V_{ref_p} – V_{ref_n}. In dem vorliegenden Beispiel kann die Speisespannung V_in, die das umzuwandelnde Eingangssignal repräsentiert, in dem Bereich von 0 V bis 5 V liegen und das Referenzsignal kann ebenfalls 5 V betragen. Daher muss der Kern des A/D-Wandlers 100, der von dem Komparator 102 und dem SAR 104 repräsentiert wird, ausgelegt sein, um mit Spannungen von bis zu 5 V umzugehen, was zu einer größeren Größe des A/D-Wandlers 100 führen kann, weil Vorrichtungen/Komponenten wie Transistoren und Kondensatoren, die für höhere Spannungen (d. h. in diesem Beispielsfall, ausgelegt sind, um bei Spannungen von bis zu 5 V betrieben zu werden) ausgelegt sind, gewöhnlich eine größere Größe aufweisen als Niederspannungsvorrichtungen bzw. -komponenten, die zum Beispiel ausgelegt sind, um bei geringen Spannungen von 1,5 V oder weniger betrieben zu werden. Es ist zu erwähnen, dass die Implementierung des gewöhnlichen A/D-Wandlers 100 aus 1 keine Bandgap-Referenz oder andere Referenz-Erzeugungseinheit in dem A/D-Wandler 100 oder innerhalb der umgebenden IC (integrierten Schaltung) aufweist, in die der A/D-Wandler 100 eingebettet sein kann. Eine Bandgap-Spannungsreferenz ist eine temperaturunabhängige Spannungsreferenz, die von einer Referenzspannung bereitgestellt werden kann. Die Bandgap-Referenz wird gewöhnlich von der theoretischen Silizium-Bandlücke bei 0 K abgeleitet, die bei 1,22 eV angesiedelt ist und tatsächlich gewöhnlich in einer Referenzspannung von 1,25 V Ausgang durch die Referenzschaltung resultiert.
Die Funktion des A/D-Wandlers 100 basiert auf dem Prinzip der Ladungsumverteilung. In der Erfassungsphase ist jeder Kondensator in dem Array von Kondensatoren C0, C1, C2 mit dem ersten Eingang 106 über Schalter gekoppelt, die den Kondensatoren zugewiesen sind, sodass jeder Kondensator in dem Array C0, C1, C2 mit der Speisespannung V. geladen ist. Tatsächlich wird eine Ladung, die proportional zu der Speisespannung ist, in dem Array aus Kondensatoren eingefangen, wobei der letzte Kondensator in dem Array (der die größte Kapazität aufweist) die höchsten Ladungen enthält. Dann wird die Menge der Ladung in jedem Kondensator des Arrays von Kondensatoren C0, C1, C2 verwendet, um eine binäre Suche über den Komparator 102 und das SAR 104 durchzuführen, und die Speisespannung V_in kann in einen digitalen Ausgangswert mit einer Auflösung von n Bit umgewandelt werden, wobei n die Anzahl der Kondensatoren in dem Array der Kondensatoren C0, C1, C2 und auch die Bitlänge des digitalen Ausgangssignals des A/D-Wandlers 100 ist.
In 2 ist ein Schema einer gewöhnlichen A/D-Wandleranordnung 200 dargestellt. Die A/D-Wandleranordnung 200 schließt den A/D-Wandler 206 ein, der symbolisch durch einen Schalter, einen Kondensator und einen Komparator repräsentiert ist, wobei diese Vorrichtungen Grundkomponenten eines herkömmlichen A/D-Wandlers sind. Die A/D-Wandleranordnung 200 weist einen ersten Eingang 202 auf, an den eine Speisespannung V_in, d. h. das umzuwandelnde Signal, angelegt werden kann. Die A/D-Wandleranordnung 200 weist ferner einen zweiten Eingang 202 auf, an den eine Referenzspannung V_ref angelegt werden kann. Die A/D-Wandleranordnung 200 repräsentiert einen herkömmlichen A/D-Wandler, der zum Berechnen des ratiometrischen Wertes konfiguriert sein kann, d. h. des Verhältnisses zwischen der Speisespannung V_in und der Referenzspannung V_ref. Diese Berechnung kann mithilfe einer Einschrittwandlung durchgeführt werden. Der A/D-Wandler 206 erhält jedoch die externe Referenzspannung V_ref, sodass er mit Spannungen umgehen muss, die größer sind als seine (internen) Spannungen, zum Beispiel die Betriebsspannungen der Vorrichtungen wie Kondensatoren und/oder Transistoren in dem Kern des A/D-Wandlers 206. In diesem beispielhaften Szenario kann die Speisespannung V_in Werte in dem Bereich von 0 V bis 5 V aufweisen und die Referenzspannung kann 5 V betragen. Daher muss der Kern des A/D-Wandlers 206 so konfiguriert sein, dass er solche Spannungen verarbeiten kann, und der A/D-Wandler 206 kann nicht vollständig mithilfe der Kernkomponenten bzw. -vorrichtungen implementiert sein, d. h. Komponenten bzw. Vorrichtungen wie Kondensatoren und/oder Transistoren, die bei Kernspannungen des A/D-Wandlers 206 betrieben werden, die zum Beispiel in dem Bereich von 1,5 V oder weniger betrieben werden.
