DE102014103350A1

DE102014103350A1 - System und Verfahren für einen überabgetasteten Datenwandler

Info

Publication number: DE102014103350A1
Application number: DE201410103350
Authority: DE
Inventors: Fernando Cardes; Dietmar Sträussnigg; Andreas Wiesbauer; Luis Hernandez
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2013-03-13
Filing date: 2014-03-12
Publication date: 2014-09-18
Anticipated expiration: 2034-03-13
Also published as: DE102014103350B4; KR20140112447A; CN104052487A; US9106211B2; CN104052487B; KR101624785B1; US20140270261A1

Abstract

Gemäß einer Ausführungsform umfasst eine Schaltung einen Oszillator (204) mit einer Oszillationsfrequenz, die von einem Eingangssignal abhängt, einen digitalen Akkumulator (234) mit einem ersten Eingang, der mit einem Ausgang des Oszillators verbunden ist, einen Digital-Analog-Wandler (246), der mit einem Ausgang des digitalen Akkumulators (234) verbunden ist, ein analoges Schleifenfilter, das mit einem Ausgang des Digital-Analog-Wandlers (246) verbunden ist, und eine Vergleichsschaltung (238) mit einem Eingang, der mit einem Ausgang des analogen Schleifenfilters verbunden ist, und einem Ausgang, der mit einem zweiten Eingang des digitalen Akkumulators (234) verbunden ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen Halbleiterschaltungen und -verfahren, insbesondere ein System und Verfahren für einen überabgetasteten Datenwandler.
HINTERGRUND
Audiomikrofone werden häufig in verschiedenen Kundenanwendungen wie Mobiltelefonen, digitalen Tonaufnahmegeräten, Personalcomputern und Telefonkonferenzsystemen verwendet. Insbesondere werden günstigere Elektret-Kondensatormikrophone (ECM) in serienmäßig hergestellten, kostenempfindlichen Anwendungen verwendet. Ein ECM-Mikrofon umfasst typischerweise eine Folie aus einem Elektretmaterial, die in einem kleinen Gehäuse mit einer Schallöffnung und elektrischen Ausgangsanschlüssen untergebracht ist. Das Elektretmaterial ist an einer Membran angebracht oder bildet selbst die Membran. Die meisten ECM-Mikrofone umfassen außerdem einen Vorverstärker, der eine Schnittstelle mit einem Eingangsverstärker innerhalb einer Zielanwendung, wie z.B. einem Mobiltelefon, aufweisen kann. Eine weitere Mikrofonart ist ein Mikrosystemtechnikmikrofon (MEMS-Mikrofon), das als druckempfindliche Membran ausgeführt sein kann und direkt auf eine integrierte Schaltung geätzt ist.
Bei Anwendungen, bei denen MEMS-Mikrofone in Gehäusen mit kleinem Formfaktor umgesetzt sind, wie z.B. in Smartphones oder Tablet-Computern, ist das MEMS-Mikrofon typischerweise mit einer integrierten Schaltung verbunden, die das MEMS-Mikrofon vorspannt, den Ausgang des MEMS-Mikrofons verstärkt und eine Analog-Digital-Umwandlung des elektrischen Ausgangs des MEMS-Mikrofons durchführt. Jede dieser Funktionen verbraucht Energie und kann wertvollen Platz auf dem Chip und/oder der Platte einnehmen. Es trifft jedoch auch zu, dass Anwendungen mit kleinem Formfaktor häufig leistungsschwache, akkumulatorbetriebene Vorrichtungen sind, die empfindlich gegenüber dem Leistungsverbrauch sind. Um eine lange Akkubetriebsdauer aufrecht zu erhalten, werden der Leistungsverbrauch des MEMS-Mikrofons, seiner Audioschnittstelle auf Platinenebene und die Größe seiner elektrischen Bauteile minimiert, um Akkubetriebsdauer zu erhalten und einen kleinen Formfaktor aufrecht zu erhalten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Daher besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung in der Verbesserung der oben erläuterten Situation. Dieses Ziel wird durch eine Schaltung, eine integrierte Schaltung oder ein Verfahren zur Durchführung einer Analog-Digital-Umwandlung gemäß einem der unabhängigen Ansprüche erreicht.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst eine Schaltung einen Oszillator mit einer Oszillationsfrequenz, die von einem Eingangssignal abhängt, einen digitalen Akkumulator mit einem ersten Eingang, der mit einem Ausgang des Oszillators verbunden ist, einen Digital-Analog-Wandler (DAW), der mit einem Ausgang des digitalen Akkumulators verbunden ist, ein analoges Schleifenfilter, das mit einem Ausgang des Digital-Analog-Wandlers verbunden ist; und eine Vergleichsschaltung mit einem Eingang, der mit einem Ausgang des analogen Schleifenfilters verbunden ist, und einem Ausgang, der mit einem zweiten Eingang des digitalen Akkumulators verbunden ist.
In einer Schaltung gemäß einer Ausführungsform kann das Eingangssignal ein akustisches Signal umfassen.
In einer Schaltung gemäß einer Ausführungsform kann der Oszillator konfiguriert sein, um mit einem MEMS-Mikrofon verbunden zu werden, und die Oszillatorfrequenz kann von der Kapazität des MEMS-Mikrofons abhängen.
In einer Schaltung gemäß einer Ausführungsform kann der digitale Akkumulator konfiguriert sein, um in eine erste Richtung zu inkrementieren, wenn der Ausgang des Oszillators einen Logikübergang durchläuft, und der digitale Akkumulator kann konfiguriert sein, um in eine der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung zu inkrementieren, wenn der Ausgang der Vergleichsschaltung sich in einem erste Logikzustand befindet.
In einer Schaltung gemäß einer solchen Ausführungsform kann der digitale Akkumulator konfiguriert sein, um in einem ersten Ausmaß in die zweite Richtung zu inkrementieren, wenn der Ausgang der Vergleichsschaltung sich im ersten Logikzustand befindet, und der digitale Akkumulator kann konfiguriert sein, um in einem zweiten Ausmaß in die zweite Richtung zu inkrementieren, wenn der Ausgang der Vergleichsschaltung sich in einem zweiten Logikzustand befindet.
In einer Schaltung gemäß einer Ausführungsform kann der digitale Akkumulator konfiguriert sein, um asynchron in die erste Richtung zu inkrementieren, wenn der Ausgang des Oszillators einen Logikübergang durchläuft, und der digitale Akkumulator kann konfiguriert sein, um an der Flanke eines Taktsignals mit einer festgesetzten Frequenz synchron in der zweiten Richtung überzugehen, wenn der Ausgang der Vergleichsschaltung sich im ersten Zustand befindet.
In einer Schaltung gemäß einer Ausführungsform kann der digitale Akkumulator einen ersten Ringzähler, der konfiguriert ist, um asynchron zu inkrementieren, wenn der Ausgang des Oszillators einen Logikübergang durchläuft, und einen zweiten Ringzähler, der konfiguriert ist, um zu inkrementieren, wenn der Ausgang der Vergleichsschaltung sich in einem ersten Zustand befindet, umfassen.
In einer Schaltung gemäß einer solchen Ausführungsform kann der DAW eine Vielzahl von ersten Stromquellen, wobei jede der Vielzahl von ersten Stromquellen einen Steuereingang aufweist, der mit einem entsprechenden Ausgangsbit des ersten Ringzählers und dem Ausgang des DAW verbunden ist, und wobei jede der Vielzahl von ersten Stromquellen eine erste Strompolarität aufweist, und eine Vielzahl von zweiten Stromquellen, wobei jede der Vielzahl von ersten Stromquellen einen Steuereingang aufweist, der mit dem entsprechenden Ausgangsbit des zweiten Ringzählers und dem Ausgang des DAW verbunden ist, und wobei jede der Vielzahl von zweiten Stromquellen eine zweite Strompolarität aufweist, die der ersten Strompolarität entgegengesetzt ist, umfassen.
In einer Schaltung gemäß einer Ausführungsform kann das analoge Schleifenfilter einen Integrator umfassen.
In einer Schaltung gemäß einer Ausführungsform kann das analoge Schleifenfilter eine Ordnung von zumindest zwei umfassen.
Eine Schaltung gemäß einer Ausführungsform kann ferner einen digitalen Dezimierer mit einem Eingang umfassen, der mit dem Ausgang der Vergleichsschaltung verbunden ist.
In einer Schaltung gemäß einer Ausführungsform kann die Vergleichsschaltung einen Komparator umfassen.
In einer Schaltung gemäß einer Ausführungsform kann die Vergleichsschaltung einen Mehrbitkomparator umfassen.
Eine integrierte Schaltung gemäß einer Ausführungsform umfasst eine Oszillatorkernschaltung, die eine Schnittstelle umfasst, die konfiguriert ist, um mit einem kapazitiven Sensorelement verbunden zu werden, wobei die Oszillatorkernschaltung konfiguriert ist, um ein Oszillationssignal mit einer Frequenz bereitzustellen, die von der Kapazität des kapazitiven Sensorelements abhängt, einen digitalen Akkumulator mit einem ersten Eingang, der mit einem Ausgang des Oszillators verbunden ist, einen Digital-Analog-Wandler (DAW), der mit einem Ausgang des digitalen Akkumulators verbunden ist, ein analoges Schleifenfilter, das mit einem Ausgang des Digital-Analog-Wandlers verbunden ist, und einen Komparator mit einem Eingang, der mit einem Ausgang des analogen Schleifenfilters verbunden ist, und einem Ausgang, der mit einem zweiten Eingang des digitalen Akkumulators verbunden ist.
Eine integrierte Schaltung gemäß einer Ausführungsform kann ferner das kapazitive Sensorelement umfassen.
In einer integrierten Schaltung gemäß einer Ausführungsform kann das kapazitive Sensorelement einen MEMS-Mikrofonsensor umfassten.
In einer integrierten Schaltung gemäß einer Ausführungsform kann der digitale Akkumulator konfiguriert sein, um asynchron seinen Zustand auf eine erste Art zu ändern, wenn der Ausgang der Oszillatorkernschaltung einen Logikübergang durchläuft, und der digitale Akkumulator kann konfiguriert sein, um synchron seinen Zustand an der Flanke eines Taktsignals mit einer festgesetzten Frequenz auf eine zweite Weise zu ändern, wenn der Ausgang des Komparators sich in einem ersten Zustand befindet.
