DE10233392B4

DE10233392B4 - Analog/Digital-Modulator

Info

Publication number: DE10233392B4
Application number: DE2002133392
Authority: DE
Inventors: Peter Laaser
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Intel Germany Holding GmbH
Priority date: 2002-07-23
Filing date: 2002-07-23
Publication date: 2006-08-17
Anticipated expiration: 2022-07-24
Also published as: DE10233392A1

Abstract

Analog/Digital-Modulator,
mit einem Vorwärtspfad mit einer Quantisiereinrichtung (2) zur Quantisierung eines Differenzsignals (d) aus einem analogen Eingangssignal (x) und einem Rückkopplungssignal (y'''),
mit einem Rückkopplungspfad zur Rückführung des aus einem von der Quantisiereinrichtung (2) ausgegebenen quantisierten Signal (y) abgeleiteten Rückkopplungssignals (y'''), wobei der Rückkopplungspfad eine Gewichtungseinrichtung (5) mit einer Übertragungsfunktion (F₂) aufweist,
mit einem Auswertungssignalpfad mit einem Analog/Digital-Wandler (7) zur Auswertung des Differenzsignals (d), wobei der Auswertungssignalpfad zudem eine dem Analog/Digital-Wandler (7) vorgeschaltete Gewichtungseinrichtung (6) zur Gewichtung des Fehlersignals (d) mit einer Übertragungsfunktion (F₃) und eine dem Analog/Digital-Wandler (7) nachgeschaltete Gewichtungseinrichtung (8) zur Gewichtung eines von dem Analog/Digital-Wandler (7) ausgegebenen Signals mit einer weiteren Übertragungsfunktion (F₄) umfasst, und
mit einer Addiereinrichtung (11) zur Addition des von dem Auswertungssignalpfad ausgewerteten und mit den Gewichtungseinrichtungen (6, 8) des Auswertungssignalpfads gewichteten Differenzsignals (d) mit einem aus dem von der Quantisiereinrichtung (2) ausgegebenen Signal (y) abgeleiteten Signal, um somit ein...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Analog/Digital-Modulator (A/D-Modulator) mit Rückführung des digitalisierten Ausgangssignals, wie z.B. einen Sigma-Delta-Modulator, einen interpolierenden A/D-Modulator, einen Delta-A/D-Modulator oder einen selbstoszillierenden A/D-Modulator.

6A zeigt den prinzipiellen Aufbau eines derartigen A/D-Modulators mit Rückführung des digitalisierten Ausgangssignals. Dabei ist dem A/D-Modulator ein analoges Eingangssignal x zugeführt, von dem eingangsseitig ein Rückkopplungssignal y''' subtrahiert wird, um somit ein Differenzsignal d = x – y''' zu erhalten. Der A/D-Modulator umfasst einen Vorwärtspfad mit einer ersten Gewichtungseinrichtung 1, durch welche das Differenzsignal d mit einer Übertragungsfunktion F₁(f) gewichtet und somit ein Signal y' generiert wird. Des Weiteren umfasst der Vorwärtspfad einen Quantisierer 2, welcher durch Quantisierung des Signals y' das digitalisierte Ausgangssignal y erzeugt, welches vorzugsweise über ein digitales Tiefpassfilter 3 ausgegeben wird, um somit ein gefiltertes digitalisiertes Ausgangssignal z zu erhalten. Das Rückkopplungssignal y''' entsteht durch Gewichtung eines Signals y'' mit einer zweiten Übertragungsfunktion F₂(f) mit Hilfe einer zweiten Gewichtungseinrichtung 5, wobei das Signal y'' wiederum durch D/A-Wandlung des digitalisierten Ausgangssignals y des Quantisierers 2 mit Hilfe eines D/A-Wandlers 4 erhalten wird. In 6A ist der A/D-Modulator durch eine gestrichelte Linie in zwei Hälften unterteilt, wobei es sich bei der linken Hälfte um den analogen Schaltungsabschnitt und bei der rechten Hälfte um den digitalen Schaltungsabschnitt des A/D-Modulators handelt. Mit n ist die Bitbreite des digitalisierten Ausgangssignals bezeichnet.

Bei 6A handelt es sich um die Darstellung eines A/D-Modulators mit einem nicht linearen Quantisierer 2. Wie in 6B gezeigt ist, kann die Quantisierungsstufe 2 auch durch ein der Gewichtungseinrichtung 1 nachgeschaltetes lineares Verstärkungsglied 10 mit einem Verstärkungsfaktor G und nachfolgender Addition eines Quantisierungsfehlersignal q in Form eines linearisierten Quantisierermodells modelliert werden.

