DE102017216629A1

DE102017216629A1 - System und Verfahren zur Kompensation von Energieversorgungswelligkeit

Info

Publication number: DE102017216629A1
Application number: DE102017216629.0A
Authority: DE
Inventors: Elmar Bach; Benno Muehlbacher; Andreas Wiesbauer
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2016-09-28
Filing date: 2017-09-20
Publication date: 2018-03-29
Also published as: US20180090928A1; US10177569B2

Abstract

Gemäß einer Ausführungsform ist eine Leistungskompensationsschaltung dazu ausgelegt, an eine Energieversorgung gekoppelt zu sein. Die Leistungskompensationsschaltung beinhaltet eine Messschaltung und eine Kompensationsschaltung. Die Messschaltung ist dazu ausgelegt, ein Energieversorgungssignal von der Energieversorgung zu empfangen und eine Abweichung des Energieversorgungssignals zu bestimmen. Die Kompensationsschaltung ist an die Messschaltung gekoppelt und dazu ausgelegt, auf Basis der Abweichung des Energieversorgungssignals einen Kompensationsleistungsverbrauch zu erzeugen, wobei der Kompensationsleistungsverbrauch umgekehrt zur Abweichung des Energieversorgungssignals gesteuert wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein elektronische Schaltungen und bei bestimmten Ausführungsformen ein System und ein Verfahren für die Kompensation von Energieversorgungswelligkeit.
HINTERGRUND
Wandler konvertieren Signale von einer Domäne in eine andere und werden oft in Sensoren verwendet. Ein Beispiel für einen gebräuchlichen Sensor, der im Lebensalltag zu sehen ist, ist ein Mikrofon, das Schallwellen in elektrische Signale konvertiert. Ein anderes Beispiel für einen gebräuchlichen Sensor ist ein Thermometer. Es existieren unterschiedliche Wandler, die als Thermometer dienen, indem sie Temperatursignale in elektrische Signale umwandeln.
Auf mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) basierende Wandler beinhalten eine Familie von Wandlern, die unter Verwendung von Mikrobearbeitungstechniken produziert werden. MEMS, wie ein MEMS-Mikrofon, sammeln Informationen aus der Umgebung, indem sie die Änderung eines physikalischen Zustandes im Wandler messen und ein umgewandeltes Signal zu einer Verarbeitungselektronik übermitteln, die mit dem MEMS-Wandler verbunden ist. MEMS-Vorrichtungen können unter Verwendung von Mikrobearbeitungstechniken hergestellt werden, die jenen ähnlich sind, die für integrierte Schaltungen verwendet werden.
MEMS-Vorrichtungen können konzipiert sein, um beispielsweise als Oszillatoren, Resonatoren, Beschleunigungsmesser, Gyroskope, Temperatursensoren, Drucksensoren, Mikrofone und Mikrospiegel zu fungieren. Viele MEMS-Vorrichtungen verwenden kapazitive Erfassungstechniken zum Umwandeln des physikalischen Phänomens in elektrische Signale. Bei solchen Anwendungen wird die Kapazitätsänderung im Sensor unter Verwendung von Schnittstellenschaltungen in ein Spannungssignal konvertiert.
MEMS-basierte Sensoren werden oft in der Mobilelektronik verwendet, wie etwa in Tabletcomputern oder Mobiltelefonen. Bei einigen Anwendungen kann es wünschenswert sein, die Funktionalität dieser MEMS-basierten Sensoren zu erhöhen, um für das elektronische System, das die MEMS-basierten Sensoren beinhaltet, wie beispielsweise ein Tabletcomputer oder Mobiltelefon, zusätzliche oder verbesserte Funktionalität bereitzustellen. Daher beinhalten einige Systeme mehrere MEMS-basierte Sensoren und mehrere funktionelle Komponenten, die in einem einzigen System kombiniert sind. Die Einschließung mehrerer Elemente in einem einzigen System stellt eine Gelegenheit für erfindungsgemäße Lösungen für Probleme bereit, die für derartige mehrere Elemente umfassende Systeme relevant sind.
KURZDARSTELLUNG
Gemäß einer Ausführungsform ist eine Leistungskompensationsschaltung dazu ausgelegt, an eine Energieversorgung gekoppelt zu sein. Die Leistungskompensationsschaltung beinhaltet eine Messschaltung und eine Kompensationsschaltung. Die Messschaltung ist dazu ausgelegt, ein Energieversorgungssignal von der Energieversorgung zu empfangen und eine Abweichung des Energieversorgungssignals zu bestimmen. Die Kompensationsschaltung ist an die Messschaltung gekoppelt und dazu ausgelegt, auf Basis der Abweichung des Energieversorgungssignals einen Kompensationsleistungsverbrauch zu erzeugen, wobei der Kompensationsleistungsverbrauch umgekehrt zur Abweichung des Energieversorgungssignals gesteuert wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile wird jetzt Bezug auf die folgenden Beschreibungen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen genommen, in denen:
1 ein Systemblockdiagramm einer Ausführungsform eines Wandlersystems darstellt;
2 ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform eines Wandlersystems darstellt;
3A und 3B schematische Diagramme von Ausführungsformen von Energieversorgungskompensationsschaltungen darstellen;
4 ein Schaltungsschema einer Ausführungsform einer Energieversorgungskompensationsschaltung darstellt;
5 ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform eines gehäusten Wandlersystems darstellt;
6 ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform einer Wandlerkomponente darstellt und
7 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform des Verfahrens der Energiekompensation darstellt.
Entsprechende Ziffern und Symbole in den unterschiedlichen Figuren verweisen allgemein auf entsprechende Teile, sofern nichts anderes angegeben ist. Die Figuren sind gezeichnet, um die relevanten Aspekte der Ausführungsformen klar darzustellen, und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON VERANSCHAULICHENDEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Das Fertigen und das Verwenden verschiedener Ausführungsformen werden im Folgenden ausführlich erörtert. Es versteht sich jedoch, dass die verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen in einer großen Vielfalt spezieller Zusammenhänge angewandt werden können. Die erörterten speziellen Ausführungsformen dienen lediglich der Veranschaulichung spezieller Arten, verschiedene Ausführungsformen anzufertigen und zu verwenden und sollten nicht in einem beschränkenden Umfang ausgelegt werden.
Die Beschreibung erfolgt mit Bezug auf verschiedene Ausführungsformen in einem spezifischen Kontext, nämlich Verfahren zur Kompensation von Energieversorgungswelligkeit für Wandlersysteme. Einige der verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen beinhalten MEMS-Wandlersysteme, gehäuste Komponenten, Schnittstellenschaltungen für Wandler- und MEMS-Wandlersysteme, Energieversorgungssignale, Energieversorgungsabweichung, thermisches Übersprechen, Kompensation von Energieversorgungswelligkeit und Kompensation von Energieversorgungswelligkeit für MEMS-Wandlersysteme. Bei anderen Ausführungsformen können Aspekte auch auf andere Anwendungen angewandt werden, die jede Art von Energieversorgungskompensation oder Wandlersystem gemäß jeder im Fachgebiet bekannten Weise einschließen.