In einer integrierten Schaltung gemäß einer Ausführungsform kann der digitale Akkumulator einen ersten Ringzähler, der konfiguriert ist, um asynchron zu inkrementieren, wenn der Ausgang der Oszillatorkernschaltung einen Logikübergang durchläuft, und einen zweiten Ringzähler, der konfiguriert ist, um zu inkrementieren, wenn der Ausgang des Komparators sich in einem ersten Zustand befindet, umfassen.
In einer integrierten Schaltung gemäß einer Ausführungsform kann der DAW eine Vielzahl von ersten Stromquellen, wobei jede der Vielzahl von ersten Stromquellen einen Steuereingang aufweist, der mit einem entsprechenden Ausgangsbit des ersten Ringzählers und dem Ausgang des DAW verbunden ist, und wobei jede der Vielzahl von ersten Stromquellen eine erste Strompolarität aufweist, und eine Vielzahl von zweiten Stromquellen, wobei jede der Vielzahl von ersten Stromquellen einen Steuereingang aufweist, der mit dem entsprechenden Ausgangsbit des zweiten Ringzählers und dem Ausgang des DAW verbunden ist, und wobei jede der Vielzahl von zweiten Stromquellen eine zweite Strompolarität aufweist, die der ersten Strompolarität entgegengesetzt ist, umfassen.
Eine integrierte Schaltung gemäß einer Ausführungsform kann ferner einen digitalen Dezimierer umfassen, der mit dem Ausgang des Komparators verbunden ist.
Ein Verfahren zur Durchführung einer Analog-Digital-Umwandlung gemäß einer Ausführungsform umfasst das Erzeugen eines Oszillationssignals mit einer Frequenz, die von einem Eingangssignal abhängt, wobei das Erzeugen des Oszillationssignals die Verwendung einer Oszillatorschaltung umfasst, das Steuern eines Akkumulators basierend auf einer Flanke des Oszillationssignals und basierend auf einem Vergleichssignal, das Durchführen einer Digital-Analog-Umwandlung eines Ausgangs des Akkumulators, um ein erstes analoges Signal zu erzeugen, das Filtern des ersten analogen Signals unter Verwendung eines analogen Schleifenfilters und das Vergleichen des Ausgangs des analogen Schleifenfilters mit einem Schwellenwert, um das Vergleichssignal zu erzeugen.
In einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform kann das Eingangssignal ein akustisches Signal umfassen und die Frequenz kann von der Kapazität eines kapazitiven Schallsensors abhängen.
In einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform kann das Steuern des Akkumulators das Inkrementieren des Akkumulators in eine erste Richtung, wenn das Oszillationssignal einen Zustandsübergang durchläuft, und das Inkrementieren des Akkumulators in eine der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung, wenn das Vergleichssignal sich in einem ersten Zustand befindet, umfassen.
In einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform kann das Inkrementieren des Akkumulators in eine zweite Richtung das Inkrementieren des Akkumulators in die zweite Richtung an der Flanke eines Taktsignals eines Taktgebers mit einer festgesetzten Frequenz umfassen, wenn das Vergleichssignal sich in einem ersten Zustand befindet.
In einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform kann das Steuern des Akkumulators das asynchrone Inkrementieren eines ersten Ringzählers, wenn der Ausgang des Oszillators einen Logikübergang durchläuft, und das Inkrementieren eines zweiten Ringzählers an der Flanke eines festgesetzten Taktgebers, wenn das Vergleichssignal sich in einem ersten Zustand befindet, umfassen.
In einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform kann das Filtern des ersten analogen Signals das Durchführen einer analogen Integration eines Ausgangs des DAW umfassen.
Ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform kann ferner das Dezimieren des Vergleichssignals umfasst, um ein Datenwandler-Ausgangssignal zu erzeugen.
Eine MEMS-Sensor-Schnittstelle gemäß einer Ausführungsform umfasst eine Oszillatorkernschaltung, die eine Schnittstelle umfasst, die konfiguriert ist, um mit einem MEMS-Sensorelement verbunden zu werden, wobei die Oszillatorkernschaltung konfiguriert ist, um ein Oszillationssignal mit einer Frequenz bereitzustellen, die von der Kapazität des MEMS-Sensorelements abhängt, einen digitalen Akkumulator mit einem ersten Eingang, der mit einem Ausgang des Oszillators verbunden ist, und einem zweiten Eingang, wobei der digitale Akkumulator einen ersten Ringzähler, der konfiguriert ist, um asynchron zu inkrementieren, wenn der Ausgang der Oszillatorkernschaltung einen Logikübergang durchläuft, und einen zweiten Ringzähler, der konfiguriert ist, um beim Übergang eines festgesetzten Taktgebers zu inkrementieren, wenn der zweite Eingang sich in einem ersten Zustand befindet, einen Digital-Analog-Wandler (DAW), der mit einem Ausgang des digitalen Akkumulators verbunden ist, wobei der DAW eine Vielzahl von ersten Stromquellen umfasst, wobei jeder der Vielzahl von ersten Stromquellen einen Steuereingang aufweist, der mit einem entsprechenden Ausgangsbit des ersten Ringzählers und einem Ausgang des DAW verbunden ist, und wobei jede der Vielzahl von ersten Stromquellen eine erste Strompolarität aufweist, und eine Vielzahl von zweiten Stromquellen, wobei jede der Vielzahl von ersten Stromquellen einen Steuereingang aufweist, der mit dem entsprechenden Ausgangsbit des zweiten Ringzählers und dem Ausgang des DAW verbunden ist, und wobei jede der Vielzahl von zweiten Stromquellen eine zweite Strompolarität aufweist, die der ersten Strompolarität entgegengesetzt ist, ein analoges Schleifenfilter, das mit einem Ausgang des Digital-Analog-Wandlers verbunden ist, und einen Komparator mit einem Eingang, der mit einem Ausgang des analogen Schleifenfilters verbunden ist, und einem Ausgang, der mit einem zweiten Eingang des digitalen Akkumulators verbunden ist.
Eine MEMS-Sensor-Schnittstelle gemäß einer Ausführungsform kann ferner ein Dezimierungsfilter umfassen, das mit dem Ausgang des Komparators verbunden ist.
Eine Schaltung gemäß einer Ausführungsform umfasst eine erste Stufe, die einen ersten Oszillator mit einer Oszillationsfrequenz, die von einem Eingangssignal abhängt, und einen ersten digitalen Akkumulator mit einem ersten Eingang, der mit einem Ausgang des ersten Oszillators verbunden ist, umfasst, und eine zweite Stufe, die einen zweiten Oszillator mit einer Oszillationsfrequenz, die von einem Ausgang des ersten digitalen Akkumulator abhängt, und einen zweiten digitalen Akkumulator mit einem ersten Eingang, der mit einem Ausgang des zweiten Oszillators verbunden ist, sowie eine Vergleichsschaltung mit einem Eingang, der mit einem Ausgang der zweiten Stufe verbunden ist, und einem Ausgang, der mit einem zweiten Eingang des ersten digitalen Akkumulators verbunden ist.
Eine Schaltung gemäß einer Ausführungsform kann weiters eine dritte Stufe umfassen, die zwischen der zweiten Stufe und der Vergleichsschaltung verbunden ist, wobei die dritte Stufe einen dritten Oszillator mit einer Oszillationsfrequenz, die von einem Ausgang des zweiten digitalen Akkumulators abhängt, und einen dritten digitalen Akkumulator mit einem ersten Eingang, der mit einem Ausgang des dritten Oszillators verbunden ist, umfasst.
In einer Schaltung gemäß einer Ausführungsform kann der Ausgang der Vergleichsschaltung ferner mit einem ersten Eingang des zweiten digitalen Akkumulators und einem ersten Eingang des dritten digitalen Akkumulators verbunden sein.
In einer Schaltung gemäß einer Ausführungsform kann der zweite Oszillator einen Digital-Analog-Wandler und einen spannungsgesteuerten Oszillator, der mit einem Ausgang des Digital-Analog-Wandlers verbunden ist, umfassen.
In einer Schaltung gemäß einer Ausführungsform kann der zweite Oszillator einen digital gesteuerten Oszillator (DCO) umfassen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile wird nun auf die nachstehenden Beschreibungen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, worin:
1 eine herkömmliche Konfiguration eines Sigma-Delta-Modulators auf Oszillatorbasis erster Ordnung veranschaulicht;
2 ein Spektraldiagramm eines herkömmlichen Sigma-Delta-Modulators auf Oszillatorbasis erster Ordnung zeigt;
3a–b ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines phasenbezogenen Integrators und ein zugehöriges Spektraldiagramm zeigen;
4a–b eine Ausführungsform eines Datenwandlers zeigen, und 4b einen herkömmlichen Datenwandler zeigt;
5a–b Spektraldiagramme der Ausgänge einer Ausführungsform eines Datenwandlers und eines herkömmlichen Datenwandlers zeigen;
6 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Datenakkumulators zeigt;
7a–c eine Ausführungsform eines Ringzählers, 7b eine Ausführungsform einer Subtraktionszelle und 7c eine Ausführungsform eines Zählers zeigen;
8 ein Schaltungsfehlermodell einer Ausführungsform eines Datenwandlers zeigt;
9 ein Spektraldiagramm eines Ausgangs einer Ausführungsform eines Datenwandlers zeigt, wobei eine DAW-Fehlanpassung modelliert ist;
10 ein Diagramm zeigt, in dem das Spitzen-SNR in Bezug auf Phasenschwankungen für eine Ausführungsform eines Datenwandlers und für einen herkömmlichen Datenwandler verglichen wird;
11 ein herkömmliches Mikrofonsystem zeigt;
12a–b ein Blockschaltbild einer Ausführungsform für eine Mikrofonschaltstellenschaltung zeigen;
13a–c eine Ausführungsform eines Oszillatorkerns und Wellenformdiagramme zur Veranschaulichung seines Betriebs zeigen;
14 eine weitere Ausführungsform einer Datenwandlerschaltung zeigt;
15a–e Schaltbilder einer Ausführungsform einer Datenwandlerschaltung zeigen; und
16 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Modulators zeigt.