Ein Schema der A/D-Wandleranordnung 300 gemäß den verschiedenen Ausführungsformen ist in 3 dargestellt. Die A/D-Wandleranordnung 300 gemäß verschiedenen Ausführungsformen schließt einen ersten Eingang 302 ein, an den eine Speisespannung V_in, d. h. das umzuwandelnde Signal, angelegt werden kann. Die A/D-Wandleranordnung 300 gemäß den verschiedenen Ausführungsformen kann ferner einen zweiten Eingang 304 aufweisen, an den eine Referenzspannung V_ref angelegt werden kann. Sowohl die Speisespannung V_in als auch die Referenzspannung V_ref können von der gleichen Spannungsdomäne abgeleitet sein, die eine Spannungsdomäne sein kann, die aus Sicht des in der A/D-Wandleranordnung 300 enthaltenen A/D-Wandlers 312 extern ist. Der erste Eingang 302 und der zweite Eingang 304 können mit einem Multiplexer 306 gekoppelt sein. Ein Ausgang des Multiplexers 306 kann mit einem Spannungsteiler 308 gekoppelt sein, dessen Ausgang mit einem ersten Eingang des A/D-Wandlers 312 gekoppelt sein kann. Der Spannungsteiler 308 kann jede Untersetzerschaltung sein, die zum Bereitstellen eines Ausgangssignals konfiguriert ist, das einer Fraktion des Signals entspricht, das an dem Eingang des Spannungsteilers 308 bereitgestellt wird. Der Spannungsteiler 308 kann zum Beispiel als resistiver oder als kapazitiver Spannungsteiler konfiguriert sein. Der A/D-Wandler 300 kann ferner einen dritten Eingang 310 aufweisen, an den ein spannungsdomänenspezifisches Referenzsignal/Spannung V_{ref_internal} angelegt werden kann. Obgleich der Spannungsteiler 308 in 3 als separate Komponente oder Schaltung angezeigt wird, ist zu erwähnen, dass dieser auch in dem A/D-Wandler 312 implementiert sein kann, zum Beispiel als resistiver oder kapazitiver Spannungsteiler.
Die spannungsdomänenspezifische Referenzspannung V_{ref_internal} kann in dem Bereich der Spannung liegen, für dessen Betrieb der Kern des A/D-Wandlers 312 konfiguriert ist, und kann zum Beispiel 1,5 V oder weniger betragen. Mit anderen Worten kann die spannungsdomänenspezifische Referenzspannung V_{ref_internal} in der Spannungsdomäne liegen, die von dem Kern des A/D-Wandlers 312 verwendet wird, d. h. sie kann die gleiche maximale Amplitude aufweisen. Die spannungsspezifische Referenzspannung V_{ref_internal} kann kleiner sein als die (externe) Referenzspannung V_ref, die außerhalb des Kerns des A/D-Wandlers 312 verwendet werden kann und die an den zweiten Eingang 304 angelegt werden kann. Zum Beispiel kann die spannungsdomänenspezifische Referenzspannung V_{ref_internal} eine Bandgap-Referenzspannung sein, d. h. von einer Bandlücke eines Materials wie Silizium abgeleitet sein oder von einer Verbindung zwischen zwei Materialien wie zwei Halbleitern. Die (externe) Referenzspannung V_ref kann eine Amplitude aufweisen, die zum Abdecken des gesamten Bereichs möglicher Signalwerte des Eingangssignals V_in konfiguriert ist, und kann zum Beispiel einen Wert von 5 V oder mehr aufweisen.
Der Wandlungsprozess der A/D-Wandleranordnung 300 gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Zweischritt-Verfahren sein. In einem ersten Schritt kann der Multiplexer 306 den ersten Eingang 302 der A/D-Wandleranordnung 300 über den Spannungsteiler 308 mit dem A/D-Wandler 312 koppeln, sodass die Speisespannung V_in in Bezug auf die spannungsdomänenspezifische Referenzspannung V_{ref_internal} bestimmt werden kann. Das Ergebnis dieses ersten Berechnungsverfahrens in Form eines ersten digitalen Vergleichssignals (z. B. ein erstes digitales Vergleichswort) kann in einem ersten Register (in 3 nicht dargestellt) gespeichert werden. In einem zweiten Schritt kann der Multiplexer 306 konfiguriert sein, um den zweiten Eingang 304 des A/D-Wandlers 312 über den. Spannungsteiler 308 zu koppeln, sodass die Referenzspannung V_ref in Bezug auf die spannungsdomänenspezifische Referenzspannung V_{ref_internal} bestimmt werden kann. Das Ergebnis dieses zweiten Berechnungsverfahrens in Form eines zweiten digitalen Vergleichssignals (z. B. ein zweites digitales Vergleichswort) kann in einem zweiten Register (in 3 nicht dargestellt) gespeichert werden. Eine digitale Spannungsteilerschaltung (in 3 nicht explizit bezeichnet) kann den ratiometrischen Wert des ersten digitalen Vergleichssignals und des zweiten digitalen Vergleichssignals generieren. Dieser ratiometrische Wert kann dem digital gewandelten Signal des umzuwandelnden Signals entsprechen. Der ratiometrische Wert kann am Ausgang 314 des A/D-Wandlers 312 zur weiteren Bearbeitung bereitgestellt werden, wie unten weiter umrissen wird. Das ratiometrische Ergebnis kann mit dem ratiometrischen Ergebnis übereinstimmen, das von der Architektur einer herkömmlichen A/D-Wandleranordnung 200 aus 2 generiert wird. Die A/D-Wandleranordnung 300 aus 3 führt jedoch die Wandlung in zwei separaten Berechnungsschritten durch. Der A/D-Wandler 312 in der A/D-Wandleranordnung 300 gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann im Gegensatz zu dem A/D-Wandler 206 in der A/D-Wandleranordnung 200 aus 2 nur durch Verwenden von bereichsoptimierten Kernvorrichtungen/-komponenten implementiert sein, weil der A/D-Wandler 312 die spannungsdomänenspezifische Referenzspannung V_{ref_internal} anstelle der gewöhnlich größeren (externen) Referenzspannung V_ref als Referenzsignal verwenden kann, was gewöhnlich der Fall bei gewöhnlichen A/D-Wandler-Konzepten ist.
Der Spannungsteiler 308 kann derart konfiguriert sein, dass sein Ausgangssignal eine Amplitude von gleich oder kleiner als die spannungsdomänenspezifische Referenzspannung aufweist. Mit anderen Worten kann der Spannungsteiler 308 konfiguriert sein, die Signale, die an seinem Eingang, z. B. die Speisespannung V_in und/oder Referenzspannung V_ref, von seiner Spannungsdomäne in die Kernspannungsdomäne des A/D-Wandlers 312 umzuwandeln, sodass weder das Eingangssignal V_in noch das Referenzsignal V_ref eine größere Amplitude als die spannungsdomänenspezifische Referenzspannung V_{ref_internal} aufweist, die von dem A/D-Wandler 312 als Referenz verwendet wird. Zum Beispiel kann, wenn die Referenzspannung 5 V entspricht und die Speisespannung V, voraussichtlich irgendwo zwischen 0 V und 5 V liegt, der Spannungsteiler 308 zum Teilen seiner Eingangssignale durch vier konfiguriert sein, sodass in diesem Beispiel sowohl das Eingangssignal V_in als auch das Referenzsignal V_ref 1,5 V nicht überschreiten, was einer beispielhaften spannungsdomänenspezifischen Referenzspannung V_{ref_internal} entsprechen kann.
