DE112021004022T5

DE112021004022T5 - Mehrweg-Abtastschaltungen

Info

Publication number: DE112021004022T5
Application number: DE112021004022.7T
Authority: DE
Inventors: Hae-Seung Lee
Original assignee: Omni Design Technologies Inc
Current assignee: Omni Design Technologies Inc
Priority date: 2020-09-01
Filing date: 2021-09-01
Publication date: 2023-05-17
Also published as: US20220069833A1; CN116508258A; US11533060B2; WO2022051755A1

Abstract

Eine Mehrweg-Abtastschaltung umfasst eine Eingangsleitung, die elektrisch eine Eingangsspannung aufweist, eine Vielzahl von Spannungsverstärkern, die elektrisch parallel zueinander geschaltet sind, wobei jeder Spannungsverstärker einen entsprechenden Eingang aufweist, der elektrisch in Reihe mit der Eingangsleitung verbunden ist, und jeder Spannungsverstärker eine unterschiedliche Verstärkung und eine unterschiedliche Sättigungsspannung aufweist; und eine Vielzahl von Track-and-Hold-Schaltungen. Die Track-and-Hold-Schaltungen haben einen ersten Zustand, in dem ein entsprechender Eingang jeder Track-and-Hold-Schaltung elektrisch mit einem Ausgang eines entsprechenden Verstärkers verbunden ist. Die Track-and-Hold-Schaltungen weisen einen zweiten Zustand auf, in dem der jeweilige Eingang jeder Track-and-Hold-Schaltung vom Ausgang des jeweiligen Verstärkers elektrisch entkoppelt ist. Die Track-and-Hold-Schaltungen können elektrisch mit einer Summierschaltung, einem Pufferverstärker oder einem Operationsverstärker verbunden sein.

Description

Querverweis auf verwandte Anwendungen
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 63/072,985 mit dem Titel „Multipath Sampling Circuits“, die am 1. September 2020 eingereicht wurde und hiermit durch Bezugnahme einbezogen wird.
Technischer Bereich
Diese Anwendung bezieht sich im Allgemeinen auf Abtast-, Abtast- und Halte-, Track-and-Hold- und Analog-Digital-Wandlerschaltungen.
Hintergrund
Abtastschaltungen wie Abtast- und Halteschaltungen (SHC) und Track-and-Hold-Schaltungen (THC) werden häufig zur Umwandlung zeitkontinuierlicher Signale in zeitdiskrete Signale verwendet. Diese zeitdiskreten Signale werden häufig von Analog-Digital-Wandlern (ADCs) in digitale Daten umgewandelt. Viele ADCs haben implizite Abtastschaltungen. So tastet beispielsweise ein SAR-ADC (Successive-Approximation-Register) die Eingangsspannung an einem DAC (Digital-Analog-Wandler) mit Kondensatoranordnung ab, anstatt sie mit einer expliziten Abtastschaltung abzutasten. Die Abtastschaltungen erfassen zeitkontinuierliche Analogsignale und halten sie über einen längeren Zeitraum auf demselben Pegel. Die Signale können in Spannung, Ladung oder Strom gehalten werden. Beispielsweise kann eine SHC vor einem Analog-Digital-Wandler platziert werden, so dass das am Eingang des ADC anliegende Signal konstant gehalten wird, bis die Umwandlung abgeschlossen ist. Ein Blockdiagramm eines repräsentativen Systems 10 ist in 1 dargestellt.
Herkömmliche Abtastschaltungen haben eine lineare Eingangs-/Ausgangscharakteristik. $V_{O} (n) = a v_{I N} (t = t_{n})$
wobei V_o (n) eine zeitdiskrete Ausgangsspannung, v_IN (t) eine zeitkontinuierliche Eingangsspannung und a eine Verstärkung ist. 2 zeigt eine Übertragungsfunktion 20 einer solchen Abtastschaltung mit zwei verschiedenen Verstärkungen, a =1 (durchgezogene Linie) und a =0,5 (gepunktete Linie). Eine solche lineare Kennlinie stellt ein Problem dar, wenn das Eingangssignal einen großen Dynamikbereich aufweist, z. B. ein großes Verhältnis zwischen dem größten und dem kleinsten Eingangssignal.
Abtastschaltungen und ADCs haben einen begrenzten Bereich von Eingangs- und Ausgangssignalen, über den hinaus der Ausgang in die Sättigung geht. So gilt beispielsweise für die durchgezogene Linie (a=1) in 2 die lineare Kennlinie nur bis zu einer Eingangsspannung von v = V_IN1. Für den Eingangsbereich v_IN > V₁ geht die Ausgangsspannung bei V₁ in die Sättigung und reagiert nicht mehr auf die Änderungen der Eingangsspannung. Wenn der Bereich der Eingangsspannung V₁ überschreitet, ist die Abtastschaltung daher nicht in der Lage, die Eingangsspannung jenseits von V₁ zu reproduzieren. Ein Verfahren zur Vergrößerung des Eingangsbereichs ist die Verringerung der Verstärkung. In 2 geht die gestrichelte Linie erst in die Sättigung, wenn die Eingangsspannung 2 V₁ übersteigt, wodurch der doppelte Bereich der Eingangsspannung möglich wird. Der Nachteil der verringerten Verstärkung besteht darin, dass das Rauschen in den auf die Abtastschaltung folgenden Schaltungen, z. B. einem ADC, um den Faktor 2 erhöht wird, wenn man es auf den Eingang der Abtastschaltung bezieht. Dies ist unerwünscht, da es kostspielig ist, das Rauschen in ADCs zu reduzieren.
Zusammenfassung
Die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele weisen innovative Merkmale auf, von denen kein einziges unverzichtbar oder allein verantwortlich für ihre wünschenswerten Eigenschaften ist. In der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen werden bestimmte illustrative Ausführungsformen der Offenbarung im Detail dargestellt, die mehrere beispielhafte Möglichkeiten aufzeigen, wie die verschiedenen Prinzipien der Offenbarung ausgeführt werden können. Die anschaulichen Beispiele sind jedoch nicht erschöpfend für die vielen möglichen Ausführungsformen der Offenbarung. Ohne den Umfang der Ansprüche einzuschränken, werden nun einige der vorteilhaften Merkmale zusammengefasst. Andere Objekte, Vorteile und neuartige Merkmale der Offenbarung werden in der folgenden detaillierten Beschreibung der Offenbarung dargelegt, wenn sie in Verbindung mit den Zeichnungen betrachtet werden, die die Erfindung veranschaulichen und nicht einschränken sollen.