Im Bemühen, die Funktionalität und Leistung verschiedener Vorrichtungen zu erhöhen, enthält dieselbe Vorrichtung bei verschiedenen Ausführungsformen mehrere funktionelle Komponenten. Beispielsweise beinhalten Vorrichtungen verschiedener Ausführungsformen einen oder mehrere Sensoren, die an eine oder mehrere integrierte Schaltungen (ICs – Integrated Circuits) gekoppelt sind. Der eine oder die mehreren Sensoren können Temperatursensoren, Mikrofone, Drucksensoren, Feuchtigkeitssensoren, Gassensoren, Beschleunigungsmesser, Gyroskope oder andere Sensoren beinhalten. Gleichermaßen können die eine oder die mehreren ICs Taktschaltungen, Bandabstandsreferenzschaltungen, Test- und Kalibrierungsschaltungen, Ladungspumpenschaltungen, Vorspannschaltungen, Messschaltungen, Analog-Digital-Konverter (ADCs – Analog-to-Digital Converters), Digital-Analog-Konverter (DACs – Digital-to-Analog Converters) oder andere Schaltungen beinhalten. Diese verschiedenen funktionellen Komponenten, einschließlich Sensoren oder integrierte Schaltungskomponenten, können auf einem einzigen IC integriert oder als aneinander befestigte separate Komponenten bereitgestellt, wie etwa in einem Chipstapel oder auf einer gedruckten Leiterplatte (PCB – Printed Circuit Board), und in einem einzigen Vorrichtungsgehäuse aufgenommen sein. Derartige Ausführungsformen können in einem einzigen Gehäuse zusätzliche Funktionalität bereitstellen und beispielsweise zu Kosteneinsparungen, erhöhter Leistung, verringertem Leistungsverbrauch und Einsparungen von physischem Raum führen.
Bei derartigen Systemen, wie etwa einem Wandlersystem, wo eine Energieversorgung ein Energieversorgungssignal für Funktionsblöcke im System bereitstellt, zeigt das Energieversorgungssignal im Allgemeinen Schwankungen, wie etwa Spannungswelligkeit, was zu Abweichungen beim Leistungsverbrauch führt, was eine Abweichung bei der Menge der produzierten Wärmeenergie verursacht. Die Erfinder haben entdeckt, dass diese Schwankungen oder Abweichungen thermisches Übersprechen produzieren können. Speziell haben die Erfinder entdeckt, dass diese Schwankungen oder Abweichungen beim Energieversorgungssignal zur Erhöhung oder Verringerung der von den verschiedenen Komponenten im System produzierten Wärmeenergie führen können und die produzierte Wärmeenergie zwischen Elementen im System zum thermischen Übersprechen führen kann. Insbesondere haben die Erfinder entdeckt, dass kleine oder große Temperaturschwankungen, die vom thermischen Übersprechen verursacht werden, bei verschiedenen Frequenzkomponenten auftreten, die auch Harmonische bei zusätzlichen Frequenzen beinhalten können. Einige Elemente im System, wie etwa ein Sensor, können gegenüber dem thermischen Übersprechen, das aus kleinen oder großen Schwankungen beim Energieversorgungssignal resultiert, empfindlich sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist ein System zur Kompensation von Energieversorgungswelligkeit im Gesamtsystem beinhaltet. Das System zur Kompensation von Energieversorgungswelligkeit bestimmt die Abweichung oder Schwankung beim Energieversorgungssignal und erzeugt ein Kompensationssignal, das ein thermisches Übersprechen bei einer derartigen Abweichung oder Schwankung reduziert. Beispielsweise beinhalten einige Ausführungsformen ein System zur Kompensation von Energieversorgungswelligkeit, das eine Spannungswelligkeit im Energieversorgungssignal misst und einen Hilfskompensationsstrom erzeugt, der gesteuert wird, um die Spannungswelligkeit beim Energieversorgungssignal umgekehrt zu verfolgen. Somit führt eine Erhöhung der Spannung beim Energieversorgungssignal zu einer Verringerung der Größe des Hilfskompensationsstroms und umgekehrt. Bei verschiedenen Ausführungsformen wird die Abweichung oder Schwankung beim Energieversorgungssignal derart kompensiert, dass eine Schwankung oder Abweichung bei der Wärmeenergie, die durch die Abweichung oder Schwankung beim Energieversorgungssignal produziert wird, reduziert wird. Nachstehend werden Systeme und Verfahren verschiedener Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren näher beschrieben.
1 stellt ein Systemblockdiagramm einer Ausführungsform eines Wandlersystems 100 einschließlich Welligkeitskompensationsschaltung 102 (die bei verschiedenen Ausführungsformen in unterschiedlichen Auslegungen beinhaltet sein kann, wie dargestellt), Wandler 104, anwendungsspezifischer IC (ASIC – Application Specific IC) 106 und Energieversorgung 108 dar. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Wandlersystem 100 eine gehäuste Vorrichtung sein, die mehrere funktionelle Komponenten in einem einzigen Gehäuse beinhaltet. Bei der dargestellten Ausführungsform beinhaltet das Wandlersystem 100 mehrere funktionelle Elemente im Wandler 104 und im ASIC 106. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann der ASIC 106 verschiedene Komponenten beinhalten. Bei bestimmten Ausführungsformen beinhaltet der ASIC 106 ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe, die Taktschaltungen, Bandabstandsreferenzschaltungen, Test- und Kalibrierungsschaltungen, Ladungspumpenschaltungen, Vorspannschaltungen, Puffer- oder Verstärkerschaltungen, Messschaltungen, Analog-Digital-Konverter (ADCs) oder Digital-Analog-Konverter (DACs) beinhaltet. Ferner kann der Wandler 104 einen oder mehrere Sensoren aus der Gruppe beinhalten, die Temperatursensoren, Mikrofone, Drucksensoren, Feuchtigkeitssensoren, Gassensoren, Beschleunigungsmesser und Gyroskope beinhaltet. Verschiedene Ausführungsformen können Systeme wie die in der US-Patentanmeldung Nr. 14/661,429 beschriebenen beinhalten, die am 18. März 2015 eingereicht wurde und den Titel „System and Method for an Acoustic Transducer and Environmental Sensor Package” hat, die hier unter Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist die Welligkeitskompensationsschaltung 102 dazu ausgelegt, eine Schwankung oder Abweichung beim Energieversorgungssignal Psup zu kompensieren. Bei derartigen Ausführungsformen bestimmt die Welligkeitskompensationsschaltung 102 den Wert der Schwankung oder Abweichung beim Energieversorgungssignal Psup und steuert ein Hilfsleistungsverbrauchselement in der Welligkeitskompensationsschaltung 102 umgekehrt, um den gesamten Leistungsverbrauch ungefähr konstant oder stabil zu halten. Bei verschiedenen Ausführungsformen empfängt die Welligkeitskompensationsschaltung 102 das Energieversorgungssignal Psup von der Energieversorgung 108, die in einem Vorrichtungsgehäuse des Wandlersystems 100 beinhaltet oder bei anderen Ausführungsformen extern bereitgestellt sein kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen empfängt oder überträgt der Wandler 104 ein physisches Signal Sphy von oder zu einer Erfassungsumgebung, wie etwa eine umliegende Umgebung, die das Wandlersystem 100 umfängt und über einen Port oder eine Öffnung in der Vorrichtungsgehäuse bereitgestellt sein kann. Der Wandler 104 wird als Schnittstelle zwischen der physischen Domäne und der elektrischen Domäne betrieben. Beispielsweise ist mit Bezug auf den Wandler 104, der als Sensor betrieben wird, eine weitere Beschreibung bereitgestellt, doch kann der Wandler 104 bei anderen Ausführungsformen als Signalerzeugungselement betrieben werden, wie beispielsweise als Mikrolautsprecher. Bei Ausführungsformen, bei denen der Wandler 104 einen Sensor beinhaltet, empfängt der Wandler 104 das physische Signal Sphy, das beispielsweise ein Schallsignal, ein Drucksignal oder ein Gassignal sein kann, und erzeugt auf Basis des physischen Signals Sphy das umgewandelte Signal Strans, das in der elektrischen Domäne liegt. Das umgewandelte Signal Strans wird dem ASIC 106 bereitgestellt, der eine zusätzliche Verarbeitung durchführt und das Ausgangssignal Sout erzeugt. Bei einigen Ausführungsformen empfängt der ASIC 106 beispielsweise das umgewandelte Signal Strans als analoges Signal und stellt eine Verstärkung oder Analog-Digital-Konvertierung bereit, bevor er das Ausgangssignal Sout als digitales Ausgangssignal bereitstellt.
