DE102017124704A1 - ADW mit kapazitiver Differenzschaltung und digitaler Sigma-Delta-Rückkopplung - Google Patents
ADW mit kapazitiver Differenzschaltung und digitaler Sigma-Delta-Rückkopplung Download PDFInfo
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Abstract
Ein leistungsarmer hochpräziser Mischsignal-Analog-Digital-Wandler wird bereitgestellt zum Verarbeiten von biometrischen Signalen in der Anwesenheit eines großen Störsignals für die kabellose Patientenüberwachung; eine kapazitive Differenzschaltung erzeugt ein analoges Differenzsignal durch Differenzieren eines analogen Rückkopplungsschleifensignals und eines Eingangssignals; ein Analog-Digital-Wandler-Sigma-Delta-Wandler erzeugt eine digitale Version des Differenzsignals; eine digitale Rückkopplungsschleife enthält einen digitalen Integrierer und einen kapazitiven Digital-Analog-Wandler, konfiguriert zum Erzeugen des analogen Schleifenrückkopplungssignals auf Basis der digitalen Version der Differenz.
Description
- ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
- Biometrische Signale sind Elektroniksignale, die die physiologische Verfassung eines Patienten wie etwa Blutdruck, Atmung und Herzschlag anzeigen. Moderne Krankenhauspatienten-Überwachungssysteme werden zunehmend zu einer kabellosen Umgebung, bei der ein Patient eine oder mehrere Einrichtungen trägt, die biometrische Datensignale drahtlos an ein nahe dem Patienten befindliches Datenverarbeitungssystem übertragen. Ein Patient trägt eine oder mehrere batteriebestromte Sensoreinrichtungen, die Daten drahtlos an einen Aggregator wie etwa ein Schwesternstationszimmer übertragen. Diese tragbaren Einrichtungen gestatten dem Krankenhauspersonal das entfernte Überwachen von Patientenvitalzeichen. Ein derartiges drahtloses System führt beispielsweise zu weniger Fällen von Infektionen, besserer Sicherheit durch weniger Verkabelung am Arbeitsplatz, weniger redundanter Arbeit für die Verkabelung, weniger Ärger für den Patienten, verbesserter Patientenmobilität.
- KURZDARSTELLUNG
- Ein leistungsarmes hochpräzises Mischsignal-Analog-Digital-Wandlersystem wird zum Verarbeiten von biometrischen Signalen bei Anwesenheit eines großen Störsignals für die kabellose Patientenüberwachung bereitgestellt.
- Bei einem Aspekt enthält ein Analog-Digital-Wandlersystem eine kapazitive Differenzschaltung, die ein analoges Differenzsignal durch Differenzieren eines analogen Rückkopplungsschleifensignals und eines Eingangssignals erzeugt. Ein Sigma-Delta-Wandler erzeugt eine digitale Version des Differenzsignals. Eine digitale Rückkopplungsschleife enthält einen digitalen Integrierer und einen kapazitiven Digital-Analog-Wandler, der konfiguriert ist zum Erzeugen des analogen Schleifenrückkopplungssignals auf Basis der digitalen Version des Differenzsignals.
- Bei einem weiteren Aspekt enthält ein Analog-Digital-Wandlersystem eine kapazitive Differenzschaltung, die gekoppelt ist zum Empfangen eines analogen Eingangssignals und zum Empfangen eines analogen Rückkopplungssignals und zum Liefern eines analogen Differenzsignals, das deren Differenz darstellt. Eine kapazitive Verstärkerschaltung wird eingerichtet zum Empfangen des analogen Differenzsignals und zum Liefern eines verstärkten analogen Differenzsignals. Ein Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler ist gekoppelt zum Erzeugen eines digitalen Ausgangssignals auf Basis des verstärkten analogen Differenzsignals. Eine digitale Integriererschaltung ist gekoppelt zum Empfangen des digitalen Ausgangssignals und zum Liefern eines digitalen Integrationssignals. Ein kapazitiver Digital-Analog-Wandler (DAW) ist gekoppelt zum Erzeugen des analogen Schleifenrückkopplungssignals auf Basis des digitalen Integrationssignals.
