DE102016102082A1

DE102016102082A1 - Kreuzgekoppelte Eingangsspannungsabtastung und Treiberverstärker-Flicker-Rauschen-Auslöschung in einem Geschalteter-Kondensator-Analog-Digital-Wandler

Info

Publication number: DE102016102082A1
Application number: DE102016102082.6A
Authority: DE
Inventors: Patrizia Greco; Snezana STOJANOVIC; Elmar Bach
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2015-02-05
Filing date: 2016-02-05
Publication date: 2016-08-25
Also published as: CN105871376B; KR101721358B1; US20160233874A1; KR20160096557A; CN105871376A; US9525426B2

Abstract

Eine Schaltkomponente umfasst eine Mehrzahl von Schaltern, die ausgebildet sind, um ein differentielles Signal an einem Eingang zu empfangen und ist ausgebildet, um eine nicht invertierte Version des differentiellen Signals an einem Ausgang während einer ersten Betriebsphase und eine invertierte Version des differentiellen Signals an einem Ausgang während einer zweiten Betriebsphase bereitzustellen. Eine Treiberverstärkerkomponente ist ausgebildet, um die nicht invertierte Version des differentiellen Signals an einem Eingang während der ersten Betriebsphase und die invertierte Version des differentiellen Signals an einem Eingang während der zweiten Betriebsphase zu empfangen. Eine Abtastkondensatorkomponente ist ausgebildet, um die Ausgabe der Treiberverstärkerkomponente während der ersten Betriebsphase und der zweiten Betriebsphase abzutasten.

Description

GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Geschalteter-Kondensator-Systeme und insbesondere auf kreuzgekoppelte Eingangsspannungsabtastungen und Treiber-Verstärker-Flicker-Rauschen-Auslöschung in einem Geschalteter-Kondensator-Analog-Digital-Wandler (ADC = Analog to Digital Converter).
HINTERGRUND
Der Fortschritt in der modernen Technologie hat zu einer erhöhten Anzahl digitaler Anwendungen und somit einer erhöhten Nachfrage nach Analog-Digital-Wandlern (ADCs) geführt. Delta-Sigma-(ΣΔ-)ADCs haben den Vorteil, dass sie eine hohe Auflösung unter den verschiedenen Typen von ADCs bieten. ΣΔ-ADCs umfassen einen Geschalteter-Kondensator-Integrator als ihre erste Stufe, um das Eingangssignal abzutasten. Eine der Haupteinschränkungen des Verhaltens von Geschalteter-Kondensator-Schaltungen ist Rauschen, wie beispielsweise thermisches Rauschen. Bei Geschalteter-Kondensator-Systemen begrenzt dieses thermische Rauschen (z. B. thermisches KT/C-Rauschen) die Genauigkeit der Abtastschaltung. Ferner umfassen bei einigen Anwendungen ΣΔ-ADCs einen Treiberverstärker, der Flicker-Rauschen erzeugt, das demselben zugeordnet ist, welches das Verhalten der ΣΔ-ADCs weiter verschlechtert. Daher ist es wünschenswert für ein Geschalteter-Kondensator-System, mit wenig thermischem Rauschen und wenig Flicker-Rauschen zu arbeiten.
ZUSAMMENFASSUNG
Es besteht ein Bedarf zum Bereitstellen eines verbesserten Konzeptes für ein Geschalteter-Kondensator-System, ein Analog-Digital-Wandler-System und ein Verfahren für einen Analog-Digital-Wandler.
Ein solcher Bedarf kann durch den Gegenstand eines der Ansprüche gedeckt sein.
Das Folgende stellt eine vereinfachte Zusammenfassung der Beschreibung dar, um ein grundlegendes Verständnis einiger beschriebener Aspekte bereitzustellen. Diese Zusammenfassung ist kein umfassender Überblick über die Beschreibung. Es ist nicht beabsichtigt, Schüssel- oder entscheidende Elemente der Beschreibung zu identifizieren oder den Umfang eines bestimmten Ausführungsbeispiels der Beschreibung oder jeglichen Umfang der Ansprüche abzugrenzen. Ihr Zweck ist es, einige Konzepte der Beschreibung in vereinfachter Form darzulegen, als eine Einführung zu der Detaillierteren Beschreibung, die in dieser Offenbarung dargelegt ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Offenbarung umfasst ein Geschalteter-Kondensator-System eine Schaltstufe, umfassend eine Mehrzahl von Schaltern, die ausgebildet sind, um ein differentielles Signal an einem Eingang der Schaltstufe zu empfangen und eine nicht invertierte Version des differentiellen Signals an einem Ausgang der Schaltstufe während einer ersten Betriebsphase und eine invertierte Version des differentiellen Signals an dem Ausgang der Schaltstufe während einer zweiten Betriebsphase bereitzustellen. Das Geschalteter-Kondensator-System umfasst ferner eine Treiberstufe, umfassend einen Verstärker, der sich nachgeschaltet zu der Schaltstufe befindet, der ausgebildet ist, um die nicht invertierte Version des differentiellen Signals an einem Eingang der Treiberstufe während der ersten Betriebsphase und die invertierte Version des differentiellen Signals an dem Eingang der Treiberstufe während der zweiten Betriebsphase zu empfangen. Eine Abtastkondensatorstufe ist ausgebildet, um eine Ausgabe der Treiberstufe während der ersten Betriebsphase und der zweiten Betriebsphase abzutasten, und eine Auslöschung eines Flicker-Rauschens und eines Versatzes der Treiberstufe während der zweiten Betriebsphase bereitzustellen. Zusätzlich umfasst das Geschalteter-Kondensator-System eine Schaltsteuerung, die ausgebildet ist, um eine kreuzgekoppelte Konfiguration aus der Mehrzahl von Schaltern zu steuern, und ein Signal-Rausch-Verhältnis der Abtastkondensatorstufe durch ungefähres Verdoppeln einer übertragenen Ladung und entsprechenden Signalhubs über die Abtastkondensatorstufe hinweg zu erhöhen.
Optional umfasst die Treiberstufe einen ersten Verstärker, der sich nachgeschaltet zu einem ersten Zweig des Ausgangs der Schaltstufe befindet, und einen zweiten Verstärker, der sich nachgeschaltet zu einem zweiten Zweig des Ausgangs der Schaltstufe befindet; und wobei die Abtastkondensatorstufe einen ersten Abtastkondensator, der mit einem Ausgang des ersten Verstärkers gekoppelt ist, und einen zweiten Abtastkondensator, der mit einem Ausgang des zweiten Verstärkers gekoppelt ist, umfasst.
Wiederum optional umfasst die Schaltstufe einen ersten Schalter zwischen einem ersten Signalpfad, der ausgebildet ist, um einen ersten Abschnitt des differentiellen Signals zu kommunizieren, und einem Eingang des ersten Verstärkers, und einen zweiten Schalter zwischen einem zweiten Signalpfad, der ausgebildet ist, um einen zweiten Abschnitt des differentiellen Signals zu kommunizieren, und einem Eingang des zweiten Verstärkers.
Optional umfasst die Schaltstufe ferner einen dritten Schalter zwischen dem ersten Signalpfad und dem Eingang des zweiten Verstärkers, und einen vierten Schalter zwischen dem zweiten Signalpfad und dem Eingang des ersten Verstärkers, wobei der dritte Schalter und der vierte Schalter ausgebildet sind, um den ersten Signalpfad und den zweiten Signalpfad mit dem Eingang des zweiten Verstärkers und mit dem Eingang des ersten Verstärkers kreuzzukoppeln.
Wiederum optional ist die Schaltsteuerung ausgebildet, um den ersten Schalter und den zweiten Schalter in der ersten Betriebsphase zu aktivieren, während der dritte Schalter und der vierte Schalter inaktiviert sind.
Optional ist die Schaltsteuerung ausgebildet, um den dritten Schalter und den vierten Schalter in der zweiten Betriebsphase zu aktivieren, während der ersten Schalter und der zweite Schalter inaktiviert sind.
Wiederum optional ist die Schaltsteuerung ausgebildet, um das Signal-Rausch-Verhältnis der Abtastkondensatorstufe um einen Faktor zwei zu erhöhen.
Optional umfasst die Treiberstufe einen volldifferentiellen Verstärker, der einen ersten Treibereingang, einen zweiten Treibereingang, einen ersten Treiberausgang und einen zweiten Treiberausgang umfasst; und die Abtastkondensatorstufe umfasst einen ersten Abtastkondensator, der mit dem ersten Treiberausgang gekoppelt ist, und einen zweiten Abtastkondensator, der mit dem zweiten Treiberausgang gekoppelt ist.
Wiederum optional umfasst die Schaltstufe einen ersten Schalter zwischen einem ersten Signalpfad, der ausgebildet ist, um einen ersten Abschnitt des differentiellen Signals zu kommunizieren, und dem ersten Treibereingang, und einen zweiten Schalter zwischen einem zweiten Signalpfad, der ausgebildet ist, um einen zweiten Abschnitt des differentiellen Signals zu kommunizieren, und dem zweiten Treibereingang.
Optional umfasst die Schaltstufe ferner einen dritten Schalter zwischen dem ersten Signalpfad und dem zweiten Treibereingang, und einen vierten Schalter zwischen dem zweiten Signalpfad und dem ersten Treibereingang, wobei der dritte Schalter und der vierte Schalter ausgebildet sind, um den ersten Signalpfad und den zweiten Signalpfad mit dem zweiten Treibereingang und dem ersten Treibereingang kreuzzukoppeln.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Offenbarung umfasst ein Analog-Digital-Wandler-System eine Schaltkomponente, die ausgebildet ist, um ein differentielles Signal an einem ersten Signalzweig und einem zweiten Signalzweig zu empfangen, umfassend einen ersten Satz von Schaltern, die ausgebildet sind, um eine nicht invertierte Version des differentiellen Signals an einem Ausgang der Schaltkomponente während einer ersten Betriebsphase bereitzustellen, und einen zweiten Satz von Schaltern, die ausgebildet sind, um eine invertierte Version des differentiellen Signals an dem Ausgang der Schaltkomponente während einer zweiten Betriebsphase bereitzustellen. Das Analog-Digital-Wandler-System umfasst ferner eine Treiberkomponente, die ausgebildet ist, um ein Treibersignal an den ersten Signalzweig und den zweiten Signalzweig basierend auf der nicht invertierten Version des differentiellen Signals während der ersten Betriebsphase und basierend auf der invertierten Version des differentiellen Signals während der zweiten Betriebsphase zu erzeugen. Eine Abtastkomponente ist ausgebildet, um das Treibersignal der Treiberkomponente abzutasten, eine Ladungsübertragung an einen ersten Abtastkondensator und einen zweiten Abtastkondensator während der ersten Betriebsphase und der zweiten Betriebsphase zu erzeugen, und eine Auslöschung eines Flicker-Rauschens und eines Versatzes der Treiberkomponente während der zweiten Betriebsphase zu erzeugen. Zusätzlich umfasst das Analog-Digital-Wandler-System eine Schaltsteuerungskomponente, die ausgebildet ist, um eine kreuzgekoppelte Konfiguration des ersten Satzes von Schaltern und des zweiten Satzes von Schaltern zu steuern und ein Signal-Rausch-Verhältnis der Abtastkomponente durch ungefähres Verdoppeln einer Ladungsübertragung und eines entsprechenden Signalhubs über den ersten Abtastkondensator und den zweiten Abtastkondensator hinweg zu erhöhen.
Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Analog-Digital-Wandler-System, umfassend eine Schaltkomponente, die ausgebildet ist, um ein differentielles Signal an einem ersten Signalzweig und einem zweiten Signalzweig zu empfangen, umfassend einen ersten Satz von Schaltern, die ausgebildet sind, um eine nicht invertierte Version des differentiellen Signals an einem Ausgang der Schaltkomponente während einer ersten Betriebsphase bereitzustellen, und einen zweiten Satz von Schaltern, die ausgebildet sind, um eine invertierte Version des differentiellen Signals an dem Ausgang der Schaltkomponente während einer zweiten Betriebsphase bereitzustellen; eine Treiberkomponente nachgeschaltet zu der Schaltkomponente, die ausgebildet ist, um ein Treibersignal an den ersten Signalzweig und den zweiten Signalzweig basierend auf der nicht invertierten Version des differentiellen Signals während der ersten Betriebsphase und basierend auf der invertierten Version des differentiellen Signals während der zweiten Betriebsphase zu erzeugen; eine Abtastkomponente, die ausgebildet ist, um das Treibersignal der Treiberkomponente abzutasten, eine Ladungsübertragung an einen ersten Abtastkondensator und einen zweiten Abtastkondensator während der ersten Betriebsphase und der zweiten Betriebsphase zu erzeugen, und eine Auslöschung eines Flicker-Rauschens und eines Versatzes der Treiberkomponente während der zweiten Betriebsphase zu erzeugen; und eine Schaltsteuerungskomponente, die ausgebildet ist, um eine kreuzgekoppelte Konfiguration des ersten Satzes von Schaltern und des zweiten Satzes von Schaltern zu steuern und ein Signal-Rausch-Verhältnis der Abtastkomponente durch Verdoppeln der Ladungsübertragung und des entsprechenden Signalhubs über den ersten Abtastkondensator und den zweiten Abtastkondensator hinweg zu erhöhen.
Optional umfasst das System ferner einen volldifferentiellen Integrator, umfassend einen ersten integrierenden Kondensator, der ausgebildet ist, um eine abgetastete Spannung über den ersten Abtastkondensator hinweg während der zweiten Betriebsphase zu integrieren, und einen zweiten integrierenden Kondensator, der ausgebildet ist, um eine abgetastete Spannung über den zweiten Abtastkondensator hinweg während der zweiten Betriebsphase zu integrieren.
Wiederum optional ist die Abtastkomponente ferner ausgebildet, um den Versatz der Treiberkomponente abzutasten und den Versatz an der Abtastkomponente zu subtrahieren.
Optional ist die Abtastkomponente ausgebildet, um das Flicker-Rauschen von der Treiberkomponente aufzuheben durch Abtasten des Flicker-Rauschens in der Abtastkomponente während der ersten Betriebsphase und der zweiten Betriebsphase.
Wiederum optional umfasst die Treiberkomponente einen ersten Verstärker, der sich nachgeschaltet zu dem ersten Signalzweig der Schaltkomponente befindet, und einen zweiten Verstärker, der sich nachgeschaltet zu dem zweiten Signalzweig der Schaltkomponente befindet.
Optional umfassen der erste Verstärker und der zweite Verstärker jeweils einen Source-Folger.
Wiederum optional ist die Schaltkomponente ausgebildet, um den ersten Verstärker mit einem ersten Signalpfad zu koppeln, der ausgebildet ist, um einen ersten Abschnitt des differentiellen Signals zu kommunizieren, und den zweiten Verstärker mit einem zweiten Signalpfad zu koppeln, der ausgebildet ist, um einen zweiten Abschnitt des differentiellen Signals zu koppeln, in der ersten Betriebsphase.
Optional ist die Schaltkomponente ferner ausgebildet, um den ersten Verstärker mit dem zweiten Signalpfad zu koppeln, der ausgebildet ist, um den zweiten Abschnitt des differentiellen Signals zu kommunizieren, und den zweiten Verstärker mit dem ersten Signalpfad zu koppeln, der ausgebildet ist, um den ersten Abschnitt des differentiellen Signals zu kommunizieren, in der zweiten Betriebsphase.
Wiederum optional ist die Schaltsteuerungskomponente ausgebildet, um das Signal-Rausch-Verhältnis der Abtastkomponente um einen Faktor zwei zu erhöhen.
Optional umfasst die Treiberkomponente einen volldifferentiellen Verstärker, der einen ersten Treibereingang, einen zweiten Treibereingang, einen ersten Treiberausgang und einen zweiten Treiberausgang umfasst, und die Schaltkomponente ist ausgebildet, um – in der ersten Betriebsphase – den ersten Treibereingang mit einem ersten Signalpfad zu koppeln, der ausgebildet ist, um einen ersten Abschnitt des differentiellen Signals zu kommunizieren, und den zweiten Treibereingang mit einem zweiten Signalpfad zu koppeln, der ausgebildet ist, um einen zweiten Abschnitt des differentiellen Signals in der ersten Betriebsphase zu kommunizieren, und die Schaltkomponente ist ferner ausgebildet, um den ersten Treibereingang mit dem zweiten Signalpfad zu koppeln, der ausgebildet ist, um den zweiten Abschnitt des differentiellen Signals zu kommunizieren, und den zweiten Treibereingang mit dem ersten Signalpfad zu koppeln, der ausgebildet ist, um den ersten Abschnitt des differentiellen Signals zu kommunizieren, in der zweiten Betriebsphase.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Offenbarung umfasst das Verfahren für einen Analog-Digital-Wandler ein Empfangen eines analogen differentiellen Signals, ein Abtasten eines ersten Abschnitts des analogen differentiellen Signals an einer ersten Abtastkapazität in einer ersten Betriebsphase, und ein Erzeugen einer ersten Ladungsübertragung an die erste Abtastkapazität. Das Verfahren umfasst ferner ein Abtasten eines zweiten Abschnitts des analogen differentiellen Signals, umfassend eine invertierte Version des ersten Abschnitts des differentiellen Signals an der ersten Abtastkapazität in einer zweiten Betriebsphase, und ein Erzeugen einer zweiten Ladungsübertragung an die erste Abtastkapazität und ein Bereitstellen des ersten Abschnitts und des zweiten Abschnitts des analogen differentiellen Signals über einen ersten Verstärker vor der ersten Ladungsübertragung und der zweiten Ladungsübertragung an die erste Abtastkapazität. Das Verfahren umfasst ferner ein Abtasten des zweiten Abschnitts des analogen differentiellen Signals an einer zweiten Abtastkapazität in der ersten Betriebsphase, und ein Erzeugen einer ersten Ladungsübertragung an die zweite Abtastkapazität, ein Abtasten des ersten Abschnitts des analogen differentiellen Signals, umfassend eine invertierte Version des zweiten Abschnitts des analogen differentiellen Signals an der zweiten Abtastkapazität in der zweiten Betriebsphase, und ein Erzeugen einer zweiten Ladungsübertragung an die zweite Abtastkapazität, und ein Bereitstellen des zweiten Abschnitts und des ersten Abschnitts des analogen differentiellen Signals über einen zweiten Verstärker vor der ersten Ladungsübertragung und der zweiten Ladungsübertragung an die zweite Abtastkapazität.
Einige Ausführungsbeispiele der Offenbarung beziehen sich auf ein Verfahren für einen Analog-Digital-Wandler, umfassend ein Empfangen eines analogen differentiellen Signals; ein Abtasten eines ersten Abschnitts des analogen differentiellen Signals an einer ersten Abtastkapazität in einer ersten Betriebsphase, und ein Erzeugen einer ersten Ladungsübertragung an die erste Abtastkapazität; ein Abtasten eines zweiten Abschnitts des analogen differentiellen Signals, umfassend eine invertierte Version des ersten Abschnitts des analogen differentiellen Signals an der ersten Abtastkapazität in einer zweiten Betriebsphase, und ein Erzeugen einer zweiten Ladungsübertragung an die erste Abtastkapazität; ein Bereitstellen des ersten Abschnitts und des zweiten Abschnitts des analogen differentiellen Signals über einen ersten Verstärker vor der ersten Ladungsübertragung und der zweiten Ladungsübertragung an die erste Abtastkapazität; ein Abtasten des zweiten Abschnitts des analogen differentiellen Signals an einer zweiten Abtastkapazität in der ersten Betriebsphase, und ein Erzeugen einer ersten Ladungsübertragung an die zweite Abtastkapazität; ein Abtasten des ersten Abschnitts des analogen differentiellen Signals, umfassend eine invertierte Version des zweiten Abschnitts des analogen differentiellen Signals an der zweiten Abtastkapazität in der zweiten Betriebsphase, und ein Erzeugen einer zweiten Ladungsübertragung an die zweite Abtastkapazität; und ein Bereitstellen des zweiten Abschnitts und des ersten Abschnitts des analogen differentiellen Signals über einen zweiten Verstärker vor der ersten Ladungsübertragung und der zweiten Ladungsübertragung an die zweite Abtastkapazität.
Optional umfassen das Erzeugen der ersten Ladungsübertragung und das Erzeugen der zweiten Ladungsübertragung an die erste Abtastkapazität ein Erzeugen einer ersten positiven Gesamtladung an die erste Abtastkapazität und ein ungefähres Verdoppeln einer Ladungsübertragung an die erste Abtastkapazität; und das Erzeugen der ersten Ladungsübertragung und das Erzeugen der zweiten Ladungsübertragung an die zweite Abtastkapazität umfassen ein Erzeugen einer ersten negativen Gesamtladung an die zweite Abtastkapazität, und ein ungefähres Verdoppeln einer Ladungsübertragung an die zweite Abtastkapazität.
Wiederum optional umfassen das Bereitstellen des ersten Abschnitts und das Bereitstellen des zweiten Abschnitts des analogen differentiellen Signals über den ersten Verstärker vor der ersten Ladungsübertragung und der zweiten Ladungsübertragung an die erste Abtastkapazität ferner ein Bereitstellen einer Niederimpedanzansteuerung und ein Einführen eines ersten positiven Flicker-Rauschens und eines ersten Versatzes auf der ersten Ladungsübertragung während der ersten Betriebsphase und eines zweiten positiven Flicker-Rauschens und eines zweiten Versatzes auf der zweiten Ladungsübertragung während der zweiten Betriebsphase; und das Erzeugen der ersten Ladungsübertragung und das Erzeugen der zweiten Ladungsübertragung an die erste Abtastkapazität umfassen ein Erzeugen einer Aufhebung des ersten positiven Flicker-Rauschens und des zweiten positiven Flicker-Rauschens in der ersten Abtastkapazität sowie eine Versatzaufhebung.
Optional umfasst das Bereitstellen des zweiten Abschnitts und des ersten Abschnitts des analogen differentiellen Signals über den zweiten Verstärker vor der ersten Ladungsübertragung und der zweiten Ladungsübertragung an die zweite Abtastkapazität ferner ein Bereitstellen einer Niederimpedanzansteuerung und ein Einführen eines ersten positiven Flicker-Rauschens und eines ersten Versatzes auf der ersten Ladungsübertragung während der ersten Betriebsphase und eines zweiten positiven Flicker-Rauschens und eines zweiten Versatzes auf der zweiten Ladungsübertragung während der zweiten Betriebsphase; und das Erzeugen der ersten Ladungsübertragung und das Erzeugen der zweiten Ladungsübertragung an die zweite Abtastkapazität umfasst ferner ein Erzeugen einer Auslöschung des ersten positiven Flicker-Rauschens und des zweiten positiven Flicker-Rauschens in der zweiten Abtastkapazität sowie eine Versatzaufhebung.
Wiederum optional umfasst das Abtasten des ersten Abschnitts und des zweiten Abschnitts des analogen differentiellen Signals ein Bereitstellen des ersten Abschnitts des analogen differentiellen Signals über den ersten Verstärker und ein Bereitstellen des zweiten Abschnitts des analogen differentiellen Signals über den zweiten Verstärker während der ersten Betriebsphase; und ein Bereitstellen des ersten Abschnitts des analogen differentiellen Signals über den zweiten Verstärker und ein Bereitstellen des zweiten Abschnitts des analogen differentiellen Signals über den ersten Verstärker, während der zweiten Betriebsphase.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nachstehend ist die Offenbarung näher ausgeführt und mittels spezifischer Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben.