Bei verschiedenen Ausführungsformen ist die Welligkeitskompensationsschaltung 102 in den ASIC 106 integriert. Bei anderen Ausführungsformen ist die Welligkeitskompensationsschaltung 102 in den Wandler 104 integriert, der als MEMS-Sensor implementiert ist, der auf einem mikrogefertigten Die integriert ist. Bei alternativen Ausführungsformen ist die Welligkeitskompensationsschaltung 102 als separates Element im Wandlersystem 100 beinhaltet. Bei derartigen Ausführungsformen kann die Welligkeitskompensationsschaltung 102 als separate Schaltungskomponente bereitgestellt sein, die mit dem Wandler 104 und dem ASIC 106 an einem gemeinsam genutzten Gehäuse befestigt ist. Beispielsweise sind bei einigen Ausführungsformen die Welligkeitskompensationsschaltung 102, der Wandler 104 und der ASIC 106 an einer selben gedruckten Leiterplatte (PCB; nicht gezeigt) befestigt.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist die Welligkeitskompensationsschaltung 102 unter Verwendung einer analogen Schaltung implementiert. Bei einigen Ausführungsformen kann die Welligkeitskompensationsschaltung 102 beispielsweise eine digitale Logikzustandsmaschine, ein feldprogrammierbares Gatearray (FPGA – Field Programmable Gate Array) oder Ähnliches beinhalten. Bei anderen Ausführungsformen kann die Welligkeitskompensationsschaltung 102 eine Implementierung in einer Mikrosteuerung oder Ähnliches beinhalten. Bei einigen Ausführungsformen können die verschiedenen Komponenten des Wandlersystems 100 (einschließlich Welligkeitskompensationsschaltung 102, Wandler 104 und ASIC 106) auf einem einzigen IC implementiert sein, wie etwa einem System-auf-Chip (SoC). Bei anderen Ausführungsformen können die verschiedenen Komponenten des Wandlersystems 100 auf einem oder mehreren mikrogefertigten Dies implementiert sein, die zusammen gehäust sind, beispielsweise unter Verwendung von Waferbonding als Chipstapel oder durch Befestigen jedes separaten mikrogefertigten Dies an einer PCB. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen sind die Komponenten des Wandlersystems 100 in einem einzigen Vorrichtungsgehäuse beinhaltet.
2 stellt ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform eines Wandlersystems 101 einschließlich Sensoren 110_1–100_n und Welligkeitskompensationsschaltung 102 dar. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist das Wandlersystem 101 eine Implementierung des Wandlersystems 100, das auf einer anderen Ebene der Abstraktion dargestellt ist. Bei derartigen Ausführungsformen wird jedem der Sensoren 110_1–110_n und der Welligkeitskompensationsschaltung 102 eine Versorgungsspannung Vsup bereitgestellt. Bei verschiedenen anderen Ausführungsformen kann n, die Anzahl von Sensoren 100_1–110_n, variieren, um beispielsweise 1, 2, 3, 4, 5, bis zu 10 oder mehr Sensoren zu beinhalten.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen empfängt die Welligkeitskompensationsschaltung 102 die Versorgungsspannung Vsup, misst die Spannungswelligkeit der Versorgungsspannung Vsup und erzeugt intern einen Hilfsstromverbrauch, der auf Basis der Umkehrung der Spannungswelligkeit der Versorgungsspannung Vsup gesteuert wird. Bei derartigen Ausführungsformen können zahlreiche andere Komponenten von der Versorgungsspannung Vsup versorgt werden. Die Versorgungsspannung Vsup kann eine Spannungspegelschwankung oder -abweichung beinhalten, die hier allgemein als Spannungswelligkeit bezeichnet wird. Die Spannungswelligkeit der Versorgungsspannung Vsup kann zu einer Abweichung beim Leistungsverbrauch führen, was zu einer Abweichung bei der produzierten Wärmeenergie führt, was wiederum zum thermischen Übersprechen führt. Somit misst die Welligkeitskompensationsschaltung 102 die Spannungswelligkeit der Versorgungsspannung Vsup und erzeugt intern den Hilfsstromverbrauch, um die Abweichung beim Leistungsverbrauch zu kompensieren. Bei anderen Ausführungsformen misst die Welligkeitskompensationsschaltung 102 die Leistungsabweichung oder -schwankung durch Messen einer anderen Variablen, wie beispielsweise des Versorgungsstroms.
Die 3A und 3B stellen schematische Diagramme der Ausführungsformen der Energieversorgungskompensationsschaltungen 120a und 120b dar, die Ausführungsformen von Implementierungen der Welligkeitskompensationsschaltung 102 sind. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet die Energieversorgungskompensationsschaltung 120a die Energieversorgung 122 und die Leistungsmessschaltung 124 mit der Hilfsleistungsverbrauchsschaltung 126 im Sensor 128. Bei derartigen Ausführungsformen kann die Energieversorgung 122, die die Versorgungsspannung Vsup bereitstellt, eine Schwankung oder Abweichung bei der gelieferten Leistung beinhalten, was schematisch als dynamische Spannung dV dargestellt ist, die von der variablen Spannung 130 bereitgestellt wird. Die Abweichung oder Schwankung bei der gelieferten Leistung, die als dynamische Spannung dV dargestellt ist, produziert auch den dynamischen Strom dI(t). Somit empfängt der Sensor 128 die Summe aus Versorgungsstrom Isup und dynamischem Strom dI(t).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen misst die Leistungsmessschaltung 124 die Leistungsabweichung oder -schwankung des Leistungssignals, das von der Energieversorgung 122 (mit der variablen Spannung 130) empfangen wird, das einen Strom beinhaltet, der gleich der Summe aus Versorgungsstrom Isup und dynamischem Strom dI(t) ist, und eine Spannung, die gleich der Summe aus Versorgungsspannung Vsup und dynamischer Spannung dV ist. Auf Basis des Messens der Abweichung oder Schwankung des Leistungssignals, die durch die dynamische Leistung dP angezeigt wird, das von der Energieversorgung 122 (mit der variablen Spannung 130) empfangen wird, erzeugt die Hilfsleistungskompensationsschaltung 126 eine Hilfsleistungskompensation Paux, die auf Basis der dynamischen Leistung dP umgekehrt gesteuert wird. Bei derartigen Ausführungsformen wird, wenn das Leistungssignal, das von der Energieversorgung 122 (mit der variablen Spannung 130) empfangen wird, variiert oder schwankt, die Hilfsleistungskompensation Paux umgekehrt geregelt, um den gesamten Leistungsverbrauch auf einem konstanten oder stabilen Pegel zu halten.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist die Energieversorgungskompensationsschaltung 120b der Energieversorgungskompensationsschaltung 120a ähnlich, beinhaltet aber einen spezifischen Ausführungsformansatz für die Energieversorgungskompensation. Bei derartigen Ausführungsformen ist eine Spannungswelligkeitsmessschaltung 134 mit einer Hilfsstromkompensationsschaltung 136 im Sensor 128 beinhaltet. Bei einigen Ausführungsformen ist der an den Sensor 128 gelieferte Strom ungefähr konstant. Daher ist in 3B zum Zweck der Veranschaulichung und zur leichteren Analyse der dynamische Strom dI(t) weggelassen. Bei derartigen Ausführungsformen empfangen die Spannungswelligkeitsmessschaltung 134 und die Hilfsstromkompensationsschaltung 136 ein Energieversorgungssignal von der Energieversorgung 122 (mit der variablen Spannung 130) einschließlich des Versorgungsstroms Isup mit einer Spannung, die die Summe aus Versorgungsspannung Vsup und dynamischer Spannung dV ist. Die Spannungswelligkeitsmessschaltung 134 misst die dynamische Spannung dV als Spannungswelligkeit und stellt das Messergebnis der Hilfsstromkompensationsschaltung 136 bereit. Auf Basis der Messung der dynamischen Spannung dV erzeugt die Hilfsstromkompensationsschaltung 136 einen Hilfskompensationsstrom Icomp und regelt diesen umgekehrt.