Ein Aspekt der Erfindung ist auf eine Mehrweg-Abtastschaltung gerichtet, die Folgendes umfasst: eine Eingangsleitung, die elektrisch eine Eingangsspannung aufweist; eine Vielzahl von Spannungsverstärkern, die elektrisch parallel zueinander geschaltet sind, wobei jeder Spannungsverstärker einen entsprechenden Eingang aufweist, der elektrisch mit der Eingangsleitung verbunden ist, und wobei jeder Spannungsverstärker eine unterschiedliche Verstärkung und eine unterschiedliche Sättigungsspannung aufweist; eine Vielzahl von Track-and-Hold-Schaltungen; eine Kurzschlussleitung, die elektrisch mit einem entsprechenden Ausgang jeder Abtast- und Halteschaltung verbunden ist; einen Kurzschlussschalter, der elektrisch mit der Kurzschlussleitung verbunden ist; einen Pufferverstärker mit einem Eingang, der elektrisch mit der Kurzschlussleitung verbunden ist. Die Mehrweg-Abtastschaltung hat eine Track-Phase und eine Haltephase. Wenn sich die Mehrweg-Abtastschaltung in der Track-Phase befindet, befindet sich der Kurzschlussschalter in einem offenen Zustand, und die Track-and-Hold-Schaltungen befinden sich in einem ersten Zustand, in dem ein entsprechender Eingang jeder Track-and-Hold-Schaltung elektrisch mit einem Ausgang eines entsprechenden Verstärkers verbunden ist. Wenn sich die Mehrweg-Abtastschaltung in der Haltephase befindet: Der Kurzschlussschalter befindet sich in einem geschlossenen Zustand, und die Track-and-Hold-Schaltungen befinden sich in einem zweiten Zustand, in dem der jeweilige Eingang jeder Track-and-Hold-Schaltung elektrisch vom Ausgang des jeweiligen Verstärkers entkoppelt ist.
In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst die Schaltung ferner eine Vielzahl von Abtastschaltern und eine Vielzahl von Abtastkondensatoren. Jede Track-and-Hold-Schaltung umfasst einen jeweiligen Abtastschalter und einen jeweiligen Abtastkondensator. Wenn sich die Track-and-Hold-Schaltungen im ersten Zustand befinden, sind die Abtastschalter in einem geschlossenen Zustand, so dass jeder Abtastkondensator elektrisch mit dem Ausgang des jeweiligen Verstärkers verbunden ist. Wenn sich die Track-and-Hold-Schaltungen im zweiten Zustand befinden, befinden sich die Abtastschalter in einem offenen Zustand, so dass jeder Abtastkondensator vom Ausgang des jeweiligen Verstärkers elektrisch entkoppelt ist.
In einer oder mehreren Ausführungsformen umfassen die Spannungsverstärker erste und zweite Spannungsverstärker, die Track-and-Hold-Schaltungen umfassen erste und zweite Track-and-Hold-Schaltungen, die Verstärkung des ersten Spannungsverstärkers ist größer als die Verstärkung des zweiten Spannungsverstärkers, und die Sättigungsspannung des ersten Spannungsverstärkers ist niedriger als die Sättigungsspannung des zweiten Spannungsverstärkers. In einer oder mehreren Ausführungsformen ist die Verstärkung des ersten Spannungsverstärkers mindestens doppelt so hoch wie die Verstärkung des zweiten Spannungsverstärkers, und die Sättigungsspannung des ersten Spannungsverstärkers ist kleiner oder gleich der Hälfte der Sättigungsspannung des zweiten Spannungsverstärkers.
In einer oder mehreren Ausführungsformen enthält die erste Track-and-Hold-Schaltung einen ersten Abtastschalter und einen ersten Abtastkondensator, die zweite Track-and-Hold-Schaltung enthält einen zweiten Abtastschalter und einen zweiten Abtastkondensator, wenn sich die Track-and-Hold-Schaltungen im ersten Zustand befinden, befinden sich der erste und der zweite Abtastschalter in einem geschlossenen Zustand, so dass der erste und der zweite Abtastkondensator elektrisch mit dem Ausgang des ersten bzw. des zweiten Spannungsverstärkers verbunden sind, und wenn sich die Track-and-Hold-Schaltung im zweiten Zustand befinden, befinden sich der erste und der zweite Abtastschalter in einem offenen Zustand, so dass der erste und der zweite Abtastkondensator elektrisch vom Ausgang des ersten bzw. des zweiten Spannungsverstärkers entkoppelt sind. In einer oder mehreren Ausführungsformen ist, wenn die Eingangsspannung (V_IN) niedriger ist als die Sättigungsspannung (V₁) des ersten Spannungsverstärkers, eine Spannung (V_o) an einem Ausgang des Pufferverstärkers gleich $\frac{(C_{1} a_{1} + C_{2} a_{2})}{C_{1} + C_{2}} v_{I N},$
wenn V_IN größer als oder gleich V₁ und kleiner als oder gleich der Sättigungsspannung (V₂) des zweiten Spannungsverstärkers ist, V_o ist gleich $\frac{(C_{1} a_{1} V_{1} + C_{2} a_{2} v_{I N})}{C_{1} + C_{2}},$
und wenn V_IN größer als V₂ ist, ist V gleich $o \frac{(C_{1} a_{1} V_{1} + C_{2} a_{2} V_{2})}{C_{1} + C_{2}}$
wobei: a₁ die Verstärkung des ersten Spannungsverstärkers ist, a₂ die Verstärkung des zweiten Spannungsverstärkers ist, C₁ eine Kapazität des ersten Abtastkondensators ist, C₂ eine Kapazität des zweiten Abtastkondensators ist, und V_o während der Haltephase der Mehrweg-Abtastschaltung gemessen wird.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist auf eine Mehrweg-Abtastschaltung gerichtet, die Folgendes umfasst: eine Eingangsleitung mit einer Eingangsspannung; eine Vielzahl von Spannungsverstärkern, die elektrisch parallel zueinander geschaltet sind, wobei jeder Spannungsverstärker einen entsprechenden Eingang aufweist, der elektrisch mit der Eingangsleitung verbunden ist, und jeder Spannungsverstärker eine unterschiedliche Verstärkung und eine unterschiedliche Sättigungsspannung aufweist; eine Vielzahl von Track-and-Hold-Schaltungen; eine Abtastschaltung, die elektrisch mit einem entsprechenden Ausgang jeder Abtast- und Halteschaltung verbunden ist, wobei die Abtastschaltung einen Abtastschalter mit einem offenen Zustand und einem geschlossenen Zustand aufweist; einen Operationsverstärker mit einem Differenzeingang und einem Ausgang, wobei der Differenzeingang des Operationsverstärkers elektrisch mit der Kurzschlussleitung verbunden ist. Die Mehrweg-Abtastschaltung hat eine Track-Phase und eine Haltephase. Wenn sich die Mehrweg-Abtastschaltung in der Track-Phase befindet, befinden sich die Track-and-Hold-Schaltungen in einem ersten Zustand, in dem ein jeweiliger Ausgang jedes Spannungsverstärkers elektrisch mit der Kurzschlussleitung verbunden ist, und der Abtastschalter befindet sich im geschlossenen Zustand. Wenn sich die Mehrweg-Abtastschaltung in der Haltephase befindet: Die Track-and-Hold-Schaltungen befinden sich in einem zweiten Zustand, in dem der jeweilige Ausgang jedes Spannungsverstärkers elektrisch von der Kurzschlussleitung entkoppelt ist und der Abtastschalter sich im offenen Zustand befindet.