Die Ausführung der Übertragungsfunktionen F₁(f) und F₂(f) bestimmt das Wandlerverhalten des A/D-Modulators.

Für einen Sigma-Delta-Modulator entspricht die Übertragungsfunktion F₁(f) der Übertragungsfunktion eines (gegebenenfalls mehrstufigen) Integrators bzw. ist derart gewählt, dass das Rückkopplungssignal y''' im Wesentlichen proportional zum Integral des Differenzsignals d = x – y''' ist. Die Übertragungsfunktion F₂(f) entspricht einer Konstante bzw. ist derart gewählt, dass das Rückkopplungssignal y''' im Wesentlichen proportional zu dem Signal y'' ist. Als Gewichtungseinrichtung 5 mit der Übertragungsfunktion F₂(f) kann auch ein analoges Filter mit einer Eckfrequenz fc eingesetzt werden, welche im Wesentlichen der Abtastfrequenz fs des A/D-Modulators entspricht.

Zur Realisierung eines Delta-Modulators entspricht die Übertragungsfunktion F₁(f) einer Konstante bzw. ist derart gewählt, dass das Rückkopplungssignal y''' im Wesentlichen proportional zu dem Differenzsignal d = x – y''' ist. In diesem Fall wird für die Übertragungsfunktion F₂(f) ein Integrator verwendet bzw. die Übertragungsfunktion F₂(f) ist derart gewählt, dass das Rückkopplungssignal y''' im Wesentlichen proportional zum Integral des Signals y'' ist.

Soll ein interpolierender A/D-Modulator erhalten werden, ist die Gewichtungseinrichtung 1 mit der Übertragungsfunktion F₁(f) ein analoges Filter bzw. ein (unter Umständen mehrstu figer) Integrator. Die Übertragungsfunktion F₂(f) ist derart gewählt, dass das Rückkopplungssignal y''' durch Multiplikation des Signals y'' mit einer Konstante erhalten wird.

Ein sogenannter selbstoszillierender A/D-Modulator wird erhalten, wenn die Übertragungsfunktion F₁(f) als Konstante bzw. als Übertragungsfunktion eines analogen Filters gewählt wird, während die Übertragungsfunktion F₂(f) die Übertragungsfunktion eines Tiefpassfilters mit einer Eckfrequenz fc ist, welche deutlich geringer als die Abtastfrequenz fs des A/D-Modulators ist.

Der Einfachheit halber wird der D/A-Wandler 4 bei der folgenden Betrachtung als idealisiert angenommen.

Für die Frequenzspektren der in 6A bzw. 6B dargestellten Signale gelten somit folgende Zusammenhänge: D(f) = X(f) – Y'''(f) (1) Y'''(f) = F2(f)·Y''(f) (2) Y''(f) = Y(f) (3) Y'(f) = F1(f)·D(f) (4) Y(f) = Y'(f)·G + Q(f) (5)

Nach Umformung der obigen Gleichungen ergibt sich für das Frequenzspektrum Y(f) des digitalisierten Ausgangssignals y(t):

Der zweite Term der Gleichung (6) enthält den Quantisierungsfehler Q(f). Die Auflösung des A/D-Modulators ist durch diesen Quantisierungsfehler begrenzt. Zur Erhöhung der Modulator- bzw. Wandlerauflösung kann zum einen die Auflösung der Quantisierungsstufe erhöht werden, d.h. es kann ein Quantisierer 2 mit einem kleineren Quantisierungsfehler verwendet werden. Dies erhöht jedoch unmittelbar die Anforderungen an den Quantisierer 2 und den D/A-Wandler 4, da der D/A-Wandle_r 4 mit einer höheren Auflösung betrieben werden muss. Zum anderen kann der Nenner des rechten Terms der Gleichung (6) erhöht werden, was beispielsweise durch Vergrößerung des Verstärkungsfaktors bei Implementierung der Gewichtungseinrichtung 1 als Integrator bzw. sogar als mehrstufiger Integrator erhalten werden kann (Integratoren haben für f = 0 eine unendlich hohe Verstärkung). Das Einfügen aktiver Elemente in den A/D-Modulator erhöht jedoch in der Regel den Leistungsverbrauch.

