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Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Digital-Analog-Umsetzer (DAU) und insbesondere schnelle stromsteuernde DAU mit hoher Dynamik.
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Hintergrund
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Die hier vorgesehene Beschreibung des Hintergrunds dient dem Zweck, allgemein den Kontext der Offenbarung darzustellen. Die Arbeit der vorliegend genannten Erfinder, in dem Ausmaß, in dem sie in diesem Hintergrundabschnitt beschrieben ist, sowie Aspekte der Beschreibung, die bei der Einreichung nicht anderweitig als Stand der Technik gelten können, sind weder ausdrücklich noch implizit als Stand der Technik gegenüber der vorliegenden Offenbarung zugelassen.
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Digital-Analog-Umsetzer (DAU) werden verwendet, um digitale Daten in analoge Daten umzuwandeln. DAU werden bei vielen Anwendungen verwendet, einschließlich Kommunikationssystemen. Ein Thermometer-codierter DAU enthält ein gleiches Stromquellensegment für jeden möglichen Wert des DAU-Ausgangs. Zum Beispiel wiese ein 8-Bit-Thermometer-codierter DAU 255 Segmente auf, und ein 16-Bit-Thermometer-codierter DAU wiese 65 535 Segmente auf.
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Zusammenfassung
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Ein Digital-Analog-Umsetzer (DAU) enthält in einem Segment des DAU einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter. Der erste Schalter enthält ein erstes Transistorpaar mit einem ersten Satz Eingänge und weist einen ersten Ausgang auf, der mit einem Ausgang des DAU verbunden ist. Der zweite Schalter enthält zweite und dritte Transistorpaare mit jeweils zweiten und dritten Eingangssätzen und weist einen zweiten Ausgang auf, der mit dem Ausgang des DAU verbunden ist. Ein Ansteuermodul erzeugt Steuersignale, um die ersten, zweiten und dritten Eingangssätze auf Grundlage von Daten anzusteuern, die durch den DAU empfangen sind, um sie vom digitalen in das analoge Format bei einer Umwandlungsrate umzuwandeln, die durch einen Takt bestimmt ist. Die Steuersignale schalten während jedes Taktzyklus einen aus dem ersten und dem zweiten Schalter um.
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Weitere Gebiete der Anwendbarkeit der vorliegenden Offenbarung werden aus der nachstehend vorgesehenen genauen Beschreibung offensichtlich. Es sollte verstanden werden, dass die genaue Beschreibung und spezifische Beispiele nur zu Zwecken der Erläuterung bestimmt sind und nicht den Umfang der Offenbarung einschränken sollen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Offenbarung wird vollständiger aus der genauen Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen verstanden, wobei:
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1 ein Schaltbild eines segmentierten stromsteuernden Digital-Analog-Umsetzers (DAU) ist;
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2 ein Segment des DAU von 1 darstellt;
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3 ein Schaltbild eines Segments eines stromsteuernden DAU ist, das einen Hauptschalter und einen Hilfsschalter in dem Segment enthält, wobei der Hauptschalter oder der Hilfsschalter bei jedem Taktzyklus umgeschaltet wird, um harmonische Verzerrung in dem DAU aufzuheben;
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4A–4C ein Ansteuermodul darstellen, das den Hauptschalter und den Hilfsschalter in einem Segment des DAU so ansteuert, dass der Hauptschalter oder der Hilfsschalter bei jedem Taktzyklus umgeschaltet wird, um harmonische Verzerrung in dem DAU aufzuheben; und
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5 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Aufheben harmonischer Verzerrung in dem DAU ist.
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In den Zeichnungen können Bezugsnummern wiederverwendet sein, um ähnliche und/oder identische Elemente zu kennzeichnen.
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Genaue Beschreibung
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In vielen Kommunikationssystemen ist es erwünscht, dass ein Digital-Analog-Umsetzer (DAU) Signale mit akzeptabler harmonischer Verzerrung erzeugt. Erzeugen von Signalen mit akzeptabler harmonischer Verzerrung ist besonders erwünscht, wenn der DAU in einem Kommunikationssystem verwendet ist, das ausgelegt ist, bestimmte Anforderungen zu erfüllen, die in einem oder mehreren Kommunikationsstandards festgelegt sind. Es gibt einige Effekte bei stromsteuernden DAU, die per se die Dynamik einschränken. Die vorliegende Offenbarung betrifft DAU-Architektur, die dominante Verzerrungseffekte in schnellen stromsteuernden DAU aufhebt.