In einer oder mehreren Ausführungsformen ist die Abtastschaltung elektrisch mit einer invertierenden Seite des Differenzeingangs verbunden, und eine nichtinvertierende Seite des Differenzeingangs ist elektrisch mit der Erdung verbunden. In einer oder mehreren Ausführungsformen umfassen die Spannungsverstärker erste und zweite Spannungsverstärker, die Track-and-Hold-Schaltungen umfassen erste und zweite Track-and-Hold-Schaltungen, die Verstärkung des ersten Spannungsverstärkers ist größer als die Verstärkung des zweiten Spannungsverstärkers, und die Sättigungsspannung des ersten Spannungsverstärkers ist niedriger als die Sättigungsspannung des zweiten Spannungsverstärkers.
In einer oder mehreren Ausführungsformen enthält die erste Track-and-Hold-Schaltung einen ersten Abtastschalter und einen ersten Abtastkondensator, die zweite Track-and-Hold-Schaltung enthält einen zweiten Abtastschalter und einen zweiten Abtastkondensator, wenn sich die erste und die zweite Track-and-Hold-Schaltung im ersten Zustand befinden, befinden sich der erste und der zweite Abtastschalter in einem ersten Zustand, so dass der erste und der zweite Abtastkondensator elektrisch mit dem Ausgang des ersten bzw. des zweiten Spannungsverstärkers verbunden sind, und wenn sich die erste und die zweite Track-and-Hold-Schaltung im zweiten Zustand befinden, befinden sich der erste und der zweite Abtastschalter in einem zweiten Zustand, so dass der erste und der zweite Abtastkondensator vom Ausgang des ersten bzw. des zweiten Spannungsverstärkers elektrisch entkoppelt sind. In einer oder mehreren Ausführungsformen koppeln der erste und der zweite Abtastschalter im zweiten Zustand den ersten und den zweiten Abtastkondensator elektrisch mit einer jeweiligen Rückkopplungsleitung, die elektrisch mit dem Ausgang des Operationsverstärkers verbunden ist. In einer oder mehreren Ausführungsformen ist, wenn die Eingangsspannung (V_IN) niedriger ist als die Sättigungsspannung (V₁) des ersten Spannungsverstärkers, eine Spannung (V_o) am Ausgang des Operationsverstärkers gleich $\frac{(C_{1} a_{1} + C_{2} a_{2})}{C_{1} + C_{2}} v_{I N},$
wenn V_IN größer als oder gleich V₁ und kleiner als oder gleich der Sättigungsspannung (V₂) des zweiten Spannungsverstärkers ist, ist V_o ist gleich $\frac{(C_{1} a_{1} V_{1} + C_{2} a_{2} v_{I N})}{C_{1} + C_{2}},$
und wenn V_IN größer als V₂ ist, V gleich $o \frac{(C_{1} a_{1} V_{1} + C_{2} a_{2} V_{2})}{C_{1} + C_{2}}$
ist, wobei: a₁ die Verstärkung des ersten Spannungsverstärkers ist, a₂ die Verstärkung des zweiten Spannungsverstärkers ist, C₁ eine Kapazität des ersten Abtastkondensators ist, C₂ eine Kapazität des zweiten Abtastkondensators ist, und V_o während der Haltephase der Mehrweg-Abtastschaltung gemessen wird.
In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst die Abtastschaltung ferner einen Rückkopplungskondensator mit einem ersten Anschluss, der elektrisch mit der Abtastschaltung verbunden ist, und einen Erdungsschalter. Wenn sich die Mehrweg-Abtastschaltung in der Track-Phase befindet, befindet sich der Erdungsschalter in einem ersten Zustand, in dem ein zweiter Anschluss des Rückkopplungskondensators elektrisch mit der Erdung verbunden ist. Wenn sich die Mehrweg-Abtastschaltung in der Haltephase befindet, sind der erste und der zweite Abtastschalter den ersten bzw. den zweiten Abtastkondensator elektrisch mit der Erdung verbunden, und der Erdungsschalter befindet sich in einem zweiten Zustand, in dem der zweite Anschluss des Rückkopplungskondensators elektrisch mit einer Rückkopplungsleitung verbunden ist, wobei die Rückkopplungsleitung elektrisch mit dem Ausgang des Operationsverstärkers und mit der Abtastschaltung verbunden ist. In einer oder mehreren Ausführungsformen ist, wenn die Eingangsspannung (V_IN) niedriger ist als die Sättigungsspannung (V₁) des ersten Spannungsverstärkers, eine Spannung (V_o) am Ausgang des Operationsverstärkers gleich $\frac{(C_{1} a_{1} + C_{2} a_{2})}{C_{3}} v_{I N},$
wenn V_IN größer als oder gleich V₁ und kleiner als oder gleich der Sättigungsspannung (V₂) des zweiten Spannungsverstärkers ist, ist V_o gleich $\frac{(C_{1} a_{1} V_{1} + C_{2} a_{2} v_{I N})}{C_{3}},$
und wenn V_IN größer als V₂ ist, ist V gleich $o \frac{(C_{1} a_{1} V_{1} + C_{2} a_{2} V_{2})}{C_{3}}$
wobei: a₁ die Verstärkung des ersten Spannungsverstärkers ist, a₂ die Verstärkung des zweiten Spannungsverstärkers ist, C₁ eine Kapazität des ersten Abtastkondensators ist, C₂ eine Kapazität des zweiten Abtastkondensators ist, C₃ eine Kapazität des Rückkopplungskondensators ist, und V_x während der Haltephase der Mehrweg-Abtastschaltung gemessen wird.