Aus der EP 0 060 583 A1 und der DE 38 83 081 T2 ist ein A/D-Modulator mit einem Vorwärtspfad mit einer Quantisiereinrichtung zur Quantisierung eines Differenzsignals aus einem analogen Eingangssignal und einem Rückkopplungssignal und mit einem Rückkopplungspfad zu Rückführung des aus einem von der Quantisiereinrichtung ausgegebenen quantisierten Signal abgeleiteten Rückkopplungssignals bekannt. Darüber hinaus ist bei diesen A/D-Modulatoren ein Auswertungssignalpfad mit einem A/D-Wandler zur Auswertung eines im Vorwärtspfad geführten und einen Quantisierungsfehler der Quantisiereinrichtung enthaltenden Fehlersignals vorgesehen, wobei mit Hilfe einer Addiereinrichtung das von dem Auswertungssignalpfad verarbeitete Fehlersignal mit einem aus dem von der Quantisiereinrichtung ausgegebenen Signal abgeleiteten Signal addiert wird, um somit ein dem analogen Eingangssignal entsprechendes digitales Ausgangssignal zu erhalten.

Die US 5,959,562 A offenbart einen A/D-Modulator in Form eines Sigma-Delta-Modulators, wobei das Rückkopplungssignal über einem D/A-Wandler vom Ausgang der im Vorwärtspfad vorgesehenen Quantisiereinrichtung zurückgeführt wird. Das Ausgangssignal des A/D-Modulators wird über ein digitales Filter ausgegeben.

In NEITOLA, M. et al.: "Study of Fully Digital Error Correction in Multibit Delta-Sigma A/D Converters", IEEE International Symposium on Circuits and Systems, 2002, 26.–29. May 2002, Seiten 624–627, sind weitere A/D-Modulatoren in Form von Multibit-Delta-Sigma-A/D-Wandlern bekannt, wobei mit Hilfe eines Auswertungssignalpfads ein Fehlersignal in Form eines Ausgangssignals des jeweiligen Wandlers zur Fehlerkorrektur ausgewertet wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen A/D-Modulator mit erhöhter Auflösung bei geringem zusätzlichen schaltungstechnischen Aufwand und gleichzeitig ohne Erhöhung des Leistungsverbrauchs bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen A/D-Modulator mit den in den Ansprüchen 1 oder 2 angegebenen Merkmalen gelöst. Die Unteransprüche definieren jeweils bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

Die vorliegende Erfindung schlägt vor, ein im Vorwärtspfad des A/D-Modulators geführtes internes Signal zur Erhöhung der Modulator- bzw. Wandlerauflösung auszuwerten. Dieses ausgewertete interne Signal enthält den (gewichteten) Quantisierungsfehler, wobei durch Addition des auf geeignete Art und Weise ausgewerteten Vorwärtspfadsignals des A/D-Modulators zu dem von dem Quantisierer des A/D-Modulators ausgegebenen digitalisierten Ausgangssignal ein neues digitalisiertes Ausgangssignal erhalten werden kann, bei dem der Quantisierungsfehler des Quantisierers keine Rolle mehr spielt, so dass der A/D-Modulator (bei idealen Schaltungselementen) eine im Prinzip beliebig genaue Wandlerauflösung aufweist. Die Auswertung des im Vorwärtspfad des A/D-Modulators geführten internen Signals erfolgt über einen A/D-Wandler.

Als auszuwertendes internes Signal des A/D-Modulators (welches auch als Restfehlersignal bezeichnet werden kann) eignet sich das Differenzsignal aus dem analogen Eingangssignal und dem Rückkopplungssignal oder das im Vorwärtspfad des A/D-Modulators über eine Gewichtungseinrichtung dem Quantisierer zugeführte Signal, welches aus dem Differenzsignal hervorgeht. Hierzu wird die bereits bekannte Schaltung des A/D-Modulators um den zuvor erwähnten A/D-Wandler mit einer vor- bzw. nachgeschalteten Übertragungsfunktion zur Auswertung des entsprechenden internen Signals des A/D-Modulators sowie gegebenenfalls zusätzlich einen Block zur Filterung des digitalisierten Ausgangssignals des Quantisierers und eine Addiereinheit zur Addition des gegebenenfalls gefilterten digitalisierten Ausgangssignals des Quantisierers und des ausgewerteten internen Restfehlersignals des A/D-Modulators erweitert.

Die kleine Amplitude des ausgewerteten und im Vorwärtspfad des A/D-Modulators geführten internen Signals erlaubt die Einführung eines Verstärkungsfaktors K, so dass die notwendige Auflösung des zur Auswertung des internen Signals zusätzlich vorgesehenen A/D-Wandlers um den Verstärkungsfaktor K reduziert werden kann. Für die Implementierung des A/D-Wandlers zur Auswertung des internen Signals bzw. des Restfehlersignals kann prinzipiell jeder Wandlertyp, beispielsweise ein Flash-, Sigma-Delta- oder selbstoszillierender Wandler etc., eingesetzt werden.