1 stellt ein Blockdiagramm eines ADC mit einer Abtastschaltung und einem Integrator gemäß einem Ausführungsbeispiel der Offenbarung dar;
2 stellt ein schematisches Diagramm einer Abtastschaltung eines Integrators gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Offenbarung dar;
3 stellt ein anderes schematisches Diagramm einer Abtastschaltung eines Integrators mit einem volldifferentiellen Puffer-Verstärker gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Offenbarung dar;
4a stellt ein anderes schematisches Diagramm eines Volldifferentiell-Geschalteter-Kondensator-Integrators mit einer Abtastschaltung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung dar;
4b stellt ein Beispiel eines zweiphasigen, nicht überlappenden Taktes dar, der durch vier Taktwellenformen ϕ1, ϕ1d, ϕ2 und ϕ2d definiert ist;
4c stellt ein Beispiel von Amplituden eines differentiellen Eingangssignals während der Taktwellenformen ϕ1 und ϕ2 dar;
4d stellt ein Beispiel von Amplituden eines differentiellen Ausgangs des Puffer-Verstärkers während der Taktwellenformen ϕ1 und ϕ2 dar;
4e stellt ein Beispiel von Amplituden des differentiellen Puffer-Ausgang-Niederfrequenzrauschens oder -Versatzes während ϕ1 und ϕ2 dar;
5 stellt ein anderes schematisches Diagramm eines Volldifferentiell-Geschalteter-Kondensator-Integrators mit einem volldifferentiellen Puffer-Verstärker gemäß einem anderen Beispiel der vorliegenden Offenbarung dar;
6 stellt ein anderes schematisches Diagramm eines Volldifferentiell-Geschalteter-Kondensator-Integrators mit Puffer-Verstärkern, die als Source-Folger implementiert sind, gemäß der vorliegenden Offenbarung dar; und
7 stellt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Abtasten eines differentiellen Signals gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung dar.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Offenbarung wird nun in Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen in der gesamten Offenbarung für gleiche Elemente verwendet werden und wobei die dargestellten Strukturen und Vorrichtungen nicht zwingend maßstabsgetreu gezeichnet sind. Gemäß der hiesigen Verwendung sollen die Begriffe „Komponente”, „System”, „Schnittstelle” und dergleichen sich auf eine computerbezogene Entität, Hardware, Software (z. B. bei der Ausführung) und/oder Firmware beziehen. Zum Beispiel kann eine Komponente ein Prozessor, ein auf einem Prozessor laufender Prozess, eine Steuerung, ein Objekt, ein ausführbares Programm, ein Programm, eine Speichervorrichtung und/oder ein Computer mit einer Verarbeitungsvorrichtung sein. Veranschaulichend können eine Anwendung, die auf einem Server läuft, und der Server auch eine Komponente sein. Eine oder mehrere Komponenten können sich innerhalb eines Prozesses befinden, und eine Komponente kann auf einem Computer lokalisiert und/oder zwischen zwei oder mehr Computern verteilt sein. Ein Satz von Elementen oder ein Satz von anderen Komponenten kann hierin beschrieben sein, wobei der Begriff „Satz” als „ein oder mehr” ausgelegt werden kann.
Ferner können diese Komponenten von zum Beispiel verschiedenen, computerlesbaren Speichermedien mit verschiedenen, darauf gespeicherten Datenstrukturen, wie beispielsweise mit einem Modul, ausgeführt werden. Die Komponenten können über lokale und/oder entfernte Prozesse kommunizieren, wie beispielsweise gemäß einem Signal, das ein oder mehrere Datenpaketen aufweist (z. B. Daten von einer Komponente, die mit einer anderen Komponente in einem lokalen System, einem verteilten System und/oder über ein Netz hinweg, wie beispielsweise das Internet, ein lokales Netz (Local Area Network), ein Weitbereichsnetz (Wide Area Network) oder ein ähnliches Netz, mit anderen Systemen über das Signal kommuniziert).
Als ein anderes Beispiel kann eine Komponente eine Vorrichtung mit spezifischer Funktionalität sein, die durch mechanische Teile bereitgestellt ist, die durch eine elektrische oder elektronische Schaltungsanordnung betrieben werden, wobei die elektrische oder elektronische Schaltungsanordnung durch eine Software-Anwendung oder eine Firmware-Anwendung betrieben werden kann, die durch einen oder mehrere Prozessoren ausgeführt wird. Der eine oder die mehreren Prozessoren können intern oder extern zu der Vorrichtung sein und können zumindest einen Teil der Software- oder Firmware-Anwendung ausführen. Als noch ein weiteres Beispiel kann eine Komponente eine Vorrichtung sein, die eine spezifische Funktionalität durch elektronische Komponenten ohne mechanische Teile bereitstellt; die elektronischen Komponenten können einen oder mehrere Prozessoren darin umfassen, um Software und/oder Firmware auszuführen, die zumindest teilweise die Funktionalität der elektronischen Komponenten zuteilen.
Die Verwendung des Wortes beispielhaft soll Konzepte auf konkrete Weise darlegen. Gemäß der Verwendung in dieser Anwendung ist der Begriff „oder” als ein einschließendes „oder” anstatt eines ausschließenden „oder” zu verstehen. Das heißt, sofern es nicht anderweitig angegeben ist oder sich aus dem Zusammenhang ergibt, ist „X verwendet A oder B” als jegliche der natürlich einschließenden Permutationen zu verstehen. Das heißt, wenn X A verwendet; X B verwendet; oder X sowohl A als auch B verwendet, dann ist „X verwendet A oder B” gemäß jeglichem der vorstehenden Beispiele erfüllt. Zusätzlich sind die Artikel „ein, eine” gemäß der Verwendung in dieser Anmeldung und den beigefügten Ansprüchen im Allgemeinen als „ein oder mehr” zu verstehen, sofern dies nicht anderweitig angegeben ist oder aus dem Zusammenhang eindeutig hervorgeht, dass sie auf eine Singularform gerichtet sind. Soweit die Begriffe „einschließend”, „einschließt”, „aufweisend”, „aufweist”, „mit” oder Varianten davon, in der Detaillierten Beschreibung oder den Ansprüchen verwendet werden, sind diese Begriffe auf ähnliche Weise wie der Begriff „umfassend” als einschließend zu verstehen.
Die Offenbarung richtet sich auf eine kreuzgekoppelte Eingangsspannungsabtastung und eine Treiber-Verstärker-Flicker-Rauschen-Aufhebung in Geschalteter-Kondensator-ADCs. Eine Delta-Sigma-Umwandlung ist ein Verfahren, das verwendet wird, wenn eine hohe Auflösung gewünscht ist. Ein ADC umfasst einen Integrator, der eine Geschalteter-Kondensator-Abtastschaltung als eine erste Betriebsstufe aufweist. Ferner umfasst der ADC einen Treiber-Verstärker, um eine Isolierung der Signalquelle von der Abtastschaltung bereitzustellen und um eine Niederimpedanzansteuerung für die Abtastschaltung bereitzustellen. Allerdings unterliegen Geschalteter-Kondensator-Systeme Rauschen, das die Genauigkeit der Abtastschaltung begrenzt.
Zumindest zwei Rauscheffekte, die Geschalteter-Kondensator-ADCs zugeordnet sind, können thermisches Rauschen und Flicker-Rauschen des Treiberverstärkers umfassen. Thermisches Rauschen ist das elektronische Rauschen, das durch die Wärmebewegung der Ladungsträger (normalerweise der Elektronen) innerhalb eines elektrischen Leiters im Gleichgewicht erzeugt wird, was ungeachtet der angelegten Spannung passiert. Das thermische Rauschen auf einem Abtastkondensator ist umgekehrt proportional zu dem Kondensatorwert (KT/C-Rauschen). Um ein rauscharmes Verhalten bereitzustellen, kann der Kondensatorwert ausreichend hoch gemacht werden. Jedoch können große Kondensatoren die Geschwindigkeit der Schaltung verschlechtern und die Fläche vergrößern. Zusätzlich kann Flicker-Rauschen, eine Art von elektronischem Rauschen, das in dem Niederfrequenzbereich vorherrscht, dadurch verursacht sein, dass Ladungsträger eingefangen und später freigesetzt werden, während sie sich in einem Kanal von Transistoren bewegen.
Um eine Lösung zum Reduzieren des thermischen Rauschens und Flicker-Rauschens, die Geschalteter-Kondensator-Abtastschaltungen zugeordnet sind, bereitzustellen, stellt eine Beispielarchitektur der Abtastschaltung eine Implementierung der kreuzgekoppelten Eingangsspannungsabtastung und der Treiberverstärker-Flicker-Rauschen-Auslöschung bereit. Bei einigen Ausführungsbeispielen ermöglicht die Abtastschaltung eine Reduzierung des Flicker-Rauschens und einen Versatz der Treiberverstärker.
Die kreuzgekoppelte Eingangsspannungsabtastung arbeitet, um den Effekt von thermischem Rauschen durch Erhöhen der effektiven Abtastladung über die Abtastkondensatoren hinweg zu reduzieren, wodurch ein verbessertes Signal-Rauschen-Verhalten für einen gegebenen Kondensatorwert erhalten wird. Zum Beispiel kann bei einem Geschalteter-Kondensator-Delta-Sigma-ADC eine Abtastschaltung eines ersten Integrators das Eingangssignal sowohl in der ϕ1- als auch der ϕ2-Phase (Abtastung und Integration) abtasten, um die Menge an Ladung, die an den Integrationskondensator während einer Integrationsphase übertragen wird, zu verdoppeln. Bei einem Ausführungsbeispiel führt eine volldifferentielle Schaltung mit einem differentiellen Eingangssignal eine Abtastung des Eingangssignals sowohl in der ϕ1- als auch der ϕ2-Phase durch Verwenden eines kreuzgekoppelten Schaltkreises, der den differentiellen Eingang mit entgegengesetzten Polaritäten in den zwei Phasen ϕ1 und ϕ2 abtastet. Dieses kreuzgekoppelte Abtasten verdoppelt den effektiven Spannungshub über die Abtastkondensatoren hinweg, wodurch die abgetastete Ladung und die abgetastete Signalleistung während der Integrationsphase verdoppelt wird, während das thermische Rauschen gleich bleibt. Diese Technik verbessert das SNR-Verhalten der Abtastschaltung.
1 stellt einen Beispiel-ADC 100 gemäß der vorliegenden Offenbarung dar, der einen Integrator 102 mit einer Abtastschaltung 104 umfasst. Der ADC 100 empfängt ein differentielles Eingangssignal 106 an dem Eingang der Abtastschaltung 104, die ausgebildet ist, um das differentielle Eingangssignal 106 mit einer bestimmten Abtastfrequenz abzutasten. Die Abtastschaltung 104 umfasst ferner eine Schaltstufe 110, die ausgebildet ist, um das differentielle Eingangssignal 106 an ihrem Eingang zu empfangen, eine Treiberstufe 112, die sich nachgeschaltet zu der Schaltstufe 110 befindet, eine Abtastkondensatorstufe 114, die sich nachgeschaltet zu der Treiberstufe 112 befindet und eine Schaltsteuerung 116, die ausgebildet ist, um eine Konfiguration der Schaltstufe 110 zu steuern. Die Abtastfrequenz ist größer als oder gleich der Nyquist-Frequenz, die zwei Mal die Frequenz des differentiellen Eingangssignals 106 ist. Während einer Abtastphase tastet die Abtastschaltung 104 das differentielle Eingangssignal 106 ab. Während einer Integrationsphase wird das abgetastete differentielle Eingangssignal an den Integrator 102 übertragen, der ein Ausgangssignal 108 proportional zu dem Integral des abgetasteten differentiellen Eingangssignals erzeugt.
