DE112013000937T5

DE112013000937T5 - Verfahren und Gerät zur Trennung des Referenzstroms vom Eingangssignal in einem SIGMA- DELTA-Umsetzer

Info

Publication number: DE112013000937T5
Application number: DE112013000937.4T
Authority: DE
Inventors: Adrian W. SHERRY; Roberto S. MAURINO; Gabriel Banarie
Original assignee: Analog Devices Technology
Current assignee: Analog Devices International ULC
Priority date: 2012-02-10
Filing date: 2013-02-08
Publication date: 2014-12-11
Anticipated expiration: 2033-02-09
Also published as: CN104106217A; US9124290B2; CN104106217B; US20130207821A1; WO2013156846A3; DE112013000937B4; WO2013156846A2; TWI561014B; TW201349757A

Abstract

Ein Integratorsystem kann ein Paar von Abtastschaltkreisen, die jeweils einen Abtastkondensator aufweisen, um eine entsprechende Komponente eines Differenzeingangssignals abzutasten, und einen Integrator mit Eingängen, die mit Ausgängen der Abtastschaltkreise verbunden sind, aufweisen. Das System kann einen Kurzschlussschalter aufweisen, der zwischen Eingangsanschlüssen der Abtastkondensatoren geschaltet ist. Der Kurzschlussschalter kann während einer Zwischenphase zwischen einer Abtast- und einer Ausgabephase der Abtastschaltkreise aktiv sein. Durch das Kurzschließen von Eingangsanschlüssen der Abtastkondensatoren verringert die Bauart den vom System entnommenen Strom und trennt in manchen Bauarten Abhängigkeiten zwischen Stromentnahme und Informationsgehalt, der vom System abgetastet wird. Konfigurationen für analoge und digitale Eingangssignale sind offenbart.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Erfindung beansprucht die Priorität der US-Patentanmeldung der Seriennummer 61/597.342 mit dem Titel „Method and Apparatus for Separating the Reference Current from the Input Signal in Sigma-Delta Converter”, die am 10. Februar 2012 eingereicht wurde und deren Offenbarung als Ganzes durch Verweis hierin aufgenommen ist.
HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung betrifft Sigma-Delta-(ΣΔ-)Umsetzer.
In herkömmlichen ΣΔ-Umsetzern tastet eine eingangsseitige Stufe eine Eingangsspannung mit Ladungsspeicherungsbauteilen (d. h. Speicherkondensatoren) ab, und die Ladung wird dann auf einer anderen Bauteilgruppe (d. h. Integrierkondensatoren) akkumuliert. Die integrierten Abtastwerte werden dann von einem Analog-Digital-Umsetzer (ADU), z. B. einem Flash-ADU, quantifiziert. Die ADU-Ausgabe wird auch über einen rückgekoppelten DAU als Schleife zurückgeführt, um von der Eingangsspannung abgezogen zu werden. Der rückgekoppelte DAU tastet eine Referenzspannung ab, die vom/von den ADU-Ausgabe-Bit-Zustand/Zuständen abhängt.
1 zeigt einen herkömmlichen, einphasigen, geschalteten Kondensator-Integrator, der an einer eingangsseitigen ΣΔ-Stufe bereitgestellt sein kann, mit einem zugehörigen Betriebszeitsteuerungsdiagramm. In 1 wird die Eingangsspannung V_x (oder – V_x, je nach Eingangskondensatorpolarität), wobei V_x = V_x+ – V_x– ist, basierend auf den Zeitsteuersignalen φ₁ und φ₂ zu Eingangskondensatoren C_ina und C_inb abgetastet. Die Schalter auf der linken Seite (LS) werden durch die Zeitsteuersignale φ₁ und φ₂ gesteuert, während die Schalter auf der rechten Seite (RS) durch φ_1r und φ_2r gesteuert werden. Die beiden Gruppen von Zeitsteuersignalen weisen im Allgemeinen die gleiche Phasenbeziehung auf; die ansteigenden und abfallenden Flanken können sich jedoch geringfügig unterscheiden, um unerwünschte Effekte, wie z. B. Ladungsinjektion, zu vermeiden. Die Details der geringfügigen Unterschiede sind hier nicht beschrieben. Der obige Schaltkreis wird bei der Frequenz f_s abgetastet, und V_s ist eine Speisespannung. Die Zeitsteuersignale φ₁ und φ₂ alternieren, weshalb ihre jeweiligen ansteigenden und abfallenden Flanken im Wesentlichen synchronisiert sind. Daher ist die mittlere Spannung, die aus den Knoten V_x+ und V_x– entnommen wird, wie folgt:
wobei C_in = C_ina = C_inb ist. Der mittlere entnommene Strom variiert je nach Gehalt des Eingangssignals, da der mittlere Strom vom Knoten mit dem höheren Potential in den Knoten mit dem niedrigeren Potential fließt und durch die Landungsmenge, die zum Ausgang des Schaltkreises übertragen wird, nicht verändert wird. Einfach gesagt ist der mittlere entnommene Strom eine Funktion von V_x, f_s und C_in.
2 zeigt einen herkömmlichen, einphasigen, geschalteten Kondensator-Integrator, der in einem rückgekoppelten ΣΔ-DAU bereitgestellt sein kann, mit einem zugehörigen Zeitsteuerungsdiagramm. In 2 wird eine Referenzspannung V_ref, wobei V_ref = V_ref+ – V_ref– ist, basierend auf den Zeitsteuersignalen φ₁ und φ₂, die durch ein Informationssignal (y(n)) moduliert sind, zu Eingangskondensatoren C_refa und C_refb abgetastet. Die LS-Schalter weisen Steuerungseingänge auf, die mit Zeitsteuersignalen φ₁ und φ₂ gekoppelt sind, während die RS-Schalter durch φ_1r und Φ_2r gesteuert werden. Die beiden Gruppen von Zeitsteuersignalen weisen im Allgemeinen, wie dargestellt, die gleiche Phasenbeziehung auf; die ansteigenden und abfallenden Flanken können sich jedoch geringfügig unterscheiden, um unerwünschte Effekte, wie z. B. Ladungsinjektion, zu vermeiden. Die Details der geringfügigen Unterschiede sind hier nicht beschrieben. Der obige Schaltkreis wird bei der Frequenz f_s abgetastet. Die Zeitsteuersignale φ₁ und φ₂ alternieren, weshalb ihre jeweiligen ansteigenden und abfallenden Flanken im Wesentlichen synchronisiert sind. Außerdem werden die LS-Schalter durch den Zustand einer vorherigen Ausgangsstufe y(n) gesteuert. Daher kann der mittlere Strom, der vom Schaltkreis entnommen wird, wie folgt ausgedrückt werden:
Hier führt die LS-Rückkopplung eine Abhängigkeit zwischen dem von der Referenzspannung entnommenen Strom und einem Zustand einer vorherigen Ausgangsstufe y(n) ein. Daher kann jegliche Serienimpedanz auf den Referenzknoten zu einer nichtlinearen Modulation der effektiven Referenzspannung führen, was tonales Verhalten verursacht, welches das Ausgangssignal verzerrt.
Demgemäß erkennen die Erfinder auf dem Gebiet der Erfindung einen Bedarf an einer ΣΔ-Struktur mit Eingangsschaltkreisen, die den Stromverbrauch verringern, deren Stromentnahme nicht von einer Variation des Eingangssignals abhängt und die Ausgaben mit höherer Genauigkeit bereitstellt als bisherige Systeme.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 und 2 zeigen bekannte Integratorsysteme.
3 zeigt ein Integratorsystem und Steuersignale gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Umsetzers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 veranschaulicht ein Integratorsystem und Steuersignale gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 veranschaulicht ein Integratorsystem und Steuersignale gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
7 veranschaulicht ein Integratorsystem und Steuersignale gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
8 veranschaulicht ein Integratorsystem gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
9 veranschaulicht ein Integratorsystem gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen ein Integratorsystem mit einem Paar von Abtastschaltkreisen bereit, die jeweils einen Abtastkondensator, um eine jeweilige Komponente eines Differenzeingangssignals abzutasten, und einen Integrator mit Eingängen, die mit Ausgängen der Abtastschaltkreise verbunden sind, aufweisen. Das System kann einen Kurzschlussschalter aufweisen, der zwischen Eingangsanschlüssen der Abtastkondensatoren geschaltet ist. Der Kurzschlussschalter kann während Zwischenphasen zwischen Abtast- und Ausgabephasen der Abtastschaltkreise aktiv sein. Durch das Kurzschließen der Eingangsanschlüsse der Abtastkondensatoren verringert die Bauart den vom System entnommenen Strom, und in manchen Bauarten trennt es Beziehungen zwischen Stromentnahme und Informationsgehalt, der vom System abgetastet wird.
3 veranschaulicht ein Integratorsystem 300 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 3(a) dargestellt kann das Integratorsystem 300 ein Paar von Abtastschaltkreisen 302, 304, einen Integrierverstärker 306 und einen Kurzschlussschalter 308 umfassen. Das System 300 kann ein Eingangssignal V_IN annehmen, das innerhalb des Integratorsystems 300 als Paar von Eingängen V_IN+, V_IN– repräsentiert ist, die in Bezug zueinander variieren können. Die Abtastschaltungen 302, 304 können die jeweiligen Komponenten V_IN+, V_IN– des Eingangssignals V_IN abtasten und diese dem Integrierverstärker 306 präsentieren. Der Integrierverstärker 306 kann, wie sein Name schon sagt, das abgetastete Eingangssignal integrieren und ein Ausgangssignal V_y daraus generieren.
Die Abtastschaltkreise 302, 304 können jeweils einen Abtastkondensator, C_INA, C_INB, und verschiedene Schalter SW_A.1–SW_A.4, SW_B.1–SW_B _. ₄, umfassen. Ein erster Anschluss jedes Abtastkondensators C_INA, C_INB (der Einfachheit halber als „Eingangsanschluss” bezeichnet) kann durch einen jeweiligen ersten Schalter SW_A.1, SW_B.3 mit den V_IN+-Anschlüssen verbunden werden. Der Eingangsanschluss jedes einzelnen Abtastkondensators C_INA, C_INB kann auch durch einen jeweiligen zweiten Schalter SW_A.3, SW_B.1 mit den V_IN–-Anschlüssen verbunden sein. Ein zweiter Anschluss jedes Abtastkondensators C_INA, C_INB (der Einfachheit halber als „Ausgangsanschluss” bezeichnet) kann durch einen jeweiligen dritten Schalter SW_A.2, SW_B.2 mit einer Referenzspannung Vs verbunden werden. Die Spannung Vs kann eine virtuelle Masse für den Integrierverstärker 306 sein. Der Ausgangsanschluss jedes einzelnen Abtastkondensators C_INA, C_INB kann durch einen jeweiligen vierten Schalter SW_A.4, SW_B.4 mit dem Integrierverstärker 306 verbunden werden. Die Schalter SW_A.1 und SW_B.1 können durch ein erstes Steuersignal φ₁, gesteuert werden, die Schalter SW_A.2 und SW_B.2 können durch ein zweites Steuersignal φ₂ gesteuert werden, die Schalter SW_A.3 und SW_B.3 können durch ein drittes Steuersignal φ₃ gesteuert werden und die Schalter SW_A.4 und SW_B.4 können durch ein viertes Steuersignal φ₄ gesteuert werden.