Die A/D-Wandleranordnung 300 aus 3 kann auch zum Berechnen des absoluten Wertes der Speisespannung V_in durch Auslesen des digitalen Wertes nur des ersten Registers konfiguriert sein, das nur das erste digitale Vergleichswort speichert und die Speisespannung V_in repräsentiert. In dem Fall, dass die digitale Spannungsteilerschaltung zum Bereitstellen des digitalen ratiometrischen Wertes konfiguriert ist, kann diese eine Teilung durch „1” anstelle einer Teilung durch das zweite digitale Vergleichswort durchführen, das in dem zweiten Register gespeichert ist und die (externe) Referenzspannung V_ref repräsentiert. Das Ergebnis der Berechnung kann sehr präzise mit der spannungsdomänenspezifischen Referenzspannung V_{ref_internal} in Bezug gesetzt werden, zum Beispiel mit einer integrierten Referenzspannungsquelle (welche z. B. auf der Bandgap-Spannungsreferenz basieren kann), die innerhalb des A/D-Wandlers 312 bereitgestellt wird.
4 zeigt ein beispielhaftes schematisches Layout der A/D-Wandleranordnung 400 gemäß verschiedenen Ausführungsformen, die auf der Implementierung aus 3 basiert. Die A/D-Wandleranordnung 400 verwendet einen weiteren Spannungsteiler 406, der zwischen dem ersten Eingang 402 und dem A/D-Wandler 408 gekoppelt sein kann, um mit Speisespannungen V_in umgehen zu können, die größer als die (externe) Referenzspannung V_ref sein können. Der zweite Eingang 404, für den die Referenzspannung V_ref bereitgestellt wird, kann mit dem A/D-Wandler 408 gekoppelt sein (z. B. dem Multiplexer darin). In dieser Ausführungsform sind der Multiplexer und der Spannungsteiler, der diesem vorgeschaltet ist (wie in der Ausführungsform der A/D-Wandleranordnung 300 gemäß verschiedenen Ausführungsformen aus 3 dargestellt), nicht dargestellt. Der A/D-Wandler 408 kann den A/D-Wandler-Kern 312 aus der A/D-Wandleranordnung 300 gemäß verschiedenen Ausführungsformen aus 3 aufweisen. Der Spannungsteiler 406 kann zum Beispiel als resistiver oder kapazitiver Spannungsteiler implementiert sein. Das Berechnungsmuster, das den Ausgang 410 des A/D-Wandlers 408 ergibt, ist in dem ersten Kasten 412 angezeigt. Der Ausgang 410 in Form eines digitalen Wortes entspricht dem ratiometrischen Wert der Speisespannung V_in, die durch ein Teilungsmaß DIV als Dividendenwert und der (externen) Referenzspannung V_ref als Divisorwert verwendet wird, wobei dieser Quotient mit (2ⁿ – 1) multipliziert wird, worin n die Bitlänge des digitalen Wortes ist, das das digital umgewandelte Signal des umzuwandelnden Signals V_in repräsentiert. Die Bitlänge n soll auch die Auflösung des Wandlungsverfahrens bestimmen, die von der A/D-Wandleranordnung 400 gemäß verschiedenen Ausführungsformen aus 4 durchgeführt wird. In dem zweiten Kasten 416 ist eine Berechnung dargestellt, die von einer Mikrosteuerung durchgeführt werden kann, die dem Ausgang 410 des A/D-Wandlers 408 bereitgestellt werden kann (oder die Mikrosteuerung kann in dem A/D-Wandler 408 enthalten sein), um einen absoluten digitalen Wert der Speisespannung V_in zu ermitteln. Die Mikrosteuerung kann grundsätzlich zum Teilen des digitalen Wertes, der an dem Ausgang 410 des A/D-Wandlers bereitgestellt wird, durch (2ⁿ – 1) zum Multiplizieren davon mit dem Teilungsmaß DIV und schließlich Multiplizieren davon mit der Referenzspannung V_ref konfiguriert sein. Mit anderen Worten kann die Mikrosteuerung zum Durchführen der inversen Berechnung in Bezug auf den A/D-Wandler 408 konfiguriert sein. Beide Berechnungen, wie in dem ersten Kasten 412 und dem zweiten Kasten 418 dargestellt, können rein in der Spannungsdomäne von A/D-Wandler 408 oder dessen Kern durchgeführt werden, d. h. exklusiv mit der Hardwarelogik, die bei Betriebsspannungen betrieben wird, die in der Kernspannungsdomäne des A/D-Wandlers 408 liegen, zum Beispiel bei 1,5 V oder kleiner.
In 5 ist ein weiteres beispielhaftes schematisches Layout einer A/D-Wandleranordnung 500 gemäß verschiedenen Ausführungsformen dargestellt, die als ausführlichere Beschreibung der A/D-Wandleranordnung 300 aus 3 angesehen werden kann.