Übereinstimmende Zahlen und Symbole in unterschiedlichen Figuren beziehen sich im Allgemeinen auf übereinstimmende Teile, sofern nicht anders angegeben ist. Die Figuren sind so gezeichnet, dass die relevanten Aspekte der bevorzugten Ausführungsformen klar zu erkennen sich und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Um bestimmte Ausführungsformen klarer zu veranschaulichen kann ein Buchstabe zur Kennzeichnung von Variationen der gleichen Struktur, des gleichen Materials oder des gleichen Prozessschritts nach einer Zahl folgen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON VERANSCHAULICHENDEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Herstellung und Verwendung von derzeit bevorzugten Ausführungsformen werden nachstehend genauer erläutert. Es gilt jedoch anzumerken, dass die vorliegende Erfindung zahlreiche anwendbare erfinderische Konzepte bereitstellt, die in verschiedensten spezifischen Kontexten umgesetzt werden können. Die erläuterten spezifischen Ausführungsformen dienen lediglich der Veranschaulichung bestimmter Arten zur Herstellung und Verwendung der Erfindung und schränken den Schutzumfang der Erfindung nicht ein.
Die vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf Ausführungsformen in einem spezifischen Kontext beschrieben, nämlich in einem überabgetasteten Datenwandlersystem und -verfahren für eine kapazitive Signalquelle, wie z.B. ein(en) MEMS-Sensor oder -Mikrofon, und kapazitive Sensoren, wie z.B. Drucksensoren und Beschleunigungsmesser. Die Erfindung kann jedoch auch in anderen Arten von Schaltungen und Systemen verwendet werden, beispielsweise in Sensoren auf Oszillatorbasis (R, L, C), Audiosystemen, Kommunikationssystemen, Sensorsystemen und anderen Systemen, die eine Schnittstelle zu frequenzkodierten Signalen aufweisen.
In einer Ausführungsform wird ein Oszillator als Anfangsintegrator eines Sigma-Delta-Modulators verwendet, und ein kontinuierliches Zeitschleifenfilter wird nach dem Oszillator verwendet, um eine Schleifenordnung und entsprechende Rauschformung in einem beliebigen Grad zu erreichen. In manchen Ausführungsformen wird digitale asynchrone Logik verwendet, die schon von Natur aus rauschgeformte Fehler und Nichtidealitäten aufweisen.
Die Erläuterung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beginnt als Erstes mit der Analyse des Spektrums des Ausgangs eines Oszillators, wenn sie in eine Pulsdichtenmodulation (PDM) umgewandelt wird und keine Abtastung durchgeführt wird. Als Nächstes wird eine Ausführungsform eines Integrators, der einen internen PDM-Kodierer mit einem asynchronen Zähler verwendet, beschrieben, und auch wie eine solche Ausführungsform eines Integrators zusammen mit einem analogen Schleifenfilter zu verwenden ist, um einen Sigma-Delta-Modulator höherer Ordnung umzusetzen. Schließlich werden Systeme beschrieben, in denen Ausführungsformen von Sigma-Delta-Modulatoren konfiguriert sind, um mit kapazitiven Mikrofonen und Sensoren verbunden zu werden.
1 zeigt eine herkömmliche Konfiguration eines Sigma-Delta-Modulators erster Ordnung 100, in dem ein Eingangssignal x(t) die Frequenz eines Oszillators 102 moduliert. Das Signal x(t) kann eine Spannung sein, wie im Falle eines VCO, oder eine Reaktanzänderung in einem kapazitiven oder induktiven Sensor. Die Phase des Oszillators, Φ(t), ist proportional zum Integral x(t), und die Flanken des Oszillator-Rechteckwellenausgangs, y_a(t), stellen die Durchgänge von Φ(t) über 2π-fache dar. Wenn f₀ als Oszillationsfrequenz im Ruhezustand definiert ist, und Δf als maximale Frequenzverschiebung definiert ist, dann ist das Phasensignal:
In 1 wird das Signal y_a(t) mit einer Abtastrate f_s unter Verwendung eines Abtasters 104 gelatcht (zwischengespeichert) und unter Verwendung eines Differenzierers 106 differenziert, um einen rauschgeformten Einbitausgang erster Ordnung y_d[n] zu erzeugen. Wenn anstelle des Abtastens mithilfe des Blocks 108 eine Dirac-Delta-Funktion mit jeder ansteigenden Flanke von y_a(t) erzeugt wird, wird ein Signal q(t) erhalten:
Signal q(t) entspricht der Definition einer integrierenden Zeitkodiermaschine (TEM), wie sie in Sampling based on timing: Time encoding machines on shift-invariant Subspaces von Gontier et al., arXiv:1108.3149 beschrieben ist, was beweist, dass x(t) unter bestimmten Bedingungen unter Verwendung von nur den Zeitsteuerungsinformationen, die im Abtastsatz S bereitgestellt sind, vollkommen rekonstruiert werden kann. Der Dekodierungsalgorithmus, der von Gontier vorgeschlagen wird, ist rekursiver Art. Wenn x(t) eine endliche Bandbreite B aufweist, dann enthält das Spektrum von q(t) x(t) und ein modulierter Ton tritt bei der Oszillationsfrequenz auf. Unter der Voraussetzung, dass die Oszillationsfrequenz im Ruhezustand f₀ und die Frequenzabweichung Δf des Oszillators 102 bestimmten Einschränkungen entspricht, kann eine Approximation von x(t) unter Verwendung eines Tiefpassfilters wiederhergestellt werden. Eine Voraussetzung, die laut Gontier zur Rekonstruktion von x(t) erfüllt sein muss, ist, dass die Dichte des Abtastsatzes S der Gleichung (2) zumindest gleich 2B ist, der Nyquist-Abtastrate für x(t). Dann kann eine ausreichende Abtastdichte in q(t) gemäß der folgenden Bedingung sichergestellt werden: t_k+1 – t_k ≤ 1 / 2B, f₀ – Δf ≥ 2B (3)
2 zeigt das Spektrum von q(t), wobei eine Sinuskurve mit 1,2KHz bei einer Amplitude von –6 dBfs auf den Oszillator 102 aus 1 angewandt wird, sodass f = 60KHz und Δf = 20KHz ist. Es ist zu sehen, dass x(t) durch Tiefpassfilterung aus q(t) extrahiert werden kann, da die Seitenbanden der modulierten Oszillation bei f₀ von x(t) getrennt sind. Diese Seitenbanden bestehen aus Tönen um die Oszillationsfrequenz, die nahe dem Eingangssignal stark gedämpft sind. Es gilt anzumerken, dass keine Quantifizierung bei q(t) durchgeführt wurde, da eine Differenz zum Signal y_d[n] eine diskrete Amplitude darstellt, aber in der Zeit nicht quantifiziert (abgetastet) ist. In manchen Ausführungsformen kann q(t) als pulsdichtenmoduliertes (PDM) Signal gesehen werden.
Wenn das Signal q(t) unter Verwendung eines kontinuierlichen Zeitintegrators integriert wird, führt jedes vorhandene Dirac-Delta in q(t) zu einer Einheitssprungfunktion, die zu t_k verschoben ist. Das resultierende Signal p(t) ist:
Angesichts der Linearität der Integrationsfunktion (4) und der Frequenztrennung zwischen der modulierten Oszillation in q(t) und dem Basisbandsignal x(t) ist zu erwarten, dass p(t) auch eine genaue Approximation zum Integral von x(t) enthält, mit der Ausnahme eines Verstärkungsfaktors GΔf und eines mit der Zeit linear zunehmenden Faktors Gf₀t. Folglich ist p(t) eine Approximation von Φ(t).
3a zeigt eine Ausführungsform eines phasenbezogenen Integrators 200, der zur Generierung von p(t) verwendet werden kann. In diesem Beispiel wird das Signal p(t) generiert, ohne dass q(t) physikalisch erzeugt wird. Impulse im Signal y_a(t), die durch den Oszillator 204 erzeugt werden, werden mit einem digitalen Zähler 206 gezählt, um p(t) zu erzeugen. 3b zeigt ein Spektrum von p(t). Um das Signal p_x(t) proportional zum Integral von x(t) zu generieren, wird die lineare Komponente, die im Phasensignal der Gleichung (4) auftritt, ausgeglichen, indem die Ausgabe der Zählung des zweiten Zählers 210 mit einer festgesetzten Frequenz f₀ getaktet wird, die vom Oszillator 208 erzeugt wird. Die Ausgabe dieser Subtraktion wird unter Verwendung des DAW 212 in die analoge Domäne konvertiert, um das Signal p_x(t) zu bilden. Es gilt anzumerken, dass in diesem System das Ausgangssignal p_x(t) ein kontinuierliches Zeitsignal ist, das auf diskreten Werten basiert, die sich asynchron verändern.
In einer Ausführungsform kann der phasenbezogene Integrator 200 als erste Stufe eines zeitkontinuierlichen Sigma-Delta-Modulators beliebiger Ordnung inkorporiert sein, wie in 4a dargestellt ist, die eine Ausführungsform eines Datenwandlers 230 zeigt. Der Datenwandler 230 weist einen Oszillator 204, einen Datenakkumulator (DA) 234, einen analogen Integrator 236 und einen Komparator 238 auf. Der Zähler 240 und der DAW 246 innerhalb des Datenakkumulators 234 fungieren als erster Integrator des Datenwandlers 230, und eine Zustandsvariable u₁(t) wird erhalten, indem von der Ausgabe des Zählers 240 zwei mögliche Werte M1 und M2 subtrahiert werden, welche die Anzahl an Perioden darstellen, die von einem Oszillator 204 in einer Abtastperiode Ts erzeugt werden, wenn x(t) seinen Maximal- bzw. Minimalwert hat: M₁ = (f₀ + Δf)/f_s, M₂ = (f₀ + Δf)/f_s (5) Die subtrahierte Menge p_y(t) hängt vom Wert der zuletzt quantisierten Abtastung y_d[n] durch eine Abbildungsfunktion MAP 250 ab. Für einen Einbit-Sigma-Delta-Modulator wird MAP 250 während der Abtastperiode n Werte p_y(t) = M1 zuweisen, wenn yd[n] = +1; und p_y(t) = M2, wenn yd[n] = –1. Durch Aufteilen von analogen Bauteilen, wie z.B. des Integrators 236 und des Komparator 238, die nach dem DA 234 verbunden werden, können Fehler, die durch analoge Schaltungen eingeführt werden, spektral durch die Schleife geformt werden. In alternativen Ausführungsformen kann das Rückführungssignal y_d[n] am Eingang des Oszillators 204 angelegt werden, sodass y_d[n] von x(t) in der analogen Domäne subtrahiert wird.