Ein Kurzschlussschalter 308 kann die Eingangsanschlüsse der Abtastkondensatoren C_INA, C_INB miteinander verbinden. Der Kurzschlussschalter 308 kann durch ein weiteres Steuersignal φ_SH gesteuert werden.
Der Integrierverstärker 306 kann einen Differenzverstärker 310 und ein Paar von rückgekoppelten Kondensatoren C_FA, C_FB umfassen. Der erste rückgekoppelte Kondensator C_FA kann zwischen einen nichtinvertierenden Eingang 312 und einen invertierenden Ausgang 316 des Verstärkers 310 geschaltet sein. Der zweite rückgekoppelte Kondensator C_FB kann zwischen einen invertierenden Eingang 314 und einen nichtinvertierenden Ausgang 318 des Verstärkers 310 geschaltet sein. Der nichtinvertierende Eingang 312 kann mit einem Ausgang eines Abtastschaltkreises 304 verbunden sein (Schalter SW_B.4), und der invertierende Eingang 314 kann mit einem Ausgang eines Abtastschaltkreises 302 verbunden sein (Schalter SW_A.4).
3(b) veranschaulicht Steuersignale, die dem Integratorsystem 300 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zugeführt werden können. 3(b) veranschaulicht vier Betriebsphasen P1–P4, die sich während des gesamten Betriebs des Integratorsystems 300 wiederholen können. Zwei Phasen, P2 und P4, können Betriebsphasen sein, während derer die Abtastschaltkreise 302 und 304 mit einem Eingangssignal V_IN verbunden sein können, um alternierend das Eingangssignal V_IN (Phase P2) abzutasten und das abgetastete Signal zum Integrierverstärker 306 zu leiten (Phase P4). Zwei weitere Phasen, P1 und P3, können Rückstellphasen sein, während derer die Eingangsanschlüsse der Abtastkondensatoren C_INA, C_INB durch Ladungsumverteilung auf Spannungen mit Zwischenwerten zwischen V_IN+ und V_IN– gesetzt werden können.
In einer ersten Phase P1 sind die Signale φ₁, φ₃ und φ₄ als niedrig und die Signale φ₂ und φ_SH als hoch dargestellt. So können die Schalter SW_A.2, SW_B.2 und 308 geschlossen sein und die Schalter SW_A.1, SW_A.3–SW_A.4 und SW_B.1, SW_B.3–SW_B.4 können alle offen sein. Das Schließen des Kurzschlussschalters 308 kann zu einer Ladungsaufteilung zwischen den ersten Anschlüssen der Abtastkondensatoren C_INA, C_INB führen, welche die Spannung an den ersten Anschlüssen zu einem Gleichtaktwert (V_CM) der Eingangssignale V_IN+, V_IN– bewegen kann, der in einer vorangegangenen Betriebsphase entwickelt wurde (als PO dargestellt). Von den Eingängen V_IN+ und V_IN– wird kein Strom entnommen. Das Schließen der Schalter SW_A.2, SW_B.2 kann Ausgangsanschlüsse der Kondensatoren C_INA, C_INB mit der V_S-Referenzspannung verbinden. Somit können während der Phase P1 die Kondensatoren jeweils eine Spannung von V_CM-V_S abtasten, wobei V_CM = ½(V_IN+ + V_IN–) ist.
In einer zweiten Phase P2 kann das Signal φ_SH in einen niedrigen und das Signal φ₁ in einen hohen Zustand übergehen. Die anderen Steuersignale φ₂, φ₃ und φ₄ können unverändert gegenüber der Phase P1 bleiben. Somit können die Schalter SW_A.1, SW_B.1 die Eingangsanschlüsse der Abtastkondensatoren C_INA, C_INB mit V_IN+ bzw. V_IN– verbinden. Die Schalter SW_A.2 und SW_B.2 können geschlossen bleiben. Der Abtastkondensator C_INA kann eine Spannung als V_IN+-V_S abtasten, und der Abtastkondensator C_INB kann eine Spannung als V_IN–-V_S abtasten. Die Schalter SW_A.3, SW_A.4, SW_B.4 und 308 können alle offen sein. Die Signale φ₁ und φ₂ können bei Abschluss der zweiten Phase P2 in einen niedrigen Zustand übergehen.
In einer dritten Phase P3 sind die Signale φ₁, φ₂ und φ₃ als niedrig und die Signale φ₄ und S_SH als hoch dargestellt. So können die Schalter SW_A.4, SW_B.4 und 308 geschlossen sein und die Schalter SW_A.1–SW_A.3 und SW_B.1–SW_B.3 können alle offen sein. Das Schließen des Kurzschlussschalters 308 kann zu einer Ladungsaufteilung zwischen den ersten Anschlüssen der Abtastkondensatoren C_INA, C_INB führen, welche die Spannung an den ersten Anschlüssen zu einem Gleichtaktwert (V_CM) der Eingangssignale V_IN+, V_IN– bewegen kann, der in Phase 2 entwickelt wurde. Von den Eingängen V_IN+ und V_IN– wird kein Strom entnommen. Das Schließen der Schalter SW_A.4, SW_B.4 kann Ausgangsanschlüsse der Abtastkondensatoren C_INA, C_INB mit dem Integrierverstärker 306 verbinden.
In einer vierten Phase P4 kann das Signal φ_SH in einen niedrigen und das Signal φ₃ in einen hohen Zustand übergehen. Die anderen Steuersignale φ₁, φ₂ und φ₄ können unverändert gegenüber der Phase P3 bleiben. Somit können die Schalter SW_A.3, SW_B.3, SW_A.4 und SW_B.4 geschlossen sein und die Schalter SW_A.1, SW_A.2, SW_B.1 und SW_B.2 und 308 alle offen sein. In Phase P4 kann der Eingangsanschluss des Abtastkondensators C_INA über den Schalter SW_A.3 mit dem Anschluss V_IN– verbunden sein, und der Eingangsanschluss des Abtastkondensators C_INB kann über den Schalter SW_B.3 mit dem Anschluss V_IN+ verbunden sein. Diese Verbindungen können eine Veränderung der Spannung an den Ausgängen V_Y+, V_Y– des Integrierverstärkers 306 erzwingen, die der Differenz zwischen V_IN+ und V_IN– entspricht.
Der Betrieb der Phasen P1–P4 kann sich während des gesamten Betriebs des Integratorsystems 300 wiederholen. Daher ist die Phase P5 als nachfolgende Iteration von Phase P1 dargestellt, und die Phase P0 ist als vorangehende Iteration von Phase P4 dargestellt. V_IN+ und V_IN– können zeitvariierende Signale sein, sodass die Änderung der Ausgangsspannung (V_Y+-V_Y_) in diesen Iterationen ebenfalls variieren kann.
In einer Ausführungsform kann das Integratorsystem 300 eine Steuerung 320 umfassen, welche die Steuersignale φ₁, φ₂, φ₃, φ₄ und φ_SH als Antwort auf ein Eingangstaktsignal CLK generiert, das eine Zeitsteuerungsreferenz für das Integratorsystem 300 bereitstellt. Die Steuerung 320 kann eine Zustandsmaschine sein, die durch das Eingangstaktsignal CLK angetrieben wird. In einer Ausführungsform kann die Steuerung 320 ein Register (nicht dargestellt) umfassen, das einen Abtastzeitraum für das Integratorsystem 300 und folglich seine Abtastfrequenz definiert. Das Register kann es ermöglichen, dass die Abtastfrequenz ein dynamisch programmierbarer Wert ist.
Wie angegeben können die Eingangsanschlüsse der Abtastkondensatoren C_INA, C_INB in den Abtastschaltkreisen 302, 304 in jeder der Phasen P1 und P3 kurzgeschlossen werden. Die Eingangsanschlüsse der Abtastkondensatoren C_INA, C_INB können daher auf einen Zwischenwert des Eingangssignals V_IN, genauer gesagt den Gleichtaktwert, geladen werden. In einer Ausführungsform, wenn C_FA = C_FB = C_F ist und C_INA = C_INB = C_IN ist, kann der mittlere von den Knoten entnommene Strom V_IN+ und V_IN– wie folgt ausgedrückt werden:
Im Vergleich zu dem in der Konfiguration aus 1 entnommenen Strom (Gl. 1) spart das Integratorsystem 300 aus 3(a) Strom mit einem Faktor von zwei (Gl. 3).
In einer Ausführungsform kann einem Abfall des Signals φ₂ ein Abfall des Signals φ₁ in der Phase P2 vorangehen, um vor Ladungsinjektionsfehlern zu schützen, die ansonsten auftreten könnten. Auf ähnliche Weise kann einem Abfall des Signals φ₄ ein Abfall des Signals φ₃ in der Phase P4 vorangehen, wiederum um vor Ladungsinjektionsfehlern zu schützen, die ansonsten auftreten könnten.
In einer weiteren Ausführungsform können die Abtastschaltkreise 302, 304 unter Einfluss eines Steuersignals (CTR) laufen. Beispielsweise kann auch in einer Ausführungsform eines ΣΔ-Umsetzers mit einer rückgekoppelten Komponente ein Steuersignal CTR bereitgestellt werden, um Schalterzustände dynamisch anzupassen. Somit können Steuersignale für die Eingangsschalter SW_A.1, SW_A.3, SW_B.1 und SW_B.3 der Abtastschaltkreise 302, 304 aus einer logischen Kombination des CTR-Signals und des jeweiligen Signals φ₁ oder φ₃ generiert und pro Phase geschaltet werden. Das CTR-Signal kann ein rückgekoppeltes Steuersignal sein, das in einem Rückkopplungspfad eines Umsetzers bereitgestellt ist. Wenn beispielsweise das Integratorsystem 300 als rückgekoppelte DAU-Ausführungsform umgesetzt ist, kann das CTR-Signal dem ΣΔ-Umsetzer-Ausgang-Bit-Zustand (y(n)) entsprechen. Die Steuerung 320 kann eine logische Kombination aus einem Rückkopplungssignal FB und den Signalen φ₁, φ₃ durchführen, um das CTR-Signal zu generieren. In solchen Ausführungsformen, die nachstehend hierin erläutert sind, kann die mittlere Stromentnahme des Schaltkreises vom Informationsgehalt des CTR-Signals abhängen.