Die A/D-Wandleranordnung 500 weist einen ersten Eingang 502 auf, dem die Speisespannung V_in, d. h. das umzuwandelnde Signal, bereitgestellt werden kann, und einen zweiten Eingang 504, dem ein Referenzsignal V_ref bereitgestellt werden kann. Die A/D-Wandleranordnung 500 kann ferner einen ersten Spannungsteiler 506 und einen zweiten Spannungsteiler 508 aufweisen. Der erste Eingang 502 kann mit dem ersten Spannungsteiler 506 gekoppelt sein, sodass der erste Spannungsteiler 506 die Speisespannung V_in erhalten kann und eine Fraktion der Speisespannung V_in ausgeben kann. Das heißt, der erste Spannungsteiler 506 kann zum Teilen seines Eingangssignals durch einen vorbestimmten Faktor DIV_IN konfiguriert sein. Der zweite Eingang 504 kann mit dem zweiten Spannungsteiler 508 gekoppelt sein, sodass der zweite Spannungsteiler 508 die Referenzspannung V_ref erhalten kamt und eine Fraktion der Referenzspannung V_ref ausgeben kann. Das heißt, der zweite Spannungsteiler 508 kann zum Teilen seines Eingangssignals durch einen vorbestimmten Faktor DIV_REF konfiguriert sein. Der Ausgang des ersten Spannungsteilers 506 kann mit einem ersten Eingang eines Multiplexers 510 über eine erste Abtast-Halte-Stufe 507 gekoppelt sein. Der Ausgang des zweiten Spannungsteilers 508 kann mit einem zweiten Eingang des Multiplexers 510 über eine zweite Abtast-Halte-Stufe 509 gekoppelt sein. Die Abtast-Halte-Stufen 507, 509 können gemäß verschiedenen Ausführungsformen auch zwischen den entsprechenden Eingängen des A/D-Wandlers 500 und den Spannungsteilern 506, 508 bereitgestellt sein. Ein Ausgang des Multiplexers 510 kann mit einem ersten Eingang des A/D-Wandlers 512 gekoppelt sein. Ein spannungsdomänenspezifisches Referenzsignal V_{bg_core} kann an einen zweiten Eingang des Multiplexers 512 angelegt werden. Das spannungsdomänenspezifische Referenzsignal V_{bg_core} kann zum Beispiel von einer integrierten Bandlücke abgeleitet werden, wie bereits in Bezug auf die Beschreibung von 1 beschrieben wurde. Ein Ausgang des Multiplexers 510 kann mit einem ersten Register 516 gekoppelt sein, das zum Speichern des ersten digitalen Vergleichssignals konfiguriert sein kann, das das umgewandelte Eingangssignal V_in repräsentiert, das auf das spannungdomänenspezifische Referenzsignal V_{bg_core} bezogen wird. Der Ausgang des Multiplexers 510 kann weiter mit einem zweiten Register 518 gekoppelt sein, das zum Speichern des zweiten digitalen Vergleichssignals konfiguriert ist, das das umgewandelte Referenzsignal V_ref repräsentiert. Das erste Register 516 und/oder das zweite Register 518 können zum Beispiel in Form von D-Flipflops bereitgestellt sein. Jedes der Register kann mit einer digitalen Spannungsteilerschaltung 520 gekoppelt sein. Die digitale Spannungsteilerschaltung 520 ist mit einer digitalen Multiplikationsschaltung 522 gekoppelt. Die digitale Spannungsteilerschaltung 520 und die digitale Multiplikationsschaltung können eine ratiometrische Schaltung bilden, die zum Bestimmen eines digital umgewandelten Signals des umzuwandelnden Signals V_in konfiguriert sind, indem sie das erste digitale Vergleichssignal und das zweite digitale Vergleichssignal verwenden, die in dem entsprechenden Register 516 bzw. 518 gespeichert sind.
Im Folgenden wird die Funktion der A/D-Wandleranordnung 500 beschrieben. Das umzuwandelnde Signal V_in kann an den ersten Eingang 502 angelegt werden. Die (externe) Referenzspannung V_ref kann an den zweiten Eingang 504 angelegt werden. Die Speisespannung V_in und die Referenzspannung V_ref können aus Sicht des A/D-Wandlers 512 aus einer externen Spannungsdomäne stammen. Zum Beispiel kann die Speisespannung voraussichtlich in dem Bereich von 0 V bis 10 V liegen und die Referenzspannung 10 V betragen. Dies ist nur ein mögliches Beispiel, die Speisespannung V_in kann in jedem Bereich liegen, der gewöhnlich von einer externen Schaltung vorgegeben wird, welche die A/D-Wandleranordnung 500 zum Digitalisieren von Signalen verwendet. Der erste Spannungsteiler 506 und der zweite Spannungsteiler 508 können durch eine einzelne Spannungsteilerstufe ersetzt werden, die zwischen dem Multiplexer 510 und dem A/D-Wandler 512 angeordnet sein kann, analog zu dem Schema der A/D-Wandleranordnung 300 gemäß verschiedenen Ausführungsformen aus 3. Die erste Abtast-Halte-Stufe 507 und die zweite Abtast-Halte-Stufe 509 können von einem gemeinsamen Signal ausgelöst werden und daher zum gleichzeitigen Abtasten der Speisespannung V_in bzw. Referenzspannung V_ref konfiguriert sein. Mit anderen Worten versichern die Abtast-Halte-Stufen, dass Einzelstichprobenwerte von den Signalen, die an den ersten Eingang 502 bzw. den zweiten Eingang 504 angelegt werden, zur gleichen Zeit abgetastet werden und dadurch vorübergehend miteinander korrelieren. Nachdem die umzuwandelnde Speisespannung V_in zusammen mit dem Referenzwert V_ref erfasst wurde, kann der Multiplexer 512 die Speisespannung V_in an den A/D-Wandler 512 weiterleiten, sodass in einem ersten Bearbeitungsschritt der A/D-Wandler 512 die Speisespannung V_in in ein erstes digitales Vergleichssignal wandeln kann und ein digitales Wort, das diesem Signal entspricht, in dem ersten Register 516 speichern kann. Der A/D-Wandler 512 kann durch Verwenden nur von Vorrichtungen/Komponenten implementiert werden, die zum Betreiben bei einer Betriebsspannung konfiguriert sind, die in der Kernspannungsdomäne des A/D-Wandlers 512 liegen, zum Beispiel in der Spannungsdomäne von 1,5 V oder weniger. Folglich kann für die Berechung in dem ersten Prozessschritt das spannungsdomänenspezifische Referenzsignal V_{bg_core} von dem A/D-Wandler 512 als Referenz verwendet werden. Mit anderen Worten kann das erste digitale Vergleichssignal, das die digitalisierte Speisespannung V_in repräsentiert, dem ratiometrischen Wert der Speisespannung V_in entsprechen, die