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GEBIET DER OFFENBARUNG
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Das vorliegende Dokument betrifft allgemein, aber nicht als Beschränkung, integrierte Schaltungen und insbesondere Analog-Digital-Wandlerschaltungen und - systeme.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Bei vielen Elektronikanwendungen kann ein analoger Frontend (AFE) analoge elektrische Signale, die ein Phänomen aus der echten Welt darstellen, z.B. Licht, Schall, Temperatur oder Druck, in ein digitales Ausgangssignal zur Verwendung für digitale Verarbeitung übersetzen, z.B. für weitere Signalverarbeitung. Beispielsweise kann bei einigen Präzisionsmesssystemen eine Elektronik mit einem oder mehreren Sensoren versehen sein, um Messungen durchzuführen und analoge Signale zu generieren. Die analogen Signale können an einen Analog-Digital-Wandler (ADW) geliefert werden, um eine digitale Darstellung zur weiteren Verarbeitung zu generieren.
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AFEs findet man an vielen Stellen wie etwa Breitbandkommunikationssystemen, Audiosystemen, Empfängersystemen usw. AFEs können in einem großen Bereich von Anwendungen verwendet werden, einschließlich Kommunikation, Energie, Gesundheitswesen, Instrumentierung und Messung, Motor- und Leistungssteuerung, industrieller Automation und Luft-/Raumfahrt/Verteidigung.
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KURZE DARSTELLUNG DER OFFENBARUNG
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Eine Sigma-Delta-ADW-Schaltung mit einer analogen Schleifenfilterschaltung kann zwischen verschiedenen Eingängen gemultiplext werden, indem der Speicher der analogen Schleifenfilterintegrierer und das digitale Dezimierungsfilter ausgeräumt und mit neuen Daten für den aktuellen Eingang gefüllt wird. Das Füllen des Speichers kann jedoch bezüglich der Abtastfrequenz langsam sein, weil die Informationen über die vergangene Vorgeschichte abgebaut werden müssen, bevor sinnvolle Ausgangsdaten generiert werden können. Somit kann die Multiplexierrate zwischen Kanälen unter Verwendung einer Sigma-Delta(ADW)-Schaltung durch ein solches Speicherausräumen verlangsamt werden. Das Beibehalten von vergangenen Daten in den Schleifenfilterschaltungen und das Überspringen von Abtastwerten ist nicht möglich, da die Schleifenfilter analoge Schaltungen sind und aufgrund von Leckeffekten keine vergangene Vorgeschichte speichern können. Analog kann das Überspringen von Abtastwerten in der digitalen Dezimierungsfilterschaltung die Filterungswirkung des Dezimierungsfilters verändern.
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Die vorliegende Offenbarung beschreibt eine gemultiplexte Sigma-Delta-ADW-Schaltung, die diese Probleme überwinden kann, so dass eine Abtastung von mehreren Kanälen Zyklus für Zyklus unterstützt werden kann. Die Techniken der vorliegenden Offenbarung können eine schnelle Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler(ADW)-Schaltung bereitstellen, die eine kleine Fläche besitzt und die dynamisch über eine Anzahl von Kanälen multiplexieren kann.
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Bei einigen Aspekten betrifft die vorliegende Offenbarung eine gemultiplexte mehrkanalige Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler(ADW)-Schaltung, aufweisend: eine gemeinsame analoge Schaltung, die ausgebildet ist zum Empfangen eines gewählten von mehreren analogen Eingangssignalen, wobei die gemeinsame analoge Schaltung aufweist: eine ADW-Schaltung, die an einen Eingang der analogen Schaltung gekoppelt ist; und eine Digital-Analog-Wandler(DAW)-Schaltung, die ausgebildet ist zum Liefern eines analogen Rückkopplungssignals an den Eingang der analogen Schaltung; und mehrere digitale Kanäle, die an einen Ausgang der gemeinsamen analogen Schaltung und der DAW-Schaltung gekoppelt sind, wobei jeder der mehreren digitalen Kanäle ausgebildet ist zum Generieren eines digitalen Ausgangssignals, das ein entsprechendes der analogen Eingangssignale darstellt.
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Bei einigen Aspekten betrifft die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Multiplexen von mehreren Kanälen unter Verwendung einer Sigma-Delta(SD)-Analog-Digital-Wandler(ADW)-Schaltung, wobei das Verfahren aufweist: Durchführen, unter Verwendung einer gemeinsamen analogen Schaltung, einer Analog-Digital-Umwandlung eines unter mehreren empfangenen analogen Eingangssignalen gewählten ersten Eingangssignals; Verarbeiten eines digitalen Ausgangs der gemeinsamen analogen Schaltung unter Verwendung eines unter mehreren digitalen Kanälen gewählten ersten digitalen Kanals; Durchführen einer Digital-Analog-Umwandlung an dem verarbeiteten digitalen Ausgang, um ein Rückkopplungssignal zum Anlegen an einen Eingang der gemeinsamen analogen Schaltung zu generieren; und Generieren eines digitalen Ausgangssignals, das ein entsprechendes der analogen Eingangssignale darstellt.