- Figurenliste
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1 ist eine veranschaulichende Zeichnung, die EKG-Stromleitungen in Kontakt mit einem Patientenunterleib und ein Funktionsblockdiagramm eines biometrischen überwachenden analogen Front-End (AFE), gekoppelt zum Überwachen von auf den Leitungen empfangenen biometrischen Signalen, zeigt. -
2 ist ein veranschaulichendes Spannungs-Frequenz-Diagramm, bei dem eine y-Achse beispielhafte Spannungen eines EKG-Signals und mehrere beispielhafte Störersignale darstellt und eine x-Achse einen Signalfrequenzbereich gemäß einigen Ausführungsformen darstellt. -
3 ist ein veranschaulichender Schaltplan, der eine individuelle Wandlerschaltung des biometrischen Überwachungssystems von1 gemäß einigen Ausführungsformen darstellt. -
4 ist ein veranschaulichendes Spannungs-Frequenz-Diagramm, bei dem eine y-Achse ein beispielhaftes Eingangssignal darstellt, das ein beispielhaftes biometrisches Signal und ein Beispiel eines großen Störsignals enthält, und eine x-Achse einen Signalfrequenzbereich darstellt. -
5 ist ein veranschaulichender Schaltplan, der gewisse Komponenten des kapazitiven DAW zeigt, in den kapazitiven Gain-Verstärker von4 integriert. -
6 ist ein veranschaulichender Schaltplan, der eine zweite Wandlerschaltung darstellt, die einen Quantisierer gemäß einigen Ausführungsformen enthält. -
7 ist ein veranschaulichender Schaltplan, der eine dritte Wandlerschaltung darstellt, die einen digitalen Sigma-Delta-Quantisierer erster Ordnung gemäß einigen Ausführungsformen enthält. - BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
- Ein relevantes Signal wird oftmals zusammen mit mehreren Störsignalen empfangen. Ein Analog-Digital-Wandler (ADW) mit einer Mischsignal-Sigma-Delta-Rückkopplungsschleife entfernt das dominante Störersignal im Verlauf des Umwandelns eines relevanten Signals wie etwa eines biometrischen Signals aus einem Analog-Digital-Bereich. Der Wandler empfängt als Eingang das relevante Signal und den Störer. Die Schaltung erzeugt ein Rückkopplungssignal, um den Störer aufzuheben. Bei einer Ausführungsform empfängt eine kapazitive Differenzschaltung das Eingangssignal und das Rückkopplungssignal und liefert das relevante Signal mit entferntem Störer. Die Verwendung eines Kapazitäts-DAW und eines Verstärkers zum Entfernen des Störers führt dazu, dass eine hochpräzise Signalverarbeitung erreicht wird.
- Ein Elektrokardiogramm (EKG) -Signal ist ein biometrisches Signal, das Herzaktivität anzeigt. Die Elektrokardiographie ist der Prozess des Aufzeichnens der elektrischen Aktivität des Herzens über einen Zeitraum unter Verwendung von auf der Haut platzierten Elektroden. Diese Elektroden detektieren die winzigen elektrischen Änderungen auf der Haut, die von dem elektrophysiologischen Muster des Herzmuskels des Depolarisierens während jedes Herzschlags entstehen. Die Gesamtgröße des elektrischen Potenzials des Herzens wird aus mehreren verschiedenen Winkeln unter Verwendung von Leitungen gemessen, die an verschiedenen Orten auf dem menschlichen Körper platziert werden, und wird über einen Zeitraum (typischerweise 10 Sekunden) gemessen. Für einen geübten Krankenhausarzt übermittelt ein EKG eine große Menge an Informationen nicht nur über die Struktur des Herzens, sondern auch über die Funktion seines Stromleitungssystems.
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1 ist eine veranschaulichende Zeichnung, die EKG-Stromleitungen in Kontakt mit einem Patientenunterleib102 und ein Funktionsblockdiagramm eines biometrischen überwachenden analogen Front-End (AFE)104 , gekoppelt zum Überwachen von auf den Leitungen empfangenen biometrischen Signalen, zeigt. Gemäß einigen Ausführungsformen überwacht das biometrische Überwachungssystem104 EKG-Signale. Die Eingangsleitungen RA, LA, V1, V2 und LL werden zum Erfassen individueller EKG-Signale an verschiedenen Orten auf dem Unterleib102 verwendet, mit denen mehrere Differenzkanalsignale erzeugt werden. Bei einigen Ausführungsformen beinhalten die Differenzkanalsignale Kanal 1=LA-RA, Kanal 2=LL-RA, Kanal 3=LA-LL, Kanal 4=V1-RA und Kanal 5=V2-RA. Eine RL-Leitung wird zum Erzwingen einer Gleichtaktspannung nahe an einem Referenzpegel verwendet, um einen maximalen Eingangsdynamikbereich zu erzielen. Das Überwachungssystem104 enthält eine Multiplexierungsschaltungsanordnung106 , die jede Leitung an jeweilige Wandlerschaltungen108 koppelt, die die analogen EKG-Signale in entsprechende digitale EKG-Versionen der Signale umwandeln. Das Überwachungssystem enthält eine digitale Schnittstellenschaltungsanordnung110 zum Übertragen der digitalen EKG-Signale an eine nicht gezeigte Verarbeitungsschaltungsanordnung. -