durch das spannungsdomänenspezifische Referenzsignal V_{bg_core} geteilt wird. Die Speisespannung V_in kann entsprechend von dem ersten Spannungsteiler 506 vorskaliert, d. h. geteilt, werden, sodass die maximale Amplitude der Speisespannung V_in gleich oder kleiner als die maximale Amplitude der Signale ist, die in der Kerndomäne von A/D-Wandler 512 verarbeitet werden. Mit anderen Worten kann die geteilte Speisespannung V_in in der Kernspannungsdomäne von A/D-Wandler 512 liegen. Zum Beispiel kann, wenn das spannungsdomänenspezifische Referenzsignal V_{bg_core} 1,5 V beträgt, der erste Spannungsteiler 506 zum Teilen der Speisespannung 512 konfiguriert sein, sodass der maximal erwartete Wert 1,5 V nicht überschreitet. Mit anderen Worten soll der erste Spannungsteiler die Speisespannung V_in von ihrer Spannungsdomäne in die Spanungsdomäne von A/D-Wandler 512 wandeln. In einem zweiten Prozessschritt wird die gleiche Berechnung für den (externen) Referenzwert V_ref durchgeführt, d. h. der ratiometrische Wert der Referenzspannung V_ref in Bezug auf das spannungsdomänenspezifische Referenzsignal V_{bg_core} kann berechnet werden, und das resultierende zweite digitale Vergleichssignal kann in dem zweiten Register 518 in Form eines digitalen Wortes gespeichert werden. Analog dazu kann die Referenzspannung V_ref entsprechend von dem zweiten Spannungsteiler 508 vorskaliert, d. h. geteilt, werden, sodass die Referenzspannung V_ref gleich oder kleiner als das spanungdomänenspezifische Referenzsignal V_{bg_core} sein kann, das von dem A/D-Wandler 512 als Referenzsignal verwendet wird. Nach dem Speichen der digitalen Worte, die das Eingangssignal V_in und das (externe) Referenzsignal V_ref repräsentieren, in ihren jeweiligen Register 516, 518, können beide digitalen Worte an die digitale Spannungsteilerschaltung 520 ausgegeben werden. Die digitale Spannungsteilerschaltung 520 kann zum Berechnen des ratiometrischen Wertes der Speisespannung V_in und der Referenzspannung V_ref konfiguriert sein, d. h. dem Quotienten V_in/V_ref. Mit anderen Worten kann der ratiometrische Wert von einer Teilung des digitalen Wortes, das dem ersten digitalen Vergleichssignal entspricht, das in dem ersten Register 516 (das die Speisespannung V_in repräsentiert) gespeichert ist, mit dem digitalen Wort, das dem zweiten digitalen Vergleichssignal entspricht, das in dem zweiten Register 518 (das die (externe) Referenzspannung V_ref repräsentiert) gespeichert ist, erhalten werden. Das Ergebnis dieser Berechnung kann an die digitale Multiplikationsschaltung 522 weitergeleitet werden, die zum Multiplizieren dieses ratiometrischen Wertes mit (2ⁿ – 1) konfiguriert sein kann, sodass das endgültige ratiometrische Ergebnis 526, d. h. des digital umgewandelten Signals des umzuwandelnden Signals V_in, von der digitalen Multiplikationsschaltung 522 erhalten werden kann.
Die A/D-Wandleranordnung 500 gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ferner zum Auslesen des ersten Registers 516 und Ausgeben des digitalen Wortes, das die Speisespannung V_in repräsentiert, konfiguriert sein. Mit anderen Worten kann die A/D-Wandleranordnung 500 zum Ausgeben eines absoluten Ergebnisses 524 konfiguriert sein, das sich hochpräzise auf das spannungsdomänenspezifische Referenzsignal V_{bg_core} bezieht.
Die A/D-Wandleranordnung 500 kann ferner aufgrund der inhärenten Redundanz präzise und zuverlässige Berechnungsergebnisse liefern. Das erste Register 516 ist zum Speichern des ersten digitalen Vergleichssignals konfiguriert, d. h. des Verhältnisses zwischen der Speisespannung V_in und dem spannungsdomänenspezifischen Referenzsignal V_{bg_core}. Das zweite Register 518 ist zum Speichern des zweiten digitalen Vergleichssignals konfiguriert, d. h. das Verhältnis zwischen der (externen) Referenzspannung V_ref und dem spannungsdomänenspezifischen Referenzsignal V_{bg_core}. Die digitale Spannungsteilerschaltung 520 ist zum Bereitstellen des ratiometrischen Wertes der Speisespannung V_in und Referenzspannung V_ref konfiguriert. Diese drei unabhängigen Werte (die alle Quotienten aus drei Parametern sind) können miteinander gegengeprüft werden, um die Konsistenz der Berechnungen, die von der A/D-Wandleranordnung 512 durchgeführt werden, zu überprüfen.
In 6 ist eine beispielhafte Hardwareimplementierung der A/D-Wandleranordnung 600 gemäß verschiedenen Ausführungsformen dargestellt. Die A/D-Wandleranordnung 600 kann verschiedene Eingangskanäle aufweisen, zum Beispiel Hochspannungseingangskanäle mit Speisespannungen in dem Bereich, zum Beispiel, zwischen 0 V und 22,5 V oder zwischen 5,5 V und 39,96 V und Mittelspannungseingangskanäle mit Speisespannungen in dem Bereich von 0 V und 5,6 V. In 6 kann jeder Eingangskanal die gleiche Struktur aufweisen. Jeder Eingangskanal kann einen Schalter 604 aufweisen, der verwendet werden kann, um einen Zeitpunkt auszuwählen, an dem das entsprechende Signal abgetastet werden muss. In jedem Eingangskanal kann der Schalter mit einem entsprechenden Kondensator 606 gekoppelt sein, der als Spannungsteiler in Verbindung mit einem Suchkondensator 618 fungieren kann. Obgleich nur ein Kondensator 606 in jedem der Eingangskanäle angezeigt ist, können mehrere Kondensatoren parallel gekoppelt in jedem Eingangskanal bereitgestellt werden, wobei ihre Anzahl oben rechts von dem Kondensatorsymbol angezeigt wird. Die Zahl der Kapazitäten, die parallel in jedem Eingangskanal gekoppelt sind, kann von einer Größe der Speisespannungen vorgegeben sein, die an den entsprechenden Eingangskanal angelegt werden. Die Zahlen oben rechts von den Kondensatorsymbolen aus 6 zeigen nur eine beispielhafte Einrichtung der Eingangskanäle und können selbstverständlich gemäß den Kapazitäten der verwendeten Kondensatoren und der Größe der entsprechenden Speisespannungen verwendet werden.