Die Ausführungsform aus 3 zeigt Schaltsteuersignale, die „aktiv hoch” sind, d. h. die Schalter SW_A.1–SW_A.4, SW_B.1–SW_B.4 und 308 sind alle als schließend dargestellt, wenn ihre zugeordneten Steuersignale von einer niedrigen Spannung zu einer hohen Spannung übergehen. In solch einer Ausführungsform können die Schalter SW_A.1–SW_A.4, SW_B.1–SW_B.4 und 308 als NMOS-Transistoren bereitgestellt sein. In einer alternativen Ausführungsform können die Schaltsteuersignale als „aktive niedrige” Signale bereitgestellt sein, welche die Schalter SW_A.1–SW_A.4, SW_B.1–SW_B.4 und 308 dazu bringen würden, sich zu schließen, wenn ihre zugeordneten Steuersignale von einer hohen Spannung zu einer niedrigen Spannung übergehen. In solch einer Ausführungsform können die Schalter SW_A.1-SW_A.4, SW_B.1–SW_B.4 und 308 als PMOS-Transistoren bereitgestellt sein. In einer weiteren Ausführungsform kann jeder Schalter als Transistorpaar, ein NMOS-Transistor und ein PMOS-Transistor, bereitgestellt sein, deren Zuflüsse und Abflüsse verbunden sind. In dieser letzteren Ausführungsform kann jedes Steuersignal φ₁, φ₂, φ₃, φ₄ als Paar von Steuersignalen bereitgestellt sein, eines als aktives hohes Signal für den NMOS-Schalter und das andere als aktives niedriges Signal für den PMOS-Schalter.
4 ist ein Funktionsdiagramm eines ΣΔ-Modulators 400 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Modulator 400 kann ein digitales Ausgangssignal y(n) aus einer analogen Eingangsspannung, dargestellt als V_X, generieren. Der Modulator 400 kann einen Subtrahierer 410, ein Schleifenfilter 420, einen Analog-Digital-Umsetzer 430 und einen Digital-Analog-Umsetzer (DAU) 440, der rückgekoppelt bereitgestellt ist, umfassen. Der Subtrahierer 410 kann Eingänge für die Eingangsspannung V_X und für ein Rückkopplungssignal aufweisen, das eine analoge Repräsentation des Ausgangssignals V_Y ist. Der Subtrahierer 410 kann ein analoges Signal ΔV ausgeben, das eine Differenz zwischen diesen zwei Eingängen darstellt (ΔV = V_X – V_Y) und dem Schleifenfilter 420 zugeführt werden kann. Der Schleifenfilterschaltkreis 420 kann die Spannung abtasten, die ihm präsentiert wird, und diese zur Digitalisierung durch den ADU 430 halten. In einer Ausführungsform kann das Schleifenfilter 420 einen Integrator 422 umfassen, wie er in 3, 5 oder 8 dargestellt ist. Der ADU 430 kann eine digitalisierte Repräsentation der Spannung ausgeben, die dem Integrator 422 präsentiert wird, und diese kann vom Modulator 300 als Ausgangswert y(n) ausgegeben werden. In einer Umsetzung kann der ADU 430 ein Flash-ADU sein.
Der DAU 440 kann in einem Rückkopplungspfad des Modulators 400 bereitgestellt sein. Der DAU 440 kann eine analoge Spannung aus dem Ausgangswert y(n) generieren. Nachstehend sind in 6 und 7 verschiedene Ausführungsformen eines DAU-Schaltkreises beschrieben.
Gegebenenfalls kann der Modulator 400 einen Shuffler 450 im Rückkopplungspfad umfassen, der die Verwendung von Komponenten in der DAU 440 randomisiert, um die analoge Rückkopplungsspannung V_Y zu generieren. D. h. der DAU 440 kann verschiedene Elemente (nicht dargestellt) umfassen, die unter idealen Umständen in gleichem Ausmaß zur analogen Rückkopplungsspannung V_Y beitragen, aber aufgrund von Herstellungsfehlern können entsprechende Verschiebungsfehler auftreten. Wenn der Modulator 400 gleiche Ausgangswerte zu unterschiedlichen Zeiten (z. B. y(i) = y(j) für i ≠ j) generiert, kann der Shuffler 450 unterschiedliche Kombinationen der Elemente mit gleichem Beitrag auswählen, um die Frequenz von Fehlerwerten in der Rückkopplungsspannung V_Y anzupassen.
Wie angeführt ist 4 ein Funktionsdiagramm eines ΣΔ-Modulators 400. Wenn ein ΣΔ-Modulators 400 in einem integrierten Schaltkreis hergestellt wird, muss der Schaltkreis keine separaten Schaltkreiselemente aufweisen, die den Subtrahierer, das Schleifenfilter 420 und den DAU 440 darstellen. Beispielsweise kann der Subtrahierer 410 durch Ladungsverschiebeelemente ausgeführt sein, die in den Schaltkreisbauteilen des Integrators 422 bereitgestellt sind. Der Subtrahierer kann eine Ladungsverschiebung (ΔQ) induzieren, deren Wert proportional zu einer Differenz zwischen der Eingangsspannung V_X und der analogen Rückkopplungsspannung V_Y ist.
Das Schleifenfilter 420 kann auch andere Operationen ausführen, die typisch für ΣΔ-Umsetzer 400 sind, wie beispielsweise Filtern zur Erzeugung einer charakteristischen Rauschformung eines Sigma-Delta-Modulators. In diesem Zusammenhang kann das Schleifenfilter 420 eine oder mehrere Integratorstufen umfassen, je nach den Bauartanforderungen. In einer Ausführungsform kann das Schleifenfilter 420 einen Integrator 422 umfassen, wie er in 3, 5 und 8 beschrieben ist. Andere Überlegungen in Zusammenhang mit der Bauart von Schleifenfiltern sind unerheblich für die vorliegende Erläuterung und werden daher weggelassen.
Wie in 3(b) zu sehen ist, verringert bei einer fixen Abtastfrequenz die Einführung von Rückstellphasen P1 und P3 (φ_SH) in den Betrieb eines Integrators die Zeit, die den Betriebsphasen P2 und P4 gewidmet werden kann. In Mehrbit-Ausführungen mit Einsatz eines rückgekoppelten DAU 440 und eines Shufflers 450 können die Rückstellphasen P1 und P3 (φ_SH) jedoch so festgelegt werden, dass sie mit der Laufzeit des Shufflers 450 zusammenfallen. Auf diese Weise können die Rückstellphasen P1 und P3 (φ_SH) in einen Modulator 400 eingeführt werden, ohne dass zusätzliche Einschränkungen für das System hinzugefügt werden oder sein Durchsatz auf andere Weise verringert wird.
5 veranschaulicht ein Integratorsystem 500 und Steuersignale gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 5(a) veranschaulicht kann das Integratorsystem 500 ein Paar von Abtastschaltkreisen 502, 504, einen Integrierverstärker 506 und einen Kurzschlussschalter 508 umfassen. Das Integratorsystem 500 kann das Eingangssignal V_X als Paar von Differenzeingängen V_X+, V_X–, annehmen, die um etwa eine Gleichtaktspannung V_CM (nicht dargestellt) variieren. Die Abtastschaltkreise 502, 504 können entsprechende Komponenten V_X+, V_X– des Eingangssignals V_X abtasten und diese dem Integrierverstärker 506 präsentieren. Der Integrierverstärker 506 kann, wie sein Name schon sagt, das abgetastete Eingangssignal V_X integrieren und ein Ausgangssignal V_Y daraus generieren.
Die Abtastschaltkreise 502, 504 können jeweils einen Abtastkondensator C_INA, C_INB und verschiedene Schalter SW_A.1–SW_A.4, SWB.1–SW_B.4 umfassen. Ein erster Anschluss jedes Abtastkondensators C_INA, C_INB (wiederum „Eingangsanschluss”) kann über einen entsprechenden Schalter SW_A.1, SW_B.3 mit den Anschlüssen V_X+ verbunden sein. Der Eingangsanschluss jedes Abtastkondensators C_INA, C_INB kann auch über einen entsprechenden zweiten Schalter SW_A.3, SW_B.1 mit den Anschlüssen V_X– verbunden sein. Ein zweiter Anschluss jedes Abtastkondensators C_INA, C_INB („Ausgangsanschluss”) kann über einen entsprechenden dritten Schalter SW_A.2, SW_B.2 mit einer Referenzspannung V_S verbunden sein. Der Ausgangsanschluss jedes Abtastkondensators C_INA, C_INB kann über einen entsprechenden vierten Schalter SW_A.4, SW_B.4 mit dem Integrierverstärker 506 verbunden sein. Die Schalter SW_A.1 und SW_B.1 können durch ein erstes Steuersignal φ₁ gesteuert werden, die Schalter SW_A.2 und SW_B.2 können durch ein zweites Steuersignal φ₂ gesteuert werden, die Schalter SW_A.3 und SW_B.3 können durch ein drittes Steuersignal φ₃ gesteuert werden und die Schalter SW_A.4 und SW_B.4 können durch ein viertes Steuersignal φ₄ gesteuert werden.
Ein Kurzschlussschalter 508 kann die Eingangsanschlüsse der Abtastkondensatoren C_INA, C_INB miteinander verbinden. Der Kurzschlussschalter 508 kann durch ein weiteres Steuersignal φ_SH gesteuert werden.
Der Integrierverstärker 506 kann einen Differenzverstärker 510 und ein Paar von rückgekoppelten Kondensatoren C_FA, C_FB umfassen. Der erste rückgekoppelte Kondensator C_FA kann zwischen einen nichtinvertierenden Eingang 512 und einen invertierenden Ausgang 516 des Verstärkers 510 geschaltet sein. Der zweite rückgekoppelte Kondensator C_FB kann zwischen einen invertierenden Eingang 514 und einen nichtinvertierenden Ausgang 518 des Verstärkers 510 geschaltet sein. Der nichtinvertierende Eingang 512 kann mit einem Ausgang eines Abtastschaltkreises 504 verbunden sein (Schalter SW_B.4), und der invertierende Eingang 514 kann mit einem Ausgang eines Abtastschaltkreises 502 verbunden sein (Schalter SW_A.4).
5(b) veranschaulicht Steuersignale, die dem Integratorsystem 500 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zugeführt werden können. 5(b) veranschaulicht vier Betriebsphasen P1–P4, die sich während des gesamten Betriebs des Integratorsystems 500 wiederholen können. Zwei Phasen, P2 und P4, können Betriebsphasen sein, während derer die Abtastschaltkreise 502 und 504 mit einem Eingangssignal V_X verbunden sein können, um alternierend das Eingangssignal abzutasten und das Eingangssignal zum Integrierverstärker 506 zu leiten. Zwei weitere Phasen, P1 und P3, können Rückstellphasen sein, während derer die Eingangsanschlüsse der Abtastkondensatoren C_INA, C_INB durch Ladungsumverteilung auf Spannungen mit Zwischenwerten zwischen V_X+ und V_X– gesetzt werden können.