2 ist ein veranschaulichendes Spannungs-Frequenz-Diagramm, bei dem eine y-Achse beispielhafte Spannungen eines EKG-Signals202 und mehrere beispielhafte Störsignale darstellt und eine x-Achse einen Signalfrequenzbereich darstellt. Ein typisches EKG-Signal besitzt eine maximale Amplitude von +/-10 mV mit einem Frequenzgehalt zwischen 50 mHz und 150 Hz. Das beispielhafte EKG hat eine Amplitude von 20 mVpp. Die Elektroden-Haut-Schnittstelle wird durch eine Bioverzerrung, die von Kontaktpotenzial und Kontaktimpedanz herrührt, durch zahlreiche Störer beeinflusst. Die Polarisation der Elektrode-Haut-Schnittstelle kann ein Halbzellenpotenzial für eine nasse Ag/AgCl-Elektrode von etwa +/-300 mV entwickeln, das aufgrund von Bewegungsartefakten langsam driften kann. Ein Fehlabgleich bei Kontakt- und Filterimpedanz kann Gleichtaktstörer wie etwa 50/60 Hz-Leitungsfrequenz in einen Differenzstörer umwandeln. Implantierte Herzschrittmacher können kurze rechteckige Impulse mit Amplituden von bis zu 700 mV erzeugen, während der Stimulus für eine gewisse Atmungserfassung bis zu etwa 2 Vpp an der Elektrode betragen kann. Das EKG-Überwachungssystem104 kann während Elektrochirurgie (ESIS) betätigt werden, die die Anwendung eines hochfrequenten elektrischen Antriebs mit abwechselnder Polarität (z.B. 200 V, 2 mHz), der zum Schneiden und Koagulieren von Gewebe verwendet wird, beinhaltet. -
3 ist ein veranschaulichender Schaltplan, der eine individuelle Analog-Digital-Wandlerschaltung108 des biometrischen Überwachungssystems104 von1 darstellt. Der Wandler liefert bei niedriger Leistung eine hochpräzise Analog-Digital-Umwandlung. Beim Betrieb ist die Wandlerschaltung108 gekoppelt zum Empfangen eines analogen Eingangssignals402 auf einer Leitung404 , die an eine nicht gezeigte Leitungselektrode gekoppelt ist, und zum Liefern eines entsprechenden digitalen Ausgangssignals406 auf einer Ausgangsleitung408 . Das analoge Eingangssignal enthält ein biometrisches Signal und ein Störsignal. Bei einigen Ausführungsformen besitzt das Störsignal eine größere Amplitude und einen niedrigeren Frequenzbereich als das biometrisches Signal. -
4 ist ein veranschaulichendes Spannungs-Frequenz-Diagramm, bei dem eine y-Achse ein beispielhaftes Eingangssignal402 darstellt, das ein relevantes beispielhaftes biometrisches Signal402 -1 und ein beispielhaftes Störsignal enthält. Das biometrisches Signal402 -1 enthält ein EKG-Signal, und das Störsignal402 -2 enthält ein Fast-DC-Elektrodenoffset-Störsignal. Das beispielhafte EKG-Signal besitzt eine maximale Amplitude von 10 mV bei einem Frequenzgehalt zwischen 50 mHz und 150 Hz. Die EKG-Elektrodenleitungen entwickeln oftmals ein Ionenpotenzial an der Elektrode-Haut-Schnittstelle, das langsam driften kann (DC zu 50 mHz). Das beispielhafte Fast-DC-Offset-Störsignal besitzt einen Wert von +/-1 V von DC bis 50 mHz. - Wieder unter Bezugnahme auf
3 entfernt bei einer Ausführungsform die Wandlerschaltung108 das niederfrequente analoge Störkomponentensignal402 -2 von dem analogen Eingangssignal402 und verstärkt das verbleibende analoge biometrische Komponentensignal402 -1 , um eine verstärkte Version des analogen biometrischen Komponentensignals410 zu erzeugen. Die Wandlerschaltung108 wandelt das verstärkte analoge biometrische Komponentensignal410 in die entsprechende digitale Ausgangssignal 406-Version des biometrischen Signals um. Insbesondere enthält die Wandlerschaltung108 einen kapazitiven analogen Subranging-Front-End (AFE), der eine (durch gestrichelte Linien angezeigte) kapazitive Differenzschaltung412 enthält, die einen ersten Eingangskondensator C1 und einen zweiten Rückkopplungskondensator C2 enthält. Die Schaltung108 enthält einen kapazitiven Gain-Verstärker413 , der konfiguriert ist zum Verstärken des Differenzsignals proportional zu einem Verhältnis der Kondensatoren C3 und C1. Die Schaltung108 enthält einen Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler (ΣΔ ADC) 415, der das digitale Ausgangssignal406 liefert. Die Schaltung108 enthält auch eine digitale Rückkopplungsschleife430 , die eine digitale Integriererschaltung416 und einen digitalen überabgetasteten kapazitiven Digital-Analog-Wandler (DAW)418 enthält. - Die kapazitive Differenzschaltung