Die Schaltstufe 110 kann zum Beispiel unterschiedliche Schaltkomponenten, wie beispielsweise eine Mehrzahl von Schaltern, Transistoren oder anderen Schaltvorrichtungen aufweisen, um zum Beispiel Schaltmuster oder -Vorgänge zu erzeugen. Die Schaltstufe 110 kann einen Betriebs-Zeitpunkt oder -Phase(n) basierend auf Schaltkonfigurationen definieren. Die Schaltstufe 110 des Schaltkreises 104 kann arbeiten, um das differentielle Eingangssignal 106 an unterschiedlichen Signalzweigen oder an unterschiedlichen Signalketten oder -pfaden zu empfangen, wie beispielsweise einem ersten Signalzweig und einem zweiten Signalzweig eines Eingangs der Schaltstufe. Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Schaltstufe 110 der Abtastschaltung 104 eine nicht invertierte Version des differentiellen Eingangssignals 106 an einem Ausgang der Schaltstufe 110 bereitstellen, was während einer ersten Betriebsphase ausgeführt werden kann. Zusätzlich kann die Schaltstufe 110 arbeiten, um eine invertierte Version des differentiellen Eingangssignals 106 an dem Ausgang der Schaltstufe 110 während einer zweiten Betriebsphase bereitzustellen. Zum Beispiel kann in der ersten Betriebsphase die Schaltstufe 110 einen ersten Satz von Schaltern (nicht gezeigt) so konfigurieren, dass sie zum Beispiel eingeschaltet, aktiviert, oder in einer Konfiguration oder Zustand sind, der eine erste Konfiguration unter verschiedenen unterschiedlichen Konfigurationen ist. Gleichzeitig oder zur gleichen Zeit kann die Schaltstufe 110 einen zweiten Satz von Schalter so konfigurieren, dass sie ausgeschaltet, inaktiviert oder in einem zweiten unterschiedlichen Zustand oder Konfiguration als der erste Konfigurationszustand sind.
Zusätzlich oder alternativ kann die Schaltstufe 110 in einer zweiten Betriebsphase arbeiten, die sich von der ersten Betriebsphase unterscheidet. Zum Beispiel kann ein zweiter Satz von Schaltern (nicht gezeigt) eingeschaltet, aktiviert oder in einem dritten Zustand sein, während der erste Satz von Schaltern ausgeschaltet oder inaktiviert in einem vierten Zustand ist.
Die Schaltstufe 110 arbeitet, um die Zustände oder Konfiguration der Abtastschaltung entlang eines oder mehrerer Signalzweige zu verändern und um einen ersten Satz von Steuersignalen an die Treiberstufe 112 in einem ersten Zustand oder einer ersten Konfiguration und einen zweiten Satz von Ausgangssignalen oder Steuersignalen in einem zweiten Zustand oder einer zweiten Konfiguration bereitzustellen. Die Steuersignale können sich zum Beispiel voneinander unterscheiden basierend auf den unterschiedlichen Schaltzuständen, die durch die Schaltstufe 110 erzeugt werden (z. B. unterschiedliche Polaritäten, Inversionen, Frequenzen oder die andere Parameterdifferenz). Zusätzlich oder alternativ können die an die Treiberstufe 112 bereitgestellten Steuersignale zum Beispiel asymmetrische Signale oder differentielle Signale sein.
Zusätzlich können die unterschiedlichen Konfigurationen, die durch die Schaltstufe 110 erzeugt werden, ausgebildet oder dynamisch strukturiert sein basierend auf dem differentiellen Eingangssignal 106 und einem Steuersignal, das von der Schaltsteuerung 116 hergeleitet ist. Die Schaltstufe 110 kann arbeiten, um die unterschiedlichen Konfigurationen oder Zustände mitten unter unterschiedlichen Signalpfaden, -zweigen oder Signalketten als die erste und zweite Konfiguration oder Stufe zu erzeugen, oder um die unterschiedlichen Konfigurationen oder Zustände innerhalb individueller Signalzweige oder -pfade unabhängig voneinander zu erzeugen. Zum Beispiel kann die Schaltstufe 110 die erste Konfiguration durch Kreuzkoppeln von zwei oder mehr Signalpfaden, die mit der Treiberstufe 112 oder anderen Komponenten innerhalb der Abtastschaltung 104 gekoppelt sind, erzeugen, und die zweite Konfiguration innerhalb eines jeden Signalpfades ohne Kreuzkoppeln von Signalkommunikations-Zweigen oder -Pfaden erzeugen.
Die Treiberstufe 112 befindet sich nachgeschaltet zu der Schaltstufe 110 und ist ausgebildet, um den Ausgang der Schaltstufe 110 während der ersten Betriebsphase und der zweiten Betriebsphase zu empfangen. Zum Beispiel kann ein erster Ausgang der Schaltstufe 110 während der ersten Betriebsphase empfangen werden und ein erstes Signal oder ein erstes Schaltsignal umfassen, das von dem ersten Schaltzustand der Schaltstufe 110 hergeleitet ist. Ein zweiter Ausgang der Schaltstufe 110 kann durch die Treiberstufe 112 während der zweiten Betriebsphase empfangen werden und ein zweites Ausgangssignal oder ein erstes Schaltsignal der Schaltstufe 110 umfassen. In einem Aspekt kann die Treiberstufe 112 einen oder mehrere Verstärker (z. B. Treiber, Puffer usw.) umfassen, die einen Treiberausgang erzeugen, um eine oder mehrere Komponenten der Abtastkondensatorstufe 114 zu treiben oder vorzuspannen.
Die Treiberstufe 112 arbeitet ferner, um eine Isolierung der Signalquelle (d. h. das differentielle Eingangssignal) von der Abtastkondensatorstufe 114 bereitzustellen. Die Treiberstufe 112 kann auch eine Niederimpendanzansteuerung für die Abtastschaltung 104 erzeugen, die hergeleitet sein kann von oder arbeiten kann basierend auf den Steuersignalen, die von den Schaltstufen als eine Funktion der unterschiedlichen Betriebsphasen (die erste Phase und die zweite Phase) empfangen sind. Die Treiberstufe 112 kann ferner ausgebildet sein, um ein differentielles Signal oder anderes Signal als die Ausgangssignale von der Schaltstufe 110 während der unterschiedlichen Phasen (die erste Betriebsphase und die zweite Betriebsphase) zu verarbeiten, das an seinem Eingang empfangen wird. Zusätzlich stellt die Treiberstufe 112 die unterschiedlichen Inversionen der verarbeiteten Signale mit einem Treibersignal oder anderen Verstärkersignal bereit. Zum Beispiel kann die Treiberstufe 112 ein Spannungsquellensignal erzeugen, während es die nicht invertierte Version des differentiellen Signals 106 an seinem Ausgang während der ersten Betriebsphase und die invertierte Version des differentiellen Eingangssignals 106 an seinem Ausgang während der zweiten Betriebsphase bereitstellt. Als solche treibt die Treiberstufe 112 ein Treibersignal oder ein Vorspannungssignal an die Abtastkondensatorstufe 114 mit den unterschiedlichen Inversionen der Schaltstufenausgänge 110.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Treiberstufe 112 einen oder mehrere Treiber, Pufferverstärker oder andere Treiberschaltungen umfassen, die Treibersignale mit der invertierten und nicht invertierten Version der Ausgänge der Schaltstufe 110 entlang eines oder mehrerer unterschiedlicher Signalzweige oder -pfade bereitstellen können. Zum Beispiel kann ein erster Treiberverstärker (nicht gezeigt) auf einem ersten Signalzweig oder -pfad (nicht gezeigt) ausgebildet sein, um das differentielle Signal an dem ersten Signalzweig des Ausgangs der Schaltstufe 110 zu empfangen, und ein zweiter Treiberverstärker auf dem zweiten Signalzweig kann ausgebildet sein, um das differentielle Signal an dem zweiten Signalzweig des Ausgangs der Schaltstufe 110 zu empfangen. Der erste Treiberverstärker und der zweite Treiberverstärker können zum Beispiel Verstärker mit einem einzigen Eingangsanschluss und einem einzigen Ausgangsanschluss sein, oder können mehrere unterschiedliche Eingangsanschlüsse und/oder Ausgangsanschlüsse aufweisen.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Treiberstufe 112 zum Beispiel einen volldifferentiellen Verstärker mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen aufweisen. Die zwei Eingänge der Treiberstufe 112 umfassen einen ersten Treibereingang, der ausgebildet ist, um das differentielle Signal an dem ersten Signalzweig des Ausgangs der Schaltstufe 110 zu empfangen, und einen zweiten Treibereingang, der ausgebildet ist, um das differentielle Signal an dem zweiten Signalzweig des Ausgangs der Schaltstufe 110 zu empfangen. Die zwei Ausgänge der Treiberstufe 112 umfassen einen ersten Treiberausgang, der ausgebildet ist, um ein Treibersignal an den ersten Signalzweig bereitzustellen, und einen zweiten Treiberausgang, der ausgebildet ist, um ein Treibersignal an den zweiten Signalzweig bereitzustellen.
Die Abtastkondensatorstufe 114 befindet sich nachgelagert zu der Treiberstufe 112 und ist ausgebildet, um das Treibersignal von der Treiberstufe 112 zu empfangen. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die Abtastkondensatorstufe 114 einen ersten Abtastkondensator, der ausgebildet ist, um das Treibersignal auf dem ersten Signalzweig an dem Ausgang der Treiberstufe 112 während der ersten Betriebsphase und der zweiten Betriebsphase abzutasten. Zusätzlich umfasst die Abtastkondensatorstufe 114 einen zweiten Abtastkondensator, der ausgebildet ist, um das Treibersignal auf dem zweiten Signalzweig an dem Ausgang der Treiberstufe 112 während der ersten Betriebsphase und der zweiten Betriebsphase abzutasten.
Der Integrator 102 befindet sich nachgelagert zu der Abtastkondensatorstufe 114 und kann einen volldifferentiellen Integrator mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen umfassen. Der volldifferentielle Integrator gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst einen ersten integrierenden Kondensator, der ausgebildet ist, um eine abgetastete Spannung über den ersten Abtastkondensator hinweg während der zweiten Betriebsphase zu integrieren. Der volldifferentielle Integrator umfasst ferner einen zweiten integrierenden Kondensator, der ausgebildet ist, um eine abgetastete Spannung über den zweiten Abtastkondensator hinweg während der zweiten Betriebsphase zu integrieren.
Die Schaltsteuerung 116 ist mit der Schaltstufe 110 gekoppelt und ist ausgebildet, um die Konfiguration der Mehrzahl von Schaltern in der Schaltstufe 110 zu steuern. Die Schaltsteuerung 116 stellt ein nicht überlappendes Taktschema bereit und kann mit Hardware/Software oder beidem implementiert sein. Bei einem Ausführungsbeispiel arbeitet die Schaltsteuerung 116, um zum Beispiel eine erste Schaltkonfiguration oder -zustand in der Schaltstufe 110 einzuschalten oder zu aktivieren, wie beispielsweise mit einem ersten Satz von Schaltern oder Schaltkomponenten. Als solche kann die Schaltsteuerung 116 die Schaltstufe 110 anpassen, um in der ersten Betriebsphase zu arbeiten und eine erste Ladungsübertragung an die Abtastkondensatorstufe 114 zu erzeugen, die zum Beispiel einen oder mehrere Kondensatoren oder Kondensatorkomponenten umfassen kann, wie beispielsweise einen ersten Abtastkondensator und einen zweiten Abtastkondensator. Ferner kann die Schaltsteuerung 116 arbeiten, um die Schaltstufe 110 einzuschalten oder zu aktivieren, um in der zweiten Schaltkonfiguration oder -zustand zu arbeiten, wie beispielsweise mit einem zweiten Satz von Schaltern oder Schaltkomponenten der Schaltstufe 110. Die Schaltsteuerung 116 kann auch die Schaltstufe 110 aktivieren, um in einer zweiten Betriebsphase zu arbeiten, um eine zweite Ladungsübertragung an die Abtastkondensatorstufe 114 zu erzeugen. Die unterschiedlichen Ladungsübertragungen, zum Beispiel die erste und die zweite Ladungsübertragung, können von Eingangssignalen unterschiedlicher Konfigurationen oder Zustände hergeleitet sein, die unterschiedliche Inversionen der Eingangssignale und unterschiedliche Kreuzkopplungen erzeugen können, abhängig von der Phase und den Konfigurationen, die durch die Schaltstufen und die Treiberstufe 112 erzeugt werden. Die Schaltsteuerung 116 kann somit arbeiten, um die unterschiedlichen Phasen (z. B. die erste Betriebsphase und die zweite Betriebsphase) zu alternieren oder sequenzieren, derart, dass unterschiedliche Ladungen zur Speicherung und nachfolgenden Abtastung in einer oder mehreren Kondensatorkomponenten erzeugt werden, wie beispielsweise mit einem ersten Abtastkondensator oder einem zweiten Abtastkondensator.