Die vorliegende Erfindung eignet sich allgemein für jede Art von A/D-Modulatoren mit Rückkopplung des digitalisierten Ausgangssignals, wie z.B. Sigma-Delta-Modulatoren, interpolierende A/D-Modulatoren, Delta-A/D-Modulatoren oder selbstoszillierende A/D-Modulatoren.

Während bei herkömmlichen A/D-Modulatoren die Auflösung durch das Quantisierungsrauschen des Quantisierers bzw. des rückgekoppelten Signals begrenzt ist, wird bei der vorliegenden Erfindung der Einfluss des Quantisierungsrauschens reduziert und somit die Auflösung des A/D-Modulators bei gleich bleibendem Quantisierungsrauschen des rückgekoppelten Signals erhöht.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend näher unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele erläutert.

1 zeigt einen A/D-Modulator gemäß einem ersten bzw. zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
2 zeigt die Ergebnisse einer Matlab-Simulation eines erfindungsgemäßen A/D-Modulators,
3 zeigt eine mögliche schaltungstechnische Realisierung eines erfindungsgemäßen A/D-Modulators in Form eines selbstoszillierenden A/D-Wandlers,
4 zeigt eine mögliche hardwareeffiziente schaltungstechnische Realisierung eines erfindungsgemäßen A/D-Modulators in Form eines selbstoszillierenden A/D-Wandlers,
5 zeigt eine weitere hardwareeffiziente schaltungstechnische Realisierung eines erfindungsgemäßen A/D-Modulators in Form eines A/D-Wandlers, und
6A und 6B zeigen Darstellungen eines A/D-Modulators gemäß dem Stand der Technik.
Die vorliegende Erfindung schlägt vor, die Wandler- bzw. Modulatorauflösung durch Auswertung eines im Vorwärtspfad des A/D-Modulators geführten internen Signals zu erhöhen. Hierzu kommt insbesondere das Differenzsignal d oder das dem Quantisierer zugeführte Signal y', welches aus dem Differenzsignal d hervorgeht, in Frage (vgl. 6A und 6B). Für die Frequenzspektren dieser beiden Signale gilt nach Umformung der obigen Gleichungen (1)–(6):
Der zweite Term auf der rechten Seite der Gleichungen (7) und (8) beschreibt einen Ausdruck für den Quantisierungsfehler. Durch geschickte Addition der Gleichung (6) mit Gleichung (7) bzw. mit Gleichung (8) kann die Auflösung des A/D-Modulators erhöht werden.
In 1 ist eine entsprechende Schaltung eines erfindungsgemäßen A/D-Modulators dargestellt, wobei im Vergleich zu dem in 6A bzw. 6B dargestellten herkömmlichen A/D-Modulator zusätzliche Schaltungskomponenten zur Auswertung des jeweiligen im Vorwärtspfad des A/D-Modulators geführten Signals und zur Addition des auf diese Weise ausgewerteten Signals (welches auch als Restfehlersignal bezeichnet werden kann) zu dem von dem Quantisierer erzeugten digitalisierten Ausgangssignal vorhanden sind. Bezüglich derjenigen in 1 dargestellten Schaltungskomponenten bzw. Signale, welche bereits zuvor anhand 6A und 6B erläutert worden sind, kann auf die obige Beschreibung verwiesen werden, um Wiederholungen zu vermeiden.
Insbesondere umfasst der in 1 dargestellte A/D-Modulator zusätzlich zu den bereits in 6A bzw. 6B dargestellten Schaltungskomponenten einen Signalpfad zur Auswertung des Differenzsignals d bzw. des dem Quantisierer 2 zugeführten Signals y', welches durch Gewichtung mit der Übertragungsfunktion F₁(f) aus dem Differenzsignal d hervorgeht. Dieser Signalpfad zur Auswertung des Differenzsignals d bzw. des Signals y' umfasst als wesentliche Komponente einen A/D-Wandler 7. Zudem ist bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eine dem A/D-Wandler 7 vorgeschaltete Gewichtungseinrichtung 6 mit einer Übertragungsfunktion F₃(f) und eine dem A/D-Wandler 7 nachgeschaltete Gewichtungseinrichtung 8 mit einer Übertragungsfunktion F₄(f) vorhanden. Das von dem Auswertungssignalpfad, welcher gemäß 1 zu dem Vorwärtspfad des A/D-Modulators parallel geschaltet ist, aufbereitete Restfehlersignal wird einer Addiereinrichtung 11 zugeführt und dort mit einem aus dem digitalisierten Ausgangssignal y abgeleiteten Signal addiert. Hierzu ist gemäß 1 eine Gewichtungseinrichtung 9 zur Gewichtung des digitalisierten Ausgangssignals y mit einer Übertragungsfunktion F₅(f) vorgesehen, wobei es sich hier insbesondere um ein digitales Filter handeln kann. Die Übertragungsfunktionen F₃(f)–F₅(f) können abhängig von dem jeweils implementierten Ausführungsbeispiel unterschiedlich gewählt sein, was nachfolgend näher erläutert werden soll.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, das Differenzsignal d als Restfehlersignal auszuwerten.