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Genauer betrifft die vorliegende Offenbarung Aufheben dynamischer Verzerrung in schnellen DAU, die eine Segmentschalter-Architektur verwenden, die Übergangseffekte aufhebt, die für Erzeugung von Verzerrung dritter Ordnung verantwortlich sind. Die hier offenbarte Architektur führt auch zu konstanter Schaltaktivität in einer DAU-Stromschalteranordnung, was Verzerrung reduziert, die durch Spannungsabfälle im DAU-Stromversorgungsnetzwerk erzeugt sind.
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Wie sie hier verwendet ist, bedeutet konstante Schaltaktivität in einem Segment, dass Schalten in einem Segment während jedes Taktzyklus auftritt, unabhängig davon, ob Daten ein Umschalten des Schalters in dem Segment erfordern. Genauer wird, wie nachstehend eingehend erläutert, in einem Segment in jedem Taktzyklus entweder der Hauptschalter oder ein gemäß der vorliegenden Offenbarung zugefügter Hilfsschalter umgeschaltet, unabhängig davon, ob die Daten Umschalten des Hauptschalters erfordern.
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Nun ist mit Bezug auf 1 ein stromsteuernder DAU 100 gezeigt. Der DAU 100 enthält eine Vielzahl differentieller Segmente 102-1, ... und 102-n (zusammenfassend Segmente 102). Jedes Segment 102 enthält ein Paar differentielle Schalter, die einen Ausgang einer Stromquelle auf einen negativen oder einen positiven Ausgang des DAU 100 steuern. Zum Beispiel enthält das Segment 102-1 ein Paar differentieller Schalter 104-1, die einen Ausgang einer Stromquelle 106-1 auf den negativen oder den positiven Ausgang des DAU 100 steuern; und so weiter. Das Segment 102-n enthält ein Paar differentieller Schalter 104-n, die einen Ausgang einer Stromquelle 106-n auf den negativen oder den positiven Ausgang des DAU 100 steuern. Die Paare differentieller Schalter 104-1, ... und 104-n sind zusammenfassend Schalter 104 genannt. Die Stromquellen 106-1, ... und 106-n sind zusammenfassend Stromquellen 106 genannt. Nur als Beispiel sind die gezeigten Transistoren NMOS-Transistoren.
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Die Schalter 104 in den Segmenten 102 sind durch einen Binär-zu-Thermometercode-Decodierer (nicht gezeigt) gesteuert. Wenn sich der Eingangscode erhöht, wird weniger Strom zum negativen Ausgang geleitet, und mehr Strom fließt zum positiven Ausgang. In den meisten Anwendungen wird das Ausgangssignal in einem differentiellen Modus empfangen. Im differentiellen Modus ist der Ausgangsstrom gleich einer Differenz zwischen dem Strom in dem positiven und dem negativen Umsetzerausgang. Die differentielle Ausgangsanordnung trägt dazu bei, Harmonische gerader Ordnung zu unterdrücken und erhöht die Leistung des Ausgangssignals.
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In einem vollständig segmentierten DAU ist die Anzahl von Segmentschaltern gleich 2N – 1, wobei N die Umsetzerauflösung in Bit ist. In der Praxis ist die Anzahl von Hauptsegmenten gewöhnlich auf 32 oder 64 beschränkt, und die gewünschte (höhere) Auflösung ist durch Anfügen segmentierter oder binär gewichteter Unter-DAU erreicht.