412 enthält den ersten Kondensator C1 und den zweiten Rückkopplungskondensator C2. Die kapazitive Differenzschaltung412 ist konfiguriert zum Koppeln des analogen Eingangssignals402 auf der Leitung404 über den ersten Kondensator C1 zu einem Eingangsknoten405 des kapazitiven Differenzverstärkers409 . Die kapazitive Differenzschaltung412 ist weiterhin konfiguriert zum Koppeln eines analogen Rückkopplungssignals420 , das eine an den Rückkopplungskondensator C2 angelegte Ladung anzeigt, an den Eingangsknoten405 . Wie unten ausführlicher erläutert wird, ist der zweite Rückkopplungsverstärker C2 eine Komponente des digitalen überabgetasteten kapazitiven DAW418 . - Der kapazitive Differenzverstärker
409 ist gekoppelt zum Empfangen eines analogen Differenzsignals424 am Knoten405 , das eine Differenz zwischen dem analogen Eingangssignal402 und dem analogen Rückkopplungssignal420 proportional zu dem Verhältnis der Kondensatoren C1 und C2 darstellt, und zum Liefern des verstärkten analogen Differenzsignals410 am Verstärkerausgangsknoten413 . Der kapazitive Differenzverstärker409 enthält eine Verstärkerschaltung411 , die das Differenzsignal424 proportional zum Verhältnis von C3 und C1 verstärkt. Bei einigen Ausführungsformen ist der kapazitive Gain-Verstärker411 konfiguriert zum Zerhacken des Eingangssignals, des analogen Schleifenrückkopplungssignals und des verstärkten Differenzsignals bei einer Frequenz über der 1/f-Rauschecke, um 1/f-Rauschen des Verstärkers in dem relevanten Band des biometrischen Signals zu eliminieren. Der SD-ADW415 ist gekoppelt zum Empfangen des verstärkten analogen Differenzsignals410 und seines Umwandelns in das digitale Ausgangssignal406 . Der digitale Integrierer416 ist gekoppelt zum Empfangen des digitalen Ausgangssignals406 und zum Liefern eines digitalen Integrationssignals428 . Koeffizienten des digitalen Integrierers416 können programmiert werden zum Verstellen der Bandbreite des digitalen Integrierers, der entsprechend auch die Bandbreite der Mischsignalrückkopplungsschleife verstellt. Der kapazitive DAW418 ist gekoppelt zum Empfangen des digitalen Integrationssignals410 und zum Umwandeln desselben in das analoge Rückkopplungssignal420 . Der Integrierer416 führt eine Integrationsfunktion durch, um ein Integriererausgangssignal428 derart zu erzeugen, dass der Schleifenverstärkungsfaktor der Rückkopplungsschleife bei niedriger Frequenz maximiert ist. Dies führt dazu, dass das Integriererausgangssignal428 das Störsignal am Eingang404 aufhebt, so dass das Eingangssignal des Integrierers406 auf der Leitung407 bei niedriger Frequenz minimiert ist. - Der digitale Integrierer
416 ist konfiguriert, niederfrequente digitale Signale in einem Frequenzbereich des Störers, zum Beispiel ein Fast-DC-Elektrodenoffsetsignal, stärker zu verstärken als digitale Signale in dem höherfrequenten Bereich des biometrischen, zum Beispiel ein EKG-Signal in einer Ausführungsform. Infolgedessen erzeugt der digitale Integrierer416 ein digitales Integrationssignal428 auf der Leitung429 , das eine verstärkte digitale Version des niederfrequenten Störsignals darstellt. - Der kapazitive DAW
418 wandelt das digitale Integrationssignal428 um, um das analoge Rückkopplungssignal420 auf der Rückkopplungsleitung422 zu erzeugen, das als ein analoges Aufhebungssignal zum Aufheben des Störsignals von dem Eingangssignal402 wirkt. Die kapazitive Differenzschaltung412 erzeugt das Differenzsignal424 . Der niederfrequente Störsignalabschnitt des über den Kondensator C1 empfangenen Eingangssignals402 und das auf der Leitung422 über den Kondensator C2 empfangene Rückkopplungssignal420 heben einander am Knoten405 auf, um dadurch das Differenzsignal424 am Knoten405 zu erzeugen, das das biometrische Signal des Eingangssignals402 mit entferntem Störsignal enthält. - Das Entfernen des Störsignals mit größerer Stärke gestattet den Einsatz eines kapazitiven Differenzverstärkers