In einer ersten Phase P1 sind die Signale φ₁, φ₃ und φ₄ als niedrig und die Signale φ₂ und φ_SH als hoch dargestellt. Somit können die Schalter SW_A.2, SW_B.2 und 508 geschlossen sein und die Schalter SW_A.1, SW_A.3–SW_A.4 und SW_B.1, SW_B.3–SW_B.4 können alle offen sein. Das Schließen des Kurzschlussschalters 508 kann zu einer Ladungsaufteilung zwischen den ersten Anschlüssen der Abtastkondensatoren C_INA, C_INB führen, welche die Spannung an den ersten Anschlüssen zu einem Gleichtaktwert (V_CM) der Eingangssignale V_X+, V_X– bewegen kann, der in einer vorangegangenen Betriebsphase entwickelt wurde (als PO dargestellt). Von den Eingängen V_X+ und V_X– wird kein Strom entnommen. Das Schließen der Schalter SW_A.2, SW_B.2 kann Ausgangsanschlüsse der Kondensatoren C_INA, C_INB mit der V_S-Referenzspannung verbinden. Somit können während der Phase P1 die Kondensatoren jeweils eine Spannung von V_CM-V_S abtasten, wobei V_CM = ½(V_IN+ + V_IN–) ist.
In einer zweiten Phase P2 kann das Signal φ_SH in einen niedrigen und das Signal φ₁ in einen hohen Zustand übergehen. Die anderen Steuersignale φ₂, φ₃ und φ₄ können unverändert gegenüber der Phase P1 bleiben. Somit können die Schalter SW_A.1, SW_B.1 die Eingangsanschlüsse der Abtastkondensatoren C_INA, C_INB mit V_X+ bzw. V_X– verbinden. Die Schalter SW_A.2 und SW_B.2 können geschlossen bleiben. Der Abtastkondensator C_INA kann eine Spannung als V_X+-V_S abtasten, und der Abtastkondensator C_INB kann eine Spannung als V_X–-V_S abtasten. Die Schalter SW_A.3, SW_A.4, SW_B.4 und 508 können alle offen sein. Die Signale φ₁ und φ₂ können bei Abschluss der zweiten Phase P2 in einen niedrigen Zustand übergehen.
In einer dritten Phase P3 sind die Signale φ₁, φ₂ und φ₃ als niedrig und die Signale φ₄ und S_SH als hoch dargestellt. Somit können die Schalter SW_A.4, SW_B.4 und 508 geschlossen sein und die Schalter SW_A.1–SW_A.3 und SW_B.1–SW_B.3 können alle offen sein. Das Schließen des Kurzschlussschalters 508 kann zu einer Ladungsaufteilung zwischen den ersten Anschlüssen der Abtastkondensatoren C_INA, C_INB führen, welche die Spannung an den ersten Anschlüssen zu einem Gleichtaktwert (V_CM) der Eingangssignale V_X+, V_X– bewegen kann. Von den Eingängen V_X+ und V_X– wird kein Strom entnommen. Das Schließen der Schalter SW_A.4, SW_B.4 kann Ausgangsanschlüsse der Abtastkondensatoren C_INA, C_INB mit dem Integrierverstärker 506 verbinden.
In einer vierten Phase P4 kann das Signal φ_SH in einen niedrigen Zustand und das Signal φ₃ in einen hohen Zustand übergehen. Die anderen Steuersignale φ₁, φ₂ und φ₄ können unverändert gegenüber der Phase P3 bleiben. Somit können die Schalter SW_A.3, SW_B.3, SW_A.4 und SW_B.4 geschlossen sein und die Schalter SW_A.1, SW_A.2, SW_B.1 und SW_B.2 und 508 alle offen sein. In Phase P4 kann der Eingangsanschluss des Abtastkondensators C_INA über den Schalter SW_A.3 mit dem Anschluss V_X– verbunden sein, und der Eingangsanschluss des Abtastkondensators C_INB kann über den Schalter SW_B.3 mit dem Anschluss V_X+ verbunden sein. Diese Verbindungen können eine Veränderung der Spannung an den Ausgängen V_Y+, V_Y– des Integrierverstärkers 506 erzwingen, die der Differenz zwischen V_X+ und V_X– entspricht.
Der Betrieb der Phasen P1–P4 kann sich während des Betriebs des Integratorsystems 500 wiederholen. Daher ist die Phase P5 als nachfolgende Iteration von Phase P1 dargestellt, und die Phase P0 ist als vorangehende Iteration von Phase P4 dargestellt. Wiederum können Änderungen der Ausgangsspannung (V_Y+-V_Y–) von Iteration zu Iteration variieren.
In einer Ausführungsform kann der Integrator 500 eine Steuerung 520 umfassen, welche die Steuersignale φ₁, φ₂, φ₃, φ₄ und φ_SH als Antwort auf ein Eingangstaktsignal CLK generiert, das eine Zeitsteuerungsreferenz für den Integrator 500 bereitstellt. Die Steuerung 520 kann eine Zustandsmaschine sein, die durch das Eingangstaktsignal CLK angetrieben wird. In einer Ausführungsform kann die Steuerung 520 ein Register (nicht dargestellt) umfassen, das einen Abtastzeitraum für den Integrator 500 und folglich seine Abtastfrequenz definiert. Das Register kann es ermöglichen, dass die Abtastfrequenz ein dynamisch programmierbarer Wert ist.
In einer Ausführungsform kann einem Abfall des Signals φ₂ ein Abfall des Signals φ₁ in der Phase P2 vorangehen, um vor Ladungsinjektionsfehler zu schützen, die ansonsten auftreten könnten. Auf ähnliche Weise kann einem Abfalls des Signals φ₄ ein Abfall des Signals φ₃ in der Phase P4 vorangehen, wiederum um vor Ladungsinjektionsfehlern zu schützen, die ansonsten auftreten könnten.
6 veranschaulicht ein Integratorsystem 600 und Steuersignale gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 6(a) veranschaulicht kann das Integratorsystem 600 ein Paar von Abtastschaltkreisen 602, 604, einen Integrierverstärker 606 und einen Kurzschlussschalter 608 umfassen. Das Integratorsystem 600 kann ein digitales Eingangssignal, das innerhalb des Integratorsystems 600 als Paar von Eingangssteuersignale S₁, S₂ repräsentiert ist, annehmen. Die Abtastschaltkreise 602, 604 können entsprechende Komponenten V_REF+, V_REF– einer Eingangsspannung V_REF in einer Richtung, die durch die Steuersignale S₁, S₂ vorgegeben ist (die von einem abgetasteten Signal y(n) abgeleitet sein können) für den Integrierverstärker 606 abtasten. Der Integrierverstärker 606 kann, wie sein Name schon sagt, die abgetasteten Referenzspannungen V_REF+, V_REF– unter Kontrolle der Steuersignale S₁, S₂ integrieren und ein Ausgangssignal V_y daraus generieren.
Die Abtastschaltkreise 602, 604 können jeweils einen Abtastkondensator C_INA, C_INB und verschiedene Schalter SW_A.1–SW_A.4, SW_B.1–SW_B.4 umfassen. Ein erster Anschluss jedes Abtastkondensators C_INA, C_INB (wiederum „Eingangsanschluss”) kann mit Referenzspannungen V_REF+ und V_REF– verbunden sein. Genauer gesagt können die Eingangsanschlüsse der Abtastkondensatoren C_INA, C_INB über entsprechende Schalter SW_A.1, SW_B.3, die durch die ersten Steuersignale S₁ (SW_A.1) bzw. S₂ (SW_B.3) gesteuert werden können, mit der Spannungsquelle V_REF+ verbunden sein. Die Eingangsanschlüsse der Abtastkondensatoren C_INA, C_INB können auch über entsprechende zweite Schalter SW_A.3, SW_B.1, die durch entsprechende zweite Steuersignale S₂ (SW_A.3) bzw. S₁ (SW_B.1) gesteuert werden können, mit der Spannungsquelle V_REF– verbunden sein. Zweite Anschlüsse der Abtastkondensatoren C_INA, C_INB („Ausgangsanschluss”) können über entsprechende dritte Schalter SW_A.2, SW_B.2, die durch ein drittes Steuersignal φ₂ gesteuert werden können, mit einer Referenzspannung Vs verbunden sein. Die Ausgangsanschlüsse der Abtastkondensatoren C_INA, C_INB können über entsprechende vierte Schalter SW_A.4, SW_B.4, die durch ein viertes Steuersignal φ₄ gesteuert werden können, mit dem Integrierverstärker 606 verbunden sein.
Ein Kurzschlussschalter 608 kann die Eingangsanschlüsse der Abtastkondensatoren C_INA, C_INB miteinander verbinden. Der Kurzschlussschalter 608 kann durch ein weiteres Steuersignal φ_SH gesteuert werden.
Der Integrierverstärker 606 kann einen Differenzverstärker 610 und ein Paar von rückgekoppelten Kondensatoren C_FA, C_FB umfassen. Der erste rückgekoppelte Kondensator C_FA kann zwischen einen nichtinvertierenden Eingang 612 und einen invertierenden Ausgang 616 des Verstärkers 610 geschaltet sein. Der zweite rückgekoppelte Kondensator C_FB kann zwischen einen invertierenden Eingang 614 und einen nichtinvertierenden Ausgang 618 des Verstärkers 610 geschaltet sein. Der nichtinvertierende Eingang 612 kann mit einem Ausgang eines Abtastschaltkreises 604 verbunden sein (Schalter SW_B.4), und der invertierende Eingang 614 kann mit einem Ausgang eines Abtastschaltkreises 602 verbunden sein (Schalter SW_A.4).
Wie angegeben kann der Informationsgehalt in den Integrator 600 durch die Steuersignale S₁ und S₂ eingegeben werden, welche die Abtastkondensatoren C_INA, C_INB mit den Referenzspannungsquellen V_REF+, V_REF– verbinden. Jedes Steuersignal S₁ und S₂ kann einen der Zustände der Steuersignale φ₁ oder φ₃ (6(b)) annehmen, basierend auf dem Zustand des Eingangssignals y(n). Der Einfachheit halber ist es zweckdienlich, y(n) als einen Wert von 1 oder –1 aufweisend zu betrachten. Wenn y(n) einen Wert von –1 aufweist, kann das Steuersignal S₁ auf den φ₁-Zustand gesetzt werden, und das Steuersignal S₂ kann auf den φ₃-Zustand gesetzt werden. Alternativ dazu kann, wenn y(n) einen Wert von 1 aufweist, das Steuersignal S₁ auf den φ₃-Zustand gesetzt werden, und das Steuersignal S₂ kann auf den φ₁-Zustand gesetzt werden.
6(b) veranschaulicht beispielhafte Steuersignale, die dem Integratorsystem 600 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zugeführt werden können. 6(b) veranschaulicht ein Beispiel, bei dem y(n) = –1 ist, sodass S₁ = φ₁ und S₂ = φ₂ ist. 6(b) veranschaulicht vier Betriebsphasen P1–P4, die sich während des gesamten Betriebs des Integratorsystems 600 wiederholen können. Zwei Phasen, P2 und P4, können Betriebsphasen sein, während derer die Abtastschaltkreise 602 und 604 mit Referenzspannungen V_REF+, V_REF– verbunden sein können, um alternierend Spannungen abzutasten, die durch die Steuersignale S₁, S₂ bestimmt werden, und die abgetasteten Spannungen zum Integrierverstärker 606 zu leiten. Zwei weitere Phasen, P1 und P3, können Rückstellphasen sein, während derer die Eingangsanschlüsse der Abtastkondensatoren C_INA, C_INB durch Ladungsumverteilung auf Spannungen mit Zwischenwerten zwischen V_REF+ und V_REF– gesetzt werden können. Auf diese Weise kann das Integratorsystem 600 ein Eingangssignal y(n) verarbeiten und trotzdem die Stromentnahme von den Referenzeingängen V_REF+, V_REF– und vom Eingangssignal y(n) unabhängig zu halten.