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Eine der dynamischen Kenngrößen eines schnellen DAU ist ein Spurious Free Dynamic Range (SFDR, störungsfreier dynamischer Bereich) des DAU. Der SFDR ist gewöhnlich durch eine Verzerrung dritter Ordnung bestimmt. Die Verzerrung dritter Ordnung ist auch verantwortlich für das Erzeugen von Annäherungs-Intermodulationskomponenten, die in vielen Kommunikationsanwendungen einen niedrigen Pegel aufweisen sollten. Zwei dominante Effekte, die von Natur aus die Verzerrungseigenschaften dritter Ordnung des DAU einschränken, sind mit der Veränderung des Summenknotenpotentials eines Schalters und einem momentanen Abfall einer Ausgangsimpedanz des Schalters verknüpft.
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Nun sind mit Bezug auf 2 die beiden Effekte genau erläutert. Während eines Übergangs verschiebt sich ein Potential am Knoten Sn, die Kapazität Cs wird umgeladen, und durch die Kapazität Cs fließender Strom beeinflusst den DAU-Ausgang. Auch fällt während des Übergangs eine Ausgangsimpedanz des Schalters momentan ab. Diese beiden Effekte erzeugen einen Fehlerstrom proportional zu einem Absolutwert einer Ableitung des Ausgangssignals des DAU. Der Fehlerstrom verursacht eine dynamische Verzerrung dritter Ordnung.
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Der erste Effekt, die Veränderung des Summenknotenpotentials eines Schalters 104, ist durch eine endliche Eigenverstärkung von Transistoren in dem Schalter 104 verursacht. Wenn der Schalter 104 umgeschaltet wird, verschiebt sich das Potential am Knoten Sn proportional zu einer Potentialdifferenz zwischen dem positiven und dem negativen Ausgang des DAU 100. Die Potentialverschiebung am Knoten Sn verursacht ein Umladen einer Kapazität Cs am Knoten Sn. Die durch die Kapazität Cs fließende Ladung beeinflusst den Ausgangsstrom und hängt vom Signal ab. Somit erzeugt die Potentialverschiebung am Knoten Sn harmonische Verzerrung.
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Der zweite Effekt beruht auf der Tatsache, dass beide Transistoren in einem Schalter während des Gate-Spannungs-Übergangs aktiv sind und bewirken, dass der Summenknoten Sn zu einem Knoten niedriger Impedanz wird. Währenddessen ist die Ausgangsimpedanz des Schalters, differentiell gemessen, gleich 2/gds, wobei gds eine Ausgangskonduktanz der Transistoren in dem Schalter ist. Die Ausgangsimpedanz ist viel niedriger, als wenn die Transistoren in dem Schalter vollständig geschaltet sind. Die Ausgangsimpedanz des vollständig geschalteten Transistorpaars ist durch eine Kaskodenschaltung der Transistoren M1, M3 und M4 bestimmt. Die Ausgangsimpedanz des vollständig geschalteten Transistorpaars ist bedeutend größer als 2/gds.
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Während diese beiden Effekte unterschiedlicher Natur sind, beeinflussen sie die Funktion des DAU auf ähnliche Weise. Sie können durch eine veränderliche Konduktanz modelliert werden, die über den positiven und den negativen DAU-Ausgang geschaltet ist. Die Konduktanz ist proportional zur Segment-Schaltaktivität, was bedeutet, dass die Konduktanz auch proportional zum Absolutwert der Ableitung des DAU-Ausgangssignals ist. Diese Art der Abhängigkeit von Eingangsdaten erzeugt Harmonische dritter Ordnung im DAU-Ausgangsspektrum, die in einigen Anwendungen, wie etwa Kommunikationssystemen, unerwünscht sind.
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Die beiden oben beschriebenen Übergangseffekte verursachen Verzerrung, weil die Schaltaktivität signalabhängig ist. Genauer verursacht Segmentschalten Verzerrung, weil die Schaltaktivität proportional zum Absolutwert der Ableitung des DAU-Ausgangssignals ist. Wenn die Segment-Schaltaktivität konstant und unabhängig vom Ausgangssignal wäre, würde keine Verzerrung erzeugt werden. Demgemäß kann die Verzerrung beseitigt werden, indem die Schaltaktivität konstant und unabhängig vom DAU-Ausgangssignal gemacht wird.