5a zeigt eine FFT einer Verhaltenssimulation eines Ausgangs y_d[n] einer Ausführungsform des Datenwandlers 230, der in 4a dargestellt ist, und 5b zeigt eine FFT eines Ausgangs y_a[n] einer Verhaltenssimulation eines herkömmlichen Sigma-Delta-Modulators zweiter Ordnung, der in 4b dargestellt ist. Zu Vergleichszwecken wurden die Parameter M1, M2, f₀ und Δf in der Ausführungsform des Datenwandlers 230 so angepasst, dass sie die gleichen Integratorverstärkungen und Bezugsströme reproduzieren, die im herkömmlichen Sigma-Delta-Modulator zweiter Ordnung aus 4b verwendet werden. Ein Eingangston mit –8 dBfs und einem Überabtastverhältnis von 128 werden für beide Verhaltenssimulationen verwendet. Das resultierende SNR, das für die beiden Simulationen erhalten wird, ist 88dB für die Ausführungsform des Datenwandlers und 92dB für den herkömmlichen Wandler.
In einer Ausführungsform kann der in 4a dargestellte DA 234 alternativ als DA 260, wie in 6 dargestellt, umgesetzt sein, wobei die gesamte Zählfunktion in einer einzelnen Schaltung umgesetzt ist. In manchen Ausführungsformen verringert die Struktur des DA 260 die durch Fehlanschlüsse im DAW 246 eingeführte Nichtlinearität und Störimpulse in der Zeitsteuerung aufgrund des taktgeberlosen Betriebs des DAW 246 (4a).
Bei dieser Umsetzung zählen zwei separate Ringzähler 262 und 264 mit jeweils N Stufen mit den ansteigenden Flanken der Eingänge y_a (t) und dem Abtasttakt CLK. Der Zähler 262 rückt für jede ansteigende Flanke von y_a (t) eins vor, und der Zähler 264 rückt M1 oder M2 Positionen für jede ansteigende Flanke im CLK vor, je nach Wert von y_d[n]. Aus diesem Grund wird der Zähler 262 als M-Modul-Ringzähler bezeichnet. Die Ausgänge Qp und Qn reproduzieren die Werte der Zähler 262 und 264 unter Verwendung eines thermometrischen Codes. Um den gewünschten Ausgabecode in u₁(t) zu erzeugen (siehe 4a), werden beide thermometrische Codes unter Verwendung von Subtraktionszellen 266 und 268 bis 270 subtrahiert, die entsprechende Bit-Ausgaben digital vom Ringzähler 262 und 264 subtrahieren. Die Ausgaben der Subtraktionszellen 266 und 268 bis 270 werden unter Verwendung eines Einheitselementstrom-Digital-Analog-Wandlers (IDAC) 272 von der digitalen Domäne in die analoge Domäne umgewandelt.
7a zeigt die innere Schaltung des Ringzählers 262 aus 6. In der dargestellten Ausführungsform sind vier Stufen (N = 4) von Registern 280, 282, 284 und 286 dargestellt, in alternativen Ausführungsformen können aber mehr oder weniger Stufen verwendet werden. Der Wechselrichter 288 stellt eine Rückkopplung von der mittleren Anzapfung des Ringzählers für das Register 280 bereit, um eine periodische Veränderung des Logikpegels in jedem Ausgang Qi mit einer Periode von N Pulsen in y_a(t). Im Vergleich dazu erzeugt ein typischer Johnson-Zähler Signale mit einer Periode von 2N Zyklen. 7c veranschaulicht die innere Schaltung des M-Modul-Ringzählers 264. Ein digitaler Akkumulator wird bei jeder aktiven Flanke des Abtasttakts CLK um Konstanten M1 und M2 erhöht, je nach Wert von yd[n]. Das erzeugte Signal wird in einem Zeigerdekodierblock dekodiert, um die erforderlichen Qn-Ausgänge in 264 einzuschalten.
7b veranschaulicht eine Ausführungsform der Subtraktionszelle 290, die mit einem Einheits-DAW-Element verbunden ist. In einer Ausführungsform kann die Subtraktionszelle 290 verwendet werden, um die in 6 gezeigten Subtraktionszellen 266 bis 270 umzusetzen. Die Subtraktionszelle 290 weist einen Phasenfrequenzdetektor auf, der ein UND-Gatter 298 und Register 292 und 294 aufweist. Wenn das i-te positive Q-Signal ausgelöst wird, wird das positive Stromelement 297 in den IDAC geschaltet. Dann wird, wenn das i-te negative Q-Signal ausgelöst wird, das Element 297 rückgestellt. Der Betrieb ist ähnlich, wenn das negative Q-Signal auslöst, mit der Ausnahme, dass ein negatives Stromelement 299 ausgelöst und dann rückgestellt wird.
In einer Ausführungsform ermöglicht der Betrieb der Subtraktionszelle 290 es dem Zähler 240 und dem MAP-Block 250 (4a), weiterzulaufen, während der Unterschied zwischen den Ausgaben des Zählers 240 und des MAP-Block 250 innerhalb von ±N Einheiten ist. Wird diese Bedingung nicht erfüllt, entspricht das der Sättigung eines Operationsverstärkers aufgrund der Überschreitung in einer der Zustandsvariablen. In manchen Ausführungsformen weisen die Zustandsvariablen des Datenwandlers eine Größe auf, die sicherstellt, dass dieser äquivalente Sättigungszustand nicht erzeugt wird. Alternativ dazu kann eine spezifische Sättigungsdetektorschaltung verwendet werden, um eine Sättigung festzustellen. In manchen Ausführungsformen gibt die Größenbestimmung der Zustandsvariablen die Länge N von Ringzählern der Ringzähler N 262 und 264 vor (6).
Die Schaltung aus 6 kann zwei Arten von schaltungsinduzierten Fehlern unterliegen. Eine erste Art von schaltungsinduziertem Fehler ist Nichtlinearität aufgrund einer Fehlanpassung zwischen den Elementstromquellen 297 und 299 im IDAC 272. Eine zweite Art von schaltungsinduziertem Fehler geht auf Störimpulse beim Schalten der Stromzellen zurück, was mit keiner Taktgebung zusammenhängt. Der rotierende Betrieb der Ringzähler 262 und 264 stellt jedoch sicher, dass die Stromelementzellen des IDAC 272 auf zirkuläre Weise adressiert werden.
8 veranschaulicht das Schaltungsfehlermodell 300 einer Ausführungsform eines Datenwandlers mit einem Oszillator 302, einer DA-Schaltung 306, einem DAW 308, einem Rückkopplungs-DAW 314, einem analogen Integrator 310 und einem Komparator 312. In den DAW 308 eingeführte Fehler können als additives Fehlersignal e_DAC[n] modelliert werden, die bei seinem Ausgang addiert werden. Vorausgesetzt e_DAC[n] in die Eingabe des zweiten analogen Integrators 310 eingeführt wird, ist der Effekt dieses Fehlers rauschgeformt erster Ordnung.
9 zeigt eine FFT einer Verhaltenssimulation der Ausgabe y_d[n] einer Ausführungsform eines Datenwandlers 230, wie er in 4a gezeigt ist, worin ein normalverteilter Zufallsfehler von 1 % des Einheitselement-Nominalwerts im positiven und negativen Stromelement 297 und 299 modelliert sind. Das resultierende SNR ist 84dB, was nur 4dB unter dem Bezugsfall aus der obigen 5a liegt.
Herkömmliche zeitkontinuierliche Sigma-Delta-Modulatoren, wie z.B. die in 4b dargestellte Schaltung, sind bekannterweise empfindlich gegenüber Taktzittern im Rückkopplungs-DAW. In der Schaltung aus 4b kann DAW-Zittern als additives Signal bei der DAW2-Ausgabe modelliert werden, die im Integrator I1 integriert wird. In einer Ausführungsform eines Datenwandlers 230 ist das Taktzittern rauschgeformt erster Ordnung, weil es als additiver Fehler beim Ausgang von DAW 246 modelliert werden kann und dann dem gleichen Fehlermodell folgt wie in 8. In diesem Fall tritt ein Zitterfehler auf, nachdem der Integrationsprozess in 234 stattgefunden hat, weshalb er auf die gleiche Weise behandelt werden kann wie DAW-Nichtlinearität Fehlerergebnisse können spektral geformt sein. 10 veranschaulicht eine simulierte Auftragung eines Spitzen-SNR im Vergleich zu einer normalisierten Taktzittervarianz ı/Ts für die Ausführungsform einer Umsetzung, wie sie in 4a gezeigt ist (Spur 320), und für die herkömmliche zeitkontinuierliche Umsetzung, die in 4b gezeigt ist (Spur 322). In der Simulation der Umsetzungsausführungsform aus 4a wird ein gaußsches weißes Zittern zu dem Takt addiert, der MAP-Block 250 auslöst, und auch zu Takt, der den Komparator 238 auslöst. In einem Beispiel kann eine Ausführungsform eines Systems der Taktzittervarianz bis zu 2 % der Abtastperiode standhalten, ohne signifikanten SNR-Verlust vom Idealwert von 88dB aufzuweisen, während der Standardmodulator, der in 4b dargestellt ist, nur einer Zittervarianz von 0,1 % der Abtastperiode standhalten kann. Es versteht sich, dass die tatsächliche Leistung von Ausführungsformen der Systeme je nach jeweiliger Ausführungsform und ihren Spezifikationen variieren kann.
11 zeigt ein herkömmliches Mikrofonsystem mit einem Vorspannungs- und Vorverstärkungsblock 350, gefolgt von einem Sigma-Delta-Modulatorblock 352. Der Verstärker 354 dämpft die Ausgabe eines kapazitiven Mikrofons, das als Kondensator C dargestellt ist. Eine Gleichstromquelle V_Pol stellt eine Vorspannung für das Mikrofon bereit. Der Sigma-Delta-Modulator 352 ist mit dem Ausgang eines Vorspannungs- und Vorverstärkungsblocks 350 verbunden und beispielsweise unter Verwendung einer herkömmlichen überabgetasteten Datenwandlerarchitektur aufgebaut, wie sie in 4b dargestellt ist.