Ansprechend darauf kann eine nicht invertierte Version des differentiellen Eingangssignals 106 auf den ersten Abtastkondensator und den zweiten Abtastkondensator während der ersten Ladungsübertragung abgetastet werden, und die invertierte Version des differentiellen Eingangssignals 106 kann auf den ersten Abtastkondensator und den zweiten Abtastkondensator während der zweiten Ladungsübertragung abgetastet werden. Da das differentielle Eingangssignal 106 auf den ersten Abtastkondensator und auf den zweiten Abtastkondensator mit entgegengesetzten Polaritäten während der ersten Betriebsphase und/oder der zweiten Betriebsphase abgetastet werden kann, arbeitet die Abtastschaltung 104, um eine Abtastladung an die Abtastkondensatorstufe 114 zu erhöhen oder ungefähr zu verdoppeln, wie beispielsweise an einen oder mehrere Abtastkondensatoren (z. B. einen ersten Abtastkondensator und den zweiten Abtastkondensator). Die Abtastschaltung 104 ist ausgebildet, um das Signal-Rausch-Verhältnis der Abtastkondensatorstufe 114 zum Beispiel durch einen Faktor von ungefähr zwei zu erhöhen.
Die Treiberstufe 112 arbeitet ferner, um das differentielle Eingangssignal 106 an die Abtastkondensatorstufe 114 vor der ersten Ladungsübertragung und/oder der zweiten Ladungsübertragung bereitzustellen. Ein erstes positives Flicker-Rauschen und ein erster Versatz (z. B. eine Treiber-Signal-Fehlanpassung oder -Versatz der Ausgabe der Verstärker innerhalb der Treiberstufe 112) werden in die erste Ladungsübertragung an die Abtastkondensatorstufe 114 während der ersten Betriebsphase eingeführt. Zusätzlich werden ein zweites positives Flicker-Rauschen und ein zweiter Versatz in die zweite Ladungsübertragung an die Abtastkondensatorstufe 114 während der zweiten Betriebsphase eingeführt. Da das erste positive Flicker-Rauschen und der erste Versatz und das zweite positive Flicker-Rauschen und der zweite Versatz hinsichtlich Polaritäten entgegengesetzt sind, arbeitet die Abtastschaltung 104, um eine Aufhebung des Flicker-Rauschens und der Versätze zu erzeugen, und dadurch eine bessere ADC-Stabilität und -Auflösung mit einer Verringerung des Rauschens bereitzustellen.
2 stellt ein bestimmtes Ausführungsbeispiel dar, wobei eine Abtastschaltung 202 für einen Volldifferentiell-Geschalteter-Kondensator-Integrator 200 offenbart ist. Die Abtastschaltung 202 umfasst eine kreuzgekoppelte Schaltstufe 204, die eine Mehrzahl von Schaltern 210, 212, 214 und 216 umfasst, die ausgebildet ist, um ein analoges differentielles Signal 205 an ihrem Eingang zu empfangen und die ausgebildet ist, um eine nicht invertierte Version des differentiellen Signals an ihrem Ausgang während einer ersten Betriebsphase und eine invertierte Version des differentiellen Signals an ihrem Ausgang während einer zweiten Betriebsphase bereitzustellen. Zusätzlich umfasst die Abtastschaltung 202 eine Treiberverstärkerstufe 206, die sich nachgeschaltet zu der kreuzgekoppelten Schaltstufe 204 befindet und ausgebildet ist, um die nicht invertierte Version des differentiellen Signals an ihrem Eingang während der ersten Betriebsphase und die invertierte Version des differentiellen Signals an ihrem Eingang während der zweiten Betriebsphase zu empfangen. Ferner umfasst die Abtastschaltung 202 eine Abtastkondensatorstufe 208 nachgelagert zu der Treiberverstärkerstufe 206, die ausgebildet ist, um die Ausgabe der Treiberverstärkerstufe 206 während der ersten Betriebsphase und der zweiten Betriebsphase abzutasten.
Die Treiberverstärkerstufe 206 von 2 umfasst ferner einen ersten Treiberverstärker 218 nachgelagert zu einem ersten Zweig der kreuzgekoppelten Schaltstufe 204 und einen zweiten Treiberverstärker 220 nachgelagert zu einem zweiten Zweig der kreuzgekoppelten Schaltstufe 204. Zusätzlich umfasst die Abtastkondensatorstufe 208 einen ersten Abtastkondensator 222, der mit dem Ausgang des ersten Treiberverstärkers 218 gekoppelt ist, und einen zweiten Abtastkondensator 224, der mit dem Ausgang des zweiten Treiberverstärkers 220 gekoppelt ist.
Ferner umfasst die kreuzgekoppelte Schaltstufe 204 von 2 einen ersten Schalter 210 zwischen dem ersten Eingang 226 des analogen differentiellen Signals 205 und einem Eingang des ersten Treiberverstärkers 218, und einen zweiten Schalter 212 zwischen dem zweiten Eingang 228 des analogen differentiellen Signals 205 und einem Eingang des zweiten Treiberverstärkers 220. Die kreuzgekoppelte Schaltstufe 204 umfasst ferner einen dritten Schalter 214 zwischen dem ersten Eingang 226 des analogen differentiellen Signals 205 und einem Eingang des zweiten Treiberverstärkers 220, und einen vierten Schalter 216 zwischen dem zweiten Eingang 228 des analogen differentiellen Signals 205 und einem Eingang des ersten Treiberverstärkers 218, wobei der dritte Schalter 214 und der vierte Schalter 216 arbeiten, um den ersten Eingang 226 des analogen differentiellen Signals 205 und den zweiten Eingang 228 des analogen differentiellen Signals 205 mit dem zweiten Treiberverstärker 220 und dem ersten Treiberverstärker 218 kreuz zu koppeln.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die kreuzgekoppelte Schaltstufe 204 ausgebildet, um den ersten Schalter 210 und den zweiten Schalter 212 in der ersten Betriebsphase einzuschalten, während der dritte Schalter 214 und der vierte Schalter 216 abgeschaltet sind. Ferner ist in der zweiten Betriebsphase die kreuzgekoppelte Schaltstufe 204 ausgebildet, um den dritten Schalter 214 und den vierten Schalter 216 einzuschalten, während der erste Schalter 210 und der zweite Schalter 212 abgeschaltet sind.
3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, wobei eine Abtastschaltung 302 für einen Volldifferentiell-Geschalteter-Kondensator-Integrator 300 offenbart ist. Die Abtastschaltung 302 umfasst einen kreuzgekoppelten Schaltkreis 304, der eine Mehrzahl von Schaltern 310, 312, 314 und 316 umfasst, der ausgebildet ist, um ein analoges differentielles Signal 305 an seinem Eingang zu empfangen und der ausgebildet ist, um eine nicht invertierte Version des differentiellen Signals an seinem Ausgang während einer ersten Phase und eine invertierte Version des differentiellen Signals an seinem Ausgang während einer zweiten Phase bereitzustellen. Zusätzlich umfasst die Abtastschaltung 302 eine Treiberverstärkerstufe 306, die sich nachgeschaltet zu dem kreuzgekoppelten Schaltkreis 304 befindet und ausgebildet ist, um die nicht invertierte Version des differentiellen Signals an ihrem Eingang während der ersten Betriebsphase und die invertierte Version des differentiellen Signals an ihrem Eingang während der zweiten Betriebsphase zu empfangen. Ferner umfasst die Abtastschaltung 302 eine Abtastkondensatorstufe 308 nachgelagert zu der Treiberverstärkerstufe 306, die ausgebildet ist, um die Ausgabe der Treiberverstärkerstufe 306 während der ersten Betriebsphase und der zweiten Betriebsphase abzutasten.
Die Treiberverstärkerstufe 306 von 3 umfasst einen volldifferentiellen Treiberverstärker 318 mit seinem ersten Eingang 319, der mit dem ersten Zweig des kreuzgekoppelten Schaltkreises 304 gekoppelt ist, und seinem zweiten Eingang 320, der mit dem zweiten Zweig des kreuzgekoppelten Schaltkreises 304 gekoppelt ist. Zusätzlich umfasst die Abtastkondensatorstufe 308 einen ersten Abtastkondensator 322, der mit dem ersten Ausgang 330 des Treiberverstärkers 318 gekoppelt ist, und einen zweiten Abtastkondensator 324, der mit dem zweiten Ausgang 332 des Treiberverstärkers 318 gekoppelt ist.
Ferner umfasst der kreuzgekoppelte Schaltkreis 304 von 3 einen ersten Schalter 310 zwischen dem ersten Eingang 326 des analogen differentiellen Signals 305 und dem ersten Eingang 319 des Treiberverstärkers 318, und einen zweiten Schalter 312 zwischen dem zweiten Eingang 328 des analogen differentiellen Signals 305 und einem zweiten Eingang 320 des Treiberverstärkers 318. Der kreuzgekoppelte Schaltkreis 304 umfasst ferner einen dritten Schalter 314 zwischen dem ersten Eingang 326 des analogen differentiellen Signals 305 und dem zweiten Eingang 320 des Treiberverstärkers 318, und einen vierten Schalter 316 zwischen dem zweiten Eingang 328 des analogen differentiellen Signals 305 und dem ersten Eingang 319 des Treiberverstärkers 318, wobei der dritte Schalter 314 und der vierte Schalter 316 arbeiten, um den ersten Eingang 326 und den zweiten Eingang 328 des analogen differentiellen Signals 305 mit dem zweiten Eingang 320 und dem ersten Eingang 319 des Treiberverstärkers 318 kreuz zu koppeln.
4a zeigt ein schematisches Diagramm eines Geschalteter-Kondensator-Abtastnetzes 400 gemäß der vorliegenden Offenbarung, das als eine Eingangsschaltung für einen ADC, wie beispielsweise einen ΣΔ-ADC verwendet werden könnte. Das Netz 400 umfasst einen kreuzgekoppelten Schaltkreis 402, der einen ersten Schalter S1 410 zwischen dem ersten Eingang 446 des analogen differentiellen Signals 405 und einem Eingang des ersten Treiberverstärkers 418, und einen zweiten Schalter S2 412 zwischen dem zweiten Eingang 448 des analogen differentiellen Signals 405 und einem Eingang des zweiten Treiberverstärkers 420 umfasst. Der kreuzgekoppelte Schaltkreis 402 umfasst ferner einen dritten Schalter S3 414 zwischen dem ersten Eingang 446 des analogen differentiellen Signals 405 und einem Eingang des zweiten Treiberverstärkers 420, und einen vierten Schalter S4 416 zwischen dem zweiten Eingang 448 des analogen differentiellen Signals 405 und einem Eingang des ersten Treiberverstärkers 418, wobei der dritte Schalter S3 414 und der vierte Schalter S4 416 arbeiten, um den ersten Eingang 446 und den zweiten Eingang 448 des analogen differentiellen Signals 405 mit dem zweiten Treiberverstärker 420 und dem ersten Treiberverstärker 418 kreuz zu koppeln.
Das Netz 400 umfasst ferner ein Treiberverstärkersystem 404, das einen ersten Treiberverstärker 418 nachgeschaltet zu einem ersten Zweig des kreuzgekoppelten Schaltkreises 402 und einen zweiten Treiberverstärker 420 nachgeschaltet zu einem zweiten Zweig des kreuzgekoppelten Schaltkreises 402 umfasst. Zusätzlich umfasst das Netz 400 eine Abtastkondensatorkomponente 406, die eine erste Abtastkapazität C1 422, die mit dem Ausgang 445 des ersten Treiberverstärkers 418 gekoppelt ist, und eine zweite Abtastkapazität C2 424, die mit dem Ausgang 447 des zweiten Treiberverstärkers 420 gekoppelt ist, umfasst.