Werden die Übertragungsfunktionen F₃(f)–F₅(f) wie folgt gewählt: F3(f) = F4(f) = 1 F5(f) = F2(f) (9),so ergibt sich für das Frequenzspektrum Y_ges(f) des von der Addiereinrichtung 11 erzeugten digitalen Ausgangssignals y_ges: Yges(f) = Y(f)·F2(f) + D(f) = X(f) (10)
Ebenso können die Übertragungsfunktionen zur Auswertung des Differenzsignals d auch wie folgt gewählt werden:
In diesem Fall gilt dann:
Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, als Restfehlersignal das dem Qantisierer 2 zugeführte Signal y', welches durch Gewichtung mit der Übertragungsfunktion F₁(f) aus dem Differenzsignal d hervorgeht, auszuwerten.
Hierzu können die Übertragungsfunktionen F₃(f)–F₅(f) beispielsweise wie folgt gewählt werden: F3(f) = F4(f) = 1 F5(f) = F1(f)·F2(f) (13)
Für das Frequenzspektrum Y_ges(f) ergibt sich dann: Yges(f) = Y(f)·F1(f)·F2(f) + D(f)·F1(f) = X(f)·F1(f) (14)
Gemäß einer Variante können die Übertragungsfunktionen F₃(f)–F₅(f) auch folgendermaßen gewählt werden:
In diesem Fall gilt dann:
Je nach Modulatortyp kann eine der Ausführungsformen gemäß den Gleichungen (10), (12), (14) oder (16) verwendet werden.
Die Amplitude des mit Hilfe der Addiereinrichtung 11 aufaddierten und ausgewerteten Restfehlersignals, welches entweder dem Differenzsignal d oder dem Signal y' entspricht, ist näherungsweise um den Faktor F₁(f)·G (bei Verwendung des Differenzsignals d als Restfehlersignal) oder um den Faktor G (bei Verwendung des Signals y' als Restfehlersignal) kleiner als die Amplitude des am Quantisierereingang anliegenden Signals y'. Durch die Einführung eines Verstärkungsfaktors in den in 1 parallel geschalteten Auswertungssignalpfad kann der Aussteuerbereich des A/D-Wandlers 7 besser ausgenutzt werden. Bei Auswertung des Differenzsignals d als Restfehlersignal kann der Verstärkungsfaktor K wie folgt gewählt werden: K = Const·F1(f)·G (17)
Bei Auswertung des Signals y' als Restfehlersignal ist der Verstärkungsfaktor K wie folgt zu wählen: K = Const·G (18)
Dieser Verstärkungsfaktor K ist in dem Auswertungssignalpfad derart zu berücksichtigen, dass ausgehend von den Übertragungsfunktionen F₃(f) und F₄(f) neue Übertragungsfunktionen F₃'(f) und F₄'(f) wie folgt erhalten werden:
Das heißt vor dem A/D-Wandler 7 erfolgt eine Multiplikation mit dem Verstärkungsfaktor K, während anschließend das von dem A/D-Wandler 7 ausgegebene Signal um den Faktor 1/K reduziert wird. Hierdurch kann die notwendige Auflösung des A/D-Wandlers 7 um den Faktor K reduziert werden.
2 zeigt das Ergebnis einer Matlab-Simulation eines erfindungsgemäß ausgestalteten A/D-Modulators mit einer doppel logarithmisch Signaldarstellung im Frequenzbereich. Die in 2 dargestellte Kennlinie a entspricht dem Frequenzspektrum X(f) des analogen Eingangssignals x, während die Kennlinie b dem Frequenzspektrum Y_ges(f) des digitalen Ausgangssignals y_ges der Addiereinrichtung 11 entspricht. Zum Vergleich ist in 2 auch das Frequenzspektrum Y(f) eines in 6A bzw. 6B dargestellten herkömmlichen A/D-Modulators ohne Restfehlerkompensation dargestellt (Kennlinie c). Die Eingangsfrequenz betrug 10 kHz, während die Schrittweite 5 ns betrug. Die Signale wurden jeweils vor der Durchführung der entsprechenden Fast-Fourier-Transformation mit einem Blackman-Harris-Fenster gewichtet. Aus 2 ist ersichtlich, dass die Kennlinie b im Vergleich zu der Kennlinie c exakter der Kennlinie a angenähert ist.
In 3 ist ein Beispiel eines erfindungsgemäßen A/D-Modulators in Form eines selbstoszillierenden A/D-Wandlers dargestellt.
Ein selbstoszillierender A/D-Wandler wird erhalten, wenn die Übertragungsfunktion F₁(f) der Gewichtungseinrichtung 1 eine Konstante ist oder die Gewichtungseinrichtung 1 einem analogen Filter entspricht und gleichzeitig die Gewichtungseinrichtung 5 im Rückkopplungspfad des A/D-Modulators ein analoges Tiefpassfilter ist. Gemäß 3 umfasst die Gewichtungseinrichtung 5 somit Widerstände R₁, R₂ und Kapazitäten C₁, C₂. Die Differenzbildung zwischen dem analogen Eingangssignal x und dem Rückkopplungssignal y''' erfolgt über einen Spannungsteiler mit weiteren Widerständen R₃, R₄ und einer weiteren Kapazität C₃. Als Quantisierer bzw. Komparator 2 wird bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ein einfacher Inverter verwendet, welcher somit das digitalisierte Ausgangssignal –y erzeugt. Zur Generierung des Rückkopplungssignals kann einfach die Vorzeicheninformation des Restfehlers verwendet werden (2ⁿ = 1), so dass in 3 kein separater D/A-Wandler 4 dargestellt ist.
Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Restfehlerkompensation nach Gleichung (14). Demzufolge ist ein digitaler Tiefpass 9 zur Tiefpassfilterung des digitalisierten Ausgangssignals –y vorgesehen. Um die Anforderungen an die Auflösung und die Offseteigenschaften des A/D-Wandlers 7 zur Auswertung des Restfehlersignals zu reduzieren ist ein Operationsverstärker (Verstärkungsfaktor K), welcher mit Widerständen R₅ und R₆ verschaltet ist, als aktives Element zur Anpassung des Restfehlersignals an den Eingangsaussteuerbereich des A/D-Wandlers 7, bei dem es sich insbesondere um einen Flash-A/D-Wandler handelt, eingefügt. Der Widerstandswert des Widerstands R₆ entspricht dem K-fachen Widerstandswert des Widerstands R₅. Auf diese Weise wird das ausgewertete Restfehlersignal vor dem A/D-Wandler 7 mit dem Skalierungsfaktor K multipliziert, wobei der Skalierungsfaktor bei der Addition durch die Addiereinrichtung 11 wieder berücksichtigt werden muss. Hierzu erfolgt nach dem A/D-Wandler 7 eine Multiplikation mit 1/K.
Auf Grund von Prozessschwankungen ist die Eckfrequenz des analogen Tiefpassfilters 5 möglicherweise nicht genau bestimmt bzw. die Genauigkeit der Restfehlerkompensation möglicherweise Performance-limitierend. Dies kann durch Fusen bzw. Selbstkalibration im analogen oder digitalen Bereich kompensiert werden.
4 zeigt eine hardwareeffiziente Realisierung des in 3 dargestellten A/D-Modulators in Form eines selbstoszillierenden A/D-Wandlers mit Restfehlerkompensation. Die in 4 gezeigten Widerstände R₃, R₄, R₆ besitzen alle denselben Widerstandswert. Dabei ist gegenüber 3 der Operationsverstärker 6 sowohl zur Erhöhung des Gainfaktors G als auch zur Anpassung des Restfehlersignals an den Aussteuerbereich des nachgeschalteten Flash-A/D-Wandlers in den Haupt- bzw. Vorwärtspfad integriert. Der Flash-A/D-Wandler erfüllt sowohl die Funktion des in 1 dargestellten Quantisierers 2 als auch des A/D-Wandlers 7. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 6 entspricht dem Signal –d·G. Zur Generierung des rückgekoppelten Signals kann wiederum lediglich die Vorzeicheninformation des Restfehlers oder das mit feinerer Auflösung gewandelte Ausgangssignal des Flash-A/D-Wandlers (n ≤ m, n ≥ 1) verwendet werden. Im zweitgenannten Fall entsteht dabei insbesondere ein selbstoszillierender Multibit-A/D-Wandler.
5 zeigt eine hardwareeffiziente Implementierung eines erfindungsgemäßen selbstoszillierenden A/D-Wandlers für eine Variante, bei welcher das Tiefpassfilter 5 mit dem Widerstand R₂ und der Kapazität C₂ komplett in den Vorwärtspfad des A/D-Wandlers geschoben wurde. Der in dem Vorwärtspfad ebenfalls angeordnete A/D-Wandler erfüllt wiederum analog zu 4 einerseits die Funktion des Quantisierers 2 und andererseits die Funktion des A/D-Wandlers 7 zur Auswertung des Restfehlersignals. Dem A/D-Wandler 2/7 ist wiederum eine Gewichtungs- bzw. Skalierungseinrichtung 8 zur Multiplikation des von dem A/D-Wandler 2/7 ausgegebenen Signals mit einem Faktor –1/K nachgeschaltet, wobei insbesondere gilt:
Die Übertragungsfunktion des Tiefpasses 5 lautet:
Die Übertragungsfunktion des digitalen Tiefpassfilters 9 ist derart gewählt, dass für seine Übertragungsfunktion gilt:
Das Frequenzspektrum des Ausgangssignals des digitalen Tiefpassfilters 9 entspricht dem Ausdruck –Y'(f)·1/(K·F₂(f)). Dabei gilt insbesondere folgender Zusammenhang:
Der D/A-Wandler 4 zur Bildung des analogen Rückkopplungssignals ist als sog. Switched-Current-D/A-Wandler ausgeführt und umfasst 2ⁿ Stromquellen, welche in Abhängigkeit von den komplementären Signalen y und y geschaltet werden. Für die Bitbreiten n und m gilt der Zusammenhang n ≤ m. Das nachgeschaltete Tiefpassfilter 5 dient sowohl zur Filterung der unerwünschten hochfrequenten Anteile des D/A-gewandelten Signals als auch als Antialiasing-Filter für das analoge Eingangssignal x.