Bei verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet der Hilfskompensationsstrom Icomp einen DC-Strom (Icomp_DC) und einen variablen Strom (dIcomp), der gemäß der Umkehrung der dynamischen Spannung dV gesteuert wird, die durch die Spannungswelligkeitsmessschaltung 134 bestimmt wird. Bei derartigen Ausführungsformen ist der DC-Strom Icom_DC ein konstanter Stromwert, während der variable Strom dIcomp verwendet wird, um die Abweichung oder Schwankung bei der Energieversorgung 122 (mit der variablen Spannung dV 130) zu kompensieren. Um die Abweichung oder Schwankung bei der Energieversorgung 122 (mit der variablen Spannung 130) zu kompensieren, kann daher bei einigen Ausführungsformen der variable Strom dIcomp des Kompensationsstroms Icomp gemäß dem folgenden Ausdruck gesteuert werden, dV·I_sup + dI_comp·V_sup = 0.
Bei derartigen Ausführungen werden der Versorgungsstrom Isup und die Versorgungsspannung Vsup als ungefähr konstant oder stabil angesehen, die dynamische Spannung dV ist im Vergleich zu Vsup klein und wird von der Spannungswelligkeitsmessschaltung 134 gemessen und der variable Strom dIcomp wird in der Hilfsstromkompensationsschaltung 136 gesteuert. Daher wird bei einigen Ausführungsformen durch Umstellen des obigen Ausdrucks der variable Strom dIcomp gesteuert gemäß dem Ausdruck,
Bei verschiedenen Ausführungsformen kann der Sensor 128 wie vorstehend mit Bezug auf das Wandlersystem 100 in 1 beschrieben implementiert sein. Mit Bezug auf die 3A und 3B sind Details des Sensors 128 weggelassen, um eine klare Erklärung der Funktion der Energieversorgungskompensationsschaltungen 120a und 120b bereitzustellen. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann der Sensor 128 mehrere zusätzliche Komponenten beinhalten.
Die Energieversorgungskompensationsschaltung 120b in 3B ist eine Ausführungsform einer Implementierung eines Energieversorgungskompensationssystems, das einen variablen Kompensationsstrom verwendet, der auf Basis einer Umkehrung einer bestimmten Energieversorgungsspannungsabweichung (z. B. dynamische Spannung dV) gesteuert wird. Bei zusätzlichen Ausführungsformen ist die Energieversorgungskompensation mit einer gesteuerten Verlustleistung implementiert, die auf Basis einer Umkehrung einer bestimmten Abweichung oder Schwankung des Energieversorgungsverbrauchs (z. B. dynamische Leistung dP) gesteuert wird, wie vorstehend mit Bezug auf die Energieversorgungskompensationsschaltung 120a in 3A beschrieben.
4 stellt ein Schaltungsschema einer Ausführungsform einer Energieversorgungskompensationsschaltung 140 dar, bei der es sich um eine Implementierung der Welligkeitskompensationsschaltung 102, der Energieversorgungskompensationsschaltung 120a oder der Energieversorgungskompensationsschaltung 120b handeln kann, wie vorstehend mit Bezug auf die 1, 2, 3A und 3B beschrieben. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet die Energieversorgungskompensationsschaltung 140 einen „sense opamp” 142, einen „drive opamp” 144, einen Kompensationstransistor 146 und eine Referenzspannungsquelle 148. Der „sense opamp” 142 wird betrieben, um über einen Kondensator 150 (mit einer Kapazität C1) die dynamische Spannung dV zu messen oder zu erfassen, wo über einen Kondensator 152 (mit einer Kapazität C2) eine Rückkopplung für den „sense opamp” 142 bereitgestellt wird. DC-Stabilisierung kann durch einen Rückkopplungswiderstand 151 (mit Widerstand R2) erreicht werden. Am Ausgang des Erfassungsverstärkers 142 gleich der Referenzspannungsquelle 148 (mit Referenzspannung Vref) wird ein Betriebspunkt erhalten. Bei derartigen Ausführungsformen wird die Hochfrequenzverstärkung k des „sense opamp” 142 durch das Kapazitätsverhältnis zwischen dem Kondensator 150 und dem Kondensator 152 eingestellt, d. h. k = C1/C2. Bei einigen Ausführungsformen kann der „sense opamp” 142 auch umgekehrt werden, wodurch am „sense opamp” ein Ausgangssignal produziert wird, das dem negativen Produkt aus der Verstärkung k und der dynamischen Spannung dV gleich ist, d. h. –k·dV, wie in 4 gezeigt. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann der „sense opamp” 142 als Erfassungsverstärker bezeichnet werden. Der Frequenzgang des Erfassungsverstärkers weist eine Hochpasseigenschaft auf, die durch die Kondensatoren 150 und 152 und den Widerstand 151 bestimmt wird.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann durch kapazitives Koppeln des „sense opamp” 142, um die Versorgungsspannung Vsup zu empfangen, und Hinzufügen eines Tiefpassfilters, der den Kondensator 154 (mit Kapazität C1p) und den Widerstand 156 (mit Widerstand R1p) beinhaltet, eine Frequenzfilterung durchgeführt werden, die DC-Komponenten entfernt oder reduziert und einen relevanten Bandpass auswählt. Daher sind bei einigen Ausführungsformen der Kondensator 150, der Kondensator 152, der Widerstand 151, der „sense opamp” 142, der Kondensator 154 und der Widerstand 156 dazu ausgelegt, eine Hochpassgrenzfrequenz und eine Tiefpassgrenzfrequenz bereitzustellen. Bei besonderen Ausführungsformen wird die Hochpassgrenzfrequenz durch die Kondensatoren 150 und 152 sowie den Widerstand 151 bestimmt, während die Tiefpassgrenzfrequenz durch den Kondensator 154 und den Widerstand 156 bestimmt wird.
Bei verschiedenen Ausführungsformen erzeugt der „sense opamp” 142 auf Basis des Eingangs am Ausgang ein Ansteuerungssignal, das durch die RC-Schaltung, die vom Kondensator 154 und vom Widerstand 156 gebildet wird, zum Eingang des „opamp” 144 geführt wird. Auf Basis des Eingangs erzeugt der „drive opamp” 144 am Ausgang ein Ansteuerungssignal für den Kompensationstransistor 146. Bei derartigen Ausführungsformen empfängt der „drive opamp” 144 eine Rückkopplung vom Ausgang des Kompensationstransistors 146, der mit dem Widerstand 158 (mit Widerstand Rsense) in Reihe gekoppelt ist. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen verhält sich das Ansteuerungssignal für den Kompensationstransistor 146, das vom „drive opamp” 144 bereitgestellt wird, umgekehrt proportional zur dynamischen Spannung dV.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen leiten der Kompensationstransistor 146 und der Widerstand 158 auf Basis des Ansteuerungssignals vom „drive opamp” 144 den Hilfskompensationsstrom Icomp. Wie vorstehend mit Bezug auf die 3A und 3B beschrieben, kann der Hilfskompensationsstrom Icomp den DC-Strom Icomp_DC und den variablen Strom dIcomp beinhalten, wo der DC-Strom Icomp_DC auf einem im Wesentlichen konstanten oder stabilen Wert gehalten wird, während der variable Strom dIcomp gesteuert wird, um eine Schwankung oder Abweichung des Energieversorgungssignals, wie durch die dynamische Spannung dV gemessen, zu kompensieren. Um den vorstehend mit Bezug auf 3B beschriebenen Ausdruck zu erfüllen, kann der Widerstand Rsense bei besonderen Ausführungsformen gemäß den folgenden Ausdrücken eingestellt sein,
Bei derartigen Ausführungsformen kompensiert der variable Strom dIcomp, der erzeugt und gesteuert wird, um durch den Kompensationstransistor 146 und den Widerstand 158 zu fließen, eine Abweichung oder Schwankung bei der Energieversorgung und damit des Leistungsverbrauchs, wie durch die dynamische Spannung dV gemessen.