12a veranschaulicht einer Ausführungsform einer integrierten Schaltung (IC) 400, die konfiguriert ist, um mit einem MEMS-Mikrofon 402 verbunden zu werden, das durch gestrichelte Linie dargestellt ist, um anzuzeigen, dass das Mikrofon 402 nicht notwendigerweise auf der IC 400 bereitgestellt ist. In manchen Ausführungsformen kann das Mikrofon 402 aber auch auf der IC 400 bereitgestellt sein. In alternativen Ausführungsformen können andere Arten von kapazitiven Sensorschaltungen anstelle eines MEMS-Mikrofons 402 verwendet werden. Ein Oszillatorkern 404 ist über Stifte 414 und 416 mit dem MEMS-Mikrofon 402 verbunden und produziert ein Signal Vosc, das eine Frequenz aufweist, die mit der Kapazität des MEMS-Mikrofons 402 zusammenhängt. In einer Ausführungsform ist der Oszillatorkern 404 unter Verwendung eines Relaxationsoszillators umgesetzt, in dem die Kapazität des MEMS-Mikrofons 402 als letzter Teil der Kapazität des Relaxationsoszillators eingesetzt wird. Folglich ist die Oszillationsfrequenz des Signals Vosc umgekehrt proportional zur Kapazität des MEMS-Mikrofons 402, wie in 12b dargestellt ist. Während des Betriebs durchläuft die Kapazität des MEMS 402 eine entsprechende Veränderung, weil die Schallenergie die Platten des MEMS-Mikrofons 402 zum Vibrieren bringt. Diese entsprechende Veränderung der Kapazität spiegelt sich dann in der Phase und Frequenz des Signal Vosc wider.
Wieder auf 12a zurückkommend ist der digitale Akkumulator (DA) 406 konfiguriert, um den Zustand bei jeder ansteigenden und/oder abfallenden Flanke des Signals Vosc zu ändern. In einem Beispiel inkrementiert der digitale Akkumulator 406 an den Flanken des Signals Vosc. Die Ausgabe des digitalen Akkumulators 406 wird durch den Digital-Analog-Wandler 408 in die digitale Domäne umgewandelt, dessen Ausgabe in ein analoges Schleifenfilter 410 eingebracht wird. Der Komparator 412 vergleicht dann die Ausgabe des analogen Schleifenfilters 410 mit einem Schwellenwert. Der Vergleich kann synchron mit einem Tanksignals CLK mit festgesetzter Frequenz erfolgen. Der Dezimierer 417 ist mit dem Ausgang des Komparators 412 verbunden und stellt unter Verwendung von auf dem Gebiet der Erfindung bekannten Dezimierungstechniken ein digitales Ausgabewort DOUT bereit. In manchen Ausführungsformen kann der Komparator 412 unter Verwendung eines Mehrbitkomparators umgesetzt sein, z.B. als Mehrbit-Flash-ADW (auf Basis von Flash-Speichertechnik arbeitender Mehrbit-ADW). Die Rückkopplung zum digitalen Akkumulator 406 kann in manchen Ausführungsformen in Form von vordefinierten Konstanten erfolgen.
Der Ausgang CMP des Komparators 412 ist ferner mit einem Eingang eines digitalen Akkumulators 406 verbunden, der auch seinen Zustand in Abhängigkeit vom Wert des CMP einstellt. Beispielsweise dekrementiert der digitale Akkumulator 406 einen konstanten Wert M1, wenn CMP hoch ist, und dekrementiert einen weiteren konstanten Wert M2, wenn CMP niedrig ist. In manchen Ausführungsformen kann der Komparator 412 als Mehrbitkomparator umgesetzt sein, der verschiede kontante Werte M1, M2, M3 ..., ausgibt, jeweils einen für jeden Wert, der vom Komparator 412 generiert wird. In manchen Fällen kann der digitale Akkumulator asynchron an der ansteigenden und/oder abfallenden Flanke von Vosc dekrementieren und synchron an der ansteigenden und/oder abfallenden Flanke eines Taktsignals CLK mit festgesetzter Frequenz dekrementiert, je nach Wert des Signals CMP. In manchen Ausführungsformen kann der DA 406 gemäß den oben beschriebenen 6 und 7a–b unter Verwendung von Ringzählern und Einheitselement-IDACS umgesetzt sein.
13a veranschaulicht eine Ausführungsform eines Oszillators 420 mit einem Kern, der einen Widerstand R und einen Komparator 422, der mit einem MEMS-Mikrofon 424, das durch einen Kondensator C repräsentiert ist, umfasst. Das MEMS-Mikrofon 424 ist durch gestrichelte Linien dargestellt, um zu zeigen, dass das MEMS-Mikrofon physisch vom Oszillatorkern getrennt sein kann. Es gilt anzumerken, dass die Eingangsvariable x(t), die in den obigen Ausführungsformen beschrieben ist, in manchen Ausführungsformen, wo eine Mikrofonkapazität verwendet wird, um die Frequenz eines Oszillators zu modulieren, Schallenergie darstellen kann.
Während des Betriebs lägt der Ausgang des Komparators 422 die MEMS-Kapazität C über den Widerstand R auf, bis der Knoten V_C den positiven Schwellenwert Vthp des Komparators 422 erreicht. Diese Ladephase ist im Wellenformdiagramm in 13b in Bezug auf Segment 426 dargestellt. Nachdem der Schwellenwert des Komparators 422 erreicht wurde, sinkt die Ausgabe des Komparators ab, wodurch MEMS-Kapazität C abgegeben wird, bis der negative Schwellenwert Vthn erreicht wird. Diese Entladephase ist im Wellenformdiagramm in 13b in Bezug auf Segment 428 dargestellt.
Da die Kapazität C moduliert wird, verändert sich die Frequenz des Oszillators 420, sodass die Phase des Oszillators in Bezug auf die Zeit integriert wird. Diese Beziehung ist im Wellenformdiagramm in 13c dargestellt, welche die Eingangsvariable x(t), die Schallenergie sein kann, und die Ausgangsphase des Oszillators ĭ(t), die proportional zum Integral von x(t) dargestellt ist, veranschaulicht.
14 veranschaulicht eine Ausführungsform einer Datenwandlerschleife 430, in der ein Aufwärts/Abwärts-Zähler 436 mit den Ausgängen des Oszillatorkerns 404 und des Komparators 412 verbunden ist. In einer Ausführungsform inkrementiert der Aufwärts/Abwärts-Zähler bei der ansteigenden und/oder abfallenden Flanke des Oszillators und dekrementiert durch eine separate Gruppe von Werten, die von der Ausgabe CMP des Komparators 412 abhängen. In einer Ausführungsform kann beispielsweise ein konstanter Wert subtrahiert werden, wenn der Ausgang des Komparators 412 sich in einem ersten Zustand befindet, und ein zweiter konstanter Wert kann subtrahiert werden, wenn der Ausgang des Komparators 412 sich in einem zweiten Zustand befindet. Das Schleifenfilter der Wandlerschleife 430 weist Integratoren 432 und 434 auf. Da der Oszillatorkern 404 und der Zähler 436 zusammen als erster Integrator wirken, wirkt die Datenwandlerschleife 430 effektiv als Schleife dritter Ordnung. In anderen Ausführungsformen könne Schleifen höherer Ordnung umgesetzt werden, indem weitere Integratoren hinzugefügt werden. Beispielsweise können manche Mikrofonschaltungen Schnittstellen mit einem Datenwandler vierter Ordnung aufweisen.
Die 15a–e zeigen Schaltbilder einer Ausführungsform einer integrierten Schaltung, die so konfiguriert ist, dass mit eine Schnittstelle mit einem MEMS-Mikrofon oder einer anderen kapazitiven Signalquelle aufweist. 15A zeigt ein Schaltbild der obersten Ebene einer Ausführungsform einer überabgetasteten integrierten Modulatorschaltung 500. Die integrierte Schaltung 500 weist einen Oszillatorkern 506 auf, der konfiguriert ist, um mit dem MEMS-Mikrofon 501 verbunden zu werden. Das MEMS-Mikrofon 501 ist durch gestrichelte Linien dargestellt, um anzuzeigen, dass das MEMS-Mikrofon 501 nicht notwendigerweise auf dem gleichen Bauelement bereitgestellt ist wie die anderen Blöcke der Ausführungsform der überabgetasteten integrierten Modulatorschaltung 500. In einer Ausführungsform ist die Frequenz des Ausgangs des Oszillatorkerns 506 umgekehrt proportional zur Kapazität innerhalb des MEMS-Mikrofons 501. Der Ausgang des Oszillatorkerns 506 ist mit dem Eingang des DWA-Zählers 512 verbunden. In einer Ausführungsform arbeitet der DWA-Zähler 512 nach den Prinzipien des in 6 und oben beschriebenen Zählers. Der Ausgang des Zählers 512 ist mit dem IDAC 514 verbunden, der die Eingabe von analogen Integrator 516 zuführt. Der Komparator 518 ist mit dem analogen Integrator 516 verbunden und stellt eine Rückkopplung für den Zähler 512 gemäß einem Takt mit festgesetzter Frequenz bereit, der vom Taktgeber 504 generiert wird, der ferner eine Schnittstelle mit dem Oszillator 506 aufweist. In manchen Ausführungsformen ist der Taktgeber 504 konfiguriert, um einen festgesetzten Takt mit einer Frequenz zu erzeugen, die im Wesentlichen gleich oder nahe einer ganzzahligen Vielfachen der mittleren Frequenz des Oszillators 506 ist. In manchen Ausführungsformen kann der Taktgeber 504 unter Verwendung einer Phasenregelschleife umgesetzt sein.