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Bei einigen Aspekten betrifft die vorliegende Offenbarung eine gemultiplexte mehrkanalige Sigma-Delta(SD)-Analog-Digital-Wandler(ADW)-Schaltung, aufweisend: Mittel zum Durchführen, unter Verwendung einer gemeinsamen analogen Schaltung, einer Analog-Digital-Umwandlung eines unter mehreren empfangenen analogen Eingangssignalen gewählten ersten Eingangssignals; Mittel zum Verarbeiten des digitalen Ausgangs der gemeinsamen analogen Schaltung unter Verwendung eines unter mehreren digitalen Kanälen gewählten ersten digitalen Kanals; Mittel zum Durchführen einer Digital-Analog-Umwandlung an dem verarbeiteten digitalen Ausgang, um ein Rückkopplungssignal zum Anlegen an einen Eingang der gemeinsamen analogen Schaltung zu generieren; und Mittel zum Generieren eines digitalen Ausgangssignals, das ein entsprechendes der analogen Eingangssignale darstellt.
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Dieser Überblick soll ein Überblick über den Gegenstand der vorliegenden Patentanmeldung vermitteln. Er soll keine ausschließliche oder erschöpfende Erläuterung der Erfindung bereitstellen. Die ausführliche Beschreibung ist aufgenommen, um weitere Informationen über die vorliegende Patentanmeldung bereitzustellen.
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Figurenliste
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In den Zeichnungen, die nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet sind, können gleiche Zahlen in verschiedenen Ansichten ähnliche Komponenten beschreiben. Gleiche Zahlen mit unterschiedlichen Buchstabensuffixen können unterschiedliche Fälle von ähnlichen Komponenten darstellen. Die Zeichnungen veranschaulichen allgemein beispielhaft, aber nicht als Beschränkung, verschiedene, in dem vorliegenden Dokument erörterte Ausführungsformen.
- 1 ist ein Blockdiagramm eines Beispiels einer gemultiplexten mehrkanaligen Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandlerschaltung gemäß der vorliegenden Offenbarung.
- 2 ist ein Beispiel eines Zeitsteuerdiagramms, das mit den Schaltungen von 1 oder 3 verwendet werden kann.
- 3 ist ein Blockdiagramm eines weiteren Beispiels einer gemultiplexten mehrkanaligen Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandlerschaltung gemäß der vorliegenden Offenbarung.
- 4 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm einer gemultiplexten mehrkanaligen Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandlerschaltung gemäß der vorliegenden Offenbarung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Bei einer SAR(Successive Approximation Register)-Analog-Digital-Wandler(ADW)-Schaltung ist jeder digitale Ausgangscode eine Funktion des letzten Eingangsabtastwerts und ist von den durch die ADW-Schaltung verarbeiteten vorausgegangenen Eingangsabtastwerten unabhängig. Mit anderen Worten ist der SAR-ADW speicherlos. Als solches bietet sich ein SAR-ADW zur Verwendung für Mehrkanallösungen an. Als Ergebnis der speicherlosen Natur eines SAR-ADW kann er Multiplexieren zwischen verschiedenen Eingangssignalen auf einer Basis Abtastwert für Abtastwert gestatten. Bei einem SAR-ADW ist die Verzögerung in Taktzyklen zwischen zwei Abtastwerten des gleichen Kanals gleich der Anzahl von Kanälen.
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Im Gegensatz zu einem SAR-ADW besitzt eine Sigma-Delta-ADW-Schaltung einen Speicher. Insbesondere kann eine Sigma-Delta-ADW-Schaltung eine analoge Schleifenfilterschaltung mit mehreren analogen Integriererschaltungsstufen aufweisen, wobei Informationen von vorausgegangenen Eingängen in Verbindung mit dem aktuellen Eingang verwendet werden können, um den digitalen Ausgangscode zu verarbeiten und bereitzustellen. Zusätzlich kann eine Sigma-Delta-ADW-Schaltung eine digitale Dezimierungsfilterschaltung aufweisen, die auch einen Speicher von vorausgegangenen Eingangssignalwerten besitzt.
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Eine Sigma-Delta-ADW-Schaltung mit einer analogen Schleifenfilterschaltung kann zwischen verschiedenen Eingängen gemultiplext werden, indem der Speicher der analogen Schleifenfilterintegrierer und das digitale Dezimierungsfilter ausgeräumt und mit neuen Daten für den aktuellen Eingang gefüllt wird. Das Füllen des Speichers kann jedoch bezüglich der Abtastfrequenz langsam sein, weil die Informationen über die vergangene Vorgeschichte aufgebaut werden müssen, bevor sinnvolle Ausgangsdaten generiert werden können. Somit kann die Multiplexierrate zwischen Kanälen unter Verwendung einer Sigma-Delta(ADW)-Schaltung durch ein solches Speicherausräumen verlangsamt werden. Das Beibehalten von vergangenen Daten in den Schleifenfilterschaltungen und das Überspringen von Abtastwerten ist nicht möglich, da die Schleifenfilter analoge Schaltungen sind und aufgrund von Leckeffekten keine vergangene Vorgeschichte speichern können. Analog kann das Überspringen von Abtastwerten in der digitalen Dezimierungsfilterschaltung die Filterungswirkung des Dezimierungsfilters verändern.