In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst die Abtastschaltung ferner eine erste Kurzschlussleitung, die elektrisch mit dem jeweiligen Ausgang jeder Abtast- und Halteschaltung verbunden ist, wobei die erste Kurzschlussleitung elektrisch mit einer invertierenden Seite des Differenzeingangs des Operationsverstärkers verbunden ist; eine zweite Kurzschlussleitung, die eine erste Rückkopplungsleitung elektrisch mit der Kurzschlussleitung verbindet; und der Abtastschalter hat einen ersten Anschluss, der elektrisch mit einer ersten Seite der zweiten Kurzschlussleitung verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der elektrisch mit einer zweiten Seite der zweiten Kurzschlussleitung verbunden ist. Wenn sich der Abtastschalter im geschlossenen Zustand befindet, koppelt der Abtastschalter die erste und zweite Seite der zweiten Kurzschlussleitung elektrisch, wodurch die invertierende Seite des Differenzeingangs des Operationsverstärkers mit dem Ausgang des Operationsverstärkers elektrisch verbunden wird. Wenn sich der Abtastschalter im offenen Zustand befindet, entkoppelt der Abtastschalter die erste und zweite Seite der zweiten Kurzschlussleitung elektrisch, wodurch die invertierende Seite des Differenzeingangs des Operationsverstärkers mit dem Ausgang des Operationsverstärkers elektrisch entkoppelt wird.
In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst die Abtastschaltung eine Kurzschlussleitung, die elektrisch mit dem jeweiligen Ausgang jeder Abtast- und Halteschaltung verbunden ist, wobei der Abtastschalter elektrisch mit der Kurzschlussleitung verbunden ist, wobei: wenn sich die Abtastschaltung im ersten Zustand befindet, der Abtastschalter sich in einem geschlossenen Zustand befindet, in dem die Abtastschaltung elektrisch mit der Erdung verbunden ist, und wenn sich die Abtastschaltung im zweiten Zustand befindet, befindet sich der Abtastschalter in einem offenen Zustand, in dem der Abtastschalter elektrisch von der Erdung entkoppelt ist. In einer oder mehreren Ausführungsformen hat die Mehrzahl der Spannungsverstärker unterschiedliche Frequenzgänge.
Noch ein weiterer Aspekt der Erfindung ist auf eine Mehrweg-Abtastschaltung gerichtet, die Folgendes umfasst eine Eingangsleitung mit einer Eingangsspannung; eine Vielzahl von Spannungsverstärkern, die elektrisch parallel zueinander geschaltet sind, wobei jeder Spannungsverstärker einen entsprechenden Eingang aufweist, der elektrisch mit der Eingangsleitung verbunden ist, und jeder Spannungsverstärker eine unterschiedliche Verstärkung und eine unterschiedliche Sättigungsspannung aufweist; eine Vielzahl von Track-and-Hold-Schaltungen, die eine erste Track-and-Hold-Schaltungsgruppe und eine zweite Track-and-Hold-Schaltungsgruppe umfassen, wobei jede Track-and-Hold-Schaltung einen entsprechenden Eingang und einen entsprechenden Ausgang aufweist; eine Abtastschaltung mit einer ersten Seite, die elektrisch mit jeder Track-and-Hold-Schaltung in der ersten Track-and-Hold-Schaltungsgruppe verbunden ist, und einer zweiten Seite, die elektrisch mit jeder Abtast- und Halteschaltung in der zweiten Track-and-Hold-Schaltungsgruppe verbunden ist, wobei die Abtastschaltung einen ersten Zustand aufweist, in dem die erste und zweite Seite der Abtastschaltung elektrisch verbunden sind, und einen zweiten Zustand, in dem die erste und zweite Seite der Abtastschaltung elektrisch entkoppelt sind; und einen Operationsverstärker mit einem Differenzeingang, bei dem (a) eine erste Seite des Differenzeingangs des Operationsverstärkers elektrisch mit der ersten Seite der Abtastschaltung verbunden ist und (b) eine zweite Seite des Differenzeingangs des Operationsverstärkers elektrisch mit der zweiten Seite der Abtastschaltung verbunden ist. Die Mehrweg-Abtastschaltung hat eine Track-Phase und eine Haltephase. Wenn sich die Mehrwegabtastschaltung sich in der Track-Phase befindet, befinden sich die Track-and-Hold-Schaltungen in der ersten Track-and-Hold-Schaltungsgruppe in einem ersten Zustand, in dem eine erste Seite eines Differenzausgangs jedes Spannungsverstärkers elektrisch mit der ersten Seite der Abtastschaltung verbunden ist, die Track-and-Hold-Schaltungen in der ersten Track-and-Hold-Schaltungsgruppe befinden sich in einem ersten Zustand, in dem eine zweite Seite des Differenzausgangs jedes Spannungsverstärkers elektrisch mit der zweiten Seite der Abtastschaltung verbunden ist, und die Abtastschaltung befindet sich im ersten Zustand. Wenn sich die Mehrweg-Abtastschaltung in der Haltephase befindet: der jeweilige Eingang jeder Track-and-Hold-Schaltung in der ersten Track-and-Hold-Schaltungsgruppe ist elektrisch mit einer ersten Rückkopplungsleitung verbunden, die elektrisch mit einer ersten Seite eines Differenzausgangs des Operationsverstärkers verbunden ist, der jeweilige Eingang jeder Track-and-Hold-Schaltung in der zweiten Track-and-Hold-Schaltungsgruppe ist elektrisch mit einer zweiten Rückkopplungsleitung verbunden, die elektrisch mit einer zweiten Seite des Differenzausgangs des Operationsverstärkers verbunden ist, und die Abtastschaltung befindet sich im zweiten Zustand.