In einer ersten Phase P1 sind die Signale S₁, S₂ und φ₄ als niedrig und die Signale φ₂ und φ_SH als hoch dargestellt. Somit können die Schalter SW_A.2, SW_B.2 und 608 geschlossen sein und die Schalter SW_A.1, SW_A.3–SW_A.4 und SW_B.1, SW_B.3–SW_B.4 können alle offen sein. Das Schließen des Kurzschlussschalters 608 kann zu einer Ladungsaufteilung zwischen den ersten Anschlüssen der Abtastkondensatoren C_INA, C_INB führen, welche die Spannung an den ersten Anschlüssen zu einem Gleichtaktwert (V_CM) der Eingangssignale V_REF+, V_REF– bewegen kann, der in einer vorangegangenen Betriebsphase entwickelt wurde (als PO dargestellt). Von den Eingängen V_REF+ und V_REF– wird kein Strom entnommen. Das Schließen der Schalter SW_A.2, SW_B.2 kann Ausgangsanschlüsse der Kondensatoren C_INA, C_INB mit der V_S-Referenzspannung verbinden. Somit können während der Phase P1 die Kondensatoren jeweils eine Spannung von V_CM-V_S abtasten, wobei V_CM = ½(V_REF+ + V_REF–) ist.
In einer zweiten Phase P2 kann das Signal φ_SH in einen niedrigen und das Signal S₁ in einen hohen Zustand übergehen. Die anderen Steuersignale S₂, φ₃ und φ₄ können unverändert gegenüber der Phase P1 bleiben. Somit können die Schalter SW_A.1, SW_B.1 die Eingangsanschlüsse der Abtastkondensatoren C_INA, C_INB mit V_REF+ bzw. V_REF– verbinden. Die Schalter SW_A.2 und SW_B.2 können geschlossen bleiben. Der Abtastkondensator C_INA kann eine Spannung als V_REF+-V_S abtasten, und der Abtastkondensator C_INB kann eine Spannung als V_REF–-V_S abtasten. Die Schalter SW_A.3, SW_A.4, SW_B.4 und 608 können alle offen sein. Die Signale S₁ und φ₂ können bei Abschluss der zweiten Phase P2 in einen niedrigen Zustand übergehen.
In einer dritten Phase P3 sind die Signale S₁, S₂ und φ₂ als niedrig und die Signale φ₄ und S_SH als hoch dargestellt. Somit können die Schalter SW_A.4, SW_B.4 und 608 geschlossen sein und die Schalter SW_A.1–SW_A.3 und SW_B.1–SW_B.3 können alle offen sein. Das Schließen des Kurzschlussschalters 608 kann zu einer Ladungsaufteilung zwischen den ersten Anschlüssen der Abtastkondensatoren C_INA, C_INB führen, welche die Spannung an den ersten Anschlüssen zu einem Gleichtaktwert (V_CM) der Eingangssignale V_REF+, V_REF– bewegen kann. Von den Eingängen V_REF+ und V_REF– wird kein Strom entnommen. Das Schließen der Schalter SW_A.4, SW_B.4 kann Ausgangsanschlüsse der Abtastkondensatoren C_INA, C_INB mit dem Integrierverstärker 606 verbinden.
In einer vierten Phase P4 kann das Signal φ_SH in einen niedrigen Zustand und das Signal S₂ in einen hohen Zustand übergehen. Die anderen Steuersignale S₁, φ₂ und φ₄ können unverändert gegenüber der Phase P3 bleiben. Somit können die Schalter SW_A.3, SW_B.3, SW_A.4 und SW_B.4 geschlossen sein und die Schalter SW_A.1, SW_A.2, SW_B.1 und SW_B.2 und 608 alle offen sein. In Phase P4 kann der Eingangsanschluss des Abtastkondensators C_INA über den Schalter SW_A.3 mit dem Anschluss V_REF– verbunden sein, und der Eingangsanschluss des Abtastkondensators C_INB kann über den Schalter SW_B.3 mit dem Anschluss V_REF+ verbunden sein. Diese Verbindungen können eine Veränderung der Spannung an den Ausgängen V_Y+, V_Y– des Integrierverstärkers 606 erzwingen, die der Differenz zwischen V_REF+ und V_REF– entspricht. Außerdem kann die Richtung der Spannungsänderung auf der Phaseneinstellung der Steuersignale S₁, S₂ abhängen, die von y(n) abgeleitet sein können.
Wie angemerkt bezieht sich die obige Erläuterung auf einen Umstand, unter dem y(n) = –1 ist. Wenn y(n) = 1 ist, dann würde das Signal S₁ die Form des Signals φ₃ annehmen und in Phase 3 in einen hohen Zustand übergehen. Auf ähnliche Weise würde das Signal S₂ die Form des Signals φ₁ annehmen und in Phase P1 in einen hohen Zustand übergehen. Somit werden die Signale S₁, S₂ mit Informationsgehalt vom y(n)-Eingangssignal moduliert.
Der Betrieb der Phasen P1–P4 kann sich während des gesamten Betriebs des Integratorsystems 600 wiederholen. Daher ist die Phase P5 als nachfolgende Iteration von Phase P1 dargestellt, und die Phase P0 ist als vorangehende Iteration von Phase P4 dargestellt. Wiederum können Änderungen der Ausgangsspannung (V_Y+-V_Y–) von Iteration zu Iteration variieren. Natürlich können die Steuersignale S₁, S₂ in nachfolgenden Iterationen basierend auf neuen Werten von y(n) variieren, weshalb der Betrieb sich nicht in jeder Iteration wiederholen muss.
Wie in den vorherigen Ausführungsformen kann einem Abfall der Signale φ₂ und φ₄ ein Abfall der Signale S₁, S₂ in der Phase P2 und P4 vorangehen, um vor Ladungsinjektionsfehler zu schützen, die ansonsten auftreten könnten.
In einer Ausführungsform kann das Integratorsystem 600 eine Steuerung 620 umfassen, welche die Steuersignale S₁, S₂, φ₂, φ₄ und φ_SH als Antwort auf das Eingangssignal y(n) und ein Eingangstaktsignal, das eine Zeitsteuerungsreferenz für das Integratorsystem 600 bereitstellt, generiert. Die Steuerung 620 kann eine Zustandsmaschine sein, die zu den in 6(b) gezeigten Zeitpunkten Steuersignale S₁, S₂, φ₂, φ₄ und φ_SH generiert. Außerdem kann die Steuerung 620 logische Schaltkreise (nicht dargestellt) umfassen, um die Signale y(n), φ₁ und φ₃ logisch zu kombinieren und die Steuersignale S₁, S₂ zu generieren. In einer Ausführungsform kann die Steuerung 620 ein Register (nicht dargestellt) umfassen, das einen Abtastzeitraum für das Integratorsystem 600 (und folglich seine Abtastfrequenz) definiert. Das Register kann es ermöglichen, dass die Abtastfrequenz ein dynamisch programmierbarer Wert ist.
Wie angegeben können Eingangsanschlüsse der Abtastkondensatoren C_INA, C_INB in den Abtastschaltkreisen 602, 604 zwischen den einzelnen Betriebsphasenänderungen (zwischen den Phasen P2 und P4) kurzgeschlossen werden. Die Eingangsanschlüsse der Abtastkondensatoren C_INA, C_INB können sich daher auf einen Wert von V_REF+ und V_REF– laden, genauer gesagt auf ihren Gleichtaktwert. In einer Ausführungsform, wenn C_FA = C_FB = C_F und C_INA = C_INB = C_IN ist, kann der mittlere von den Knoten entnommene Strom V_REF+ und V_REF– wie folgt ausgedrückt werden:
Wie in Gl. 4 zu sehen kann der mittlere entnommene Strom unabhängig vom Signalgehalt S₁, S₂ (y(n)) sein. Der mittlere Strom kann von Referenzspannung, Abtastfrequenz und Aggregatgröße der Kondensatoren abhängen, aber der mittlere Strom kann im Wesentlichen von der Abhängigkeit vom y(n)-Zustand entkoppelt werden. Im Gegensatz dazu zeigt Gl. 2, dass die Stromentnahme vom Signalgehalt abhängt, was sich in der Verwendung der Terme V_REF, y(n) bzw. V_IN zeigt. Durch Kurschließen der linken Platten der Eingangs-(Abtast-)kondensatoren ist es möglich, dass die übertragene Ladung nicht mehr vom vorherigen Zustand des Schaltkreises abhängt, wie das in herkömmlichen Systemen der Fall ist.
7 zeigt ein Integratorsystem 700 und Steuersignale gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 7(a) veranschaulicht kann das Integratorsystem 700 ein Mehrbit-System sein, das eine Vielzahl von Abtastschaltkreisen 702.1–702.N, 704.1–704.N, einen Integrierverstärker 706 und verschiedene Kurzschlussschalter 708 (die einzelnen Schalter sind nicht markiert) umfasst. Das Integratorsystem 700 kann einen ersten Abtastschaltkreis 702.i und einen zweiten Abtastschaltkreis 704.i für jedes Quantisierungsniveau i eines Eingangssignals y(n) umfassen. Somit können, wenn das Eingangssignal y(n) N Quantisierungsniveaus aufweist, N erste Abtastschaltkreise 702.1–702.N und N zweite Abtastschaltkreise 704.1–704.N paarweise bereitgestellt sein. Jeder Abtastschaltkreis 702.i, 703.i kann jeweilige Komponenten V_REF+, V_REF– des Eingangssignals V_REF in einer Richtung, die durch die Steuersignale S_1.i, S_2.i vorgegeben ist, entsprechend dem Quantisierungsniveau i eines Eingangssignals y(n), abtasten und kann das abgetastete Signal an den Integrierverstärker 706 ausgeben, die mit Ausgängen der anderen Abtastschaltkreise verbunden sind. Der Integrierverstärker 706 kann, wie sein Name schon sagt, die zusammengefassten abgetasteten Signale integrieren und ein Ausgangssignal V_y daraus generieren.