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Die vorliegende Offenbarung beschreibt eine gemultiplexte Sigma-Delta-ADW-Schaltung, die diese Probleme überwinden kann, so dass eine Abtastung von mehreren Kanälen Zyklus für Zyklus unterstützt werden kann. Die Techniken der vorliegenden Offenbarung können eine schnelle Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler(ADW)-Schaltung bereitstellen, die eine kleine Fläche besitzt und die dynamisch über eine Anzahl von Kanälen multiplexieren kann.
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1 ist ein Blockdiagramm eines Beispiels einer gemultiplexten mehrkanaligen Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler(ADW)-Schaltung gemäß der vorliegenden Offenbarung. Das System 10 kann eine Gain-Schaltung 12 mit einem ersten Eingang 14 zum Empfangen eines von mehreren analogen Eingangssignalen 16A-16N über eine analoge Eingangsmultiplexerschaltung 18 und eine speicherlose ADW-Schaltung 20 zum Empfangen eines Ausgangs 22 der Gain-Schaltung 12 aufweisen. Zu Beispielen für die speicherlose ADW-Schaltung 20 können unter anderem eine SAR-ADW-Schaltung, eine Pipelined-ADW-Schaltung und eine Flash-ADW-Schaltung zählen.
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Die ADW-Schaltung 20 kann ein digitales Ausgangssignal 24 entsprechend einem der analogen Eingangssignale 16A-16N generieren, z.B. ein Elektrokardiogramm(EKG)-Ausgangssignal oder ein anderes interessierendes Signal. Bei der gezeigten beispielhaften Ausbildung kann die Gain-Schaltung 12 eine Addiererschaltung 26 und eine Gain-Verstärkerschaltung 28, z.B. einen kapazitiven Gain-Verstärker (CGA) aufweisen. Bei einigen beispielhaften Umsetzungen kann die Schaltung 10 ferner Chop-Schalterschaltungen 30, 32 zum Zerhacken des Signals, das durch die Gain-Verstärkerschaltung 28 verstärkt wird, aufweisen.
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Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann die Sigma-Delta-ADW-Schaltung 10 mehrere digitale Kanäle 34A-34N, z.B. parallelgeschaltet, aufweisen. Jeder der digitalen Kanäle 34A-34N kann eine digitale Schleifenfilterschaltung 36A (in dieser Offenbarung auch als eine „digitale Filterschaltung“ bezeichnet), eine Quantisiererschaltung 38A und eine Dezimierungsfilterschaltung 40A, z.B. eine Kombination aus einer digitalen Tiefpassfilterschaltung und einer Unterabtastschaltung, aufweisen. Das einen bestimmten der analogen Eingangssignale 16A-16N entsprechende digitale Ausgangssignal 24 kann über eine digitale Demultiplexerschaltung 42 an einen der digitalen Kanäle 34A-34N gekoppelt werden. Zum Verarbeiten der empfangenen analogen Eingangssignale 16A-16N kann zudem eine Steuerschaltung 44 die Operation der Eingangsmultiplexerschaltung 18 steuern, um ein bestimmtes der analogen Eingangssignale 16A-16N, z.B. das Signal 16A, zu wählen und die Operation der digitalen Demultiplexerschaltung 42 steuern, um einen bestimmten der digitalen Kanäle 34A-34N, z.B. den digitalen Kanal 34A, zu wählen.
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Unter Verwendung der Techniken der vorliegenden Offenbarung kann eine Analogschaltung 46 verschiedene analoge Blöcke wie etwa die Gain-Schaltung 12, die ADW-Schaltung 20 aufweisen, und die digitalen Kanäle 34A-34N können sich die DAW-Schaltung 52 teilen. Wiederum kann jeder digitale Kanal seine eigene digitale Filterschaltung, Quantisiererschaltung und Dezimierungsfilterschaltung aufweisen. Als solches besitzt die Schaltung von 1 für einen N-Kanal-Eingang einen Satz von analogen Blöcken (z.B. die Gain-Schaltung 12, die ADW-Schaltung 20 und die DAW-Schaltung 52), den sich „N“ Sätze von digitalen Kanälen teilen können.
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Wie in 1 ersichtlich ist, kann die digitale Filterschaltung 36A, z.B. des digitalen Kanals 34A, das digitale Ausgangssignal 24 der ADW-Schaltung 20 empfangen und einen gefilterten digitalen Ausgang 48A an die Quantisiererschaltung 38A liefern. Bei einigen beispielhaften Umsetzungen kann die digitale Filterschaltung eine oder beide einer Anzahl von Integriererschaltungen und einer Tiefpassfilterschaltung aufweisen. Die digitale Filterschaltung kann beispielsweise im interessierenden Band eine hohe Verstärkung besitzen. Bei einigen Beispielen kann die Quantisiererschaltung ein grober 1-Bit-Quantisierer sein, z.B. eine Vergleicherschaltung, oder in anderen Beispielen kann die Quantisiererschaltung mehr als zwei Pegel besitzen.