5 stellt ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform eines gehäusten Wandlersystems 200 dar, das die Welligkeitskompensationsschaltung 102, den ASIC 202, die Sensoren 204_1–204_n und das Gehäuse 206 beinhaltet. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist die Welligkeitskompensationsschaltung 102 mit dem ASIC 202 auf einem selben mikrogefertigten Die integriert. Bei anderen Ausführungsformen ist die Welligkeitskompensationsschaltung 102 als separate Schaltungskomponente an dem Gehäuse 206 befestigt. Bei derartigen Ausführungsformen kann die Welligkeitskompensationsschaltung 102 ein separates mikrogefertigtes Die sein, das an dem Gehäuse 206 befestigt ist, unter Verwendung von diskreten Komponenten implementiert oder direkt in dem Gehäuse 206 gebildet sein. Bei verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet das Gehäuse 206 eine strukturelle Stütze zum Zusammenkoppeln der Sensoren 204_1–204_n, des ASIC 202 und der Welligkeitskompensationsschaltung 102, wie etwa eine PCB oder Ähnliches. Bei anderen Ausführungsformen ist das Gehäuse 206 als Chipstapel implementiert. Bei anderen Ausführungsformen können der ASIC 202, die Sensoren 204_1–204_n und die Welligkeitskompensationsschaltung 102 auf einem gemeinsam genutzten Substrat, wie etwa einem Halbleiterdie, integriert sein. Das Gehäuse 206 kann auch einen Deckel oder einen Behälter beinhalten. Beispielsweise kann das Gehäuse 206 eine an einer PCB befestigte Abdeckung aus Metall oder Kunststoff beinhalten.
Bei verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet das Gehäuse 206 einen Umgebungsport 208. Bei derartigen Ausführungsformen stellt der Umgebungsport 208 eine physische Kommunikation zwischen einer umliegenden Umgebung, die das gehäuste Wandlersystem 200 umfängt, und den Sensoren 204_1–204_n in dem Gehäuse 206 bereit. Bei einigen Ausführungsformen erlaubt der Umgebungsport 208 eine fluidische Kommunikation zwischen der umhegenden Umgebung und den Sensoren 204_1–204_n. Beispielsweise kann der Umgebungsport 208 es erlauben, dass Schallwellen, die sich durch das fluidische Medium (wie etwa Luft) ausbreiten, Druckpegel des fluidischen Mediums (wie etwa Luft) oder unterschiedliche Gase (mit verschiedenen Konzentrationen) die Sensoren 204_1–204_n erreichen. Bei einigen besonderen Ausführungsformen ist der Umgebungsport 208 derart wasserdicht, dass er flüssigkeitsundurchlässig und gasdurchlässig ist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Sensoren 204_1–204_n unterschiedliche Anzahlen von Sensoren und verschiedene Sensorarten beinhalten, wie vorstehend mit Bezug auf den Wandler 104 und die Sensoren 110_1–110_n in 1 bzw. in 2 beschrieben.
6 stellt ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform einer Wandlerkomponente 210 dar. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist die Wandlerkomponente 210 ein mikrogefertigtes Wandlersystem, das auf einem gemeinsam genutzten Substrat 220 gebildet ist. Bei verschiedenen Ausführungsformen ist das gemeinsam genutzte Substrat 220 ein mikrogefertigtes Substrat, wie etwa ein Halbleiterdie, das den Wandler 212, den Verstärker 214 und die Welligkeitskompensationsschaltung 102 als mikrogefertigte Elemente beinhaltet. Beispielsweise ist der Wandler 212 ein MEMS-Wandler, wie vorstehend mit Bezug auf den Wandler 104 oder die Sensoren 110_1–110_n in 1 bzw. in 2 beschrieben, der auf einem gemeinsam genutzten Substrat 220 als gemeinsam genutztes Halbleiterdie mit dem Verstärker 214 und der Welligkeitskompensationsschaltung 102 in einem MEMS-CMOS-Kombinationsprozess oder Ähnlichem gebildet ist. Bei anderen Ausführungsformen ist das gemeinsam genutzte Substrat 220 ein polymerbasiertes Substrat, das separat mikrogefertigte Elemente einschließlich des Wandlers 212, des Verstärkers 214 und der Welligkeitskompensationsschaltung 102 beinhaltet.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen empfängt der Anschluss 218 der Wandlerkomponente 210 ein Energieversorgungssignal und der Anschluss 216 der Wandlerkomponente 210 stellt auf Basis des Betriebs des Wandlers 212 einen Signalausgang bereit. In der dargestellten Ausführungsform ist der Verstärker 214 dazu ausgelegt, mit dem Wandler 212 als Sensor betrieben zu werden. Bei alternativen Ausführungsformen kann der Wandler 212 betrieben werden, um beispielsweise physische Signale zu erzeugen, wie etwa für einen Mikrolautsprecher. Bei einigen alternativen Ausführungsformen ist der Verstärker 214 weggelassen. Bei einer anderen Ausführungsform kann der Verstärker 214 durch einen Analog-Digital-Konverter mit oder ohne Nachverarbeitungslogik ersetzt werden und der Anschluss 216 ist eine digitale Schnittstelle.
7 stellt ein Blockdiagramm der Ausführungsform eines Verfahrens der Leistungskompensation 300 einschließlich der Schritte 305, 310 und 315 dar. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet der Schritt 305 das Empfangen eines Energieversorgungssignals von einer Energieversorgung. Bei derartigen Ausführungsformen kann das Energieversorgungssignal mit einem Stromwert und einem Spannungswert versehen sein, woraus sich eine entsprechende Leistung ergibt. Der Leistungspegel des Energieversorgungssignals kann eine Abweichung oder Schwankung aufweisen. Beispielsweise können der Stromwert, der Spannungswert oder beide während des normalen Betriebs eine gewisse Schwankung oder Abweichung aufweisen. Schritt 310 beinhaltet das Bestimmen einer Abweichung des Energieversorgungssignals.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet Schritt 315 das Erzeugen eines Kompensationsleistungsverbrauchs auf Basis der Abweichung des Energieversorgungssignals. Bei derartigen Ausführungsformen wird der Kompensationsleistungsverbrauch umgekehrt zur Abweichung des Energieversorgungssignals gesteuert, die in Schritt 310 bestimmt wird. Bei besonderen Ausführungsformen kann der Kompensationsleistungsverbrauch beispielsweise ein Hilfskompensationsstrom sein. Ferner kann die Abweichung des Energieversorgungssignals ein Spannungsabweichungssignal sein. Daher wird bei einigen besonderen Ausführungsformen ein Hilfskompensationsstrom auf Basis eines Spannungsabweichungssignals, das anhand des Energieversorgungssignals bestimmt wird, umgekehrt gesteuert.
Bei verschiedenen Ausführungsformen kann das Verfahren der Leistungskompensation 300 zusätzliche Schritte oder eine Modifizierung und Neuanordnung der Schritte beinhalten.