Der Frequenzregelungsblock 508 kann beispielsweise verwendet werden, um die Vorspannung oder Schwellenwerte im Oszillator 506 einzustellen. Die Einstellung der Schwellenwerte und/oder der Vorspannung des Oszillatorkerns 506 kann verwendet werden, um die Mittenfrequenz festzusetzen, oder um den Betrieb des Oszillators 506 so einzustellen, dass er mit Mikrofonen mit unterschiedlichen Kapazitäten kompatibel ist. Die Sättigungslogik 510 überwacht den Zustand der Zähler innerhalb des Zählers 512. In einer Ausführungsform werden, wenn die Sättigungslogik 510 einen Sättigungszustand feststellt, die Rückkopplungskondensatoren im Integrator 516 umgangen. Das Umgehen der Integratorkondensatoren reduziert effektiv die Ordnung der Schleife, was den Betrieb unter verschiedenen Bedingungen stabilisieren kann, beispielsweise wenn der Oszillator 506 eine große Eingabe erhält. In einer Ausführungsform wird das Schleifenfilter des Modulators unter Verwendung eines einzelnen analogen Differentialintegrators 516 umgesetzt. In alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können zwei oder mehr Integratoren verwendet werden, um höhere Schleifenordnungen zu erhalten. Es versteht sich, dass die Architektur des analogen Integrators 516 nur ein Beispiel aus zahlreichen möglichen Integratorstrukturen ist. Andere integrierte Strukturen und Architekturen sind auf dem Gebiet der Erfindung bekannt und können ebenfalls verwendet werden. Beispielsweise können zweite und nachfolgende Integratoren durch einen VCO ersetzt sein, der durch einen DAW und einen weiteren digitalen Akkumulator angetrieben wird, wie nachstehend in Bezug auf 16 beschrieben ist. In solchen Ausführungsformen kann die Verwendung von analogen Integratoren und Operationsverstärkern eliminiert werden.
Eine digitale Schnittstelle 502 kann verwendet werden, um den Betrieb der verschiedenen Elemente innerhalb der Schaltung 500 einzustellen. Beispielsweise kann die digitale Schnittstelle 502 verwendet werden, um die Frequenzregelungsparameter einzustellen, die vom Frequenzregelungsblock 508 geregelt werden, sowie um den Betrieb des Taktgebers 504 und der Sättigungslogik 510 einzustellen. Außerdem kann ein Signal Chop_ON/OFF verwendet werden, um das Funkelrauschen auszugleichen, das durch die Verwendung von auf dem Gebiet der Erfindung bekannten Zerhackertechniken, wie sie etwa in Audio- und Differenzverstärkern und Komparatoren verwendet werden, in die Oszillatorschaltung eingeführt werden. Die digitale Schnittstelle 502 kann beispielsweise unter Verwendung einer Serial Peripheral Interface (SPI; serielle Peripherieschnittstelle) umgesetzt werden. Alternativ dazu können andere parallele oder serielle digitale Schnittstellenschaltungen verwendet werden. Außerdem können Ausgänge Daten 2 vom Komparator 518 mit einer digitalen Dezimierungsschaltung verbunden sein, um ein digitales Mehrbit-Ausgabewort zu erzeugen.
In einer Ausführungsform ist der Oszillator 506 konfiguriert, um bei einer Nennfrequenz von etwa 92 MHz bis etwa 108 MHz zu arbeiten, während der Komparator 518 konfiguriert ist, die Ausgabe des analogen Integrator 516 bei einer Frequenz von etwa 10,24 MHz vergleicht. Wenn eine Bandbreite von etwa 20 KHz des MEMS-Mikrofons berücksichtigt wird, läuft die Schaltung 500 effektiv bei einem Überabtastverhältnis von OSR = 256. Alternativ dazu können auch andere Frequenzen und Überabtastverhältnise umgesetzt werden, je nach System und seinen jeweiligen Spezifikationen.
15b zeigt ein Schaltbild eines DWA-Zählers 512 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Zähler 512 weist einen 16-Bit-Ringzähler (N = 16) mit einer Rückkopplung bei etwa den ersten 8 Stufen unter Verwendung eines logischen Operators 532 auf. In manchen Ausführungsformen kann der logische Operator 532 unter Verwendung von beispielsweise einem oder mehreren digitalen Wechselrichtern umgesetzt werden. Der zweite Ringzähler kann unter Verwendung eines digitalen Akkumulators und des thermometrische Dekodierers 534 umgesetzt werden, und physisch kann der durch kaskadierende 16-Bit-Scheibenelemente 530 umgesetzt werden, die jeweils Register enthalten, um ein Bit für jeder der beiden Zähler zu stützen, sowie durch eine Subtraktionsschaltung, wie sie beispielsweise oben in Bezug auf 7b beschrieben ist. Der Dekodierblock 534 stellt ein Rückkopplungseingabewort für die Ringzähler bereit, das von der Ausgabe des Komparators 518 abhängt. Der IDAC ist außerdem in 15b funktionell als IDACp und IDACn dargestellt, die mit Bit-Scheibenelementen 530 verbunden sind.
15c zeigt ein Schaltbild eines Dekodierblocks mit 16 Vervielfacherelementen 540, die eine skalierte Version der Komparatorrückkopplung zu den Ringzählern darstellen. 15d zeigt ein Schaltbild eines Dekodierelements unter Verwendung von funktionellen Vergleichs- und Logikoperatoren. In manchen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können diese Vergleichs- und Logikoperatoren unter Verwendung von verschiedenen auf dem Gebiet der Erfindung bekannten Logikschaltungen umgesetzt werden.
15e zeigt ein Schaltbild einer Falls eines Bit-Scheibenelements 530, das Register 550, 552 und 554 umfasst. Das Register 550 wirkt als ein Registerelement eines Ringzählers, das bei jedem Puls des Oszillators 506 inkrementiert, während das Register 554 als ein Registerelement des M-Modul-Ringzählers wirkt, das sich gemäß der Ausgabe des Komparators 518 verändert. Beide Register 552 und 554 sowie das NAND-Gatter 556 dienen als Subtraktionsschaltung, die eine Ausgabe lp für die positiven IDAC-Elemente und eine Ausgabe ln für die negativen DAW-Elemente bereitstellt, wie oben in Bezug auf 7b beschrieben wurde. In der Ausführungsform aus 15e führt jedoch das Register 554 eine Doppelfunktion als sowohl Ringzähler-Bitelement als auch als Teil der Subtraktionsschaltung aus.
16 zeigt die Architektur eines Sigma-Delta-Modulators dritter Ordnung 600, in dem eine auf VCOs und digitaler Logik basierende Architektur eingesetzt wird. Der Modulator 600 weist einen ersten Integrator mit einem Oszillator 610 und einen digitalen Akkumulator 612, der gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen arbeitet, auf. In einer Ausführungsform ist das analoge Schleifenfilter durch Integratoren 604 und 606 ersetzt, die jeweils einen VCO 614 und 618 bzw. einen digitalen Akkumulator 616 und 620 aufweisen. Die Ausgabe des Größenwandlers 608 zu einem oder mehreren der Integratoren 602, 604 und 606 zurückgeführt werden. In manchen Ausführungsformen werden die VCOs 614 und 618 über Digital-Analog-Wandler (D/A) 622 bzw. 624 geregelt. Alternativ dazu können Spannungssteuerungsoszillatoren 614 und 618 durch digital gesteuerte Oszillatoren (DCO) ersetzt sein, und die D/A-Wandler können weggelassen werden. Es gilt zu verstehen, dass der Modulator 600 unter Verwendung von nur den Integratoren 602 und 604 oder unter Verwendung von weiteren Integratoren, die nach dem Integrator 606 kaskadieren, umgesetzt sein kann.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst eine Schaltung einen Oszillator mit einer Oszillationsfrequenz, die von einem Eingangssignal abhängt, einen digitalen Akkumulator mit einem ersten Eingang, der mit einem Ausgang des Oszillators verbunden ist, einen Digital-Analog-Wandler (DAW), der mit einem Ausgang des digitalen Akkumulators verbunden ist, ein analoges Schleifenfilter, das mit einem Ausgang des Digital-Analog-Wandlers verbunden ist, und eine Vergleichsschaltung mit einem Eingang, der mit einem Ausgang des analogen Schleifenfilters verbunden ist, und einem Ausgang, der mit einem zweiten Eingang des digitalen Akkumulators verbunden ist. In einigen Ausführungsformen kann das Eingangssignal ein akustisches Signal umfassen. Der Oszillator kann konfiguriert sein, um mit einem MEMS-Mikrofon verbunden zu werden, sodass die Oszillatorfrequenz von der Kapazität des MEMS-Mikrofons abhängt.
In einer Ausführungsform ist der digitale Akkumulator konfiguriert, um in eine erste Richtung zu inkrementieren, wenn der Ausgang des Oszillators einen Logikübergang durchläuft, und der digitale Akkumulator ist konfiguriert, um in eine der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung zu inkrementieren, wenn der Ausgang der Vergleichsschaltung sich in einem ersten Logikzustand befindet. Der digitale Akkumulator kann konfiguriert sein, um in einem ersten Ausmaß in die zweite Richtung zu inkrementieren, wenn der Ausgang der Vergleichsschaltung sich im ersten Logikzustand befindet und er kann konfiguriert sein, um in einem zweiten Ausmaß in die zweite Richtung zu inkrementieren, wenn der Ausgang der Vergleichsschaltung sich in einem zweiten Logikzustand befindet.
In manchen Ausführungsformen ist der digitale Akkumulator konfiguriert, um asynchron in die erste Richtung zu inkrementieren, wenn der Ausgang des Oszillators einen Logikübergang durchläuft, und er ist konfiguriert, um an der Flanke eines Taktsignals mit einer festgesetzten Frequenz synchron in der zweiten Richtung überzugehen, wenn der Ausgang der Vergleichsschaltung sich im ersten Zustand befindet. Der digitale Akkumulator kann einen ersten Ringzähler, der konfiguriert ist, um asynchron zu inkrementieren, wenn der Ausgang des Oszillators einen Logikübergang durchläuft, und einen zweiten Ringzähler, der konfiguriert ist, um zu inkrementieren, wenn der Ausgang der Vergleichsschaltung sich in einem ersten Zustand befindet, umfassen.