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Die Quantisiererschaltung 38A kann ein quantisiertes digitales Signal 50A ausgeben und das Signal 50A an (1) eine Digital-Analog-Wandler(DAW)-Schaltung 52 in einer Rückkopplungsschleife 54 und an (2) die digitale Dezimierungsfilterschaltung 40A liefern, um ein digitales Ausgangssignal 56A zu erzeugen, das einem bestimmen der empfangenen analogen Eingangssignale 16A-16N entspricht. Es versteht sich, dass jeder der übrigen digitalen Kanäle 34B-34N ein digitales Ausgangssignal 56B-56N erzeugt, was in 4 deutlicher gezeigt ist.
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Jeder der mehreren digitalen Kanäle 34A-34M kann an einen entsprechenden Eingang einer digitalen Multiplexerschaltung 57 gekoppelt sein. Die Steuerschaltung 44 kann die Operation der Multiplexerschaltung 57 steuern, um ein digitales Signal eines bestimmten digitalen Kanals, z.B. das Ausgangssignal 50A der Quantisiererschaltung 38A, über den Multiplexer 57 an den Eingang der DAW-Schaltung 52 zu koppeln.
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Die DAW-Schaltung 52 kann ein analoges Rückkopplungssignal 58 generieren und das Rückkopplungssignal 58 an den zweiten Eingang 60 der Gain-Schaltung 12 liefern, so dass das einem bestimmten digitalen Kanal entsprechende digitale Signal, beispielsweise der Ausgang 50A von Kanal 34A, durch die Addiererschaltung 26 von dem entsprechenden Eingangssignal 16A subtrahiert wird. Bei einigen beispielhaften Umsetzungen kann die DAW-Schaltung 52 eine kapazitive DAW-Schaltung sein, was das Erleichtern einer Integration in Ausbildungen unterstützen kann, die einen kapazitiven Gain-Verstärker 28 aufweisen. Die Addiererschaltung 26 kann das analoge Rückkopplungssignal 58 von dem ursprünglichen analogen Eingangssignal, z.B. dem Eingangssignal 16A, subtrahieren, um ein Differenzsignal zu generieren. Es sei angemerkt, dass die Addiererschaltung 26 zu Konzeptzwecken separat dargestellt ist, aber bei einigen Umsetzungen einen Teil der Gain-Schaltung 12 selbst bilden kann. Beispielsweise kann die Addiererschaltung 26 als ein „Summierpunkt“-Knoten mit hoher Impedanz umgesetzt werden, auf dem Ladung von mehreren Eingängen eingekoppelt wird, oder als invertierende und nichtinvertierende Eingänge eines Pufferverstärkers oder dergleichen.
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Die Wirkung der Rückkopplungsschleife 54 kann bewirken, dass das Eingangssignal, z.B. Eingangssignal 16A, am Ausgang bei Frequenzen reproduziert wird, wo die Verstärkung hoch ist. Das Quantisierungsrauschen kann durch die Verstärkung der Rückkopplungsschleife 54 geformt werden. Die Dezimierungsfilterschaltung, z.B. die Dezimierungsfilterschaltung 40A, kann das geformte Quantisierungsrauschen filtern, um im interessierenden Band ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis (SRV) zu erzielen.
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Zu Zwecken einer nichtbeschränkenden veranschaulichenden Erklärung kann die Steuerschaltung 44 die Operation der Eingangsmultiplexerschaltung 18 steuern, um ein erstes, durch die Schaltung 10 zu verarbeitendes analoges Eingangssignal 16A zu wählen. Die Differenz zwischen dem Eingangssignal 16A und dem Rückkopplungssignal 58 kann durch die Gain-Schaltung 12 empfangen und verstärkt werden. Bei einigen beispielhaften Ausbildungen kann die Steuerschaltung 44 die Chop-Schalterschaltungen 30, 32 steuern, um die Gain-Schaltung 12 zu zerhacken, um so ihr 1/f-Rauschen aus dem interessierenden Band herauszubewegen. Das verstärkte Differenzsignal kann durch die ADW-Schaltung 20 digitalisiert werden.
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Die Steuerschaltung 44 kann den analogen Multiplexer 18 steuern, um das Eingangssignal 16A-16N zu der analogen Schaltung 46 zu multiplexieren. Gleichzeitig kann die Steuerschaltung 44 die digitale Demultiplexerschaltung 42 steuern, einen entsprechenden der digitalen Kanäle 34A-34N zum Verarbeiten des entsprechenden ausgegebenen digitalen Signals von der gemeinsamen analogen Schaltung 46 zu koppeln. Beispielsweise kann die Steuerschaltung 44 das durch den analogen Multiplexer 18 in die analoge Schaltung 46 und den entsprechenden digitalen Kanal 34A zu multiplexierende Eingangssignal 16A wählen, und ihre assoziierte digitale Filterschaltung 36A und Quantisiererschaltung 38A können das ausgegebene digitale Signal 24 verarbeiten. Die Steuerschaltung 44 kann weiter die Multiplexerschaltung 57 steuern, den digitalen Kanal 34A entsprechend dem Eingangssignal 16A zu wählen, und der entsprechende Ausgang 50A ihrer digitalen Sigma-Delta-Rückkopplungsschleife kann die DAW-Schaltung 52 zu der Addiererschaltung 26 ansteuern, deren anderer Eingang 14 das Eingangssignal 16A von dem analogen Multiplexer 18 ist. Die Dezimierungsfilterschaltung 40A des digitalen Kanals 34A kann einen Ausgang der Quantisiererschaltung 38A empfangen und kann ein digitales Ausgangssignal 56A entsprechend dem empfangenen analogen Eingangssignal 16A erzeugen.