Des Weiteren kann jeder Kondensator in der Parallelanordnung eines entsprechenden Eingangskanals eine Reihenanordnung von Kondensatoren aufweisen, zum Beispiel zwei Kondensatoren, drei Kondensatoren oder sogar mehr. In diesem Beispiel kann der mittlere Speisespannungskanal den Eingangskanal repräsentieren, an den die (externe) Referenzspannung V_ref angelegt werden kann, und die Hochspannungseingangskanäle können die Eingangskanäle repräsentieren, an die in digitale Werte umzuwandelnde Speisespannungen V_in angelegt werden können. Alle Eingangskanäle sind mit einem Summierknoten 608 des A/D-Wandler-Kerns 602 gekoppelt, der in der A/D-Wandleranordnung 600 bereitgestellt ist. Der Summierknoten 608 ist mit einem Eingang des Komparators gekoppelt und mit einer Seite eines Suchkondensators 618, der ein Kondensator mit variabler Kapazität sein kann. Ein Ausgang des Komparators 610 kann mit einem SAR 612 gekoppelt sein, das wiederum mit einem Register 614 gekoppelt sein kann. Ein Ausgang des Registers 614 formt den digitalen Ausgang des A/D-Wandler-Kerns 602 und dadurch das digital umgewandelte Signal des umzuwandelnden Signals V_in. Sowohl die SAR 612 als auch das Register 614 können mit einer zentralen Stromversorgung gekoppelt sein und mit einer Spannung von zum Beispiel 1,5 V bereitgestellt sein. Der A/D-Wandler-Kern 602 kann ferner einen Low-Dropout-Regler 622 aufweisen, der zum Generieren einer lokalen Versorgungsspannung für den A/D-Wandler-Kern 602 konfiguriert ist. Zum Beispiel kann der Low-Dropout-Regler 622 zum Umwandeln einer Versorgungsspannung konfiguriert sein, die außerhalb der Kernspannungsdomäne liegt, zum Beispiel eine Versorgungsspannung von 5 V, in eine niedrigere lokale Spannung von zum Beispiel 1,5 V, die von den Kernvorrichtungen/-komponenten des A/D-Wandlers 602 verwendet werden kann. Der Low-Dropout-Regler 622 kann mit dem Komparator 610 und einem Puffer 620 gekoppelt sein. Ein Ausgang des Puffers 620 kann mit der anderen Seite des Suchkondensators 618 gekoppelt sein. Der Puffer 620 kann einen Eingang aufweisen, an den entweder das spannungsdomänenspezifische Referenzsignal 622, zum Beispiel 1,23 V, das von einer Bandgap-Referenz abgeleitet wird, oder ein Niederspannungsanalogsignal 624 angelegt werden können.
Die binäre Suche in der A/D-Wandleranordnung 600 wird mithilfe des Suchkondensators 618 durchgeführt, der das gewöhnlich verwendete Array binär gewichteter Kondensatoren ersetzt (siehe 1). Die Steuerklemme des Suchkondensators 618 ist mit dem SAR 612 gekoppelt, sodass der Kapazitätswert des Suchkondensators 618 von dem SAR 612 angepasst werden kann. Nachdem ein ausgewähltes umzuwandelndes Eingangssignal, das an einen Eingangskanal angelegt wird, von dem Komparator 610 und dem SAR 612 umgewandelt wurde, kann es in dem Register 614 gespeichert werden.
Der A/D-Wandler-Kern 602, der in der A/D-Wandleranordnung 600 gemäß verschiedenen Ausführungsformen eingeschlossen ist, kann vollständig in der Kerndomäne implementiert sein, zum Beispiel bei 1,5 V. Mit anderen Worten kann der A/D-Wandler-Kern 602 in die Hardware durch Verwenden nur von Komponenten/Vorrichtungen implementiert werden, die zum Verarbeiten von Spannungen von bis zu 1,5 V ausgelegt sind. Dies kann die Größe des A/D-Wandler-Kerns 602 reduzieren, weil Vorrichtungen/Komponenten (wie Transistoren, Kondensatoren), die für niedrige Spannungen ausgelegt sind, dazu tendieren, im Vergleich zu äquivalenten Vorrichtungen/Komponenten kleiner zu sein, die zum Umgehen mit größeren Spannungen ausgelegt sind. Die Spannungsdomäne des A/D-Wandler-Kerns 602, der eine niedrige Spannungsdomäne gemäß verschiedenen Ausführungsformen sein soll, kann sich über den Summierknoten 608 bis zu den Ausgängen der (in diesem beispielhaften Szenario) kapazitiven Spannungsteiler wie der letzte Kondensator 606 in der Serienanordnung der Kondensatoren erstrecken. Die digitale Nachbearbeitung der digitalen Worte, die in dem Register 614 gespeichert ist, ist in 6 nicht dargestellt, weil eine entsprechende Erklärung bereits in Bezug auf die A/D-Wandleranordnung 500 aus 5 gegeben wurde.
7 zeigt ein Flussdiagramm 700, das einen möglichen Prozessfluss in dem A/D-Wandler gemäß verschiedenen Ausführungsformen darstellt.
In einem ersten Schritt 702 können das umzuwandelnde Signal V_in und das Referenzsignal V_ref bestimmt werden. Beide Signale können Einzelstichprobenwerten entsprechen, die zur gleichen Zeit erfasst und von einer Abtast- und Halte-Stufe gespeichert werden.