In einer oder mehreren Ausführungsformen umfassen die Spannungsverstärker einen ersten und einen zweiten Spannungsverstärker, die erste Track-and-Hold-Schaltungsgruppe umfasst eine erste und eine zweite Track-and-Hold-Schaltung, die zweite Track-and-Hold-Schaltungsgruppe umfasst eine dritte und eine vierte Track-and-Hold-Schaltung, die Verstärkung des ersten Spannungsverstärkers ist größer als die Verstärkung des zweiten Spannungsverstärkers, und die Sättigungsspannung des ersten Spannungsverstärkers ist kleiner als die Sättigungsspannung des zweiten Spannungsverstärkers. In einer oder mehreren Ausführungsformen enthält die erste Track-and-Hold-Schaltung einen ersten Abtastschalter und einen ersten Abtastkondensator, die zweite Track-and-Hold-Schaltung enthält einen zweiten Abtastschalter und einen zweiten Abtastkondensator, die dritte Track-and-Hold-Schaltung enthält einen dritten Abtastschalter und einen dritten Abtastkondensator, die vierte Track-and-Hold-Schaltung enthält einen vierten Abtastschalter und einen vierten Abtastkondensator, wenn die erste, die zweite, die dritte und die vierte Track-and-Hold-Schaltung sich im ersten Zustand befinden, befinden sich der erste, der zweite, der dritte und der vierte Abtastschalter sich in einem ersten Zustand, so dass (a) ein jeweiliger erster Anschluss des ersten und des zweiten Abtastkondensators elektrisch mit der ersten Seite des Differenzausgangs des ersten und des zweiten Spannungsverstärkers verbunden ist, und (b) ein jeweiliger erster Anschluss des dritten und vierten Abtastkondensators elektrisch mit der zweiten Seite des Differenzausgangs des ersten bzw. zweiten Spannungsverstärkers verbunden ist, und wenn sich die erste, zweite, dritte und vierte Track-and-Hold-Schaltung im zweiten Zustand befinden, befinden sich der erste und zweite Abtastschalter in einem zweiten Zustand, so dass (a) der jeweilige erste Anschluss des ersten und zweiten Abtastkondensators elektrisch mit der ersten Rückkopplungsleitung verbunden ist und (b) der jeweilige erste Anschluss des dritten und vierten Abtastkondensators elektrisch mit der zweiten Rückkopplungsleitung verbunden ist.
In einer oder mehreren Ausführungsformen ist die erste Seite des Differenzausgangs des ersten und des zweiten Spannungsverstärkers eine nicht invertierende Seite, die zweite Seite des Differenzausgangs des ersten und des zweiten Spannungsverstärkers ist eine invertierende Seite, wenn ein Absolutwert der Eingangsspannung (V_IN) kleiner als die Sättigungsspannung (V₁) des ersten Spannungsverstärkers ist, ist eine Spannung (V_o) über der ersten und der zweiten Seite des Differenzausgangs des Operationsverstärkers gleich $\frac{(C_{1} a_{1} + C_{2} a_{2})}{C_{1} + C_{2}} v_{I N},$
wenn der Absolutwert von V_IN größer oder gleich V₁ und kleiner oder gleich der Sättigungsspannung (V₂) des zweiten Spannungsverstärkers ist, ist V_o gleich $\frac{(C_{1} a_{1} V_{1} + C_{2} a_{2} v_{I N})}{C_{1} + C_{2}},$
ist und wenn V_IN größer als V₂ ist, ist V_o gleich $\frac{(C_{1} a_{1} V_{1} + C_{2} a_{2} v_{I N})}{C_{1} + C_{2}}$
wobei: a₁ die Verstärkung des ersten Spannungsverstärkers ist, a₂ die Verstärkung des zweiten Spannungsverstärkers ist, C₁ eine Kapazität des ersten und dritten Abtastkondensators ist, C₂ eine Kapazität des zweiten und vierten Abtastkondensators ist, und V_o während der Haltephase der Track-and-Hold-Schaltungen gemessen wird.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist auf eine Mehrweg-Abtastschaltung gerichtet, die Folgendes umfasst: eine Eingangsleitung mit einer Eingangsspannung; eine Vielzahl von Spannungsverstärkern, die elektrisch parallel zueinander geschaltet sind, wobei jeder Spannungsverstärker einen entsprechenden Eingang aufweist, der elektrisch mit der Eingangsleitung verbunden ist, und jeder Spannungsverstärker eine unterschiedliche Verstärkung und eine unterschiedliche Sättigungsspannung aufweist; und einen Analog-Digital-Wandler (ADC), der Folgendes umfasst: eine Vielzahl von Track-and-Hold-Schaltungen; eine Kurzschlussleitung, die elektrisch mit jeder Abtast- und Halteschaltung verbunden ist; eine Vielzahl von ADC-Steuerleitungen; einen Abtastschalter mit einem geschlossenen Zustand, in dem die Kurzschlussleitung elektrisch mit der Erdung verbunden ist, und einem offenen Zustand, in dem die Kurzschlussleitung elektrisch von der Erdung entkoppelt ist; und eine ADC-Steuerschaltung, die elektrisch mit der Kurzschlussleitung und den ADC-Steuerleitungen verbunden ist. Der ADC hat eine Track-Phase und eine Umwandlungsphase. Wenn sich der ADC in der Track-Phase befindet, befinden sich die Track-and-Hold-Schaltungen in einem ersten Zustand, in dem ein entsprechender Ausgang jedes Spannungsverstärkers elektrisch mit der Kurzschlussleitung verbunden ist und der Abtastschalter sich im geschlossenen Zustand befindet. Wenn sich der ADC in der Umwandlungsphase befindet: Die Track-and-Hold-Schaltungen befinden sich in einem zweiten Zustand, in dem die Kurzschlussleitung elektrisch mit einer entsprechenden ADC-Steuerleitung verbunden ist und der Abtastschalter sich im offenen Zustand befindet.
In einer oder mehreren Ausführungsformen umfassen die Spannungsverstärker einen ersten und einen zweiten Spannungsverstärker, die Track-and-Hold-Schaltungen umfassen eine erste und eine zweite Track-and-Hold-Schaltung, die ADC-Steuerleitungen umfassen eine erste und eine zweite ADC-Steuerleitung, die Verstärkung des ersten Spannungsverstärkers ist größer als die Verstärkung des zweiten Spannungsverstärkers, und die Sättigungsspannung des ersten Spannungsverstärkers ist geringer als die Sättigungsspannung des zweiten Spannungsverstärkers. In einer oder mehreren Ausführungsformen ist die Verstärkung des ersten Spannungsverstärkers mindestens doppelt so hoch wie die Verstärkung des zweiten Spannungsverstärkers, und die Sättigungsspannung des ersten Spannungsverstärkers ist kleiner als oder gleich der Hälfte der Sättigungsspannung des zweiten Spannungsverstärkers. In einer oder mehreren Ausführungsformen enthält die erste Track-and-Hold-Schaltung einen ersten Abtastschalter und einen ersten Abtastkondensator, die zweite Track-and-Hold-Schaltung enthält einen zweiten Abtastschalter und einen zweiten Abtastkondensator, wenn sich die Track-and-Hold-Schaltungen im ersten Zustand befinden, befinden sich der erste und der zweite Abtastschalter in einem ersten Zustand, in dem ein jeweiliger erster Anschluss des ersten und des zweiten Abtastkondensators elektrisch mit dem jeweiligen Ausgang des ersten bzw. des zweiten Spannungsverstärkers verbunden ist, und wenn sich die Track-and-Hold-Schaltungen im zweiten Zustand befinden, befinden sich der erste und der zweite Abtastschalter in einem zweiten Zustand, in dem der jeweilige erste Anschluss des ersten und des zweiten Abtastkondensators mit der ersten bzw. der zweiten ADC-Steuerleitung elektrisch verbunden ist.