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In einer nichtbeschränkenden veranschaulichenden Ausbildung kann eine feste kapazitive Gain-Verstärker(CGA)-Schaltung 28, z.B. mit einer Verstärkung 16, verwendet werden, um die Differenz zwischen einem gewählten der analogen Eingangssignale 16A-16N und dem durch die DAW-Schaltung 52 generierten Rückkopplungssignal 58 zu verstärken. Das Differenzsignal kann durch eine 14-Bit-SAR-ADW-Schaltung 20 verarbeitet werden. Das ausgegebene digitale Signal der SAR-ADW-Schaltung 20 kann durch einen gewählten der digitalen Kanäle 34A-34N, z.B. dem digitalen Kanal 34A, mit einer digitalen Sigma-Delta-Rückkopplungsschleife verarbeitet werden, die eine oder mehrere digitale Integriererschaltungen und eine Quantisiererschaltung, z.B. Quantisiererschaltung 38A, aufweist. Der Ausgang der digitalen Sigma-Delta-Rückkopplungsschleife kann die DAW-Schaltung 52, z.B. eine 7-Bit-DAW-Schaltung, ansteuern. Bei einigen beispielhaften Umsetzungen kann die DAW-Schaltung 52 eine rauschformende DAW-Schaltung aufweisen.
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Ein Weg zum Umsetzen des Digitalen besteht darin, dass jeder Kanal seinen eigenen digitalen Block hat. Alternativ kann es flächeneffizienter sein, eine gemeinsame digitale Rechenengine mit separaten Speichern für jeden Kanal aufzunehmen.
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Es sei angemerkt, dass die analogen Blöcke mit einer „N“-fach höheren Abtastfrequenz arbeiten können. Es kann jedoch wesentliche Flächeneinsparungen geben, wenn ein Satz von analogen Blöcken verwendet wird. Ferner kann die in dieser Offenbarung beschriebene Architektur beim Übergang zu Prozessen mit einer feineren Geometrie besonders gut skalieren, da die „N“ digitalen Blöcke (z.B. digitale Filterschaltung, Quantisiererschaltung und Dezimierungsfilterschaltung) dramatisch skalieren können.
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2 ist ein Beispiel eines Zeitsteuerdiagramms 70, das mit den Schaltungen von 1 oder 3 verwendet werden kann. Aus Gründen der Einfachheit sind in 2 vier (4) Kanalwahlsignale 72-78 gezeigt. Bei anderen Umsetzungen können mehr als vier Kanäle oder weniger als vier Kanäle vorliegen. Zusätzlich zu den Kanalwahlsignalen 72-78 zeigt das Zeitsteuerdiagramm 70 ein Chop-Signal 80, ein Verstärkermodussignal 82 und ein ADW-Erfassungssignal 84 und ein ADW-Ausgangssignal 86.
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Eine Steuerschaltung, z.B. Steuerschaltung 44 von 1, kann Kanalwahlsignale 72-78 ausgeben. Beispielsweise kann die Steuerschaltung ein logisches H-Signal für das CH1-Wahlsignal 72 generieren und an die Multiplexerschaltung 18 von 1 (oder 3) anlegen, um das Eingangssignal 16A zu wählen. Das CH1-Wahlsignal 72 der Steuerschaltung kann auch einen entsprechenden der digitalen Kanäle wählen, z.B. digitalen Kanal 34A von 1 (oder 3), um das digitale Ausgangssignal zu verarbeiten, und kann einen entsprechenden der Eingänge der DAW-Schaltung 52, z.B. Eingang 50A, für die Rückkopplungsschleife wählen. Dann kann die Steuerschaltung den nächsten Satz von Signalen entsprechend Kanal 2, Kanal 3 usw. wählen.
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Bei einigen beispielhaften Ausbildungen kann die Steuerschaltung die Operation der Eingangsmultiplexerschaltung und die Demultiplexerschaltung steuern, um die mehreren digitalen Kanäle in einem sequentiellen Muster zu wählen, z.B. Kanal 1, gefolgt von Kanal 2, dann Kanal 3 usw. Bei einer anderen beispielhaften Ausbildung kann die Steuerschaltung die Operation der Eingangsmultiplexerschaltung und der Demultiplexerschaltung steuern, um mehrere digitale Kanäle in einem nicht-sequentiellen Muster zu wählen. Bei einer nichtbeschränkenden veranschaulichenden Ausbildung kann die Steuerschaltung die Wahl wie folgt steuern, Kanal 1, Kanal 1, Kanal 2, Kanal 2 ...Kanal N, Kanal N. Es sind auch andere nicht-sequentielle Muster möglich und werden innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Offenbarung in Betracht gezogen, wie etwa Kanal 1, Kanal 3, Kanal 2, Kanal 4 und so weiter.