In einer Ausführungsform umfasst der DAW eine Vielzahl von ersten Stromquellen, von denen jede einen Steuereingang aufweist, der mit einem entsprechenden Ausgangsbit des ersten Ringzählers und dem Ausgang des DAW verbunden ist. Jeder der Vielzahl von ersten Stromquellen weist außerdem eine erste Strompolarität auf. Der DAW umfasst außerdem eine Vielzahl von zweiten Stromquellen, die einen Steuereingang aufweisen, der mit dem entsprechenden Ausgangsbit des zweiten Ringzählers und dem Ausgang des DAW verbunden ist. Jede der Vielzahl von zweiten Stromquellen weist außerdem eine zweite Strompolarität auf, die der ersten Strompolarität entgegengesetzt ist.
In einer Ausführungsform umfasst das analoge Schleifenfilter einen Integrator, der zumindest zweiter Ordnung ist. Die Schaltung kann ferner einen digitalen Dezimierer mit einem Eingang umfassen, der mit dem Ausgang der Vergleichsschaltung verbunden ist. In einigen Ausführungsformen umfasst die Vergleichsschaltung einen Komparator, der als Einbitkomparator oder als Mehrbitkomparator umgesetzt ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst eine integrierte Schaltung eine Oszillatorkernschaltung, einen Digital-Analog-Wandler (DAW), ein analoges Schleifenfilter und einen Komparator. Die Oszillatorkernschaltung umfasst eine Schnittstelle, die konfiguriert ist, um mit einem kapazitiven Sensorelement verbunden zu werden, und die Oszillatorkernschaltung ist konfiguriert, um ein Oszillationssignal mit einer Frequenz bereitzustellen, die von der Kapazität des kapazitiven Sensorelements abhängt. Der digitale Akkumulator weist einen ersten Eingang auf, der mit einem Ausgang des Oszillators verbunden ist, der Digital-Analog-Wandler DAW ist mit einem Ausgang des digitalen Akkumulators verbunden, das analoge Schleifenfilter ist mit einem Ausgang des Digital-Analog-Wandlers verbunden und der Komparator weist einen Eingang auf, der mit einem Ausgang des analogen Schleifenfilters verbunden ist, und einen Ausgang, der mit einem zweiten Eingang des digitalen Akkumulators verbunden ist. In einer Ausführungsform weist die integrierte Schaltung außerdem das kapazitive Sensorelement auf, das beispielsweise einen MEMS-Mikrofonsensor umfassen kann. Die integrierte Schaltung kann außerdem einen Dezimierer umfassen, der mit dem Ausgang des Komparators verbunden ist.
In einer Ausführungsform ist der digitale Akkumulator konfiguriert, um asynchron seinen Zustand auf eine erste Art zu ändern, wenn der Ausgang der Oszillatorkernschaltung einen Logikübergang durchläuft, und der digitale Akkumulator ist konfiguriert, um synchron seinen Zustand an der Flanke eines Taktsignals mit einer festgesetzten Frequenz auf eine zweite Weise zu ändern, wenn der Ausgang des Komparators sich in einem ersten Zustand befindet. Der digitale Akkumulator kann einen ersten Ringzähler umfassen, der konfiguriert ist, um asynchron zu inkrementieren, wenn der Ausgang der Oszillatorkernschaltung einen Logikübergang durchläuft, und einen zweiten Ringzähler, der konfiguriert ist, um zu inkrementieren, wenn der Ausgang des Komparators sich in einem ersten Zustand befindet.
In einer Ausführungsform umfasst der DAW eine Vielzahl von ersten Stromquellen. Jeder der Vielzahl von ersten Stromquellen weist einen Steuereingang auf, der mit einem entsprechenden Ausgangsbit des ersten Ringzählers und dem Ausgang des DAW verbunden ist, und jede der Vielzahl von ersten Stromquellen weist eine erste Strompolarität auf. Der DAW umfasst außerdem eine Vielzahl von zweiten Stromquellen. Jede der Vielzahl von ersten weist Stromquellen einen Steuereingang auf, der mit dem entsprechenden Ausgangsbit des zweiten Ringzählers und dem Ausgang des DAW verbunden ist, und jede der Vielzahl von zweiten Stromquellen weist eine zweite Strompolarität auf, die der ersten Strompolarität entgegengesetzt ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Durchführung einer Analog-Digital-Umwandlung das Erzeugen eines Oszillationssignals mit einer Frequenz, die von einem Eingangssignal abhängt, das Steuern eines Akkumulators basierend auf einer Flanke des Oszillationssignals und basierend auf einem Vergleichssignal, das Durchführen einer Digital-Analog-Umwandlung eines Ausgangs des Akkumulators, um ein erstes analoges Signal zu erzeugen, das Filtern des ersten analogen Signals unter Verwendung eines analogen Schleifenfilters und das Vergleichen des Ausgangs des analogen Schleifenfilters mit einem Schwellenwert, um das Vergleichssignal zu erzeugen. Das Erzeugen des Oszillationssignals kann die Verwendung einer Oszillatorschaltung umfassen. In manchen Ausführungsformen umfasst das Eingangssignal ein akustisches Signal und die Frequenz hängt von der Kapazität eines kapazitiven Schallsensors ab. Das Verfahren kann fernen das Dezimieren des Vergleichssignals umfassen, um ein Datenwandler-Ausgangssignal zu erzeugen.
In einer Ausführungsform umfasst das Steuern des Akkumulators das Inkrementieren des Akkumulators in eine erste Richtung, wenn das Oszillationssignal eine Zustandsübergang durchläuft, und das Inkrementieren des Akkumulators in eine der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung, wenn das Vergleichssignal sich in einem ersten Zustand befindet. Das Inkrementieren des Akkumulators in eine zweite Richtung kann das Inkrementieren des Akkumulators in die zweite Richtung an der Flanke eines Taktsignals eines Taktgebers mit einer festgesetzten Frequenz umfassen, wenn das Vergleichssignal sich in einem ersten Zustand befindet. In manchen Ausführungsformen kann das Steuern des Akkumulators asynchrones Inkrementieren eines ersten Ringzählers, wenn der Ausgang des Oszillators einen Logikübergang durchläuft, und Inkrementieren eines zweiten Ringzählers an der Flanke eines festgesetzten Taktgebers, wenn das Vergleichssignal sich in einem ersten Zustand befindet, umfassen. In einer Ausführungsform umfasst das Filtern des ersten analogen Signals die Durchführung einer analogen Integration eines Ausgangs des DAW.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst eine MEMS-Sensor-Schnittstelle eine Oszillatorkernschaltung, die eine Schnittstelle umfasst, die konfiguriert ist, um mit einem MEMS-Sensorelement verbunden zu werden, sodass die Oszillatorkernschaltung konfiguriert ist, um ein Oszillationssignal mit einer Frequenz bereitzustellen, die von der Kapazität des MEMS-Sensorelements abhängt. Die MEMS-Sensor-Schnittstelle umfasst außerdem einen digitalen Akkumulator mit einem ersten Eingang, der mit einem Ausgang des Oszillators verbunden ist, und einem zweiten Eingang. Der digitale Akkumulator umfasst einen ersten Ringzähler, der konfiguriert ist, um asynchron zu inkrementieren, wenn der Ausgang der Oszillatorkernschaltung einen Logikübergang durchläuft, und einen zweiten Ringzähler, der konfiguriert ist, um beim Übergang eines Takts mit einer festgesetzten Frequenz zu inkrementieren, wenn der zweite Eingang sich in einem ersten Zustand befindet. Die MEMS-Sensor-schnittstellt umfasst außerdem einen Digital-Analog-Wandler (DAW), der mit einem Ausgang des digitalen Akkumulators verbunden ist, der eine Vielzahl von ersten Stromquellen und zweiten Stromquellen umfasst. Jede der Vielzahl von ersten Stromquellen weist einen Steuereingang auf, der mit einem entsprechenden Ausgangsbit des ersten Ringzählers und einem Ausgang des DAW verbunden ist, und jede der Vielzahl von ersten Stromquellen weist eine erste Strompolarität auf. Auf ähnliche Weise weist jede der Vielzahl von zweiten Stromquellen einen Steuereingang auf, der mit einem entsprechenden Ausgangsbit des zweiten Ringzählers und dem Ausgang des DAW verbunden ist, und jede der Vielzahl von zweiten Stromquellen weist eine zweite Strompolarität auf, die der ersten Strompolarität entgegengesetzt ist. Die MEMS-Sensor-Schnittstelle umfasst ferner ein analoges Schleifenfilter, das mit einem Ausgang des Digital-Analog-Wandlers verbunden ist, und einen Komparator mit einem Eingang, der mit einem Ausgang des analogen Schleifenfilters verbunden ist, und einem Ausgang, der mit einem zweiten Eingang des digitalen Akkumulators verbunden ist. In einer Ausführungsform umfasst die MEMS-Sensor-Schnittstelle außerdem ein Dezimierungsfilter, das mit dem Ausgang des Komparators verbunden ist.
In einer Ausführungsform umfasst eine Schaltung eine erste Stufe, eine zweite Stufe und eine Vergleichsschaltung. Die erste Stufe umfasst einen ersten Oszillator mit einer Oszillationsfrequenz, die von einem Eingangssignal abhängt, und einen ersten digitalen Akkumulator mit einem ersten Eingang, der mit einem Ausgang des ersten Oszillators verbunden ist. Die zweite Stufe umfasst einen zweiten Oszillator mit einer Oszillationsfrequenz, die von einem Ausgang des ersten digitalen Akkumulators abhängt, und einen zweiten digitalen Akkumulator mit einem ersten Eingang, der mit einem Ausgang des zweiten Oszillators verbunden ist. Die Vergleichsschaltung weist einen Eingang auf, der mit einem Ausgang der zweiten Stufe verbunden ist, und einen Ausgang, der mit einem zweiten Eingang des ersten digitalen Akkumulators verbunden ist.
In einer Ausführungsform umfasst die Schaltung außerdem eine dritte Stufe, die zwischen der zweiten Stufe und der Vergleichsschaltung verbunden ist. Die dritte Stufe kann einen dritten Oszillator mit einer Oszillationsfrequenz, die von einem Ausgang des zweiten digitalen Akkumulators abhängt, und einen dritten digitalen Akkumulator mit einem ersten Eingang, der mit einem Ausgang des dritten Oszillators verbunden ist, umfassen. In manchen Ausführungsformen ist der Ausgang der Vergleichsschaltung ferner mit einem ersten Eingang des zweiten digitalen Akkumulators und einem ersten Eingang des dritten digitalen Akkumulators verbunden. Der zweite Oszillator kann unter Verwendung eines Digital-Analog-Wandlers und eines spannungsgesteuerten Oszillators, der mit einem Ausgang des Digital-Analog-Wandlers verbunden ist, umgesetzt sein. Alternativ dazu kann der zweite Oszillator unter Verwendung eines digital gesteuerten Oszillators (DCO) umgesetzt sein.