409 mit einem höheren Verstärkungsfaktor, was wiederum den Einsatz eines SD-ADW415 mit niedrigerer Leistung und geringerer Bitauflösung ohne Verlust an Systemauflösungs- und Signal-Rauschverhältnis (SRV) -Anforderungen gestattet. Insbesondere kann der kapazitive Differenzverstärker409 verwendet werden, um eine größere Verstärkung bereitzustellen, ohne den Bereich zu verlassen, da er zum Verstärken des Differenzkomponentensignals424 mit geringerer Größe verwendet wird, das übrig bleibt, nachdem das Störsignal mit größerer Größe durch die kapazitive Differenzschaltung412 entfernt worden ist. Infolgedessen kann ein SD-ADW415 mit geringerer Bitauflösung, der weniger Leistung verbraucht, ohne Verlust an Genauigkeit des umgewandelten digitalen Signals406 verwendet werden. Im Betrieb erzeugt die Differenzschaltung am Knoten405 ein Spannungssignal424 , das eine Differenz zwischen einer Ladung in dem ersten (Eingangs-) Kondensator C1 und an den zweiten (analogen Schleifenrückkopplungs-) Kondensator C2 angelegt anzeigt. Die Verwendung der Kondensatoren C1, C2, um das Differenzsignal424 auf der Basis des Eingangssignals402 und des analogen Schleifenrückkopplungssignals420 zu erzeugen, und die Verwendung des Verhältnisses C3/C1, um eine verstärkte Version des Differenzsignals410 zu erzeugten, führt zu hoher Präzision. Insbesondere werden integrierte MiM-Kondensatoren, die für C1, C2 und C3 verwendet werden, auf Siliziumprozessen hergestellt, die zu hoher Präzision und Wiederholbarkeit passen. Weiterhin können Überabtastungs- und Sigma-Delta-Techniken an dem Cap-DAW verwendet werden, um Fehlabgleichsfehler zu einer höheren Frequenz wegzuformen, um hohe Linearität bei niedriger Frequenz zu erzielen. - Der zweite (Schleifenrückkopplungs-) Kondensator C2 ist ein Array von Einheitskondensatoren, die den überabgetasteten kapazitiven SD-DAW
418 bilden.5 ist ein veranschaulichender Schaltplan, der gewisse Komponenten des an den kapazitiven Differenzverstärker409 gekoppelten SD-DAW418 zeigt. Der SD-DAW418 enthält ein Array434 von Einheitskondensatoren Cdac1 bis Cdacn und Schaltern SW1 bis SWN, um individuelle Einheitskondensatoren des Arrays an einen eines ersten und zweiten Referenzwerts zu koppeln. Die Verstärkerschaltung409 ist gekoppelt zum Empfangen des Eingangssignals402 auf der Leitung404 über einen Eingangskondensator C1 und zum Empfangen des Rückkopplungssignals420 auf der Leitung422 durch Wählen einer Kombination von Schaltern, so dass einige der SD-DAW-Array-Einheitskondensatoren Cdac1 bis CdacN am Refl angeschlossen sind und der Rest der SD-DAW-Arrayeinheitskondensatoren Cdac1 bis CdacN an Ref2 in dem Einheitskondensatorarray434 angeschlossen ist. Die DAW-Einheitskondensatoren werden zum Erzeugen des analogen Rückkopplungssignals420 aus dem digitalen Rückkopplungssignal428 durch Wählen der Kondensatoren unter Verwendung von dynamischen Elementabgleichungs(DEM)-Techniken verwendet, um den Kondensatorfehlabgleich zwischen den Einheitskondensatoren Cdac1 bis CdacN in ein hochpassgeformtes Rauschen zu formen. Dies verhindert, dass ein Kapazitätsfehlabgleich die Linearität und die SRV-Leistung innerhalb des Frequenzbands des relevanten Signals202 verschlechtert. Die Verwendung eines kapazitiven Rückkopplungs-DAW418 gestattet die Verwendung von überabgetasteten Sigma-Delta-Techniken wie DEM, um eine hohe (z.B. 19 Bit) Linearität unter Verwendung von Kondensatoren zu erzielen, deren inhärenter Abgleich eine niedrigere (z.B. 8 Bit) Linearität ist. Die Linearitätsleistung des SD-DAW418 beeinflusst die Systemlinearität und SRV-Leistung direkt. Somit wird durch die Verwendung eines kapazitiven Front-End in Verbindung mit einer Sigma-Delta-Rückkopplungsschleife ein Hochleistungs-Niedrigstrom-System erzielt. - Es versteht sich, dass die Wandlerschaltung
108 einen kapazitiven Differenzverstärker409 enthält, gekoppelt zum Liefern eines verstärkten Differenzsignals410 an den SD-ADW415 , in dem der kapazitive Differenzverstärker409 und der SD-ADW415 selbst mit einer Rückkopplungsschaltung gekoppelt sind, die als eine Sigma-Delta-Rückkopplungsschleife wirkt. Insbesondere führt die digitale Integriererschaltung416 eine „Sigma“ (-Integrierer) -Funktion durch. Die kapazitive Differenzschaltung412 führt eine „Delta“ (-Differenz) -Funktion durch. Bei einer derartigen Sigma-Delta-Rückkopplungsschleife kann bei einigen Ausführungsformen die Bandbreite der Schleife maximiert werden, so dass sowohl das relevante Signal als auch das Interferenzsignal in dem Rückkopplungs-DAW418 vorliegen. Das Eingangssignal402 und das Rückkopplungssignal420 heben einander auf, so dass der Verstärker423 ein Differenzsignal verarbeitet, das nur das Quantisierungsrauschen der Sigma-Delta-Rückkopplungsschleife enthält. Dies gestattet das weitere Erhöhen des Verstärkungsfaktors und in Verbindung mit einem stromärmeren Sigma-Delta-ADW mit geringerer Auflösung das weitere Reduzieren der Systemleistung. Dies gestattet weiterhin den Betrieb des Differenzverstärkers von einer stromärmeren Versorgung, wodurch der Stromverbrauch des Systems weiter reduziert wird. -