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Bei Ausbildungen, die ein Zerhacken beinhalten, kann die Steuerschaltung 44 ein erstes Chop-Signal, z.B. ein logisches H-Signal, ausgeben, um die Chop-Schalter, z.B. Chop-Schalter 30, 32 in 1 (oder 3), in einem ersten Chop-Zyklus zu steuern. Das Zerhacken kann mit einer „N“-fach langsameren Rate als das ADW-Erfassungssignal 84 erfolgen, so dass sich alle „N“ Kanäle den Chop-Zyklus teilen können. In einem zweiten Chop-Zyklus kann die Steuerschaltung 44 ein zweites Chop-Signal, z.B. ein logisches L-Signal, ausgeben, um die Chop-Schalter zu steuern.
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Außerdem können die Gain-Verstärkerschaltung, z.B. die Verstärkerschaltung 28 von 1 (oder 3), z.B. ein kapazitiver Gain-Verstärker, automatisch genullt werden. Während jedes Chop-Zyklus kann jeder Kanal zuerst automatisch genullt werden (z.B. „AZ1“, AZ2" usw. des Verstärkermodussignals 82), um den Eingangsgleichtakt der Eingangskondensatoren der Verstärkerschaltung am Kanaleingang zu setzen und die DAW-Schaltung zurückzusetzen. Nach der Autonullungsphase, z.B. nach AZ1, kann die DAW-Schaltung auf das entsprechende Rückkopplungssignal gesetzt werden, wie durch die digitale Engine für diesen Kanal auf Basis von vergangenen Zyklen bestimmt. Die Verstärkerschaltung kann die Differenz zwischen dem Eingangssignal dieses Kanals und dem DAW-Rückkopplungssignal (z.B. „CH1“, „CH2“ und so weiter des Verstärkermodussignals 82) verstärken, um ein analoges Signal am ADW-Eingang 22 zu liefern.
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Bei einigen Beispielen kann eine ADW-Schaltung, z.B. ADW-Schaltung 20 von 1 (oder 3) das verstärkte Differenzsignal von der Verstärkerschaltung bei der falllenden Flanke des ADW-Erfassungssignals 84 erfassen. Die ADW-Schaltung kann das Signal verarbeiten, z.B. Bitversuche durchführen, wenn sich das ADW-Erfassungssignal 84 auf einem logischen L befindet. Das digitale Ausgangssignal für die ADW-Schaltung kann verarbeitet werden, um den digitalen Ausgang zu einem digitalen Kanal zu liefern, wie durch das ADW-OUT-Signal 86 gezeigt.
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Dieses digitale Signal kann durch die digitale Filterschaltung eines bestimmten digitalen Kanals, z.B. des digitalen Kanals 34A von 1 (oder 3) verarbeitet werden, und das entsprechende Ausgangssignal für diesen Kanal kann generiert werden. Da die Filterschaltung 36A digital ist, können die Verstärkerschaltung und die ADW-Schaltung das Signal für den nächsten Kanal verarbeiten, sobald der Eingang zu dem nächsten Kanal gemultiplext ist und der Verstärker für diesen Eingang automatisch genullt ist.
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Es sei angemerkt, dass das ADW-OUT-Signal 24 nicht bei dem Autonullen der Verstärkerschaltung auftreten muss. Beispielsweise kann die Autonull-AZ2 des Modussignals 82 auftreten, sobald die ADW-Schaltung das Eingangssignal von Kanal 1 erfasst. Dann kann die Steuerschaltung die Eingangsmultiplexerschaltung steuern, um mit dem Kanal 2 zu verbinden, die DAW-Schaltung kann zurückgesetzt werden und die analoge Schaltung kann mit Verarbeiten der Daten von Kanal 2 beginnen.
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3 ist ein Blockdiagramm eines anderen Beispiels einer gemultiplexten mehrkanaligen Sigma-Delta-ADW-Schaltung 100 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Einige der in Schaltung 100 von 3 gezeigten Elemente sind jenen oben bezüglich der Schaltung 10 von 1 gezeigten und beschriebenen ähnlich. Der Kürze halber werden die neuen Merkmale ausführlich beschrieben.
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Die Schaltung 100 von 3 kann eine Quantisierungsfehler-Kompensationsschaltung 102 aufweisen, um das Ausgangssignal der analogen Schaltung 24 (was auch der digitale Eingang der digitalen Filterschaltung 36A ist, als Beispiel) mit dem digitalen Eingangssignal der DAW-Schaltung zu kombinieren und ein Quantisierungsfehler-kompensiertes Signal an das digitale Dezimierungsfilter, z.B. Signal 50A, auszugeben. Bei dem in 3 gezeigten Beispiel können die beiden Eingänge unter Verwendung eines Verhältnisses von 1/GE kombiniert werden, wobei GE die feste Verstärkung der Gain-Verstärkerschaltung 28 ist.
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Ein realistischer Verstärker-Gain-Fehler (GA) kann das Schleifenquantisierungsrauschen zurückschicken, aber sein Beitrag kann unter Verwendung der Techniken von 3 signifikant unterdrückt werden. Der Verstärker-Gain-Fehler wirkt sich nicht auf die Signalübertragungsfunktion (STF) im interessierenden Band aus, da die Schleifenverstärkung im interessierenden Band hoch sein kann. Der Verstärkungsfehler der DAW-Schaltung kann direkt an der STF erscheinen.