Gemäß einer Ausführungsform ist eine Leistungskompensationsschaltung dazu ausgelegt, an eine Energieversorgung gekoppelt zu sein. Die Leistungskompensationsschaltung beinhaltet eine Messschaltung und eine Kompensationsschaltung. Die Messschaltung ist dazu ausgelegt, ein Energieversorgungssignal von der Energieversorgung zu empfangen und eine Abweichung des Energieversorgungssignals zu bestimmen. Die Kompensationsschaltung ist an die Messschaltung gekoppelt und dazu ausgelegt, auf Basis der Abweichung des Energieversorgungssignals einen Kompensationsleistungsverbrauch zu erzeugen, wobei der Kompensationsleistungsverbrauch umgekehrt zur Abweichung des Energieversorgungssignals gesteuert wird.
Bei verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet das Bestimmen einer Abweichung des Energieversorgungssignals das Bestimmen einer Spannungsabweichung des Energieversorgungssignals und das Erzeugen eines Kompensationsleistungsverbrauchs auf Basis der Abweichung des Energieversorgungssignals beinhaltet das Erzeugen eines Hilfsstroms auf Basis der Spannungsabweichung des Energieversorgungssignals, wobei der Hilfsstrom umgekehrt zur Spannungsabweichung des Energieversorgungssignals gesteuert wird. Bei einigen Ausführungsformen beinhaltet die Messschaltung eine Erfassungsverstärkerstufe, die gekoppelt ist, um das Energieversorgungssignal zu empfangen, und die Kompensationsschaltung beinhaltet eine Ansteuerungsstufe, die an einen Ausgang der Erfassungsverstärkerstufe gekoppelt ist, und eine Laststufe, die einen Steueranschluss aufweist, der an einen Ausgang der Laststufe gekoppelt ist, wo die Laststufe dazu ausgelegt ist, den Hilfsstrom zu leiten.
Bei verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet die Erfassungsverstärkerstufe einen Erfassungsverstärker, der kapazitiv gekoppelt ist, um die Abweichung des Energieversorgungssignals zu empfangen, und der eine kapazitive und eine resistive Rückkopplung sowie eine Referenzschaltung aufweist, die an einen Eingang der Erfassungsverstärkerstufe gekoppelt sind, wo die Referenzschaltung einen DC-Betriebspunkt bereitstellt. Bei derartigen Ausführungsformen beinhaltet die Ansteuerungsstufe einen Eingangsfilter, der an den Ausgang der Erfassungsverstärkerstufe gekoppelt ist, und einen Treiber, der einen Eingang aufweist, der an den Eingangsfilter gekoppelt ist, und einen Ausgang, der über den Ausgang der Ansteuerungsstufe an den Steueranschluss der Laststufe gekoppelt ist, und die Laststufe eine Lastleitungsschaltung beinhaltet, die vom Steueranschluss gesteuert wird und die einen Leitungspfad aufweist, der gekoppelt ist, um das Energieversorgungssignal zu empfangen, und dazu ausgelegt, den Hilfsstrom zu leiten.
Bei verschiedenen Ausführungsformen ist die Laststufe parallel zu einem Sensor gekoppelt, der vom Energieversorgungssignal versorgt wird. Bei einigen Ausführungsformen beinhaltet das Energieversorgungssignal einen DC-Strom IDC und eine DC-Spannung VDC, die Spannungsabweichung des Energieversorgungssignals wird als dynamische Spannungsabweichung dV ausgedrückt und der Hilfsstrom, dIcomp, wird gemäß einem Ausdruck dIcomp = –(dv·IDC)÷VDC von der Kompensationsschaltung gesteuert.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zur Leistungskompensation das Empfangen eines Energieversorgungssignals von einer Energieversorgung, das Bestimmen einer Abweichung des Energieversorgungssignals und das Erzeugen eines Kompensationsleistungsverbrauchs auf Basis der Abweichung des Energieversorgungssignals, wobei der Kompensationsleistungsverbrauch umgekehrt zur Abweichung des Energieversorgungssignals gesteuert wird.
Bei verschiedenen Ausführungsformen beinhalten das Bestimmen einer Abweichung des Energieversorgungssignals das Bestimmen einer Spannungsabweichung des Energieversorgungssignals und das Erzeugen eines Kompensationsleistungsverbrauchs auf Basis der Abweichung des Energieversorgungssignals beinhaltet das Erzeugen eines Hilfsstroms auf Basis der Spannungsabweichung des Energieversorgungssignals, wo der Hilfsstrom umgekehrt zur Spannungsabweichung des Energieversorgungssignals gesteuert wird. Bei einigen Ausführungsformen beinhaltet das Bestimmen einer Spannungsabweichung des Energieversorgungssignals das Messen der Spannungsabweichung unter Verwendung einer Erfassungsverstärkerstufe, die gekoppelt ist, um das Energieversorgungssignal zu empfangen, und das Erzeugen eines Hilfsstroms auf Basis der Spannungsabweichung des Energieversorgungssignals beinhaltet das Erzeugen eines Ansteuerungssignals an einer Ansteuerungsstufe, die an einen Ausgang der Erfassungsverstärkerstufe gekoppelt ist, das Liefern des Ansteuerungssignals an einen Steueranschluss einer Laststufe und das Leiten des Hilfsstroms in der Laststufe auf Basis des Ansteuerungssignals.
Bei verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet das Messen der Spannungsabweichung unter Verwendung einer Erfassungsverstärkerstufe das kapazitive Empfangen des Energieversorgungssignals an einem Erfassungsverstärker, das Bereitstellen einer kapazitiven und resistiven Rückkopplung für den Erfassungsverstärkers und das Empfangen einer Referenzspannung an einem Erfassungsverstärkereingang. Bei derartigen Ausführungsformen beinhaltet das Erzeugen eines Ansteuerungssignals das Empfangen des Ausgangs der Erfassungsverstärkerstufe über einen Eingangsfilter und das Erzeugen des Ansteuerungssignals an einem Treiber auf Basis des Ausgangs des Erfassungsverstärkers. Bei weiteren derartigen Ausführungsformen beinhaltet das Leiten des Hilfsstroms in der Laststufe das Steuern mit dem Ansteuerungssignal eines Leitungspfads eines Lasttransistors, der mit einem Lastwiderstand in Reihe gekoppelt ist, wo der Leitungspfad gekoppelt ist, um das Energieversorgungssignal zu empfangen, und dazu ausgelegt, den Hilfsstrom zu leiten.
Bei verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet das Verfahren ferner das Liefern des Energieversorgungssignals an einen Sensor, der parallel zur Laststufe gekoppelt ist. Bei einigen Ausführungsformen beinhaltet das Energieversorgungssignal einen DC-Strom IDC und eine DC-Spannung VDC, die Spannungsabweichung des Energieversorgungssignals wird als dynamische Spannungsabweichung dV ausgedrückt und der Hilfsstrom, dIcomp, wird gemäß einem Ausdruck dIcomp = –(dV·IDC)÷VDC vom Ansteuerungssignal gesteuert.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet eine Vorrichtung einen Wandler, der dazu ausgelegt ist, ein Energieversorgungssignal zu empfangen, sowie eine Erfassungs- und Kompensationsschaltung. Die Erfassungs- und Kompensationsschaltung ist dazu ausgelegt, das Energieversorgungssignal zu empfangen, eine Spannungsabweichung des Energieversorgungssignals zu bestimmen und auf Basis der Spannungsabweichung des Energieversorgungssignals einen Hilfsstrom zu erzeugen, wo der Hilfsstrom umgekehrt zur Spannungsabweichung des Energieversorgungssignals gesteuert wird.