In einer oder mehreren Ausführungsformen ist, wenn die Eingangsspannung (V_IN) niedriger als die Sättigungsspannung (V₁) des ersten Spannungsverstärkers ist, ein digitaler Ausgang (D_o) des ADC-Steuerschaltkreises gleich oder nahe zu $\frac{C_{1} a_{1} + C_{2} a_{2}}{C_{1} + C_{2}} \cdot \frac{v_{I N}}{V_{R E F}},$
wenn V_IN größer als oder gleich V₁ und kleiner als oder gleich der Sättigungsspannung (V₂) des zweiten Spannungsverstärkers ist, ist D_o gleich oder nahe bei $\frac{(C_{1} a_{1} V_{1} + C_{2} a_{2} v_{I N})}{(C_{1} + C_{2}) V_{R E F}}$
ist und wenn V_IN größer als V₂ ist, ist D_o gleich oder annähernd gleich $\frac{(C_{1} a_{1} V_{1} + C_{2} a_{2} V_{2})}{(C_{1} + C_{2}) V_{R E F}}$
wobei: a₁ die Verstärkung des ersten Spannungsverstärkers ist, a₂ die Verstärkung des zweiten Spannungsverstärkers ist, C₁ eine Kapazität des ersten Abtastkondensators ist, C₂ eine Kapazität des zweiten Abtastkondensators ist, V_REF eine Vollausschlagsspannung des ADC ist, und D_o während der Umwandlungsphase des ADC gemessen wird.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Mehrweg-Abtastschaltung, die Folgendes umfasst: eine Eingangsleitung, die elektrisch eine Eingangsspannung aufweist; eine Vielzahl von Spannungsverstärkern, die elektrisch parallel zueinander geschaltet sind, wobei jeder Spannungsverstärker einen entsprechenden Eingang aufweist, der elektrisch mit der Eingangsleitung verbunden ist, und jeder Spannungsverstärker eine unterschiedliche Verstärkung und eine unterschiedliche Sättigungsspannung aufweist; eine Vielzahl von Track-and-Hold-Schaltungen; und eine Summierschaltung, die elektrisch mit den Track-and-Hold-Schaltungen verbunden ist. Die Mehrweg-Abtastschaltung hat eine Track-Phase und eine Haltephase. Wenn sich die Mehrweg-Abtastschaltung in der Track-Phase befindet, befinden sich die Track-and-Hold-Schaltungen in einem ersten Zustand, in dem ein entsprechender Eingang jeder Track-and-Hold-Schaltung elektrisch mit einem Ausgang eines entsprechenden Verstärkers verbunden ist. Wenn sich die Mehrweg-Abtastschaltung in der Haltephase befindet, befinden sich die Track-and-Hold-Schaltungen in einem ersten Zustand, in dem der jeweilige Eingang jeder Track-and-Hold-Schaltung vom Ausgang des jeweiligen Verstärkers elektrisch entkoppelt ist.
In einer oder mehreren Ausführungsformen umfassen die Spannungsverstärker einen ersten und einen zweiten Spannungsverstärker, die Track-and-Hold-Schaltungen umfassen eine erste und eine zweite Track-and-Hold-Schaltung, die erste Track-and-Hold-Schaltung umfasst einen ersten Abtastschalter und einen ersten Abtastkondensator, die zweite Track-and-Hold-Schaltung umfasst einen zweiten Abtastschalter und einen zweiten Abtastkondensator, wenn sich die erste und die zweite Track-and-Hold-Schaltung im ersten Zustand befinden, befinden sich der erste und der zweite Abtastschalter in einem ersten Zustand, so dass der erste und der zweite Abtastkondensator elektrisch mit dem Ausgang des ersten und des zweiten Spannungsverstärkers verbunden sind, wenn die erste und die zweite Track-and-Hold-Schaltung im zweiten Zustand sind, befinden sich der erste und der zweite Abtastschalter in einem zweiten Zustand, so dass der erste und der zweite Abtastkondensator vom Ausgang des ersten bzw. des zweiten Spannungsverstärkers elektrisch entkoppelt sind, die Verstärkung des ersten Spannungsverstärkers größer als die Verstärkung des zweiten Spannungsverstärkers ist und die Sättigungsspannung des ersten Spannungsverstärkers niedriger als die Sättigungsspannung des zweiten Spannungsverstärkers ist.
In einer oder mehreren Ausführungsformen enthält die Summierschaltung einen ersten und einen zweiten Summierverstärker und einen Ausgangssummierknoten, wobei ein Eingang des ersten Summierverstärkers elektrisch mit einem Ausgang der ersten Track-and-Hold-Schaltung verbunden ist, ein Eingang des zweiten Summierverstärkers elektrisch mit einem Ausgang der zweiten Track-and-Hold-Schaltung verbunden ist und der Ausgangssummierknoten elektrisch mit einem Ausgang des ersten Summierverstärkers und einem Ausgang des zweiten Summierverstärkers verbunden ist.
In einer oder mehreren Ausführungsformen ist, wenn die Eingangsspannung (V_IN) niedriger als die Sättigungsspannung (V₁) des ersten Spannungsverstärkers ist, eine Spannung (V_o) an einem Ausgang des Ausgangssummierknotens gleich (a₁b₁ + a₂b₂)V_IN wenn V_IN größer als oder gleich V₁ und kleiner als oder gleich der Sättigungsspannung (V₂) des zweiten Spannungsverstärkers ist, ist V_o gleich a₁b₁V₁ + a₂b₂v_IN, und wenn V_IN größer als V₂ ist, ist V gleich _oa₁b₁V₁ + a₂b₂V₂ wobei: a₁ die Verstärkung des ersten Spannungsverstärkers ist, a₂ die Verstärkung des zweiten Spannungsverstärkers ist, b₁ ein Spannungsskalierungsfaktor des ersten Summierverstärkers ist, b₂ ein Spannungsskalierungsfaktor des zweiten Summierverstärkers ist, und V_o während der Haltephase der Mehrwegabtastschaltung gemessen wird.