Ferner umfasst das Netz 400 einen Integrator 407, der einen Operationsverstärker 408 mit einem invertierenden Anschluss 438 und einem nicht invertierenden Anschluss 440 umfasst. Der Integrator 407 produziert ein integriertes Signal, das ein Positiv-Spannungsausgangssignal „Voutp” 442 und ein Negativ-Spannungsausgangssignal „Voutn” 444 umfasst. Ein Positiv-Spannung-Integrator-Rückkopplungskondensator C4 434 ist parallel zu dem Operationsverstärker 408 zwischen 438 und „Voutp” 442 geschaltet. Ein Negativ-Spannung-Integrator-Rückkopplungskondensator C3 436 ist parallel zu dem Operationsverstärker 408 zwischen 440 und „Voutn” 444 geschaltet. Zusätzlich umfasst das Netz 400 Summierungspunkt-Schalter (Summing Junction-Schalter) S4, S5, S6 und S7. Der Schalter S4 428 ist zwischen C1 422 und einer Referenzmasse angeordnet. Der Schalter S6 426 ist zwischen C1 422 und dem invertierenden Anschluss 438 des Operationsverstärkers 408 angeordnet. In gleicher Weise ist der Schalter S5 430 zwischen C2 424 und einer Referenzmasse angeordnet. Der Schalter S7 432 ist zwischen C2 424 und dem nicht invertierenden Anschluss 440 des Operationsverstärkers 408 angeordnet.
4b stellt einen zweiphasigen, nicht überlappenden Takt 450 dar, der durch vier Taktwellenformen: „ϕ1” 452, „ϕ1d” 454, „ϕ2” 456 und „ϕ2d” 458 definiert ist. Die Position eines jeden Schalters zu einer gegebenen Zeit wird durch seine entsprechende Taktwellenform bestimmt. Bei einem repräsentativen Ausführungsbeispiel ist ein Schalter offen, wenn seine entsprechende Taktwellenform „Aus” ist und ein Schalter ist geschlossen wenn seine entsprechende Taktwellenform „An” ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen könnten die Schalter jedoch mit anderen Verhältnissen zwischen dem Zustand der Schalter und ihren entsprechenden Taktwellenformen ausgebildet sein.
Der Betrieb des Netzes 400 kann durch Nachverfolgen der Schaltungen werden, die ansprechend auf das zyklische Durchlaufen der Taktwellenformen des Taktes 450 eingerichtet werden. Zur Zeit t₀ laufen die Taktwellenformen ϕ1 452 und ϕ1d 454 zyklisch durch zu dem An-Zustand, während die Taktwellenformen ϕ2 456 und ϕ2d 458 in dem Aus-Zustand verbleiben. Ansprechend auf den An-Zustand von ϕ1 452 schließen die Schalter S4 428 und S5 430. Ansprechend auf den An-Zustand von ϕ1d 454 schließen der Schalter S1 410 und S2 412. Wenn die S1 410 und S4 428 geschlossen sind, wird eine Schaltung zwischen dem ersten Eingang 446, d. h. Vp, und Masse 449 durch den Treiberverstärker 418 und C1 422 eingerichtet. Diese Schaltung erlaubt es, dass der erste Eingang 446, d. h. Vp, als eine Ladung auf C1 422 abgetastet wird. Ferner tastet diese Schaltung ein Flicker-Rauschen Vfp des Treiberverstärkers 418 als eine Ladung auf C1 422 ab. Wenn die S2 412 und S5 430 geschlossen sind, wird in ähnlicher Weise eine Schaltung zwischen dem zweiten Eingang 448, d. h. Vn, und Masse 449 durch den Treiberverstärker 420 und C2 424 eingerichtet. Diese Schaltung erlaubt es, dass der zweite Eingang 448, d. h. Vn, als eine Ladung auf C2 424 abgetastet wird. Ferner tastet diese Schaltung ein Flicker-Rauschen Vfn des Treiberverstärkers 420 als eine Ladung auf C2 424 ab.
Bei Zeit t₁ läuft die Taktwellenform ϕ1 452 zyklisch durch zu dem Aus-Zustand, während ϕ1d 454 in dem An-Zustand verbleibt. Die Taktwellenformen ϕ2 456 und ϕ2d 458 verbleiben in dem Aus-Zustand. Ansprechend auf den Aus-Zustand von ϕ1 452 öffnen die Schalter S4 428 und S5 430. Das Öffnen des Schalters S4 428 unterbricht die Schaltung zwischen dem ersten Eingang 446, d. h. Vp, und Masse 449. Dies isoliert die auf C1 422 gespeicherte Ladung, wodurch der erste Eingang 446, d. h. Vp und Vfp, effektiv abgetastet wird. Die auf Kapazität C1 422 am Ende der ersten Betriebsphase abgetastete Gesamtladung ist definiert durch: Q_C11 = C₁·(Vp + Vfp) (1)
In ähnlicher Weise unterbricht das Öffnen des Schalters S5 430 die Schaltung zwischen dem zweiten Eingang 448, d. h. Vn, und Masse 449. Dies isoliert die auf C2 424 gespeicherte Ladung, wodurch der zweite Eingang 448, d. h. Vn und Vfn, effektiv abgetastet wird. Die auf Kapazität C2 424 am Ende der ersten Betriebsphase abgetastete Gesamtladung ist definiert durch: Q_C21 = C₂·(Vn + Vfn) (2)
Zu Zeit t₂ läuft die Taktwellenform ϕ1d 454 zyklisch durch zu dem Aus-Zustand. Taktwellenformen ϕ1 452, ϕ2 456 und ϕ2d 458 verbleiben in dem Aus-Zustand. Ansprechend auf den Aus-Zustand von ϕ1d 454 öffnen die Schalter S1 410 und S2 412. Durch Verzögern des Öffnens der Schalter S1 410 und S2 412 bis nachdem die Schalter S4 428 und S5 430 geöffnet worden sind, und somit die auf C1 422 und C2 424 gespeicherten Ladungen isolieren, sind die abgetasteten Signale durch die Ladungsinjizierungen, die auftreten, nachdem die Schalter S4 428 und S5 430 geöffnet worden sind, unbeeinträchtigt.
Zu Zeit t₃ laufen die Wellenformen ϕ2 456 und ϕ2d 458 zyklisch durch zu dem An-Zustand, während die Taktwellenformen ϕ1 452 und ϕ1d 454 in dem Aus-Zustand verbleiben. Ansprechend auf den An-Zustand von ϕ2d 458, schließen die Schalter S3 414 und S4 416. Ansprechend auf den An-Zustand von ϕ2 456 schließen die Schalter S6 426 und S7 432. Wenn die Schalter S6 426 und S4 416 geschlossen sind, wird eine Schaltung zwischen dem zweiten Eingang 448, d. h. Vn, und dem invertierenden Anschluss 438 des Operationsverstärkers 408 durch den Treiberverstärker 418 und C1 422 eingerichtet. Diese Schaltung erlaubt es, dass der zweite Eingang 448, d. h. Vn, und das Flicker-Rauschen Vfp des Treiberverstärkers 418 als eine Ladung auf C1 422 abgetastet werden und ermöglicht ferner, dass die Gesamtladung Q_C1 ⁺ auf C1 422 zu C4 434 übertragen wird. Die übertragene Ladung Q_C1 ⁺ ist definiert durch: Q_C1 ⁺ = C1·((Vp + Vfp) – (Vn + Vfp)) = C1·(Vp – Vn) (3)
Wenn die Schalter S7 432 und S3 414 geschlossen sind, wird in ähnlicher Weise eine Schaltung zwischen dem ersten Eingang 446, d. h. Vp, und dem nicht invertierenden Anschluss 440 des Operationsverstärkers 408 durch den Treiberverstärker 420 und C2 424 eingerichtet. Diese Schaltung erlaubt es, dass der erste Eingang 446, d. h. Vp, und das Flicker-Rauschen Vfn des Treiberverstärkers 420 als eine Ladung auf C2 424 abgetastet werden und ermöglicht ferner, dass die Gesamtladung Q_C2 ⁺ auf C2 424 zu C3 436 übertragen wird. Die übertragene Ladung Q_C2 ⁺ wird definiert durch: Q_C2 ⁺ = C2·((Vn + Vfn) – (Vp + Vfn)) = C2·(Vn – Vp) (4)
Aus der obigen Analyse ist klar, dass die kreuzgekoppelte Abtastung den effektiven Spannungshub (d. h. Vp – Vn und Vn – Vp) über die Abtastkapazität C1 422 und C2 424 hinweg verdoppelt durch Abtasten des differentiellen Signals mit entgegengesetzten Polaritäten während der ersten Phase und der zweiten Phase, wodurch die integrierte Ladung über C4 434 und C3 436 hinweg verdoppelt wird, während das thermische Rauschen gleich bleibt. Dies verbessert das SNR-Verhalten der Abtastschaltung. Ferner wird das Flicker-Rauschen Vfp und Vfn der Pufferverstärker auf die Abtastkapazität C1 422 und C2 424 mit der gleichen Polarität während der ersten Phase und der zweiten Phase abgetastet, wodurch die Auslöschung des Flicker-Rauschens während der Integrationsphase ermöglicht wird.
Bei Zeit t₄ läuft die Taktwellenform ϕ2 456 zyklisch durch zu dem Aus-Zustand, während ϕ2d 458 in dem An-Zustand verbleibt. Die Taktwellenformen ϕ1 452 und ϕ1d 454 verbleiben in dem Aus-Zustand. Ansprechend auf den Aus-Zustand von ϕ2 456 öffnen die Schalter S6 426 und S7 432. Das Öffnen des Schalters S6 426 unterbricht die Schaltung zwischen dem ersten Eingang 446, d. h. Vp, und dem invertierenden Anschluss 438 des Operationsverstärkers 408. Dies isoliert die an C4 434 übertragene Ladung. Zusätzlich unterbricht das Öffnen des Schalters S7 432 die Schaltung zwischen Vn, dem zweiten Eingang 448, d. h. Vp, und dem nicht invertierenden Anschluss 440 des Operationsverstärkers 408. Dies isoliert die an C3 436 übertragene Ladung.
Bei Zeit t₅ läuft die Taktwellenform ϕ2d 458 zyklisch durch zu dem Aus-Zustand. Die Taktwellenformen ϕ1 452, ϕ1d 454 und ϕ2 456 verbleiben in dem Aus-Zustand. Ansprechend auf den Aus-Zustand von ϕ2d 458 öffnen die Schalter S3 414 und S4 416. Durch Verzögern des Öffnens der Schalter S3 414 und S4 416 bis nachdem die Schalter S7 432 und S6 426 geöffnet worden sind, und somit die auf C4 434 und C3 436 gespeicherten Ladungen isoliert werden, sind die abgetasteten Signale durch die Ladungsinjizierungen, die auftreten, nachdem die Schalter S6 426 und S7 432 geöffnet worden sind, unbeeinträchtigt.
Bei Zeit t₆ laufen die Taktwellenformen ϕ1 452 und ϕ1d 454 zyklisch durch zu dem An-Zustand, während die Taktwellenformen ϕ2 456 und ϕ2d 458 in dem Aus-Zustand verbleiben. Die Antwort des Netzes 400 auf den An-Zustand von ϕ1 452 und ϕ1d 454 ist identisch zu der Antwort auf den An-Zustand bei Zeit t₀, wie oben erklärt. Bei Zeiten nachfolgend zu t₆ arbeitet das Netz 400 ebenso in der oben erklärten Weise.
4c stellt die Amplitude Vdiff (d. h. Vp – Vn) des differentiellen Eingangssignals an der ersten Phase ϕ1 und der zweiten Phase ϕ2 dar. Da die Abtastfrequenz viel höher ist als die Frequenz des Eingangssignals, ändert die Amplitude des differentiellen Eingangssignals nicht viel zwischen ϕ1 und ϕ2, wie in 4c gezeigt ist. 4d stellt die Amplituden des differentiellen Ausgangs des Treiberverstärkers während ϕ1 und ϕ2 dar. Da das differentielle Eingangssignal mit entgegengesetzten Polaritäten in der ersten Betriebsphase ϕ1 und der zweiten Betriebsphase ϕ2 abgetastet wird, weist der differentielle Ausgang des Treiberverstärkers entgegengesetzte Polaritäten (d. h. A·Vdiff bei ϕ1 und –A·Vdiff bei ϕ2, wobei A die Verstärkung des Treiberverstärkers ist) in der ersten Betriebsphase ϕ1 und der zweiten Betriebsphase ϕ2 auf. In ähnlicher Weise stellt 4e die Amplituden des Differentiell-Treiberverstärker-Ausgang-Flicker-Rauschens und -Versatzes während ϕ1 und ϕ2 dar. Da das Treiberverstärker-Flicker-Rauschen und -Versatz mit der gleichen Polarität in der ersten Betriebsphase ϕ1 und der zweiten Betriebsphase ϕ2 abgetastet werden, weisen das Differentiell-Treiberverstärker-Ausgang-Flicker-Rauschen und -Versatz die gleiche Polarität (d. h. Vbuf_Rauschen) in der ersten Betriebsphase ϕ1 und der zweiten Betriebsphase ϕ2 auf. Die Amplitude des Flicker-Rauschens ist ungefähr gleich in ϕ1 und ϕ2, da Flicker-Rauschen ein Niederfrequenzrauschen ist. Die Taktfrequenz für die Überabtastungs-ADCs ist normalerweise viel höher als die Eckfrequenz des Flicker-Rauschens.