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Weitere Informationen bezüglich der Techniken von
3 findet man in der am 13. Juni 2017 eingereichten
US-Patentanmeldung Nr. 15/621,621 „Quantization Noise Cancellation in a Feedback Loop“ an Kalb et al., deren ganzer Inhalt durch Bezugnahme hier aufgenommen ist einschließlich ihrer Beschreibung von Quantisierungsrauschen-Auslöschungstechniken.
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4 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm einer gemultiplexten mehrkanaligen Sigma-Delta-ADW-Schaltung 200 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die Schaltung 200 von 4 kann die Techniken von 1 und 3 umsetzen und zeigt deutlicher die Parallelschaltung der digitalen Kanäle 34A-34N und wie jeder der digitalen Kanäle 34A-34N ein jeweiliges digitales Ausgangssignal 56A-56N entsprechend einem bestimmten der empfangenen analogen Eingangssignale 16A-16N ausgibt.
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Die in der vorliegenden Offenbarung beschriebenen Architekturen können das Verarbeiten von Eingangssignalen von unterschiedlichen Bandbreiten, Eingangsbereichen und SVR-Anforderungen in einer gemultiplexten Operation gestatten. Eine nichtbeschränkende veranschaulichende Ausbildung wird wie folgt beschrieben. Die in der vorliegenden Offenbarung beschriebenen Sigma-Delta-ADW-Schaltungsarchitekturen können dazu ausgebildet sein, acht gemultiplexte Kanäle zu unterstützen. Der Gain-Verstärker kann ein CGA mit einer festen Verstärkung von 16 sein. Die ADW-Schaltung kann eine mit 2 MHz abtastender SAR-ADW mit einer Auflösung von 14 Bit sein. Die DAW-Schaltung kann ein 7-Bit-DAW und in einigen Beispielen rauschgeformt sein.
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Bei einigen beispielhaften Umsetzungen kann die Sigma-Delta-ADW-Schaltung bis zu 5 V-Eingangssignale verarbeiten und 18-Bit-SRV bei 625 Abtastwerten pro Sekunde (sps) mit einer Überabtastrate (OSR) von 200) liefern. Einige wenige der digitalen Kanäle können ohne die digitale Rückkopplungsschleife arbeiten, wenn die DAW-Schaltung abgetrennt oder deaktiviert ist. Mit dem CGA-Gewinn von 1 können diese Kanäle bis zu 5 V-Eingangssignale verarbeiten und einen Ausgang mit einer Auflösung von 305 uV bei 250 ksps liefern. Bei einem CGA-Gewinn von 16 können einige Kanäle bis zu 300 mV-Eingangssignale verarbeiten und einen Ausgang bei einer Auflösung von 18,3 uV bei 250 ksps liefern. Die in der vorliegenden Offenbarung beschriebenen Wandlerarchitekturen können diese verschiedenen Eingangssignale unterstützen und sie mit der gleichen gemeinsamen analogen Signalkette Zyklus für Zyklus verarbeiten.
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Eine Sigma-Delta-ADW-Schaltung mit einer analogen Schleifenfilterschaltung kann zwischen verschiedenen Eingängen gemultiplext werden, indem der Speicher der analogen Schleifenfilterintegrierer und das digitale Dezimierungsfilter ausgeräumt und mit neuen Daten für den aktuellen Eingang gefüllt wird. Das Füllen des Speichers kann jedoch bezüglich der Abtastfrequenz langsam sein, weil die Informationen über die vergangene Vorgeschichte aufgebaut werden müssen, bevor sinnvolle Ausgangsdaten generiert werden können. Somit kann die Multiplexierrate zwischen Kanälen unter Verwendung einer Sigma-Delta-ADW-Schaltung durch ein solches Speicherausräumen verlangsamt werden. Eine gemultiplexte Sigma-Delta-ADW-Schaltung wird beschrieben, die diese Probleme überwinden kann, so dass ein Abtasten von mehreren Kanälen Zyklus für Zyklus ermöglicht wird. Diese Techniken können eine schnelle Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler(ADW)-Schaltung bereitstellen, die eine kleine Fläche besitzt und die dynamisch über eine Anzahl von Kanälen multiplexieren kann.
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Verschiedene Anmerkungen
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Jeder bzw. jedes der nicht beschränkenden Aspekte oder Beispiele, die hierin beschrieben sind, kann für sich alleine stehen oder kann in verschiedenen Permutationen oder Kombinationen mit einem oder mehreren der anderen Beispiele kombiniert werden.
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Die obige detaillierte Beschreibung enthält Referenzen auf die beiliegenden Zeichnungen, die einen Teil der detaillierten Beschreibung bilden. Die Zeichnungen zeigen als Veranschaulichung vorgegebene Ausführungsformen, in denen die Erfindung praktiziert werden kann. Diese Ausführungsformen werden hierin auch als „Beispiele“ bezeichnet. Solche Beispiele können Elemente zusätzlich zu jenen gezeigten oder beschriebenen aufweisen. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung ziehen jedoch auch Beispiele in Betracht, in denen nur jene gezeigten oder beschriebenen Elemente vorgesehen sind. Zudem ziehen die Erfinder der vorliegenden Erfindung auch Beispiele in Betracht, die eine beliebige Kombination oder Permutation jener gezeigten oder beschriebenen Elemente (oder eines oder mehrerer Aspekte davon) entweder bezüglich eines bestimmten Beispiels (oder eines oder mehrerer Aspekte davon) oder bezüglich anderer Beispiele (oder eines oder mehrerer Aspekte davon), die hierin gezeigt oder beschrieben sind, verwenden.