Figurenliste
Zum besseren Verständnis der Natur und der Vorteile der hier offengelegten Konzepte wird auf die detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen und die beigefügten Zeichnungen verwiesen.

1 ist ein Blockdiagramm, das ein repräsentatives System gemäß dem Stand der Technik zeigt.
2 ist ein Diagramm der Übertragungsfunktion einer Abtastschaltung mit zwei verschiedenen Verstärkungen gemäß dem Stand der Technik.
3 ist ein schematisches Schaltbild einer Mehrweg-Abtastschaltung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
4 ist ein Diagramm der Ausgangsspannung der in 3 dargestellten ersten und zweiten Spannungsverstärker gemäß einer Ausführungsform.
5 ist ein Diagramm der Ausgangsspannung der in 3 dargestellten Mehrweg-Abtastschaltung gemäß einer Ausführungsform.
6 ist ein schematisches Schaltbild einer Mehrweg-Abtastschaltung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
7 ist ein Diagramm der Taktphasen der in 6 dargestellten Mehrweg-Abtastschaltung gemäß einer Ausführungsform.
8 ist ein Diagramm der Ausgangsspannung der in 6 dargestellten Mehrweg-Abtastschaltung gemäß einer Ausführungsform.
9 ist ein schematisches Schaltbild einer Mehrweg-Abtastschaltung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
10 ist ein schematisches Schaltbild der in 9 dargestellten Mehrweg-Abtastschaltung, um die elektrische Verbindung während der Haltephase zu zeigen.
11 ist ein schematisches Schaltbild einer Mehrwege-Abtastschaltung gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
12 ist ein schematisches Schaltbild einer Mehrweg-Abtastschaltung gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung.
13 ist ein schematischer Schaltplan der in 12 dargestellten Mehrweg-Abtastschaltung, um die elektrische Verbindung während der Haltephase zu zeigen.
14 ist ein Diagramm der Ausgangsspannung der in 12 dargestellten Mehrweg-Abtastschaltung gemäß einer Ausführungsform.
15 ist ein schematisches Schaltbild einer Mehrwege-Abtastschaltung gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung.
16 ist ein schematisches Schaltbild einer Mehrweg-Abtastschaltung gemäß einer siebten Ausführungsform der Erfindung.
17 ist ein Diagramm der Taktphasen der in 16 dargestellten Mehrweg-Abtastschaltung gemäß einer Ausführungsform.
18 ist ein Diagramm der Ausgangsspannung der in 16 dargestellten Mehrweg-Abtastschaltung gemäß einer Ausführungsform.
19 ist ein Diagramm der Ausgangsspannung von ersten und zweiten Differenzspannungsverstärkern gemäß einer Ausführungsform.
20 ist ein Diagramm der Ausgangsspannung der in den 6, 9 und 11 dargestellten Mehrweg-Abtastschaltungen, wenn der erste und der zweite Spannungsverstärker durch einen ersten und einen zweiten Differenzspannungsverstärker ersetzt werden.
21 ist ein schematisches Schaltbild einer Mehrweg-Abtastschaltung gemäß einer achten Ausführungsform der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung
Der Erfinder hat erkannt, dass es vorteilhaft ist, eine nichtlineare Eingangs-Ausgangs-Charakteristik in Abtastschaltungen durch Mehrwegabtastung bereitzustellen, um Eingänge mit großem Dynamikbereich zu ermöglichen, ohne die Rauschleistung des gesamten Systems zu beeinträchtigen.
3 ist ein schematisches Schaltbild einer Mehrweg-Abtastschaltung 30 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Mehrweg-Abtastschaltung 30 umfasst einen ersten Spannungsverstärker AMP1, einen zweiten Spannungsverstärker AMP2, eine erste Track-and-Hold-Schaltung 301, eine zweite Track-and-Hold-Schaltung 302 und eine Summierschaltung 320. Der erste Spannungsverstärker AMP1 und die erste Track-and-Hold-Schaltung 301 sind elektrisch parallel mit dem zweiten Spannungsverstärker AMP2 und der zweiten Track-and-Hold-Schaltung 302 verbunden.
Die ersten und zweiten Spannungsverstärker AMP1, AMP2 haben jeweilige Eingänge 311, 312, die elektrisch parallel zu einer Eingangsleitung 320 verbunden sind, die eine Eingangsspannung V_IN aufweist. Die Eingänge 331, 332 der ersten und zweiten Track-and-Hold-Schaltung 301, 302 sind elektrisch mit den Ausgängen 313, 314 der ersten bzw. zweiten Spannungsverstärker AMP1, AMP2 verbunden.
Die Summierschaltung 320 umfasst zwei Eingänge 341, 342. Die Summierschaltung kann ferner elektronische Komponenten wie Widerstände oder Kondensatoren enthalten, die die Spannungen an den Eingängen 341 und 342 mit den Koeffizienten b1 bzw. b2 skalieren, bevor sie zusammen summiert werden, um eine Ausgangsspannung V_o zu erzeugen. b1 und b2 sind vorbestimmte Koeffizienten in der Summierschaltung, die die Ausgangsspannung V_o als Funktion der durch die Gleichungen (6), (7) und (8) gegebenen Eingangsspannung liefern.
Die erste und die zweite Track-and-Hold-Schaltung 301, 302 haben einen ersten Zustand, in dem die Ausgänge 313, 314 des ersten und des zweiten Spannungsverstärkers AMP1, AMP2 elektrisch mit den Eingängen 341, 342 der Summierschaltung 320 verbunden sind. Die ersten und zweiten Track-and-Hold-Schaltungen 301, 302 haben einen zweiten Zustand, in dem die Ausgänge 313, 314 der ersten und zweiten Spannungsverstärker AMP1, AMP2 von den Eingängen 341, 342 der Summierschaltung 320 elektrisch entkoppelt sind.