Die ersten und zweiten Abtastschaltkreise 702.1–702.N, 704.1–704.N können wie in der Ausführungsform aus 6 aufgebaut sein. Beispielsweise können die Abtastschaltkreise 702.1 und 704.1 jeweils einen entsprechenden Abtastkondensator C_INA1, C_INB1 und verschiedene Schalter SW_A1.1–SW_A1.4, SW_B1.1–SW_B1.4 umfassen. Ein Eingangsanschluss jedes Abtastkondensators C_INA1, C_INB1 kann mit Referenzspannungen V_REF+ und V_REF– verbunden sein. Genauer gesagt können die Eingangsanschlüsse der Abtastkondensatoren C_INA1, C_INB1 durch entsprechende Schalter SW_A1.1, SW_B1.3, die durch Steuersignale S_1.1 bzw. S_2.1 gesteuert sein können, mit der Spannungsquelle V_REF+ verbunden sein. Die Eingangsanschlüsse der Abtastkondensatoren C_INA1, C_INB1 können auch über entsprechende zweite Schalter SW_A1.3, SW_B1.1, die durch Steuersignale S_1.1 bzw. S_2.1 gesteuert sein können, mit der Spannungsquelle V_REF– verbunden sein. Die Ausgangsanschlüsse der Abtastkondensatoren C_INA1, C_INB1 können über entsprechende dritte Schalter SW_A1.2, SW_B1.2, die durch ein weiteres Steuersignal φ₂ gesteuert werden können, mit einer Referenzspannung Vs verbunden sein. Die Ausgangsanschlüsse der Abtastkondensatoren C_INA1, C_INB1 können über entsprechende vierte Schalter SW_A1.4, SW_B1.4, die durch ein weiteres Steuersignal φ₄ gesteuert werden können, mit dem Integrierverstärker 706 verbunden sein.
Die ersten und zweiten Abtastschaltkreise 702.2–702.N, 704.2–704.N der anderen Qantisierungsniveaupositionen können auf ähnliche Weise aufgebaut sein. D. h. die Abtastschaltkreise 702.i und 704.i an jeder Position i können einen entsprechenden Abtastkondensator C_INAi, C_INBi und verschiedene Schalter SW_Ai.1–SW_Ai.4, SW_Bi.1–SW_Bi.4 umfassen. Die Schalter SW_Ai.1–SW_Ai.4, SW_Bi.1–SW_Bi.4 können durch entsprechende Schaltsteuersignale S_1.i, S_2.i, φ₂ und φ₄ gesteuert werden. Die Steuersignale φ₂ und φ₄ können gemeinsam in die Ausgangsschalter jedes Abtastschaltkreises A und B eingebracht werden.
Das Integratorsystem 700 kann eine Vielzahl von Kurzschlussschaltern 708, einen für jede Position i, umfassen. Die Kurzschlussschalter 708 können die Eingangsanschlüsse der Abtastkondensatoren C_INAi, C_INBi jeder Position miteinander verbinden. Alle Kurzschlussschalter 708 können durch ein gemeinsames Steuersignal φ_SH gesteuert werden.
Der Integrierverstärker 706 kann einen Differenzverstärker 710 und ein Paar von rückgekoppelten Kondensatoren C_FA, C_FB umfassen. Der erste rückgekoppelte Kondensator C_FA kann zwischen einen nichtinvertierenden Eingang 712 und einen invertierenden Ausgang 716 des Verstärkers 710 geschaltet sein. Der zweite rückgekoppelte Kondensator C_FB kann zwischen einen invertierenden Eingang 714 und einen nichtinvertierenden Ausgang 718 des Verstärkers 710 geschaltet sein. Der nichtinvertierende Eingang 712 kann mit Ausgängen der Abtastschaltkreise 704.1–704.N gemeinsam verbunden sein, und der invertierende Eingang 714 kann mit Ausgängen der Abtastschaltkreise 702.1–702.N gemeinsam verbunden sein.
Wie angegeben kann Informationsgehalt durch die Steuersignale S_1.i und S_2.i, welche die Abtastkondensatoren C_INAi, C_INBi mit den Referenzspannungsquellen V_REF+, V_REF– verbinden, in den Integrator 700 eingebracht werden. Jedes Steuersignal S_1.i und S_2.i kann einen der Zustände der Steuersignale φ₁ oder φ₃ annehmen, basierend auf dem Zustand eines Eingangs y_i(n), der vom Eingangssignals y(n) abgeleitet ist. Wenn y_i(n) einen Wert von –1 aufweist, kann das Steuersignal S_1.i auf den φ₁-Zustand gesetzt werden, und das Steuersignal S_2.i kann auf den φ₃-Zustand gesetzt werden. Alternativ dazu kann, wenn y_i(n) einen Wert von 1 aufweist, das Steuersignal S_1.i auf den φ₃-Zustand gesetzt werden, und das Steuersignal S_2.i kann auf den φ₁-Zustand gesetzt werden.
In einer weiteren Ausführungsform (nicht dargestellt) können die Schalter SW_A1.2–SW_AN.2, SW_A1.4–SW_AN.4, SW_B1.2–SW_BN.2, SW_B1.4–SW_BN.4 zu Einzelschaltern kombiniert werden. In solch einer Ausführungsform können die Ausgangsanschlüsse der Kondensatoren C_INA1–C_INAN der Abtastschaltkreise 702.1–702.N als gemeinsamer Ausgangsknoten verbunden sein. Ein einzelner Schalter (nicht dargestellt) kann anstatt der Schalter SW_A1.2–SW_AN.2 den Ausgangsknoten der Kondensatoren C_INA1–C_INAN mit der Referenzspannung V_S verbinden und durch das Signal φ₂ gesteuert werden. Ein zweiter Schalter (ebenfalls nicht dargestellt) kann anstelle der Schalter SW_A1.4–SW_AN.4 die Ausgangsanschlüsse der Kondensatoren C_INA1–C_INAN mit dem Integrierverstärker 706 verbinden und durch das Signal φ₄ gesteuert werden. Auf ähnliche Weise können die Ausgangsanschlüsse der Kondensatoren C_INB1–C_INBN der Abtastschaltkreise 704.1–704.N an einem gemeinsamen Ausgangsknoten verbunden werden. Ein einzelner Schalter (nicht dargestellt) kann anstelle der Schalter SW_B1.2–SW_BN.2 den Ausgangsknoten der Kondensatoren C_INB1–C_INBN mit der Referenzspannung V_S verbinden und durch das Signal φ₂ gesteuert werden. Ein zweiter Schalter (ebenfalls nicht dargestellt) kann anstelle der Schalter SW_B1.4–SW_BN.4 die Ausgangsanschlüsse der Kondensatoren C_INB1–C_INBN mit dem Integrierverstärker 706 verbinden und durch das Signal φ₄ gesteuert werden.
7(b) veranschaulicht Steuersignale, die dem Integratorsystem 700 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung für ein i. Paar eines Abtastschaltkrieses 702.i, 704.i zugeführt werden können. 7(b) veranschaulicht ein Beispiel, bei dem y_i(n) = –1 ist, sodass S_1.i = φ₁ und S_2.i = φ₃ ist. 7(b) veranschaulicht vier Betriebsphasen P1–P4, die sich während des gesamten Betriebs des Integratorsystems 700 wiederholen können. Zwei Phasen, P2 und P4, können Betriebsphasen sein, während derer die Abtastschaltkreise 702.i und 704.i gemäß dem Eingang y_i(n) betrieben werden können, um alternierend das Referenzsignal abzutasten und es dem Integrierverstärker 706 zuzuführen. Die Abtastschaltkreise anderer Positionen können ebenfalls das Referenzsignal abtasten und es dem Integrationsverstärker 706 zuführen, basierend auf den anderen Quantisierungsniveaus des Eingangssignals y(n). Zwei weitere Phasen, P1 und P3, können Rückstellphasen sein, während derer Spannung an den Eingängen aller Abtastschaltkreise 702.1–702.N, 704.1–704.N auf bekannte Zustände gesetzt werden können. Auf diese Weise kann das Integratorsystem 700 das Eingangssignal y(n) verarbeiten und trotzdem die Stromentnahme von den Referenzeingängen und vom Eingangssignal y(n) unabhängig halten.
Der Ablauf der Abtastphasen 702.i und 704.i kann wie oben in Bezug auf 6 erläutert stattfinden.
Der Betrieb der Phasen P1–P4 kann sich während des gesamten Betriebs des Integratorsystems 700 wiederholen. Daher ist die Phase P5 als nachfolgende Iteration von Phase P1 dargestellt, und die Phase PO ist als vorangehende Iteration von Phase P4 dargestellt. Natürlich können die Steuersignale S_1.i, S_2.i in nachfolgenden Iterationen basierend auf neuen Werten von y(n) variieren, weshalb der Betrieb sich nicht in jeder Iteration wiederholen muss.
In einer Ausführungsform kann das Integratorsystem 700 eine Steuerung 720 umfassen, welche die Steuersignale S_1.1–S_1.N, S_2.1–S_2.N, φ₂, φ₄ und φ_SH als Antwort auf das Eingangssignal y(n) und ein Eingangstaktsignal, das eine Zeitsteuerungsreferenz für das Integratorsystem 700 bereitstellt, generiert. Die Steuerung 720 kann eine Zustandsmaschine sein, die zu den in 7(b) gezeigten Zeitpunkten Steuersignale S_1.1–S_1.N, S_2.1–S_2.N, φ₂, φ₄ und φ_SH generiert. Außerdem kann die Steuerung 720 logische Schaltkreise (nicht dargestellt) umfassen, um jede y_i(n)-Eingabe mit den Signalen φ₁ und φ₃ logisch zu kombinieren und die Steuersignale S_1.i, S_2.i zu generieren. In einer Ausführungsform kann die Steuerung 720 ein Register (nicht dargestellt) umfassen, das einen Abtastzeitraum für das Integratorsystem 700 und folglich seine Abtastfrequenz definiert. Das Register kann es ermöglichen, dass die Abtastfrequenz ein dynamisch programmierbarer Wert ist.
Wie angegeben können Eingangsanschlüsse der Abtastkondensatoren C_INA1–C_INAN, C_INB1–C_INBN in den Abtastschaltkreisen 702.1–702.N, 704.1–704.N zwischen den einzelnen Betriebsphasenänderungen (zwischen den Phasen P2 und P4) kurzgeschlossen werden. Die Eingangsanschlüsse der Abtastkondensatoren C_INA1–C_INAN, C_INB1–C_INBN können sich daher auf einen Zwischenwert zwischen V_REF+ und V_REF– laden, genauer gesagt auf ihren Gleichtaktwert. In einer Ausführungsform, wenn C_FA = C_FB = C_F und C_INAi = C_INBi = C_IN (für alle i) ist, kann der mittlere von den Knoten entnommene Strom V_REF+ und V_REF– wie folgt ausgedrückt werden:
Wie in Gl. 5 zu sehen kann der mittlere entnommene Strom von der Phasenanzahl N abhängen, ist aber unabhängig vom Signalgehalt S_1.i, S_2.i (y(n)). Der mittlere Strom kann von Referenzspannung, Abtastfrequenz und Aggregatgröße der Kondensatoren abhängen, aber der mittlere Strom kann im Wesentlichen von der Abhängigkeit vom y(n)-Zustand entkoppelt werden. Im Gegensatz dazu zeigt Gl. 2, dass die Stromentnahme vom Signalgehalt abhängt, was sich in der Verwendung der des Terms y(n) zeigt.