6 ist ein veranschaulichender Schaltplan, der eine zweite Wandlerschaltung darstellt, die einen Quantisierer604 gemäß einigen Ausführungsformen enthält. Eine digitale Summierungsschaltung602 summiert digitale Eingangssignale mit einem spezifischen Verhältnis, die sie als Eingang unter Realisierung der Integrationsfunktion416 empfängt. Es versteht sich, dass ein interner Koeffizienzwert der Summierungsschaltung606 verstellt werden kann, um eine Bandbreite der Summierungsschaltung606 zu konfigurieren und um dadurch die Bandbreite der Rückkopplungsschaltung430 zu konfigurieren. Die digitale Summierungsschaltung606 wird von der Quantisiererschaltung604 gefolgt, um die Anzahl von Quantisierungsebenen des DAW418 zu reduzieren. Unter Implementierung einer hohen Linearität ist der eine hohe Auflösung weisende DAW unter Verwendung von Einheitskondensatorelementen aufgrund von Größen- und Leistungsbeschränkungen ungeeignet. Dementsprechend wird bei einigen Ausführungsformen die Quantisiererschaltung604 verwendet, um die Anzahl von Quantisierungsbits zu reduzieren, um die Verwendung eines DAW mit geringerer Auflösung und höherer Linearität zu ermöglichen. -
7 ist ein veranschaulichender Schaltplan, der eine dritte Wandlerschaltung darstellt, die einen digitalen Sigma-Delta-Quantisierer740 erster Ordnung gemäß einigen Ausführungsformen enthält. Eine digitale Summierungsschaltung742 empfängt ein digitales Signal406 von dem SD-ADW415 und liefert ein digitales Integrierersignal an den SD-Quantisierer740 . Wie oben erläutert, kann ein interner Koeffizienzwert der Summierungsschaltung742 verstellt werden, um eine Bandbreite der Summierungsschaltung742 zu konfigurieren und um dadurch die Bandbreite der Rückkopplungsschleife430 zu konfigurieren. Der SD-Quantisierer740 erster Ordnung wirkt nicht nur zum Quantisieren des digitalen Integrierersignals, sondern auch zum Formen des Quantisierungsrauschens weg von einem relevanten Band. Das Integrieren des SD-Quantisierers740 erster Ordnung in die Sigma-Delta-Rückkopplungsschleife liefert ein Quantisierungsrauschen zweiter Ordnung, das an die Schleifenbandbreite angeformt ist, gefolgt von einer Rauschformung erster Ordnung. Dies minimiert weiterhin das Quantisierungsrauschen in dem relevanten Frequenzband. Bei einer alternativen Ausführungsform kann ein Eingang des SD-DAW729 als ein Ausgang des Wandlers708 verwendet werden. - Die obige Beschreibung wird vorgelegt, damit jeder Fachmann einen ADW mit kapazitiver Differenzschaltung und einer Mischsignal-Sigma-Delta-Rückkopplung herstellen und verwenden kann. Verschiedene Modifikationen an den Ausführungsformen ergeben sich dem Fachmann ohne Weiteres, und die hierin definierten generischen Prinzipien können auf andere Ausführungsformen und Applikationen angewendet werden, ohne von dem Gedanken und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise kann ein nicht gezeigter digitaler Differenzierer in der Schaltung von
3 anstelle des Integrierers416 substituiert werden. Ein derartiger digitaler Differenzierer verstärkt höherfrequente Signale und kann deshalb zum Erzeugen eines Rückkopplungssignals auf Leitung422 verwendet werden, das einen höherfrequenten Störer aufhebt. Obwohl die oben beschriebenen Ausführungsformen Wandler offenbaren, die als Eintakt-Schaltungen konfiguriert sind, können zudem beispielsweise die gleichen Prinzipien auf einen Wandler angewendet werden, der als eine Differenzialschaltung konfiguriert ist. - Bei der vorausgegangenen Beschreibung werden zahlreiche Details zum Zweck der Erläuterung dargelegt. Der Durchschnittsfachmann erkennt jedoch, dass die Erfindung ohne den Einsatz dieser spezifischen Details praktiziert werden könnte. Bei anderen Fällen sind wohlbekannte Prozesse in Blockdiagrammform gezeigt, um die Beschreibung der Erfindung nicht mit unnötigem Detail unklar zu machen. Identische Referenzzahlen können verwendet werden, um verschiedene Ansichten des gleichen oder ähnlichen Gegenstands in verschiedenen Zeichnungen darzustellen. Somit sind die obige Beschreibung und Zeichnungen von Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung lediglich veranschaulichend für die Prinzipien der Erfindung. Deshalb versteht sich, dass verschiedene Modifikationen an Ausführungsformen von dem Fachmann vorgenommen werden können, ohne von dem Gedanken und Schutzbereich der Erfindung, der in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.