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Im Fall von uneinheitlichen Verwendungen zwischen diesem Dokument und beliebigen, unter Bezugnahme so aufgenommenen Dokumenten, ist die Verwendung in diesem Dokument bestimmend.
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In diesem Dokument werden die Ausdrücke „ein/eine/einer“ verwendet, wie in Patentdokumenten üblich ist, um einen oder mehr als einen zu beinhalten, unabhängig von beliebigen anderen Instanzen oder Verwendungen von „mindestens ein“ oder „einer oder mehrere“. In diesem Dokument wird der Ausdruck „oder“ verwendet, um sich auf ein nicht exklusives Oder zu beziehen, so dass „A oder B“ „A, aber nicht B“, „B, aber nicht A“ und „A und B“ beinhaltet, sofern nicht etwas Anderes angegeben ist. In diesem Dokument werden die Ausdrücke „mit“ und „in denen“ als die Äquivalente der jeweiligen Ausdrücke „aufweisend“ und „wobei“ in einfachem Englisch verwendet. Außerdem sind in den folgenden Ansprüchen die Ausdrücke „mit“ und „aufweisend“ offen, das heißt, ein System, eine Einrichtung, ein Artikel, eine Zusammensetzung, eine Formulierung oder ein Prozess, die Elemente zusätzlich zu jenen nach einem derartigen Ausdruck in einem Anspruch aufgeführten enthalten, werden immer noch so angesehen, dass sie in den Schutzbereich dieses Anspruchs fallen. Zudem werden in den folgenden Ansprüchen die Ausdrücke „erster“, „zweiter“ und „dritter“ usw. lediglich als Bezeichnungen verwendet und sollen ihren Objekten keine numerischen Anforderungen auferlegen.
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Hierin beschriebene Verfahrensbeispiele können mindestens teilweise maschinen- oder computerimplementiert sein. Einige Beispiele können ein computerlesbares Medium oder ein maschinenlesbares Medium aufweisen, das mit Anweisungen codiert ist, die ausgeführt werden können, um eine Elektronikeinrichtung auszubilden, Verfahren, wie in den obigen Beispielen beschrieben, durchzuführen. Eine Umsetzung solcher Verfahren kann einen Code wie etwa einen Mikrocode, einen Assemblersprachencode, einen Sprachencode auf höherer Ebene oder dergleichen beinhalten. Ein derartiger Code kann computerlesbare Anweisungen zum Durchführen verschiedener Verfahren enthalten. Der Code kann Abschnitte von Computerprogrammprodukten bilden. Ferner kann in einem Beispiel der Code dinglich auf einem oder mehreren flüchtigen, nicht vorübergehenden oder nichtflüchtigen dinglichen computerlesbaren Medien wie etwa während einer Ausführung oder zu anderen Zeiten gespeichert sein. Zu Beispielen für diese dinglichen computerlesbaren Medien können unter anderem Festplatten, entfernbare Magnetplatten, entfernbare optische Platten (z. B. Compact Discs und Digital Video Discs), Magnetkassetten, Speicherkarten oder Speichersticks, Direktzugriffsspeicher (RAMs), Festwertspeicher (ROMs) und dergleichen zählen.
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Die obige Beschreibung soll veranschaulichend und nicht restriktiv sein. Beispielsweise können die oben beschriebenen Beispiele (oder ein oder mehrere Aspekte davon) in Kombination miteinander verwendet werden. Andere Ausführungsformen können verwendet werden, wie etwa durch einen Durchschnittsfachmann bei Betrachtung der obigen Beschreibung. Die Zusammenfassung wird in Erfüllung von 37 C.F.R. §1.72(b) vorgelegt, damit der Leser die Natur der technischen Offenbarung schnell feststellen kann. Sie wird in dem Verständnis vorgelegt, dass sie nicht verwendet wird, um den Schutzbereich oder die Bedeutung der Ansprüche zu interpretieren oder zu beschränken. Außerdem können in der obigen detaillierten Beschreibung verschiedene Merkmale miteinander gruppiert sein, um die Offenbarung zu vereinfachen. Dies sollte nicht so ausgelegt werden, dass damit beabsichtigt wird, dass ein unbeanspruchtes offenbartes Merkmal für irgendeinen Anspruch essentiell ist. Vielmehr kann der erfindungsgemäße Gegenstand in weniger als allen Merkmalen einer bestimmten offenbarten Ausführungsform liegen. Somit sind die folgenden Ansprüche hiermit als Beispiele oder Ausführungsformen in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch als eine separate Ausführungsform für sich selbst steht, und es wird in Betracht gezogen, dass solche Ausführungsformen in verschiedenen Kombinationen oder Permutationen miteinander kombiniert werden können. Der Schutzbereich der Erfindung sollte unter Bezugnahme auf die beiliegenden Ansprüche zusammen mit dem vollen Umfang an Äquivalenten, auf den solche Ansprüche einen Anspruch haben, bestimmt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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