8 ist ein Diagramm eines Integratorsystems 800 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Integratorsystem aus 8 kann zwei Paar von komplementären Abtastschaltkreisen 802.1, 802.2, 804.1 und 804.2, einen Integrierverstärker 806 und Kurzschlussschalter 808.1, 808.2 umfassen. Das Integratorsystem 800 kann ein Eingangssignal V_IN annehmen, dass im Integratorsystem 800 durch ein Paar von Differenzeingängen V_IN+, V_IN– repräsentiert ist, die differentiell zueinander variieren.
Das erste Paar von Abtastschaltkreisen 802.1, 804.1 kann jeweils einen entsprechenden Abtastkondensator C_INA1, C_INB1 und verschiedene Schalter SW_A1.1–SW_A1.4, SW_B1.1–SW_B1.4 umfassen. Ein erster Anschluss jedes Abtastkondensators C_INA1, C_INB1 (der Einfachheit halber als „Eingangsanschlüsse” bezeichnet) können über entsprechende Schalter SW_A1.1, SW_B1.3 mit den Anschlüssen V_IN+ verbunden sein. Der Eingangsanschluss jedes Abtastkondensators C_INA1, C_INB1 kann auch über entsprechende Schalter SW_A1.3, SW_B1.1 mit den Anschlüssen V_IN– verbunden sein. Ein zweiter Anschluss jedes Abtastkondensators C_INA1, C_INB1 (der Einfachheit halber als „Ausgangsanschlüsse” bezeichnet” kann über entsprechende dritte Schalter SW_A1.2, SW_B1.2 mit einer Referenzspannung Vs verbunden sein. Der Ausgangsanschluss jedes Abtastkondensators C_INA1, C_INB1 kann über entsprechende vierte Schalter SW_A1.4, SW_B1.4 mit dem Integrierverstärker 806 verbunden sein. Die Schalter SW_A1.1, SW_B1.1 können durch ein erstes Steuersignal φ₁ gesteuert werden. Die Schalter SW_A1.2, SW_B1.2 können durch ein zweites Steuersignal φ₂ gesteuert werden. Die Schalter SW_A1.3, SW_B1.3 können durch ein drittes Steuersignal φ₃ gesteuert werden. Die Schalter SW_A1.4, SW_B1.4 können durch ein viertes Steuersignal φ₄ gesteuert werden.
Das zweite Paar von Abtastschaltkreisen 802.2, 804.2 kann eine Architektur aufweisen, die in Gegenphase zum ersten Paar von Abtastschaltkreisen 802.1, 804.1 läuft. Das zweite Paar von Abtastschaltkreisen 802.2, 804.2 kann auch entsprechende Abtastkondensatoren C_INA2, C_INB2 und verschiedene Schalter SW_A2.1–SW_A2.4, SW_B2.1–SW_B2.4 umfassen. Ein Eingangsanschluss jedes Abtastkondensators C_INA2, C_INB2 kann durch entsprechende Schalter SW_A2.3, SW_B2.1 mit den Anschlüssen V_IN+ verbunden sein. Der Eingangsanschluss jedes Abtastkondensators C_INA2, C_INB2 kann auch durch entsprechende zweite Schalter SW_A2.1, SW_B2.3 mit den Anschlüssen V_IN– verbunden sein. Ein Ausgangsanschluss jedes Abtastkondensators C_INA2, C_INB2 kann durch entsprechende dritte Schalter SW_A2.4, SW_B2.4 mit der Referenzspannung Vs verbunden sein. Der Ausgangsanschluss jedes Abtastkondensators C_INA2, C_INB2 kann durch entsprechende vierte Schalter SW_A2.2, SW_B2.2 mit dem Integrierverstärker 806 verbunden sein. Die Schalter SW_A2.1, SW_B2.1 können durch ein Steuersignal φ₂ gesteuert werden. Die Schalter SWA2.3, SWB2.₃ können durch ein Steuersignal φ₃ gesteuert werden. Die Schalter SW_A2.4, SW_B2.4 können durch ein Steuersignal φ₄ gesteuert werden. Die Steuerung der Schalter SW_A1.4, SW_B1.4 und SW_A2.2, SW_B2.2 zwischen dem ersten Paar von Abtastschaltkreisen 802.1, 804.2 und dem zweiten Paar von Abtastschaltkreisen 802.2, 802.4 kann dazu führen, dass die Abtastschaltkreise in Gegenphase zueinander laufen. D. h. ein erstes Paar von Abtastschaltkreisen 802.1, 804.2 kann die Eingangsspannung V_IN+, V_IN– abtasten, während das zweite Paar von Abtastschaltkreisen 802.2, 804.2 vorher abgetastete Eingangsspannungen an den Integrierverstärker 806 ausgibt.
Kurzschlussschalter 808.1, 808.2 können die Eingangsanschlüsse jedes Paars von Abtastkondensatoren C_INA1, C_INB1 und C_INA1, C_INB2 miteinander verbinden. Die Kurzschlussschalter 808.1, 808.2 können durch ein gemeinsames Steuersignal φ_SH gesteuert werden.
Der Integrierverstärker 806 kann einen Differenzverstärker 810 und ein Paar von rückgekoppelten Kondensatoren C_FA, C_FB umfassen. Der erste rückgekoppelte Kondensator C_FA kann zwischen einen nichtinvertierenden Eingang 812 und einen invertierenden Ausgang 816 des Verstärkers 810 geschaltet sein. Der zweite rückgekoppelte Kondensator C_FB kann zwischen einen invertierenden Eingang 814 und einen nichtinvertierenden Ausgang 818 des Verstärkers 810 geschaltet sein. Der nichtinvertierende Eingang 812 kann mit einem Ausgang eines Abtastschaltkreises 804.1, 804.2 verbunden sein (Schalter SW_B1.4, SW_B2.2), und der invertierende Eingang 814 kann mit einem Ausgang eines Abtastschaltkreises 802.1, 802.2 verbunden sein (Schalter SW_A1.4, SW_A2.2).
In einer Ausführungsform kann die Steuerung des Integratorsystems 800 wie in 3(b) dargestellt ablaufen. Wiederum können die Phasen P2 und P4 Betriebsphasen sein, während derer die Abtastschaltkreise 802.1, 804.1 und 802.2, 804.2 alternierend das Eingangssignal abtasten und das Eingangssignal zum Integrierverstärker 306 leiten. Genauer gesagt kann das erste Paar von Abtastschaltkreisen 802.1, 804.1 die Eingangsspannung während der Phase P2 abtasten und die abgetastete Spannung während der Phase P4 weiterleiten. Das zweite Paar von Abtastschaltungen 802.2, 804.2 kann die Eingangsspannung während der Phase P4 abtasten und die abgetastete Spannung während der Phase P2 weiterleiten. Die beiden anderen Phasen, P1 und P3, können Rückstellphasen sein, während derer die Eingangsanschlüsse der Eingangskondensatoren C_INA, C_INB auf Spannungen mit Zwischenwerten zwischen V_IN+ und V_IN– gesetzt werden können, ohne dass Strom von den Schaltkreiseingängen V_IN+, V_IN– entnommen wird.
9 ist ein Diagramm eines Mehrbit-Integratorsystems 900 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Integratorsystem 900 kann eine Vielzahl von Abtastschaltkreisen 902.1–902.2N, 904.1–904.2N, einen Integrierverstärker 906 und verschiedene Kurzschlussschalter 908 (die einzelnen Schalter sind nicht markiert) umfassen. In diesem System können, wenn ein Eingangssignal y(n) N Quantisierungsniveaus aufweist, 2N erste Abtastschaltkreise 902.1–902.2N und 2N zweite Abtastschaltkreise 904.1–904.2N paarweise bereitgestellt sein und in zwei Gruppen von N Abtastschaltkreispaaren zusammengefasst sein. Eine erste Gruppe von Abtastschaltkreisen 902.1–902.N, 904.1–902.N kann ein Eingangssignals während einer ersten Betriebsphase (beispielsweise Phase P2) abtasten und das abgetastete Signal während einer zweiten Betriebsphase (P4) ausgeben, während die zweite Gruppe von Abtastschaltkreispaaren 902.N + 1–902.2N, 904.N + 1–902.2N ein Eingangssignal während der zweiten Betriebsphase (P4) abtasten und das abgetastete Signals während der ersten Betriebsphase (P2) ausgeben kann.
Die Abtastschaltkreise 902.1–902.2N, 904.1–904.N können einen Aufbau wie in der Ausführungsform aus 7 aufweisen. Die Steuersignale S_1.1–S_1.N, S2.1–S2.N für die Eingangsschalter der ersten Gruppe von Abtastschaltkreispaaren 902.1–902.N, 904.1–904.N können mit einer Phasenverschiebung eines halben Zyklus im Vergleich zu den Steuersignalen S1.N + 1–S1.2N, S_2.N+1–S_2.2N der Eingangsschalter für die zweite Gruppe von Abtastschaltkreispaaren 902.N + 1–902.2N, 904.N + 1–904.2N laufen, wie in Verbindung mit 7 erläutert ist.
Die Kurzschlussschalter 908 können die Eingangsanschlüsse der gepaarten Abtastkondensatoren der Abtastschaltkreise 902.1–902.2N, 904.1–904.2N miteinander verbinden. Die Kurzschlussschalter 908.1, 908.2 können durch ein gemeinsames Steuersignal φ_SH gesteuert werden und sich während der Phasen P1 und P3 schließen, wie in den vorangegangenen Ausführungsformen erläutert ist.
Der Integrierverstärker 906 kann einen Differenzverstärker 910 und ein Paar von rückgekoppelten Kondensatoren C_FA, C_FB umfassen. Der erste rückgekoppelte Kondensator C_FA kann zwischen einen nichtinvertierenden Eingang 912 und einen invertierenden Ausgang 916 des Verstärkers 910 geschaltet sein. Der zweite rückgekoppelte Kondensator C_FB kann zwischen einen invertierenden Eingang 914 und einen nichtinvertierenden Ausgang 918 des Verstärkers 910 geschaltet sein. Der nichtinvertierende Eingang 912 kann mit einem Ausgang eines Abtastschaltkreises 904 verbunden sein, und der invertierende Eingang 914 kann mit einem Ausgang eines Abtastschaltkreises 902 verbunden sein.
Hierin sind mehrere Ausführungsformen der Erfindung spezifisch veranschaulicht und/oder beschrieben. Es gilt jedoch anzumerken, dass Modifikationen und Variationen der Erfindung durch die obigen Lehren abgedeckt sind und in den Umfang der beiliegenden Ansprüche eingeschlossen sind, ohne vom Geist und gewünschten Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Integratorsystem, umfassend: einen Integrator mit einem Paar von Eingängen, ein Paar von Abtastschaltkreisen, die jeweils einen Abtastkondensator aufweisen, um in einer ersten Betriebsphase jeweilige Komponenten eines Differenzeingangssignals am Abtastkondensator abzutasten und in einer zweiten Betriebsphase eine Repräsentation des abgetasteten Eingangssignals zu den Integratoreingängen zu leiten, und einen Kurzschlussschalter, um Eingangsanschlüsse der Abtastkondensatoren während einer dritten und einer vierten Betriebsphase, die zwischen Abfolgen der ersten Phase und der zweiten Phase stattfinden, miteinander zu verbinden.