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Nun ist mit Bezug auf 3 ein Segment 200 eines DAU gemäß der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Zur Deutlichkeit ist nur ein Segment gezeigt. Idealerweise kann jedes Segment eines DAU ähnlich dem Segment 200 ausgelegt sein. In der Praxis brauchen nur Segmente, die Bits höherer Wertigkeit (z. B. MSBs) entsprechen, ähnlich dem Segment 200 ausgelegt zu sein, da die durch Segmente, die Bits niedrigerer Wertigkeit (z. B. LSBs) entsprechen, erzeugte Verzerrung vernachlässigbar sein kann.
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Das Segment 200 macht wie folgt die Schaltaktivität konstant und unabhängig vom DAU-Ausgangssignal. Das Segment 200 enthält einen Hauptschalter 104-n und einen Hilfsschalter 202. Der Hilfsschalter 202 enthält zwei differentielle Paare (d. h. ein Paar differentieller Schalter) 204 und 206, die mit Stromquellen 208 bzw. 210 verbunden sind. Jeder der Schalter 204 und 206 weist die halbe Größe des Hauptschalters 104-n auf. Jeder der Schalter 204 und 206 leitet den halben Segmentstrom. Die beiden differentiellen Paare im Blindschalter sind so querverbunden, dass sich der DAU-Ausgangsstrom nicht verändert, wenn der Hilfsschalter 202 umgeschaltet wird.
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Der Hauptschalter 104-n und ein Hilfsschalter 202 werden so angesteuert, dass in jedem Taktzyklus ein und nur ein Schalter in dem Haupt-Hilfs-Paar umgeschaltet wird. Genauer ist in jedem Taktzyklus der Hauptschalter 104-n statisch (d. h. wird nicht umgeschaltet), falls der Hilfsschalter 202 umgeschaltet wird, und der Hilfsschalter 202 ist statisch (d. h. wird nicht umgeschaltet), falls der Hauptschalter 104-n umgeschaltet wird.
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Der Hilfsschalter 202 verändert den DAU-Ausgangsstrom nicht. Der Hilfsschalter 202 erzeugt genau denselben Übergangsvorgang wie der Hauptschalter 104-n. Dies führt dazu, dass die Schaltaktivität in dem Segment 200 konstant und unabhängig vom Ausgangssignal ist. Als Ergebnis wird keine Verzerrung erzeugt. Die konstante Schaltaktivität sieht auch einen zusätzlichen Vorteil vor, dass sie nur signalunabhängige Spannungsabfälle über dem Stromversorgungsnetz erzeugt.
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Unter Bezugnahme auf 4A und 4B ist ein Beispiel eines Ansteuermoduls 250 gezeigt, das benutzt sein kann, um den Hauptschalter 104-n und den Hilfsschalter 202 so anzusteuern, dass in jedem Taktzyklus ein und nur ein Schalter in dem Haupt-Hilfs-Paar umgeschaltet wird. Ein allgemeines Ansteuermodul 250 ist in 4A gezeigt. Ein Beispiel einer genauen Ausführungsform des Ansteuermoduls 250 ist in 4B gezeigt. In 4A und 4B geben d(n) und dd(n) Zustände von Eingängen beim n-ten Taktzyklus an, und d(n – 1) und dd(n – 1) geben Zustände der Eingänge beim (n – 1)-ten Taktzyklus an. Demgemäß wird dd(n) auf Grundlage eines XNOR von (i) dd(n – 1) und (ii) eines XOR von d(n) und d(n – 1) erzeugt. 4C zeigt eine Wahrheitstabelle für das Ansteuermodul 250.
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Nun ist mit Bezug auf 5 ein Verfahren 300 zum Aufheben harmonischer Verzerrung in einem stromsteuernden DAU gezeigt. Während das gezeigte Verfahren die Funktion für nur ein Segment des DAU beschreibt, kann die Funktion auf eine beliebige Anzahl von Segmenten des DAU ausgedehnt werden. Bei 302 betätigt die Steuerung einen Hauptschalter in einem Segment des DAU und führt dem DAU-Ausgang über den Hauptschalter Strom zu. Bei 304 schaltet die Steuerung den Hauptschalter oder einen Hilfsschalter in dem Segment während jedes Taktzyklus um. Der Hilfsschalter erzeugt dieselben Ausgleichsvorgänge wie der Hauptschalter, was die harmonische Verzerrung am DAU-Ausgang aufhebt, ohne den dem DAU-Ausgang zugeführten Strom zu verändern.