Ein Vorteil der Systeme der Ausführungsformen umfasst die Unempfindlichkeit bezüglich Taktzittern und Rückkopplung-DAW-Fehlanpassung. Ein weiterer Vorteil einiger Ausführungsformen umfasst die Möglichkeit, Rauschformung von analogen Schaltungsfehlern unter Verwendung eines digitalen Akkumulators bereitzustellen, um eine erste Integration durchzuführen, anstatt eines analogen Hochleistungsintegrators.
Ein weiterer Vorteil einiger Ausführungsformen umfasst die Möglichkeit, das MEMS-Mikrofon in einem nichtvorgespannten Zustand zu betreiben, da so die akustischen Spitzenschallpegel erhöht werden können, die durch das MEMS-Mikrofon detektierbar sind, und außerdem Energie und Platz auf dem Bauelement gespart werden können, die normalerweise für die Vorspannung des MEMS-Mikrofons reserviert wären.
Ein weiterer Vorteil mancher Ausführungsformen umfasst die Möglichkeit, einen kapazitiven Datenwandler ohne analoge Integratoren bereitzustellen, indem alle analogen Integratoren durch Oszillatoren und Zähler ersetzt werden.
Die Erfindung wurde zwar unter Bezugnahme auf veranschaulichende Ausführungsformen beschrieben, diese Beschreibung ist jedoch nicht in einschränkendem Sinne zu verstehen. Verschiedene Modifikationen und Kombinationen der veranschaulichenden Ausführungsformen sowie andere Ausführungsformen der Erfindung sind für Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung unter Bezugnahme auf die Beschreibung offensichtlich. Daher ist vorgesehen, dass die beiliegenden Ansprüche jegliche solche Modifikationen oder Ausführungsformen einschließen.

Claims

Schaltung, umfassend: einen Oszillator (204) mit einer Oszillationsfrequenz, die von einem Eingangssignal abhängt; einen digitalen Akkumulator (234) mit einem ersten Eingang, der mit einem Ausgang des Oszillators verbunden ist; einen Digital-Analog-Wandler (246) (DAW), der mit einem Ausgang des digitalen Akkumulators verbunden ist; ein analoges Schleifenfilter, das mit einem Ausgang des Digital-Analog-Wandlers verbunden ist; und eine Vergleichsschaltung (238) mit einem Eingang, der mit einem Ausgang des analogen Schleifenfilters verbunden ist, und einem Ausgang, der mit einem zweiten Eingang des digitalen Akkumulators verbunden ist.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei das Eingangssignal ein akustisches Signal umfasst.
Schaltung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei: der Oszillator (204) konfiguriert ist, um mit einem MEMS-Mikrofon verbunden zu werden; und die Oszillatorfrequenz von der Kapazität des MEMS-Mikrofons abhängt.
Schaltung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei: der digitale Akkumulator (234) konfiguriert ist, um in eine erste Richtung zu inkrementieren, wenn der Ausgang des Oszillators einen Logikübergang durchläuft; und der digitale Akkumulator (234) konfiguriert ist, um in eine der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung zu inkrementieren, wenn der Ausgang der Vergleichsschaltung sich in einem ersten Logikzustand befindet.
Schaltung nach Anspruch 4, wobei: der digitale Akkumulator (234) konfiguriert ist, um in einem ersten Ausmaß in die zweite Richtung zu inkrementieren, wenn der Ausgang der Vergleichsschaltung (238) sich im ersten Logikzustand befindet; und der digitale Akkumulator (234) konfiguriert ist, um in einem zweiten Ausmaß in die zweite Richtung zu inkrementieren, wenn der Ausgang der Vergleichsschaltung (238) sich in einem zweiten Logikzustand befindet.
Schaltung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei: der digitale Akkumulator (234) konfiguriert ist, um asynchron in die erste Richtung zu inkrementieren, wenn der Ausgang des Oszillators (204) einen Logikübergang durchläuft; und der digitale Akkumulator (234) konfiguriert ist, um an der Flanke eines Taktsignals mit einer festgesetzten Frequenz synchron in der zweiten Richtung überzugehen, wenn der Ausgang der Vergleichsschaltung (238) sich im ersten Zustand befindet.
Schaltung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der digitale Akkumulator (234) umfasst: einen ersten Ringzähler, der konfiguriert ist, um asynchron zu inkrementieren, wenn der Ausgang des Oszillators (204) einen Logikübergang durchläuft; und einen zweiten Ringzähler, der konfiguriert ist, um zu inkrementieren, wenn der Ausgang der Vergleichsschaltung (238) sich in einem ersten Zustand befindet.
Schaltung nach Anspruch 7, wobei der DAW (246) umfasst: eine Vielzahl von ersten Stromquellen, wobei jede der Vielzahl von ersten Stromquellen einen Steuereingang aufweist, der mit einem entsprechenden Ausgangsbit des ersten Ringzählers und dem Ausgang des DAW verbunden ist, und wobei jede der Vielzahl von ersten Stromquellen eine erste Strompolarität aufweist; und eine Vielzahl von zweiten Stromquellen, wobei jede der Vielzahl von ersten Stromquellen einen Steuereingang aufweist, der mit dem entsprechenden Ausgangsbit des zweiten Ringzählers und dem Ausgang des DAW (246) verbunden ist, und wobei jede der Vielzahl von zweiten Stromquellen eine zweite Strompolarität aufweist, die der ersten Strompolarität entgegengesetzt ist.
Schaltung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das analoge Schleifenfilter einen Integrator (236) umfasst und/oder zumindest zweiter Ordnung ist.
Schaltung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, die ferner einen digitalen Dezimierer (417) mit einem Eingang umfasst, der mit dem Ausgang der Vergleichsschaltung verbunden ist.
Schaltung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Vergleichsschaltung (238) einen Komparator umfasst und/oder wobei die Vergleichsschaltung (238) einen Komparator (238) umfasst, der einen Mehrbitkomparator umfasst.
Integrierte Schaltung (400), umfassend: eine Oszillatorkernschaltung (404), die eine Schnittstelle (414, 416) umfasst, die konfiguriert ist, um mit einem kapazitiven Sensorelement (402) verbunden zu werden, wobei die Oszillatorkernschaltung konfiguriert ist, um ein Oszillationssignal mit einer Frequenz bereitzustellen, die von der Kapazität des kapazitiven Sensorelements abhängt; einen digitalen Akkumulator (406) mit einem ersten Eingang, der mit einem Ausgang des Oszillators verbunden ist; einen Digital-Analog-Wandler (408) (DAW), der mit einem Ausgang des digitalen Akkumulators verbunden ist; ein analoges Schleifenfilter (410), das mit einem Ausgang des Digital-Analog-Wandlers (408) verbunden ist; und einen Komparator (412) mit einem Eingang, der mit einem Ausgang des analogen Schleifenfilters verbunden ist, und einem Ausgang, der mit einem zweiten Eingang des digitalen Akkumulators verbunden ist.
Integrierte Schaltung (400) nach Anspruch 12, die ferner das kapazitive Sensorelement (402) und/oder ferner das kapazitive Sensorelement (402), das einen MEMS-Mikrofonsensor umfasst, umfasst.
Integrierte Schaltung (400) nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei: der digitale Akkumulator (406) konfiguriert ist, um asynchron seinen Zustand auf eine erste Art zu ändern, wenn der Ausgang der Oszillatorkernschaltung (404) einen Logikübergang durchläuft; und der digitale Akkumulator (406) konfiguriert ist, um synchron seinen Zustand an der Flanke eines Taktsignals mit einer festgesetzten Frequenz auf eine zweite Weise zu ändern, wenn der Ausgang des Komparators (412) sich in einem ersten Zustand befindet.
Verfahren zur Durchführung einer Analog-Digital-Umwandlung, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Erzeugen eines Oszillationssignals mit einer Frequenz, die von einem Eingangssignal abhängt, wobei das Erzeugen des Oszillationssignals die Verwendung einer Oszillatorschaltung (204) umfasst; Steuern eines Akkumulators (234) basierend auf einer Flanke des Oszillationssignals und basierend auf einem Vergleichssignal; Durchführen einer Digital-Analog-Umwandlung eines Ausgangs des Akkumulators, um ein erstes analoges Signal zu erzeugen; Filtern des ersten analogen Signals unter Verwendung eines analogen Schleifenfilters; und Vergleichen des Ausgangs des analogen Schleifenfilters mit einem Schwellenwert, um das Vergleichssignal zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei: das Eingangssignal ein akustisches Signal umfasst; und die Frequenz von der Kapazität eines kapazitiven Schallsensors abhängt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 oder 16, wobei das Steuern des Akkumulators (234) Folgendes umfasst: Inkrementieren des Akkumulators (234) in eine erste Richtung, wenn das Oszillationssignal einen Zustandsübergang durchläuft; und Inkrementieren des Akkumulators (234) in eine der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung, wenn das Vergleichssignal sich in einem ersten Zustand befindet.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Inkrementieren des Akkumulators (234) in eine zweite Richtung das Inkrementieren des Akkumulators (234) in die zweite Richtung an der Flanke eines Taktsignals eines Taktgebers mit einer festgesetzten Frequenz umfasst, wenn das Vergleichssignal sich in einem ersten Zustand befindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei das Steuern des Akkumulators (234) Folgendes umfasst: asynchrones Inkrementieren eines ersten Ringzählers, wenn der Ausgang des Oszillators (204) einen Logikübergang durchläuft; und Inkrementieren eines zweiten Ringzählers an der Flanke eines festgesetzten Taktgebers, wenn das Vergleichssignal sich in einem ersten Zustand befindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, das ferner das Dezimieren des Vergleichssignals umfasst, um ein Datenwandler-Ausgangssignal zu erzeugen.