Claims (21)
- Leistungsarmes Analog-Digital-Wandlersystem, aufweisend: eine kapazitive Differenzschaltung, gekoppelt zum Empfangen eines analogen Eingangssignals und zum Empfangen eines analogen Schleifenrückkopplungssignals und zum Ausgeben eines analogen Differenzsignals, das eine Differenz zwischen dem analogen Eingangssignal und dem analogen Schleifenrückkopplungssignal darstellt; eine kapazitive Differenzverstärkerschaltung, gekoppelt zum Empfangen des analogen Differenzsignals und zum Liefern eines verstärkten analogen Differenzsignals; einen Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler (SD-ADW), gekoppelt zum Erzeugen eines digitalen Ausgangssignals auf Basis des verstärkten analogen Differenzsignals; eine digitale Integriererschaltung, gekoppelt zum Empfangen des digitalen Ausgangssignals und zum Liefern eines digitalen Integrationssignals; und einen kapazitiven Digital-Analog-Wandler (DAW), gekoppelt zum Erzeugen des analogen Schleifenrückkopplungssignals auf Basis des digitalen Integrationssignals.
- System nach
Anspruch 1 , wobei das analoge Eingangssignal einen biometrischen Signalabschnitt innerhalb eines ersten Frequenzbereichs enthält und einen Störsignalabschnitt innerhalb eines zweiten Frequenzbereichs enthält. - System nach
Anspruch 2 , wobei das analoge Eingangssignal einen biometrischen Signalabschnitt innerhalb eines ersten höheren Frequenzbereichs enthält und einen Störsignalabschnitt innerhalb eines zweiten niedrigeren Frequenzbereichs enthält. - System nach
Anspruch 3 , wobei das analoge Eingangssignal einen EKG-Signalabschnitt innerhalb eines höheren ersten Frequenzbereichs enthält. - System nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei das analoge Schleifenrückkopplungssignal einen Signalabschnitt innerhalb des zweiten Frequenzbereichs enthält.
- System nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der digitale Integrierer konfiguriert ist zum Durchlassen eines Abschnitts des digitalen Ausgangssignals in dem zweiten Frequenzbereich und zum Blockieren eines Abschnitts des digitalen Ausgangssignals im ersten Frequenzbereich.
- System nach einem der
Ansprüche 1 -5 , wobei der digitale Integrierer konfiguriert ist zum Durchlassen eines digitalen Ausgangssignals sowohl im ersten als auch im zweiten Frequenzbereich. - System nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei das analoge Eingangssignal einen EKG-Signalabschnitt innerhalb eines Frequenzbereichs von etwa 50 mHz bis 150 Hz enthält und eine maximale Amplitude von etwa +/-10 mV aufweist und einen Störsignalabschnitt innerhalb eines Frequenzbereichs von etwa DC bis 50 mHz enthält und eine maximale Amplitude größer als +/-1 V aufweist; und wobei der digitale Integrierer eine Komponente des digitalen Ausgangssignals in dem Frequenzbereich von etwa DC bis 50 mHz auf die Amplitudenhöhe der Komponente des Störkomponentensignals verstärkt.
- System nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der digitale Integrierer eine Summierungsschaltung enthält.
- System nach
Anspruch 9 , wobei die Bandbreite der Summierungsschaltung durch Ändern eines Koeffizienten der Summierungsschaltung geändert werden kann, um die Bandbreite der Rückkopplungsschleife zu ändern. - System nach
Anspruch 9 oder10 , wobei der digitale Integrierer weiterhin Folgendes enthält: eine Quantisiererschaltung, gekoppelt zum Quantisieren eines digitalen Integrierersignals und zum Liefern des quantisierten digitalen Integrierersignals an den kapazitiven DAW. - System nach
Anspruch 11 , wobei die Quantisiererschaltung ein digitaler Sigma-Delta-Quantisierer ist, gekoppelt zum Quantisieren eines digitalen Integrierersignals und zum Liefern des quantisierten digitalen Integrierersignals an den kapazitiven DAW. - System nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der kapazitive DAW eine Schaltungsanordnung enthält, konfiguriert zum Verwenden von Überabtastung zum Minimieren eines Effekts eines Kondensatorfehlabgleichs.
- System nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der kapazitive DAW eine Schaltungsanordnung enthält, konfiguriert zum Verwenden einer dynamischen Elementabgleichstechnik zum Formen eines Effekts eines Kondensatorfehlabgleichs.