Claims

Analog/Digital-Modulator, mit einem Vorwärtspfad mit einer Quantisiereinrichtung (2) zur Quantisierung eines Differenzsignals (d) aus einem analogen Eingangssignal (x) und einem Rückkopplungssignal (y'''), mit einem Rückkopplungspfad zur Rückführung des aus einem von der Quantisiereinrichtung (2) ausgegebenen quantisierten Signal (y) abgeleiteten Rückkopplungssignals (y'''), wobei der Rückkopplungspfad eine Gewichtungseinrichtung (5) mit einer Übertragungsfunktion (F₂) aufweist, mit einem Auswertungssignalpfad mit einem Analog/Digital-Wandler (7) zur Auswertung des Differenzsignals (d), wobei der Auswertungssignalpfad zudem eine dem Analog/Digital-Wandler (7) vorgeschaltete Gewichtungseinrichtung (6) zur Gewichtung des Fehlersignals (d) mit einer Übertragungsfunktion (F₃) und eine dem Analog/Digital-Wandler (7) nachgeschaltete Gewichtungseinrichtung (8) zur Gewichtung eines von dem Analog/Digital-Wandler (7) ausgegebenen Signals mit einer weiteren Übertragungsfunktion (F₄) umfasst, und mit einer Addiereinrichtung (11) zur Addition des von dem Auswertungssignalpfad ausgewerteten und mit den Gewichtungseinrichtungen (6, 8) des Auswertungssignalpfads gewichteten Differenzsignals (d) mit einem aus dem von der Quantisiereinrichtung (2) ausgegebenen Signal (y) abgeleiteten Signal, um somit ein dem analogen Eingangssignal (x) entsprechendes digitales Ausgangssignal (y_ges) zu erhalten, wobei das Produkt der Übertragungsfunktionen (F₃, F₄) der Gewichtungseinrichtungen (6, 8) des Auswertungssignalpfads der reziproken Übertragungsfunktion (F₂) der im Rückkopplungspfad angeordneten Gewichtungseinrichtung (5) entspricht oder die Übertragungsfunktion (F₃) der dem Analog/Digital-Wandler (7) vorgeschalteten Gewichtungseinrichtung (6) einen Verstärkungsfaktor K und die Übertragungsfunktion (F₄) der dem Analog/Digital-Wandler (7) nachgeschalteten Gewichtungseinrichtung (8) einen Dämpfungsfaktor 1/K umfasst.
Analog/Digital-Modulator, mit einem Vorwärtspfad mit einer Gewichtungseinrichtung (1) zur Gewichtung eines Differenzsignals (d) aus einem analogen Eingangssignal (x) und einem Rückkopplungssignal (y''') mit einer Übertragungsfunktion (F₁) und einer Quantisiereinrichtung (2) zur Quantisierung des mit der Übertragungsfunktion (F₁) gewichteten Differenzsignals (y'), mit einem Rückkopplungspfad zur Rückführung des aus einem von der Quantisiereinrichtung (2) ausgegebenen quantisierten Signal (y) abgeleiteten Rückkopplungssignals (y'''), wobei der Rückkopplungspfad eine Gewichtungseinrichtung (5) mit einer Übertragungsfunktion (F₂) aufweist, mit einem Auswertungssignalpfad mit einem Analog/Digital-Wandler (7) zur Auswertung des mit der Übertragungsfunktion (F₁) der im Vorwärtspfad angeordneten Gewichtungseinrichtung (1) gewichteten Differenzsignals (y'), wobei der Auswertungssignalpfad eine dem Analog/Digital-Wandler (7) vorgeschaltete Gewichtungseinrichtung (6) zur Gewichtung des gewichteten Differenzsignals (y') mit einer Übertragungsfunktion (F₃) und eine dem Analog/Digital-Wandler (7) nachgeschaltete Gewichtungseinrichtung (8) zur Gewichtung eines von dem Analog/Digital-Wandler (7) ausgegebenen Signals mit einer weiteren Übertragungsfunktion (F₄) umfasst, und mit einer Addiereinrichtung (11) zur Addition des von dem Auswertungssignalpfad ausgewerteten und gewichteten Differenzsignals (y') mit einem von der Quantisiereinrichtung (2) über eine Gewichtungseinrichtung (9) zur Gewichtung mit einer Übertragungsfunktion (F₅) ausgegebenen Signal (y), um somit ein dem analogen Eingangssignal (x) entsprechendes digitales Ausgangssignal (y_ges) zu erhalten, wobei die dem Analog/Digital-Wandler (7) des Auswertungssignalpfads vor- und nachgeschalteten Gewichtungseinrichtungen (6, 8) jeweils dem Wert 1 entsprechen und die Übertragungsfunktion (F₅) der zur Gewichtung des von der Quantisiereinrichtung (2) ausgegebenen Signals (y) vorgesehenen Gewichtungseinrichtung (9) dem Produkt aus der Übertragungsfunktion (F₁) der im Vorwärtspfad zur Gewichtung des Differenzsignals (d) vorgesehenen Gewichtungseinrichtung (1) und der Übertragungsfunktion (F₂) der im Rückkopplungspfad angeordneten Gewichtungseinrichtung (5) entspricht, oder wobei die Übertragungsfunktion (F₅) der zur Gewichtung des von der Quantisiereinrichtung (2) ausgegebenen Signals (y) vorgesehenen Gewichtungseinrichtung (9) dem Wert 1 entspricht und das Produkt der Übertragungsfunktionen (F₃, F₄) der dem Analog/Digital-Wandler (7) des Auswertungssignalpfads vor- und nachgeschalteten Gewichtungseinrichtungen (6, 8) dem reziproken Produkt der Übertragungsfunktionen (F₁, F₂) der im Vorwärtspfad zur Gewichtung des Differenzsignals (d) angeordneten Gewichtungseinrichtung (1) und der im Rückkopplungspfad angeordneten Gewichtungseinrichtung (5) entspricht.
Analog/Digital-Modulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das von der Addiereinrichtung (11) erzeugte digitale Ausgangssignal (y_ges) über ein digitales Tiefpassfilter (3) ausgegeben ist.
Analog/Digital-Modulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Analog/Digital-Modulator in Form eines selbstoszillierenden Analog/Digital-Wandlers ausgestaltet ist.
Analog/Digital-Modulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Auswertungssignalpfad einen dem Analog/Digital-Wandler (7) vorgeschalteten Verstärker (6) zur Anpassung des dem Analog/Digial-Wandler (7) zugeführten Signals an den Aussteuerbereich des Analog/Digital-Wandlers (7) umfasst.
Analog/Digital-Modulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Auswertungssignalpfad in den Vorwärtspfad des Analog/Digital-Modulators integriert ist.
Analog/Digital-Modulator nach Anspruch 6, bei dem der Analog/Digital-Wandler (7) zugleich die Funktion der Quantisiereinrichtung (2) erfüllt.
Analog/Digital-Modulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Rückkopplungspfad derart eingerichtet ist, dass das Rückkopplungssignal (y''') aus dem von der Quantisiereinrichtung (2) ausgegebenen Signal (y) nach Durchführung einer Digital/Analog-Umsetzung (4) abgeleitet wird.