Bei verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet der Wandler einen MEMS-Sensor (mikroelektromechanisches System). Bei einigen Ausführungsformen beinhaltet die Vorrichtung ferner ein Vorrichtungsgehäuse, die den Wandler und die Erfassungs- und Kompensationsschaltung einschließt, wo das Vorrichtungsgehäuse einen Umgebungsport beinhaltet, der dazu ausgelegt ist, zwischen einer umhegenden Umgebung und dem Wandler einen fluidischen Transport zu erlauben.
Bei verschiedenen Ausführungsformen ist die Erfassungs- und Kompensationsschaltung auf einem ersten mikrogefertigten Die gebildet und der MEMS-Sensor auf einem zweiten mikrogefertigten Die, wo das erste mikrogefertigte Die vom zweiten mikrogefertigten Die getrennt ist. Bei einigen Ausführungsformen beinhaltet der MEMS-Sensor eine Vielzahl von MEMS-Sensoren. Bei anderen Ausführungsformen beinhaltet das erste mikrogefertigte Die eine Vielzahl von Wandlern. Bei besonderen Ausführungsformen beinhaltet die Vielzahl von Wandlern mindestens einen eines Temperatursensors, eines Feuchtigkeitssensors, eines Gassensors oder eines Drucksensors.
Bei verschiedenen Ausführungsformen ist die Erfassungs- und Kompensationsschaltung auf einem mikrogefertigten Die als MEMS-Sensor integriert. Bei einigen Ausführungsformen beinhaltet die Erfassungs- und Kompensationsschaltung eine Erfassungsverstärkerstufe, die gekoppelt ist, um das Energieversorgungssignal zu empfangen, eine Ansteuerungsstufe, die an einen Ausgang der Erfassungsverstärkerstufe gekoppelt ist, und eine Laststufe, die einen Steueranschluss aufweist, die an einen Ausgang der Laststufe gekoppelt ist, wo die Laststufe dazu ausgelegt ist, den Hilfsstrom zu leiten.
Bei verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet die Erfassungsverstärkerstufe einen Erfassungsverstärker, der kapazitiv gekoppelt ist, um die Spannungsabweichung des Energieversorgungssignals zu empfangen, wobei der Erfassungsverstärker eine kapazitive und resistive Rückkopplung aufweist und an einem Erfassungsverstärkereingang eine Referenzspannung empfängt. Bei derartigen Ausführungsformen beinhaltet die Ansteuerungsstufe einen Eingangsfilter, der an den Ausgang der Erfassungsverstärkerstufe gekoppelt ist, und einen Treiber, der einen Eingang aufweist, der an den Eingangsfilter gekoppelt ist, und einen Ausgang, der über den Ausgang der Ansteuerungsstufe an den Steueranschluss der Laststufe gekoppelt ist. Bei weiteren derartigen Ausführungsformen beinhaltet die Laststufe eine Lastleitungsschaltung, die vom Steueranschluss gesteuert wird und einen Leitungspfad aufweist, der gekoppelt ist, um das Energieversorgungssignal zu empfangen, und dazu ausgelegt, den Hilfsstrom zu leiten. Bei einigen Ausführungsformen beinhaltet das Energieversorgungssignal einen DC-Strom IDC und eine DC-Spannung VDC, die Spannungsabweichung des Energieversorgungssignals wird als dynamische Spannungsabweichung dV ausgedrückt und der Hilfsstrom, dIcomp, wird gemäß einem Ausdruck dIcomp = –(dV·IDC)÷VDC von der Erfassungs- und Kompensationsschaltung gesteuert.
Gemäß verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen können Vorteile Wandlersysteme mit reduzierter Auswirkung durch thermisches Übersprechen beinhalten, das durch eine Energieversorgungsabweichung oder -schwankung verursacht wird. Bei besonderen Ausführungsformen können Vorteile reduzierte Frequenzkomponenten oder Harmonische von thermischem Übersprechen in Frequenzbändern der Empfindlichkeit für einen Sensor in einer Ausführungsform des Systems beinhalten. Bei einigen Ausführungsformen können Vorteile eine verbesserte Energieversorgungszurückweisung in Frequenzbereichen beinhalten, die vom thermischen Übersprechen beeinträchtigt sind, z. B. Frequenzen unter etwa 200 Hz.
Obwohl diese Erfindung mit Bezugnahme auf veranschaulichende Ausführungsformen beschrieben wurde, soll diese Beschreibung nicht in einschränkendem Sinn ausgelegt werden. Unter Bezugnahme auf die Beschreibung sind für einen Fachmann verschiedene Modifikationen und Kombinationen der veranschaulichenden Ausführungsformen wie auch anderer Ausführungsformen der Erfindung offensichtlich. Es ist daher vorgesehen, dass die beiliegenden Ansprüche alle derartigen Modifikationen oder Ausführungsformen einschließen.

Claims

Leistungsverbrauchsschaltung, die dazu ausgelegt ist, an eine Energieversorgung gekoppelt zu sein, wobei die Leistungsverbrauchsschaltung Folgendes umfasst: eine Messschaltung, die zu Folgendem ausgelegt ist: Empfangen eines Energieversorgungssignals von der Energieversorgung und Bestimmen einer Abweichung des Energieversorgungssignals und eine Kompensationsschaltung, die an die Messschaltung gekoppelt ist und dazu ausgelegt, auf Basis der Abweichung des Energieversorgungssignals einen Kompensationsleistungsverbrauch zu erzeugen, wobei der Kompensationsleistungsverbrauch umgekehrt zur Abweichung des Energieversorgungssignals gesteuert wird.
Leistungskompensationsschaltung nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen einer Abweichung des Energieversorgungssignals das Bestimmen einer Spannungsabweichung des Energieversorgungssignals umfasst und das Erzeugen eines Kompensationsleistungsverbrauchs auf Basis der Abweichung des Energieversorgungssignals das Erzeugen eines Hilfsstroms auf Basis der Spannungsabweichung des Energieversorgungssignals umfasst, wobei der Hilfsstrom umgekehrt zur Spannungsabweichung des Energieversorgungssignals gesteuert wird.
Leistungskompensationsschaltung nach Anspruch 2, wobei die Messschaltung eine Erfassungsverstärkerstufe umfasst, die gekoppelt ist, um das Energieversorgungssignal zu empfangen; und die Kompensationsschaltung Folgendes umfasst: eine Ansteuerungsstufe, die an einen Ausgang der Erfassungsverstärkerstufe gekoppelt ist, und eine Laststufe, die einen Steueranschluss aufweist, der an einen Ausgang der Laststufe gekoppelt ist, wobei die Laststufe dazu ausgelegt ist, den Hilfsstrom zu leiten.
Leistungskompensationsschaltung nach Anspruch 3, wobei: die Erfassungsverstärkerstufe einen Erfassungsverstärker umfasst, der kapazitiv gekoppelt ist, um die Abweichung des Energieversorgungssignals zu empfangen, und der eine kapazitive und eine resistive Rückkopplung sowie eine Referenzschaltung aufweist, die an einen Eingang der Erfassungsverstärkerstufe gekoppelt sind, wobei die Referenzschaltung einen DC-Betriebspunkt bereitstellt; die Ansteuerungsstufe Folgendes umfasst: einen Eingangsfilter, der an den Ausgang der Erfassungsverstärkerstufe gekoppelt ist, und einen Treiber, der einen Eingang aufweist, der an den Eingangsfilter gekoppelt ist, und einen Ausgang, der über den Ausgang der Ansteuerungsstufe an den Steueranschluss der Laststufe gekoppelt ist; und die Laststufe eine Lastleitungsschaltung umfasst, die vom Steueranschluss gesteuert wird, und einen Leitungspfad aufweist, der gekoppelt ist, um das Energieversorgungssignal zu empfangen, und dazu ausgelegt, den Hilfsstrom zu leiten.