- System nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die kapazitive Differenzschaltung einen ersten Kondensator, gekoppelt zum Empfangen einer Ladung proportional zum Eingangssignal, und einen zweiten Kondensator, gekoppelt zum Empfangen einer Ladung proportional zu dem Schleifenrückkopplungssignal, enthält.
- Leistungsarmes Analog-Digital-Wandlersystem aufweisend: eine kapazitive Differenzschaltung, die einen ersten Kondensator, gekoppelt zum Empfangen einer Ladung proportional zu einem Eingangssignal, und einen zweiten Kondensator, gekoppelt zum Empfangen einer Ladung proportional zu einem Schleifenrückkopplungssignal und zum Liefern eines Differenzsignals proportional zu einem Verhältnis von Kapazitäten des ersten Kondensators und des zweiten Kondensators, enthält; eine kapazitive Differenzverstärkerschaltung, die eine Verstärkerschaltung und einen dritten Kondensator, konfiguriert zum Verstärken des analogen Differenzsignals proportional zu einem Verhältnis von Kapazitäten des dritten Kondensators und des ersten Kondensators und zum Liefern einer verstärkten Version des analogen Differenzsignals, enthält; ein Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler (SD-ADW), gekoppelt zum Erzeugen eines digitalen Ausgangssignals auf Basis des verstärkten analogen Differenzsignals; eine digitale Integriererschaltung, gekoppelt zum Empfangen des digitalen Ausgangssignals und zum Liefern eines digitalen Integrationssignals; und einen kapazitiven Digital-Analog-Wandler (DAW), gekoppelt zum Erzeugen des analogen Schleifenrückkopplungssignals auf der Basis des digitalen Integrationssignals.
- System nach
Anspruch 16 , wobei der kapazitive Differenzverstärker konfiguriert ist zum Zerhacken des Eingangssignals, des analogen Schleifenrückkopplungssignals und des verstärkten analogen Differenzsignals, um 1/f-Rauschen des kapazitiven Gain-Verstärkers in einem relevanten Frequenzbereich zu eliminieren. - System nach
Anspruch 16 oder17 , wobei der zweite Kondensator eine Komponente des kapazitiven DAW ist. - System nach einem der
Ansprüche 16 bis18 , wobei der kapazitive DAW ein Array von Einheitskondensatoren enthält, parallel gekoppelt, um selektiv zwischen einer ersten Referenzspannung und einer zweiten Referenzspannung schaltbar zu sein, um als der zweite Kondensator zu wirken. - Leistungsarmes Analog-Digital-Wandlersystem, aufweisend: eine kapazitive Differenzschaltung, die einen ersten Kondensator, gekoppelt zum Empfangen einer Ladung proportional zu einem analogen Eingangssignal, das einen biometrischen Signalabschnitt innerhalb eines ersten Frequenzbereichs und einen Störsignalabschnitt innerhalb eines zweiten Frequenzbereichs enthält, und einen zweiten Kondensator, gekoppelt zum Empfangen einer Ladung proportional zum einem Schleifenrückkopplungssignal und zum Erzeugen eines analogen Differenzsignals, das eine Differenz zwischen ihnen enthält, die proportional zu einem Verhältnis von Kapazitäten des ersten und des zweiten Kondensators ist, enthält; eine kapazitive Differenzverstärkerschaltung, die eine Verstärkerschaltung und einen dritten Kondensator zum Koppeln eines Ausgangs des Verstärkers an einen Eingang des Verstärkers enthält, wobei der kapazitive Differenzverstärker gekoppelt ist zum Verstärken des analogen Differenzsignals proportional zu einem Verhältnis von Kapazitäten des dritten Kondensators und des ersten Kondensators, um ein verstärktes analoges Differenzsignal zu erzeugen; einen Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler (SD-ADW), gekoppelt zum Erzeugen eines digitalen Ausgangssignals auf der Basis des verstärken analogen Differenzsignals; eine digitale Integriererschaltung, gekoppelt zum Empfangen des digitalen Ausgangssignals von dem SD-ADW und zum Liefern eines digitalen Integrationssignals sowohl im ersten als auch im zweiten Frequenzbereich; einen Quantisierer, gekoppelt zum Empfangen des digitalen Integrationssignals und zum Liefern einer quantisierten Version des digitalen Integrationssignals, und einen kapazitiven SD-DAW, der ein Array von Einheitskondensatoren enthält, parallel gekoppelt, um selektiv zwischen einer ersten Referenzspannung und einer zweiten Referenzspannung schaltbar zu sein, um als der zweite Kondensator zu wirken, und der gekoppelt ist zum Erzeugen des analogen Schleifenrückkopplungssignals auf Basis der quantisierten Version des digitalen Integrationssignals.
- System nach
Anspruch 19 , weiterhin enthaltend: wobei der Quantisierer einen digitalen Sigma-Delta-Quantisierer enthält.
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