In einem zweiten Schritt 704 kann das digitale Vergleichswort bestimmt werden. Das erste digitale Vergleichswort kann mithilfe des A/D-Wandlers durch Teilen des umzuwandelnden Signals erhalten werden, zum Beispiel der Speisespannung V_in über das spannungsdomänenspezifische Referenzsignal V_{ref_internal}. In einem dritten Schritt 706 kann dieses erste digitale Vergleichswort in einem ersten Register gespeichert werden.
In einem vierten Schritt 708 kann das zweite digitale Vergleichswort bestimmt werden. Das zweite digitale Vergleichswort kann mithilfe des A/D-Wandlers durch Teilen des Referenzsignals V_ref durch das spannungsdomänenspezifische Referenzsignal V_{ref_internal} erhalten werden. In einem fünften Schritt 710 kann das zweite digitale Vergleichswort in einem zweiten Register gespeichert werden. Es sei darauf hingewiesen, dass das erste digitale Vergleichswort und das zweite digitale Vergleichswort unabhängig voneinander in zwei separaten Verarbeitungsschritten bestimmt werden können, wobei jedes dieser digitalen Signale (in Form von digitalen Worten) in einem separaten dafür vorgesehenen Register gespeichert werden können. Die Reihenfolge, mit der die digitalen Vergleichsworte bestimmt werden, ist willkürlich, sodass der zweite Schritt 704 und der dritte Schritt 706 auch nach Durchführen des vierten Schrittes 708 und des fünften Schrittes 710 durchgeführt werden können.
In einem sechsten Schritt 712 kann der ratiometrische Wert des ersten Vergleichswortes und des zweiten Vergleichswortes generiert werden, zum Beispiel durch die ratiometrische Schaltung. Dieser ratiometrische Wert kann dem digital umgewandelten Signal des umzuwandelnden Signals V_in entsprechen.
Wenngleich die Erfindung insbesondere in Bezug auf die spezifischen Ausführungsformen dargestellt und beschrieben wurde, wird ein Fachmann verstehen, dass verschiedene Änderungen in Form und Detail daran vorgenommen werden können, ohne von dem Geist und Schutzbereich der Erfindung wie in den beiliegenden Ansprüchen definiert abzuweichen. Der Schutzbereich der Erfindung ist daher durch die beiliegenden Ansprüche angegeben, wobei sämtliche Änderungen, die in die Bedeutung und den Äquivalenzbereich der Ansprüche fallen, eingeschlossen sein sollen.

Claims

Analog-Digital-Wandleranordnung (300), aufweisend: eine Eingangsklemme (302), die zum Empfangen eines umzuwandelnden Signals (V_in) konfiguriert ist; eine Referenzklemme (304), die zum Empfangen eines Referenzsignals (V_ref) konfiguriert ist; eine spannungsdomänenspezifische Referenzklemme (310), die zum Empfangen eines spannungsdomänenspezifischen Referenzsignals (V_{ref_internal} ₎ konfiguriert ist; eine Analog-Digital-Wandlerschaltung (312), die mit der Eingangsklemme (302), der Referenzklemme (304) und mit der spannungsdomänenspezifischen Referenzklemme (310) gekoppelt ist und zum Vergleichen des umzuwandelnden Signals (V_in) mit dem spannungsdomänenspezifischen Referenzsignal (V_{ref_internal}), wodurch ein erstes digitales Vergleichssignal generiert wird, und zum Vergleichen des Referenzsignals (V_ref) mit dem spannungsdomänenspezifischen Referenzsignal (V_{ref_internal}), wodurch ein zweites digitales Vergleichssignal generiert wird, konfiguriert ist; und eine ratiometrische Schaltung, die zum Bestimmen eines digital umgewandelten Signals des umzuwandelnden Signals (V_in) durch Verwenden des ersten digitalen Vergleichssignals und des zweiten digitalen Vergleichssignals konfiguriert ist.
Analog-Digital-Wandleranordnung (300) nach Anspruch 1, wobei die Referenzklemme (304) konfiguriert ist, das Referenzsignal (V_ref) zu empfangen, wobei das Referenzsignal (V_ref) aus einer anderen Spannungsdomäne stammt als das spannungsdomänenspezifische Referenzsignal (V_{ref_internal}).
Analog-Digital-Wandleranordnung (300) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Referenzklemme (304) zum Empfangen des Referenzsignals (V_ref), das eine größere Amplitude aufweist als das spannungsdomänenspezifische Referenzsignal (V_{ref_internal}), konfiguriert ist.
Analog-Digital-Wandleranordnung (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Referenzklemme (304) zum Empfangen von Referenzsignalen (V_ref) mit einer Amplitude von 3,3 V oder mehr konfiguriert ist.
Analog-Digital-Wandleranordnung (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die spannungsdomänenspezifische Referenzklemme (310) zum Empfangen von spannungsdomänenspezifischen Referenzsignalen (V_{ref_internal}) konfiguriert ist, die eine Amplitude von 1,5 V oder weniger aufweisen.
Analog-Digital-Wandleranordnung (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die spannungsdomänenspezifische Referenzklemme (310) zum Empfangen von spannungsdomänenspezifischen Referenzsignalen (V_{ref_internal}), deren Spannungsdomäne der Kernspannungsdomäne der Analog-Digital-Wandlerschaltung (312) entspricht, konfiguriert ist.
Analog-Digital-Wandleranordnung (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner aufweisend: eine erste Abtast-Halte-Schaltung, die mit der Eingangsklemme (302) gekoppelt ist und zum Abtasten und Halten des umzuwandelnden Signals (V_in) konfiguriert ist.
Analog-Digital-Wandleranordnung (300) nach Anspruch 7, ferner aufweisend: eine zweite Abtast-Halte-Schaltung, die mit der Referenzklemme (304) gekoppelt ist und zum Abtasten und Halten des Referenzsignals (V_ref) konfiguriert ist, wobei die erste Abtast-Halte-Schaltung und die zweite Abtast-Halte-Schaltung zum gleichzeitigen Abtasten des umzuwandelnden Signals (V_in) bzw. des Referenzsignals (V_ref) konfiguriert sind.