5 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines Geschalteter-Kondensator-Abtastnetzes 500, ähnlich zu dem Geschalteter-Kondensator-Abtastnetz 400. Allerdings umfasst das Treiberverstärkersystem 504 einen volldifferentiellen Treiberverstärker 518 mit zwei differentiellen Eingängen 519 und 520 und zwei differentiellen Ausgängen 542 und 544. Die Analyse für das Geschalteter-Kondensator-Abtastnetz 500 ist ähnlich zu dem oben Erklärten für das Geschalteter-Kondensator-Abtastnetz 400.
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, wobei die Treiberverstärker des Geschalteter-Kondensator-Abtastnetzes 600, ähnlich zu dem Geschalteter-Kondensator-Abtastnetz 400, als Source-Folger 601 und 602 implementiert sind. Die Analyse für das Geschalteter-Kondensator-Abtastnetz 600 ist ähnlich zu der oben Erklärten für das Geschalteter-Kondensator-Abtastnetz 400. Die Integrator-Implementierung in 6 weist im Vergleich zu dem Integrator in 4a und 5 einen Vorteil auf, weil sie eine Flicker-Rauschen-Auslöschung des internen Flicker-Rauschens des Integrators umfasst. Die S5 und S6 tasten das Flicker-Rauschen des Integrator-Verstärkers und differentiellen Eingangssignals während ϕ1 ab. Die S7 und S8 ermöglichen eine Integration des invertierten differentiellen Eingangssignals und Auslöschung des Integrator-Flicker-Rauschens während ϕ2. Bei anderen Ausführungsbeispielen könnte der Geschalteter-Kondensator-Integrator mit anderen Techniken zur Auslöschung oder Reduzierung seines internen Flicker-Rauschens implementiert sein.
7 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren 700 zum Abtasten eines differentiellen Signals gemäß einem Ausführungsbeispiel der Offenbarung darstellt. Das Verfahren 700 wird hier in Bezug auf das Geschalteter-Kondensator-Abtastnetz 400 von 4a mit einem ersten Treiberverstärker Bufp 418 und einem zweiten Treiberverstärker Bufn 420 beschrieben, allerdings kann das Verfahren auch auf andere Geschalteter-Kondensator-Abtastnetze mit einem volldifferentiellen Treiberverstärker, wie in 5 dargestellt, angewandt werden.
Bei dem Verfahren 700 wird bei 702 das analoge differentielle Signal 405 an dem ersten Eingang 446 und zweiten Eingang 448 eines kreuzgekoppelten Schaltkreises 402 empfangen. Bei 704 wird ein erster Abschnitt Vp des analogen differentiellen Signals 405 von dem ersten Eingang 446 mit einer ersten Abtastkapazität C1 422 in einer ersten Betriebsphase abgetastet und erzeugt eine erste Ladungsübertragung an die erste Abtastkapazität C1 422. Bei 706 wird ein zweiter Abschnitt Vn des analogen differentiellen Signals 405, das eine invertierte Version des ersten Abschnitts Vp des analogen differentiellen Signals 405 umfasst, an der ersten Abtastkapazität C1 422 in einer zweiten Betriebsphase abgetastet, was zu einer zweiten Ladungsübertragung an die erste Abtastkapazität C1 422 führt. Bei 708 werden der erste Abschnitt Vp und der zweite Abschnitt Vn des analogen differentiellen Signals 504 durch den Treiberverstärker 418 vor der ersten und zweiten Ladungsübertragung an die erste Abtastkapazität C1 422 bereitgestellt.
Bei 710 wird der zweite Abschnitt Vn des analogen differentiellen Signals 405 von dem zweiten Eingang 448 an der zweiten Abtastkapazität C2 424 in einer ersten Betriebsphase abgetastet und erzeugt eine erste Ladungsübertragung an die zweite Abtastkapazität C2 424. Bei 712 wird der erste Abschnitt Vp des analogen differentiellen Signals 405, das eine invertierte Version des zweiten Abschnitts Vn des analogen differentiellen Signals 405 umfasst, an der zweiten Abtastkapazität C2 424 in einer zweiten Betriebsphase abgetastet, was zu einer zweiten Ladungsübertragung an die zweite Abtastkapazität C2 424 führt. Bei 714 werden der zweite Abschnitt Vn und der erste Abschnitt Vp des analogen differentiellen Signals 405 durch den Treiberverstärker 420 vor der ersten und zweiten Ladungsübertragung an die zweite Abtastkapazität C2 424 bereitgestellt.
Während die Verfahren oben als eine Reihe von Schritten oder Ereignissen dargestellt und beschrieben sind, versteht es sich, dass die dargestellte Reihenfolge solcher Schritte oder Ereignisse nicht als beschränkt ausgelegt werden soll. Zum Beispiel können einige Schritte in unterschiedlichen Reihenfolgen und/oder gleichzeitig mit anderen Schritten oder Ereignissen abgesehen von den hierin Dargestellten und/oder Beschriebenen auftreten. Zusätzlich ist es möglicherweise nicht erforderlich, dass alle dargestellten Schritte einen oder mehrere Aspekte oder Ausführungsbeispiele der Offenbarung hierin implementieren. Ferner können einer oder mehrere der hierin dargelegten Schritte auch in einem oder mehreren separaten Schritten und/oder Phasen durchgeführt werden.
Wie oben herausgestellt, weist das Geschalteter-Kondensator-Abtastnetz mit dem Pufferverstärkersystem nachgeschaltet zu der kreuzgekoppelten Abtastschaltung viele Vorteile auf. Ein Bereitstellen des Pufferverstärkers nachgeschaltet zu der kreuzgekoppelten Abtastschaltung reduziert den Serienwiderstand mit der Abtastkapazität und stellt eine Isolierung der Abtastkondensatoren von der Eingangssignalquelle bereit, was die Belastung für die Eingangsquelle reduziert. Zusätzlich ermöglicht die effiziente Flicker-Rauschen-Aufhebung reduzierte Entwurfsanforderungen für das interne Flicker-Rauschen des Treiberverstärkers, wodurch es möglich gemacht wird, relativ kleine Eingangstransistorabmessungen zu wählen, um die geschaltete kapazitive Belastung für die Eingangssignalquelle zu reduzieren. Die Unterdrückung des Flicker-Rauschens ermöglicht die Optimierung des Treiberverstärkers in Richtung eines geringen thermischen Rauschens, während eine kleine Eingangskapazität aufrechterhalten wird.
Während die Offenbarung in Bezug auf eine oder mehrere Implementierungen dargestellt und beschrieben worden ist, können Änderungen und/oder Modifikationen an den dargestellten Beispielen vorgenommen werden, ohne vom Sinn und Umfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen. Insbesondere in Bezug auf die verschiedenen Funktionen, die durch die oben beschriebenen Komponenten oder Strukturen (Zusammensetzungen, Vorrichtungen, Schaltungen, Systeme usw.) ausgeführt werden, sollen die Begriffe (einschließlich eines Bezugs auf ein „Mittel”), die verwendet werden, um solche Komponenten zu beschrieben, sofern nicht anderweitig angezeigt, jeglicher Komponente oder Struktur entsprechen, welche die angegebenen Funktion der beschriebenen Komponente ausführt (z. B. die funktional gleichwertig ist), auch wenn sie strukturell zu der offenbarten Struktur nicht gleichwertig ist, welche die Funktion in den hierin dargestellten, beispielhaften Implementierungen der Offenbarung ausführt.

Claims

Ein Geschalteter-Kondensator-System, umfassend: eine Schaltstufe, umfassend eine Mehrzahl von Schaltern, die ausgebildet sind, um ein differentielles Signal an einem Eingang der Schaltstufe zu empfangen und eine nicht invertierte Version des differentiellen Signals an einem Ausgang der Schaltstufe während einer ersten Betriebsphase und eine invertierte Version des differentiellen Signals an dem Ausgang der Schaltstufe während einer zweiten Betriebsphase bereitzustellen; eine Treiberstufe, umfassend einen Verstärker, der sich nachgeschaltet zu der Schaltstufe befindet, der ausgebildet ist, um die nicht invertierte Version des differentiellen Signals an einem Eingang der Treiberstufe während der ersten Betriebsphase und die invertierte Version des differentiellen Signals an dem Eingang der Treiberstufe während der zweiten Betriebsphase zu empfangen; eine Abtastkondensatorstufe, die ausgebildet ist, um eine Ausgabe der Treiberstufe während der ersten Betriebsphase und der zweiten Betriebsphase abzutasten, und eine Auslöschung eines Flicker-Rauschens und eines Versatzes der Treiberstufe während der zweiten Betriebsphase bereitzustellen; und eine Schaltsteuerung, die ausgebildet ist, um eine kreuzgekoppelte Konfiguration der Mehrzahl von Schaltern zu steuern, und ein Signal-Rausch-Verhältnis der Abtastkondensatorstufe durch ungefähres Verdoppeln einer übertragenen Ladung und eines entsprechenden Signalhubs über die Abtastkondensatorstufe hinweg zu erhöhen.
Das System gemäß Anspruch 1, wobei die Treiberstufe einen ersten Verstärker, der sich nachgeschaltet zu einem ersten Zweig des Ausgangs der Schaltstufe befindet, und einen zweiten Verstärker, der sich nachgeschaltet zu einem zweiten Zweig des Ausgangs der Schaltstufe befindet, umfasst; und wobei die Abtastkondensatorstufe einen ersten Abtastkondensator, der mit einem Ausgang des ersten Verstärkers gekoppelt ist, und einen zweiten Abtastkondensator, der mit einem Ausgang des zweiten Verstärkers gekoppelt ist, umfasst.
Das System gemäß Anspruch 2, wobei die Schaltstufe einen ersten Schalter zwischen einem ersten Signalpfad, der ausgebildet ist, um einen ersten Abschnitt des differentiellen Signals zu kommunizieren, und einem Eingang des ersten Verstärkers, und einen zweiten Schalter zwischen einem zweiten Signalpfad, der ausgebildet ist, um einen zweiten Abschnitt des differentiellen Signals zu kommunizieren, und einem Eingang des zweiten Verstärkers umfasst.
Das System gemäß Anspruch 3, wobei die Schaltstufe ferner einen dritten Schalter zwischen dem ersten Signalpfad und dem Eingang des zweiten Verstärkers, und einen vierten Schalter zwischen dem zweiten Signalpfad und dem Eingang des ersten Verstärkers umfasst, wobei der dritte Schalter und der vierte Schalter ausgebildet sind, um den ersten Signalpfad und den zweiten Signalpfad mit dem Eingang des zweiten Verstärkers und mit dem Eingang des ersten Verstärkers kreuzzukoppeln.
Das System gemäß Anspruch 4, wobei die Schaltsteuerung ausgebildet ist, um den ersten Schalter und den zweiten Schalter in der ersten Betriebsphase zu aktivieren, während der dritte Schalter und der vierte Schalter inaktiviert sind.
Das System gemäß einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei die Schaltsteuerung ausgebildet ist, um den dritten Schalter und den vierten Schalter in der zweiten Betriebsphase zu aktivieren, während der erste Schalter und der zweite Schalter inaktiviert sind.
Das System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schaltsteuerung ausgebildet ist, um das Signal-Rausch-Verhältnis der Abtastkondensatorstufe um einen Faktor zwei zu erhöhen.