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Die vorstehende Beschreibung ist nur erläuternder Natur, und es ist keineswegs beabsichtigt, dass sie die Offenbarung, ihre Anwendung oder ihre Nutzungen einschränkt. Die weitreichenden Lehren der Offenbarung können in einer Vielzahl von Formen umgesetzt sein. Daher sollte, während diese Offenbarung besondere Beispiele enthält, der wahre Umfang der Offenbarung nicht so beschränkt sein, da andere Modifikationen nach Studium der Zeichnung, der Beschreibung und der folgenden Ansprüche offensichtlich werden. Wie er hier benutzt ist, sollte der Satz „mindestens eines aus A, B und C” so ausgelegt werden, dass er ein logisches (A oder B oder C) meint, unter Verwendung eines nicht-exklusiven logischen ODERs. Es versteht sich, dass ein oder mehrere Schritte innerhalb eines Verfahrens in anderer Reihenfolge (oder gleichzeitig) ausgeführt werden können, ohne die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung zu verändern.
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In dieser Anmeldung, einschließlich der nachstehenden Definitionen, kann der Begriff „Modul” durch den Begriff „Schaltkreis” ersetzt werden. Der Begriff „Modul” kann sich beziehen auf, Teil sein von oder enthalten: eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC); eine digitale, analoge oder gemischte analoge/digitale diskrete Schaltung; eine digitale, analoge oder gemischte analoge/digitale integrierte Schaltung; eine kombinatorische Logikschaltung; ein Field Programmable Gate Array (FPGA); einen Prozessor (gemeinsam, eigen oder Gruppe), der Programmcode ausführt; einen Speicher (gemeinsam, eigen oder Gruppe), der durch einen Prozessor ausgeführten Programmcode speichert; andere geeignete Hardware-Bauteile, welche die beschriebene Funktionalität vorsehen; oder eine Kombination einiger oder aller der Obigen, wie etwa in einem Ein-Chip-System.
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Der Begriff „Programmcode”, wie er oben benutzt ist, kann Software, Firmware und/oder Mikrocode enthalten und sich auf Programme, Routinen, Funktionen, Klassen und/oder Objekte beziehen. Der Begriff „gemeinsamer Prozessor” schließt einen einzelnen Prozessor ein, der einigen oder den gesamten Programmcode von vielfachen Modulen ausführt. Der Begriff „Gruppenprozessor” schließt einen Prozessor ein, der in Kombination mit zusätzlichen Prozessoren einigen oder den gesamten Programmcode von einem oder mehreren Modulen ausführt. Der Begriff „gemeinsamer Speicher” schließt einen einzelnen Speicher ein, der einigen oder den gesamten Programmcode von vielfachen Modulen speichert. Der Begriff „Gruppenspeicher” schließt einen Speicher ein, der in Kombination mit zusätzlichen Speichern einigen oder den gesamten Programmcode von einem oder mehreren Modulen speichert. Der Begriff „Speicher” kann eine Untermenge des Begriffs „computerlesbarer Datenträger” sein. Der Begriff „computerlesbarer Datenträger” umfasst keine flüchtigen elektrischen und elektromagnetischen Signale, die sich durch ein Medium fortpflanzen, und kann daher als materiell und nichtflüchtig betrachtet werden. Nicht einschränkende Beispiele eines nichtflüchtigen materiellen computerlesbaren Datenträgers sind nichtflüchtiger Speicher, magnetische Speicherung und optische Speicherung.
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Die in dieser Anmeldung beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren können teilweise oder vollständig durch ein oder mehrere Computerprogramme umgesetzt sein, die durch einen oder mehrere Prozessoren ausgeführt werden. Die Computerprogramme enthalten Prozessor-ausführbare Anweisungen, die auf mindestens einem nichtflüchtigen materiellen computerlesbaren Datenträger gespeichert sind. Die Computerprogramme können auch gespeicherte Daten enthalten oder sich darauf stützen.