Integratorsystem nach Anspruch 1, wobei jeder Abtastschaltkreis umfasst: einen ersten Schalter, der den Eingangsanschluss des Abtastkondensators mit einem Anschluss für eine erste Differenzkomponente des Eingangssignals verbindet, einen zweiten Schalter, der den Eingangsanschluss des Abtastkondensators mit einem Anschluss für eine zweite Differenzkomponente des Eingangssignals verbindet, die komplementär zur ersten Differenzkomponente ist, einen dritten Schalter, der einen Ausgangsanschluss des Abtastkondensators mit einer Referenzspannung verbindet, und einen vierten Schalter, der den Ausgangsanschluss des Abtastkondensators mit dem Integrator verbindet.
Integratorsystem nach Anspruch 1, wobei jeder Abtastschaltkreis umfasst: einen ersten Schalter, der den Eingangsanschluss des Abtastkondensators mit einem Anschluss für eine erste Referenzspannung verbindet, einen zweiten Schalter, der den Eingangsanschluss des Abtastkondensators mit einem Anschluss für eine zweite Referenzspannung mit einem anderen Spannungswert als die erste Referenzspannung verbindet, einen dritten Schalter, der einen Ausgangsanschluss des Abtastkondensators mit einer dritten Referenzspannung verbindet, und einen vierten Schalter, der einen Ausgangsanschluss des Abtastkondensators mit dem Integrator verbindet.
Integratorsystem nach Anspruch 3, wobei der erste und der zweite Schalter des Abtastschaltkreises in der ersten und zweiten Phase durch ein binäres Steuersignal gesteuert werden.
Integratorsystem nach Anspruch 1, das ferner umfasst: ein zweites Paar von Abtastschaltkreisen, die jeweils einen Abtastkondensator aufweisen, um in der zweiten Betriebsphase jeweilige Komponenten eines Differenzeingangssignals am Abtastkondensator abzutasten und in der ersten Betriebsphase das abgetastete Eingangssignal zu den Integratoreingängen zu leiten, und einen zweiten Kurzschlussschalter, um Eingangsanschlüsse der Kondensatoren des zweiten Paars von Abtastschaltkreisen während der dritten Betriebsphase miteinander zu verbinden.
Verfahren zur Integration eines Differenzeingangssignals, iterativ umfassend: in einer ersten Betriebsphase, das Abtasten von Differenzkomponenten des Eingangssignals an jeweiligen Kondensatoren, in einer zweiten Betriebsphase, das Kurzschließen von Eingangsanschlüssen der Kondensatoren, in einer dritten Betriebsphase, das Leiten des abgetasteten Eingangssignals zu einem Ausgangsschaltkreis unter Verwendung einer Differenzspannungsquelle und in einer vierten Betriebsphase, das Kurzschließen der Eingangsanschlüsse der Kondensatoren.
Verfahren nach Anspruch 6, das ferner ein erstes Paar von Schaltern umfasst, die jeweils einen Eingangsanschluss eines jeweiligen Kondensators mit einer entsprechenden Komponente des Eingangssignals verbinden.
Verfahren nach Anspruch 6, das ferner ein erstes Paar von Schaltern umfasst, die jeweils einen Eingangsanschluss eines jeweiligen Kondensators mit einer entsprechenden Referenzspannung verbinden und durch das Eingangssignal gesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 6, ferner umfassend: in der ersten Betriebsphase, das Weiterleiten von Differenzkomponenten eines vorher abgetasteten Eingangssignals von einem zweiten Paar von Kondensatoren, in der zweiten Betriebsphase, das Kurzschließen von Eingangsanschlüssen des zweiten Paars von Kondensatoren und in der dritten Betriebsphase, das Abtasten von Differenzkomponenten eines weiteren Teils des Eingangssignals am zweiten Paar von Kondensatoren und in der vierten Betriebsphase, das Kurzschließen der Eingangsanschlüsse der Kondensatoren.
Mehrbit-Integratorsystem, umfassend: einen Differenzintegrator mit einem Paar von Eingängen; eine Vielzahl von Paaren von Abtastschaltkreisen, die jeweils aufweisen: einen Abtastkondensator, ein Paar von Eingangsschaltern, die jeweils einen Eingangsanschluss des Abtastkondensators mit einer entsprechenden aus einem Paar von Differenzreferenzspannungen verbinden, wobei Schaltsteuersignale der Eingangsschalter digitale Informationen tragen, die vom Integratorsystem abzutasten sind, einen dritten Schalter, der einen Ausgangsanschluss des Abtastkondensators mit einer weiteren Referenzspannung verbindet, und einen vierten Schalter, der den Ausgangsanschluss des Abtastkondensators mit einem jeweiligen Eingang des Differenzintegrators verbindet, und eine Vielzahl von Kurzschlussschaltern, die jeweils zwischen Eingangsanschlüsse von Abtastkondensatoren eines jeweiligen Paars von Abtastschaltkreisen geschaltet sind.
Integratorsystem nach Anspruch 10, ferner umfassend: eine zweite Vielzahl von Paaren von Abtastschaltkreisen, die jeweils aufweisen: einen Abtastkondensator, ein Paar von Eingangsschaltern, die jeweils einen Eingangsanschluss des Abtastkondensators mit einer entsprechenden aus einem Paar von Differenzreferenzspannungen verbinden, wobei Schaltsteuersignale der Eingangsschalter digitale Informationen tragen, die vom Integratorsystem abzutasten sind, einen dritten Schalter, der einen Ausgangsanschluss des Abtastkondensators mit einer weiteren Referenzspannung verbindet, und einen vierten Schalter, der den Ausgangsanschluss des Abtastkondensators mit einem jeweiligen Eingang des Differenzintegrators verbindet, und eine Vielzahl von Kurzschlussschaltern, die jeweils zwischen Eingangsanschlüsse von Abtastkondensatoren eines jeweiligen Paars von Abtastschaltkreisen geschaltet sind; und wobei die Abtastschaltkreise der ersten und zweiten Vielzahl die digitalen Informationen abtasten und die abgetasteten Informationen in voneinander unterschiedlichen Phasen an den Differenzintegrator ausgeben.
Integratorsystem nach Anspruch 11, wobei die Kurzschlussschalter der ersten und zweiten Vielzahl von Abtastschaltkreisen sich in einer gemeinsamen Betriebsphase schließen.
Mehrbit-Integratorsystem, umfassend: einen Differenzintegrator, der ein Paar von Eingängen aufweist; eine Vielzahl von Paaren von Abtastschaltkreisen, die jeweils aufweisen: einen Abtastkondensator und ein Paar von Eingangsschaltern, die jeweils einen Eingangsanschluss des Abtastkondensators mit einer entsprechenden aus einem Paar von Differenzreferenzspannungen verbinden, wobei Schaltsteuersignale der Eingangsschalter digitale Informationen tragen, die vom Integratorsystem abzutasten sind; ein Paar von ersten Ausgangsschaltern, wobei einer der ersten Ausgangsschalter Ausgangsanschlüsse der Abtastkondensatoren von einem ersten aus den Paaren von Abtastschaltkreisen mit einer dritten Referenzspannung verbindet und der andere der ersten Ausgangsschalter Ausgangsanschlüsse der Abtastkondensatoren von einem zweiten aus den Paaren von Abtastschaltkreisen mit der dritten Referenzspannung verbindet; ein Paar von zweiten Ausgangsschaltern, wobei einer der zweiten Ausgangsschalter Ausgangsanschlüsse der Abtastkondensatoren vom ersten aus den Paaren von Abtastschaltkreisen mit einem ersten Eingang des Differenzintegrators verbindet und der andere der zweiten Ausgangsschalter Ausgangsanschlüsse der Abtastkondensatoren vom zweiten aus den Paaren von Abtastschaltkreisen mit einem zweiten Eingang des Differenzintegrators verbindet; und eine Vielzahl von Kurzschlussschaltern, die jeweils zwischen Eingangsanschlüsse der Abtastkondensatoren von einem jeweiligen Paar von Abtastschaltkreisen geschaltet sind.
Sigma-Delta-Modulator, umfassend: einen Differenzintegrator mit einem Paar von Eingängen; ein Abtastsystem mit Eingangsanschlüssen für eine Differenzeingangsspannung; wobei das Abtastsystem ein Paar von Abtastschaltungen aufweist, die jeweils einen Abtastkondensator aufweisen, um in einer ersten Betriebsphase jeweilige Komponenten der Differenzeingangsspannung am Abtastkondensator abzutasten und in einer zweiten Betriebsphase das abgetastete Eingangssignal jeweils zu den Integratoreingängen zu leiten; einen Kurzschlussschalter, um Eingangsanschlüsse der Abtastkondensatoren während einer dritten Betriebsphase zwischen der ersten Phase und der zweiten Phase zusammenzuschalten; einen Analog-Digital-Umsetzer (ADU) mit Eingangsanschlüssen in Kommunikation mit Ausgangsanschlüssen des Abtastsystems; und einen Digital-Analog-Umsetzer (DAU), der in einem Rückkopplungspfad des Modulators bereitgestellt ist und einen Eingang aufweist, der mit einem Ausgang des ADU verbunden ist.
Modulator nach Anspruch 14, wobei das Differenzintegratorsystem im Abtastsystem bereitgestellt ist und jeder Abtastschaltkreis umfasst: einen ersten Schalter, der den Eingangsanschluss des Abtastkondensators mit einem Anschluss für eine erste Differenzkomponente des Eingangssignals verbindet, einen zweiten Schalter, der den Eingangsanschluss des Abtastkondensators mit einem Anschluss für eine zweite Differenzkomponente des Eingangssignals, die komplementär zur ersten Differenzkomponente ist, verbindet, einen dritten Schalter, der einen Ausgangsanschluss des Abtastkondensators mit einer Referenzspannung verbindet, und einen vierten Schalter, der den Ausgangsanschluss des Abtastkondensators mit dem Integrator verbindet.
Verfahren zur Integration eines Differenzeingangssignals, iterativ umfassend: in einer ersten Betriebsphase, das Abtasten von Differenzkomponenten des Eingangssignals an einem Paar von Kondensatoren, in einer zweiten Betriebsphase, das Umverteilen von Ladung zwischen Eingangsanschlüssen des Paars von Kondensatoren, in einer dritten Betriebsphase, das Leiten des abgetasteten Eingangssignals von den Kondensatoren zu einem Integrationsfilter und in einer vierten Betriebsphase, das Umverteilen von Ladung zwischen Eingangsanschlüssen des Paars von Kondensatoren.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei während der zweiten und der vierten Betriebsphase die Ladungsumverteilung ohne Stromzufuhr von einer Quelle des Eingangssignals stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei während der zweiten und der vierten Betriebsphase die Ladungsumverteilung ohne Stromzufuhr von irgendeiner Energiequelle eines Systems erfolgt, in dem das Verfahren ausgeführt wird.