Leistungskompensationsschaltung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei die Laststufe parallel zu einem Sensor gekoppelt ist, der vom Energieversorgungssignal versorgt wird.
Leistungskompensationsschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das Energieversorgungssignal einen DC-Strom IDC und eine DC-Spannung VDC umfasst, die Spannungsabweichung des Energieversorgungssignals als dynamische Spannungsabweichung dV ausgedrückt ist und der Hilfsstrom, dIcomp, von der Kompensationsschaltung gemäß einem Ausdruck dIcomp = –(dV·IDC)÷VDC gesteuert wird.
Verfahren zur Leistungskompensation, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Empfangen eines Energieversorgungssignals von einer Energieversorgung; Bestimmen einer Abweichung des Energieversorgungssignals; Erzeugen eines Kompensationsleistungsverbrauchs auf Basis der Abweichung des Energieversorgungssignals, wobei der Kompensationsleistungsverbrauch umgekehrt zur Abweichung des Energieversorgungssignals gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Bestimmen einer Abweichung des Energieversorgungssignals das Bestimmen einer Spannungsabweichung des Energieversorgungssignals umfasst und das Erzeugen eines Kompensationsleistungsverbrauchs auf Basis der Abweichung des Energieversorgungssignals das Erzeugen eines Hilfsstroms auf Basis der Spannungsabweichung des Energieversorgungssignals umfasst, wobei der Hilfsstrom umgekehrt zur Spannungsabweichung des Energieversorgungssignals gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Bestimmen einer Spannungsabweichung des Energieversorgungssignals das Messen der Spannungsabweichung unter Verwendung einer Erfassungsverstärkerstufe umfasst, die gekoppelt ist, um das Energieversorgungssignal zu empfangen, und das Erzeugen eines Hilfsstroms auf Basis der Spannungsabweichung des Energieversorgungssignals Folgendes umfasst: Erzeugen eines Ansteuerungssignals an einer Ansteuerungsstufe, die an einen Ausgang der Erfassungsverstärkerstufe gekoppelt ist, Liefern des Ansteuerungssignals an einen Steueranschluss einer Laststufe und Leiten des Hilfsstroms in der Laststufe auf Basis des Ansteuerungssignals.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei: das Messen der Spannungsabweichung unter Verwendung einer Erfassungsverstärkerstufe Folgendes umfasst: kapazitives Empfangen des Energieversorgungssignals an einem Erfassungsverstärker, Bereitstellen einer kapazitiven und resistiven Rückkopplung für den Erfassungsverstärker und Empfangen einer Referenzspannung an einem Erfassungsverstärkereingang; das Erzeugen eines Ansteuerungssignals Folgendes umfasst: Empfangen des Ausgangs der Erfassungsverstärkerstufe über einen Eingangsfilter und das Erzeugen des Ansteuerungssignals an einem Treiber auf Basis des Ausgangs des Erfassungsverstärkers und das Leiten des Hilfsstroms in der Laststufe das Steuern mit dem Ansteuerungssignal eines Leitungspfads eines Ladungstransistors umfasst, der mit einem Lastwiderstand in Reihe gekoppelt ist, wobei der Leitungspfad gekoppelt ist, um das Energieversorgungssignal zu empfangen, und dazu ausgelegt, den Hilfsstrom zu leiten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, das ferner das Liefern des Energieversorgungssignals an einen Sensor umfasst, der parallel zur Laststufe gekoppelt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei das Energieversorgungssignal einen DC-Strom IDC und eine DC-Spannung VDC umfasst, die Spannungsabweichung des Energieversorgungssignals als dynamische Spannungsabweichung dV ausgedrückt ist und der Hilfsstrom, dIcomp, vom Ansteuerungssignal gemäß einem Ausdruck dIcomp = –(dV·IDC)÷VDC gesteuert wird.
Vorrichtung, die Folgendes umfasst: einen Wandler, der dazu ausgelegt ist, ein Energieversorgungssignal zu empfangen; und eine Erfassungs- und Kompensationsschaltung, die für Folgendes ausgelegt ist: Empfangen des Energieversorgungssignals; Bestimmen einer Abweichung des Energieversorgungssignals und Erzeugen eines Kompensationsleistungsverbrauchs auf Basis der Abweichung des Energieversorgungssignals, wobei der Kompensationsleistungsverbrauch umgekehrt zur Abweichung des Energieversorgungssignals gesteuert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei der Wandler einen MEMS-Sensor (mikroelektromechanisches System) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 14, die ferner ein Vorrichtungsgehäuse umfasst, die den Wandler und die Erfassungs- und Leistungskompensationsschaltung einschließt, wobei das Vorrichtungsgehäuse einen Umgebungsport umfasst, der dazu ausgelegt ist, zwischen einer umliegenden Umgebung und dem Wandler einen fluidischen Transport zu erlauben.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Erfassungs- und Leistungskompensationsschaltung auf einem ersten mikrogefertigten Die gebildet ist und der MEMS-Sensor auf einem zweiten mikrogefertigten Die, wobei das erste mikrogefertigte Die vom zweiten mikrogefertigten Die getrennt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei der MEMS-Sensor eine Vielzahl von MEMS-Sensoren umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 oder 17, wobei das erste mikrogefertigte Die eine Vielzahl von Wandlern umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Vielzahl von Wandlern mindestens einen eines Temperatursensors, eines Feuchtigkeitssensors, eines Gassensors oder eines Drucksensors beinhaltet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 oder 15, wobei die Sensor- und Kompensationsschaltung auf einem selben mikrogefertigten Die wie der MEMS-Sensor integriert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 20, wobei die Erfassungs- und Leistungskompensationsschaltung Folgendes umfasst: eine Erfassungsverstärkerstufe, die gekoppelt ist, um das Energieversorgungssignal zu empfangen; eine Ansteuerungsstufe, die an einen Ausgang der Erfassungsverstärkerstufe gekoppelt ist; und eine Laststufe, die einen Steueranschluss aufweist, der an einen Ausgang der Laststufe gekoppelt ist, wobei die Laststufe dazu ausgelegt ist, einen Hilfsstrom als Kompensationsleistungsverbrauch zu leiten.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei: die Erfassungsverstärkerstufe einen Erfassungsverstärker umfasst, der kapazitiv gekoppelt ist, um die Abweichung des Energieversorgungssignals zu empfangen, wobei der Erfassungsverstärker eine kapazitive und eine resistive Rückkopplung aufweist und an einem Erfassungsverstärkereingang eine Referenzspannung empfängt; die Ansteuerungsstufe Folgendes umfasst: einen Eingangsfilter, der an den Ausgang der Erfassungsverstärkerstufe gekoppelt ist; und einen Treiber, der einen Eingang aufweist, der an den Eingangsfilter gekoppelt ist, und einen Ausgang, der über den Ausgang der Ansteuerungsstufe an den Steueranschluss der Laststufe gekoppelt ist; und die Laststufe eine Lastleitungsschaltung umfasst, die vom Steueranschluss gesteuert wird und einen Leitungspfad aufweist, der gekoppelt ist, um das Energieversorgungssignal zu empfangen, und dazu ausgelegt, den Hilfsstrom zu leiten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 22, wobei das Energieversorgungssignal einen DC-Strom IDC und eine DC-Spannung VDC umfasst, die Abweichung des Energieversorgungssignals als dynamische Spannungsabweichung dV ausgedrückt ist und der Kompensationsleistungsverbrauch einen Hilfsstrom, dIcomp, umfasst, der von der Erfassungs- und Leistungskompensationsschaltung gemäß einem Ausdruck dIcomp = –(dV·IDC)÷VDC gesteuert wird.