Analog-Digital-Wandleranordnung (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner aufweisend: eine erste Spannungsteilerschaltung (308), die zum Teilen des umzuwandelnden Signals (V_in) konfiguriert ist.
Analog-Digital-Wandleranordnung (300) nach Anspruch 9, wobei die erste Spannungsteilerschaltung (308) zwischen der Eingangsklemme (302) und der ersten Abtast-Halte-Schaltung gekoppelt ist.
Analog-Digital-Wandleranordnung (300) nach Anspruch 9, wobei die erste Spannungsteilerschaltung (308) in der Analog-Digital-Wandlerschaltung (312) implementiert ist.
Analog-Digital-Wandleranordnung (300) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die erste Spannungsteilerschaltung (308) einen resistiven oder einen kapazitiven Spannungsteiler (308) umfasst.
Analog-Digital-Wandleranordnung (300) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die erste Spannungsteilerschaltung (308) zum Teilen des umzuwandelnden Signals (V_in) konfiguriert ist, sodass das geteilte umzuwandelnde Signal (V_in) eine Amplitude aufweist, die gleich oder kleiner ist als das spannungsdomänenspezifische Referenzsignal (V_{ref_internal}).
Analog-Digital-Wandleranordnung (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, ferner aufweisend: eine zweite Spannungsteilerschaltung, die zwischen der Referenzklemme (304) und der zweiten Abtast-Halte-Schaltung gekoppelt ist und zum Teilen des Referenzsignals (V_ref) konfiguriert ist.
Analog-Digital-Wandleranordnung (300) nach Anspruch 14, wobei die zweite Spannungsteilerschaltung einen resistiven Spannungsteiler oder einen kapazitiven Spannungsteiler umfasst.
Analog-Digital-Wandleranordnung (300) nach Anspruch 14 oder 15, wobei das geteilte Referenzsignal eine Amplitude aufweist, die gleich oder kleiner ist als das spannungsdomänenspezifische Referenzsignal (V_{ref_internal}).
Analog-Digital-Wandleranordnung (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, ferner aufweisend: mindestens eine weitere Eingangsklemme, die zum Empfangen eines weiteren umzuwandelnden Signals (V_in) konfiguriert ist, wobei die mindestens eine weitere Eingangsklemme mit der Analog-Digital-Wandlerschaltung (312) gekoppelt ist.
Analog-Digital-Wandleranordnung (300) nach Anspruch 17, ferner aufweisend: einen Multiplexer (306), der zum Bereitstellen des umzuwandelnden Signals (V_in), des Referenzsignals (V_ref) und des mindestens einen weiteren Eingangssignals an die Analog-Digital-Wandlerschaltung (312) konfiguriert ist.
Analog-Digital-Wandleranordnung (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, ferner aufweisend: ein erstes Register, das mit der Analog-Digital-Wandlerschaltung (312) gekoppelt ist und zum Speichern des ersten digitalen Vergleichssignals konfiguriert ist.
Analog-Digital-Wandleranordnung (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, ferner aufweisend: ein zweites Register, das mit der Analog-Digital-Wandlerschaltung (312) gekoppelt ist und zum Speichern des zweiten digitalen Vergleichssignals konfiguriert ist.
Analog-Digital-Wandleranordnung (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei die ratiometrische Schaltung zum Teilen des ersten Vergleichssignals, das in einem ersten Register gespeichert ist, durch das zweite Vergleichssignal, das in einem zweiten Register gespeichert ist, konfiguriert ist, wodurch ein Quotientensignal generiert wird.
Analog-Digital-Wandleranordnung (300) nach Anspruch 21, wobei die ratiometrische Schaltung ferner zum Multiplizieren des Quotientensignals mit (2^n – 1) konfiguriert ist, worin n die Bitlänge des digitalen Ausgangsignals der Analog-Digital-Wandlerschaltung (312) repräsentiert.
Analog-Digital-Wandleranordnung (300) nach einem der Ansprüche 19 bis 22, wobei die Analog-Digital-Wandleranordnung (300) zum Bereitstellen des ersten Vergleichssignals als digitales Ausgangsignal durch nur Auslesen des ersten Registers konfiguriert ist.
Analog-Digital-Wandleranordnung (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 23, ferner aufweisend: eine Spannungsteilerschaltung (308), die zwischen dem Multiplexer (306) und der Analog-Digital-Wandlerschaltung (312) gekoppelt ist und zum Teilen des Ausgangsignals aus dem Multiplexer (306) und zum Bereitstellen des geteilten Signals der Analog-Digital-Wandlerschaltung (312) konfiguriert ist.
Analog-Digital-Wandlerschaltung, aufweisend: einen ersten Eingang (302), der zum Empfangen eines umzuwandelnden Signals (V_in) konfiguriert ist; einen zweiten Eingang (304), der zum Empfangen eines externen Referenzsignals (V_ref) konfiguriert ist; einen internen Analog-Digital-Eingang (310), der zum Empfangen eines internen Analog-Digital-Referenzsignals (V_{ref_internal}) konfiguriert ist; einen Analog-Digital-Wandler (312), der mit dem ersten Eingang (302), dem zweiten Eingang (304) und mit dem internen Analog-Digital-Eingang gekoppelt ist und zum Vergleichen des umzuwandelnden Signals (V_in) mit dem internen Analog-Digital-Referenzsignal (V_{ref_internal}), wodurch ein erstes digitales Vergleichssignal generiert wird, und zum Vergleichen des externen Referenzsignals (V_ref) mit dem internen Analog-Digital-Referenzsignal (V_{ref_internal}) konfiguriert ist, wodurch ein zweites digitales Vergleichssignal generiert wird; und eine ratiometrische Schaltung, die zum Bestimmen eines digital umgewandelten Signals des umzuwandelnden Signals (V_in) durch Verwenden des ersten digitalen Vergleichssignals und des zweiten digitalen Vergleichssignals konfiguriert ist.