Das System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Treiberstufe einen volldifferentiellen Verstärker umfasst, der einen ersten Treibereingang, einen zweiten Treibereingang, einen ersten Treiberausgang und einen zweiten Treiberausgang umfasst; und wobei die Abtastkondensatorstufe einen ersten Abtastkondensator, der mit dem ersten Treiberausgang gekoppelt ist, und einen zweiten Abtastkondensator, der mit dem zweiten Treiberausgang gekoppelt ist, umfasst.
Das System gemäß Anspruch 8, wobei die Schaltstufe einen ersten Schalter zwischen einem ersten Signalpfad, der ausgebildet ist, um einen ersten Abschnitt des differentiellen Signals zu kommunizieren, und dem ersten Treibereingang, und einen zweiten Schalter zwischen einem zweiten Signalpfad, der ausgebildet ist, um einen zweiten Abschnitt des differentiellen Signals zu kommunizieren, und dem zweiten Treibereingang umfasst.
Das System gemäß Anspruch 9, wobei die Schaltstufe ferner einen dritten Schalter zwischen dem ersten Signalpfad und dem zweiten Treibereingang, und einen vierten Schalter zwischen dem zweiten Signalpfad und dem ersten Treibereingang umfasst, wobei der dritte Schalter und der vierte Schalter ausgebildet sind, um den ersten Signalpfad und den zweiten Signalpfad mit dem zweiten Treibereingang und dem ersten Treibereingang kreuzzukoppeln.
Ein Analog-Digital-Wandler-System, umfassend: eine Schaltkomponente, die ausgebildet ist, um ein differentielles Signal an einem ersten Signalzweig und einem zweiten Signalzweig zu empfangen, umfassend einen ersten Satz von Schaltern, die ausgebildet sind, um eine nicht invertierte Version des differentiellen Signals an einem Ausgang der Schaltkomponente während einer ersten Betriebsphase bereitzustellen, und einen zweiten Satz von Schaltern, die ausgebildet sind, um eine invertierte Version des differentiellen Signals an dem Ausgang der Schaltkomponente während einer zweiten Betriebsphase bereitzustellen; eine Treiberkomponente nachgeschaltet zu der Schaltkomponente, die ausgebildet ist, um ein Treibersignal an den ersten Signalzweig und den zweiten Signalzweig basierend auf der nicht invertierten Version des differentiellen Signals während der ersten Betriebsphase und basierend auf der invertierten Version des differentiellen Signals während der zweiten Betriebsphase zu erzeugen; eine Abtastkomponente, die ausgebildet ist, um das Treibersignal der Treiberkomponente abzutasten, eine Ladungsübertragung an einen ersten Abtastkondensator und einen zweiten Abtastkondensator während der ersten Betriebsphase und der zweiten Betriebsphase zu erzeugen, und eine Auslöschung eines Flicker-Rauschens und eines Versatzes der Treiberkomponente während der zweiten Betriebsphase zu erzeugen; und eine Schaltsteuerungskomponente, die ausgebildet ist, um eine kreuzgekoppelte Konfiguration des ersten Satzes von Schaltern und des zweiten Satzes von Schaltern zu steuern und ein Signal-Rausch-Verhältnis der Abtastkomponente durch Verdoppeln der Ladungsübertragung und des entsprechenden Signalhubs über den ersten Abtastkondensator und den zweiten Abtastkondensator hinweg zu erhöhen.
Das System gemäß Anspruch 11, ferner umfassend einen volldifferentiellen Integrator, umfassend einen ersten integrierenden Kondensator, der ausgebildet ist, um eine abgetastete Spannung über den ersten Abtastkondensator hinweg während der zweiten Betriebsphase zu integrieren, und einen zweiten integrierenden Kondensator, der ausgebildet ist, um eine abgetastete Spannung über den zweiten Abtastkondensator hinweg während der zweiten Betriebsphase zu integrieren.
Das System gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei die Abtastkomponente ferner ausgebildet ist, um den Versatz der Treiberkomponente abzutasten und den Versatz an der Abtastkomponente zu subtrahieren.
Das System gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Abtastkomponente ausgebildet ist, um das Flicker-Rauschen von der Treiberkomponente aufzuheben durch Abtasten des Flicker-Rauschens in der Abtastkomponente während der ersten Betriebsphase und der zweiten Betriebsphase.
Das System gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Treiberkomponente einen ersten Verstärker, der sich nachgeschaltet zu dem ersten Signalzweig der Schaltkomponente befindet, und einen zweiten Verstärker, der sich nachgeschaltet zu dem zweiten Signalzweig der Schaltkomponente befindet, umfasst.
Das System gemäß Anspruch 15, wobei der erste Verstärker und der zweite Verstärker jeweils einen Source-Folger umfassen.
Das System gemäß einem der Ansprüche 15 oder 16, wobei die Schaltkomponente ausgebildet ist, um den ersten Verstärker mit einem ersten Signalpfad, der ausgebildet ist, um einen ersten Abschnitt des differentiellen Signals zu kommunizieren, und den zweiten Verstärker mit einem zweiten Signalpfad zu koppeln, der ausgebildet ist, um einen zweiten Abschnitt des differentiellen Signals zu kommunizieren, in der ersten Betriebsphase zu koppeln.
Das System gemäß Anspruch 17, wobei die Schaltkomponente ferner ausgebildet ist, um den ersten Verstärker mit dem zweiten Signalpfad zu koppeln, der ausgebildet ist, um den zweiten Abschnitt des differentiellen Signals zu kommunizieren, und den zweiten Verstärker mit dem ersten Signalpfad, der ausgebildet ist, um den ersten Abschnitt des differentiellen Signals zu kommunizieren, in der zweiten Betriebsphase zu koppeln.
Das System gemäß einem der Ansprüche 11 bis 18, wobei die Schaltsteuerungskomponente ausgebildet ist, um das Signal-Rausch-Verhältnis der Abtastkomponente um einen Faktor zwei zu erhöhen.
Das System gemäß einem der Ansprüche 11 bis 19, wobei die Treiberkomponente einen volldifferentiellen Verstärker umfasst, der einen ersten Treibereingang, einen zweiten Treibereingang, einen ersten Treiberausgang und einen zweiten Treiberausgang umfasst, und wobei die Schaltkomponente ausgebildet ist, um den ersten Treibereingang mit einem ersten Signalpfad zu koppeln, der ausgebildet ist, um einen ersten Abschnitt des differentiellen Signals zu kommunizieren, und den zweiten Treibereingang mit einem zweiten Signalpfad zu koppeln, der ausgebildet ist, um einen zweiten Abschnitt des differentiellen Signals in der ersten Betriebsphase zu kommunizieren, und die Schaltkomponente ist ferner ausgebildet, um den ersten Treibereingang mit dem zweiten Signalpfad zu koppeln, der ausgebildet ist, um den zweiten Abschnitt des differentiellen Signals zu kommunizieren, und den zweiten Treibereingang mit dem ersten Signalpfad zu koppeln, der ausgebildet ist, um den ersten Abschnitt des differentiellen Signals zu kommunizieren, in der zweiten Betriebsphase.
Ein Verfahren für einen Analog-Digital-Wandler, umfassend: Empfangen eines analogen differentiellen Signals; Abtasten eines ersten Abschnitts des analogen differentiellen Signals an einer ersten Abtastkapazität in einer ersten Betriebsphase, und Erzeugen einer ersten Ladungsübertragung an die erste Abtastkapazität; Abtasten eines zweiten Abschnitts des analogen differentiellen Signals, umfassend eine invertierte Version des ersten Abschnitts des analogen differentiellen Signals an der ersten Abtastkapazität in einer zweiten Betriebsphase, und Erzeugen einer zweiten Ladungsübertragung an die ersten Abtastkapazität, Bereitstellen des ersten Abschnitts und des zweiten Abschnitts des analogen differentiellen Signals über einen ersten Verstärker vor der ersten Ladungsübertragung und der zweiten Ladungsübertragung an die erste Abtastkapazität, Abtasten des zweiten Abschnitts des analogen differentiellen Signals an einer zweiten Abtastkapazität in der ersten Betriebsphase, und Erzeugen einer ersten Ladungsübertragung an die zweite Abtastkapazität; Abtasten des ersten Abschnitts des analogen differentiellen Signals, umfassend eine invertierte Version des zweiten Abschnitts des analogen differentiellen Signals an der zweiten Abtastkapazität in der zweiten Betriebsphase, und Erzeugen einer zweiten Ladungsübertragung an die zweite Abtastkapazität; und Bereitstellen des zweiten Abschnitts und des ersten Abschnitts des analogen differentiellen Signals über einen zweiten Verstärker vor der ersten Ladungsübertragung und der zweiten Ladungsübertragung an die zweite Abtastkapazität.
Das Verfahren gemäß Anspruch 21, wobei das Erzeugen der ersten Ladungsübertragung und das Erzeugen der zweiten Ladungsübertragung an die erste Abtastkapazität ein Erzeugen einer ersten positiven Gesamtladung an die erste Abtastkapazität und ein ungefähres Verdoppeln einer Ladungsübertragung an die erste Abtastkapazität umfassen; und wobei das Erzeugen der ersten Ladungsübertragung und das Erzeugen der zweiten Ladungsübertragung an die zweite Abtastkapazität ein Erzeugen einer ersten negativen Gesamtladung an die zweite Abtastkapazität, und ein ungefähres Verdoppeln einer Ladungsübertragung an die zweite Abtastkapazität umfassen.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 21 bis 22, wobei das Bereitstellen des ersten Abschnitts und das Bereitstellen des zweiten Abschnitts des analogen differentiellen Signals über den ersten Verstärker vor der ersten Ladungsübertragung und der zweiten Ladungsübertragung an die erste Abtastkapazität ferner ein Bereitstellen einer Niederimpedanzansteuerung und ein Einführen eines ersten positiven Flicker-Rauschens und eines ersten Versatzes auf der ersten Ladungsübertragung während der ersten Betriebsphase und eines zweiten positiven Flicker-Rauschens und eines zweiten Versatzes auf der zweiten Ladungsübertragung während der zweiten Betriebsphase umfassen; und wobei das Erzeugen der ersten Ladungsübertragung und das Erzeugen der zweiten Ladungsübertragung an die erste Abtastkapazität ein Erzeugen einer Auslöschung des ersten positiven Flicker-Rauschens und des zweiten positiven Flicker-Rauschens in der ersten Abtastkapazität sowie eine Versatzauslöschung umfassen.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 21 bis 23, wobei das Bereitstellen des zweiten Abschnitts und des ersten Abschnitts des analogen differentiellen Signals über den zweiten Verstärker vor der ersten Ladungsübertragung und der zweiten Ladungsübertragung an die zweite Abtastkapazität ferner ein Bereitstellen einer Niederimpedanzansteuerung und ein Einführen eines ersten positiven Flicker-Rauschens und eines ersten Versatzes auf der ersten Ladungsübertragung während der ersten Betriebsphase und eines zweiten positiven Flicker-Rauschens und eines zweiten Versatzes auf der zweiten Ladungsübertragung während der zweiten Betriebsphase umfasst; und wobei das Erzeugen der ersten Ladungsübertragung und das Erzeugen der zweiten Ladungsübertragung an die zweite Abtastkapazität ferner ein Erzeugen einer Auslöschung des ersten positiven Flicker-Rauschens und des zweiten positiven Flicker-Rauschens in der zweiten Abtastkapazität sowie Versatzauslöschung umfassen.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 21 to 24, wobei das Abtasten des ersten Abschnitts und des zweiten Abschnitts des analogen differentiellen Signals umfasst: Bereitstellen des ersten Abschnitts des analogen differentiellen Signals über den ersten Verstärker und Bereitstellen des zweiten Abschnitts des analogen differentiellen Signals über den zweiten Verstärker während der ersten Betriebsphase; und Bereitstellen des ersten Abschnitts des analogen differentiellen Signals über den zweiten Verstärker und Bereitstellen des zweiten Abschnitts des analogen differentiellen Signals über den ersten Verstärker während der zweiten Betriebsphase.