Die Schaltung 30 umfasst also eine Vielzahl von Spannungsverstärkern, Track-and-Hold-Schaltungen und eine Summierschaltung, die elektrisch miteinander verbunden sind. In 3 gibt es 2 Spannungsverstärker, 2 Track-and-Hold-Schaltungen und eine Summierschaltung. In anderen Ausführungsformen kann es mehr als 3, 4, 5 oder eine andere Anzahl (z. B. eine positive ganze Zahl größer oder gleich 2) von Spannungsverstärkern, Track-and-Hold-Schaltungen und einer Summierschaltung geben, die elektrisch miteinander verbunden sind. Der Ausgang jedes Satzes oder jeder Reihe von Spannungsverstärkern, Track-and-Hold-Schaltungen ist elektrisch mit der Summierschaltung 320 verbunden, wie in 3 dargestellt. Der Eingang jedes Satzes oder jeder Reihe von Spannungsverstärkern und Track-and-Hold-Schaltungen ist elektrisch mit der Eingangsleitung 320 verbunden.
Wie in 4 dargestellt, kann die Ausgangsspannung V_o1 (z. B. am Ausgang 313) des ersten Spannungsverstärkers AMP1 wie folgt charakterisiert werden: $v_{01} = a_{1} v_{I N}, v_{I N} < V_{1}$
$v_{01} = a_{1} v_{1}, v_{I N} \geq V_{1}$
wobei V₁ die Sättigungsspannung des ersten Spannungsverstärkers AMP1 und a₁ die Verstärkung des ersten Spannungsverstärkers AMP1 ist. Mit anderen Worten: Der erste Spannungsverstärker AMP1 hat einen linearen Eingangsbereich unterhalb von V₁.
Darüber hinaus kann die Ausgangsspannung V_o2 (z. B. am Ausgang 314) des zweiten Spannungsverstärkers AMP2 wie folgt charakterisiert werden: $v_{02} = a_{2} v_{I N}, v_{I N} < V_{2}$
$v_{02} = a_{2} v_{2}, v_{I N} \geq V_{2}$
wobei V₂ die Sättigungsspannung des zweiten Spannungsverstärkers AMP2 und a₂ die Verstärkung des zweiten Spannungsverstärkers AMP2 ist. Mit anderen Worten: Der zweite Spannungsverstärker AMP2 hat einen linearen Eingangsbereich unterhalb von V₂.
Wie man sieht, ist V₂ anders (z.B. größer) als V₁ . In einigen Ausführungsformen kann V₂ mindestens das Doppelte (z.B. 2-10x) von V₁ betragen. Außerdem ist a₂ anders (z.B. kleiner) als a₁. In einigen Ausführungsformen kann a₂ weniger als oder gleich der Hälfte (z. B. 0, 1-0,5x) von a₁ sein.
Während der Haltephase ist die Ausgangsspannung V_o an der Ausgangsleitung nachweislich gleich: $v_{0} = (a_{1} b_{1} + a_{2} b_{2}) v_{I N}, v_{I N} < V_{1}$
$v_{0} = a_{1} b_{1} V_{1} + a_{2} b_{2} v_{I N}, V_{1} \leq v_{i n} \leq V_{2}$
$v_{0} = a_{1} b_{1} V_{1} + a_{2} b_{2} V_{2}, v_{I N} > V_{2}$
Diese Eigenschaften sind in 5 grafisch dargestellt. Die Ausgangsspannung steigt linear an, wenn die Eingangsspannung kleiner als V₁ ist, bei einer Verstärkung von a₁b₁ + a₂b₂, und steigt weiter an, wenn die Eingangsspannung V₁ übersteigt, bei einer geringeren inkrementellen Verstärkung von a₂b₂. Bei einer Eingangsspannung von mehr als V₂ geht der Ausgang in die Sättigung bei a₁b₁V₁ + a₂b₂V₂. Durch die richtige Wahl der Werte von a₁ , a₂, b₁ und b₂ können verschiedene Haltepunkte und inkrementelle Verstärkungen realisiert werden. Durch den Einsatz zusätzlicher Sätze oder Reihen von Spannungsverstärkern, Track-and-Hold-Schaltungen und Summierverstärkern, die elektrisch parallel zueinander verbunden sind, können auch mehrere Abschnitte mit unterschiedlichen Verstärkungsbereichen realisiert werden. Einer der Vorteile der vorliegenden Erfindung ist, dass der Ausgang der Abtastschaltung 30 bei V₁ nicht in die Sättigung geht und einen größeren Dynamikbereich als eine herkömmliche Abtastschaltung aufweist. Da die Verstärkung für das Eingangssignal V_IN , das niedriger als V₁ ist, nicht reduziert wird, ist auch die Rauschleistung nicht beeinträchtigt. Da die inkrementelle Verstärkung für Eingangssignale V_IN , die größer als V₁ sind, geringer ist, erhöht sich das Rauschen in den auf die Abtastschaltung 30 folgenden Schaltkreisen, wenn man es auf den Eingang V_IN der Abtastschaltung bezieht. Da jedoch das Eingangssignal V_IN in diesem Fall bereits groß ist (z. B. größer als V₁), stellt dies in den meisten Systemen kein Problem dar.
6 ist ein schematisches Schaltbild einer Mehrweg-Abtastschaltung 60 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Die Mehrweg-Abtastschaltung 60 umfasst einen ersten Spannungsverstärker AMP1, einen zweiten Spannungsverstärker AMP2, eine erste Track-and-Hold-Schaltung 601, eine zweite Track-and-Hold-Schaltung 602, einen Kurzschlussschalter S3 und einen Pufferverstärker BUF. Der erste Spannungsverstärker AMP1 und die erste Track-and-Hold-Schaltung 601 sind elektrisch parallel mit dem zweiten Spannungsverstärker AMP2 und der zweiten Track-and-Hold-Schaltung 602 verbunden. Die ersten und zweiten Spannungsverstärker AMP1, AMP2 haben jeweilige Eingänge 611, 612, die elektrisch in Reihe mit einer Eingangsleitung 620 verbunden sind, die eine Eingangsspannung V_IN aufweist.
Die Eingänge 631, 632 der ersten und zweiten Track-and-Hold-Schaltung 601, 602 sind elektrisch mit den Ausgängen 613, 614 des ersten und zweiten Spannungsverstärkers AMP1, AMP2 verbunden. Die ersten und zweiten Track-and-Hold-Schaltungen 601, 602 haben einen ersten Zustand, in dem die Ausgänge 613, 614 der ersten und zweiten Spannungsverstärker AMP1, AMP2 elektrisch mit einer Kurzschlussleitung 640 verbunden sind, die elektrisch mit einem Eingang 651 des Pufferverstärkers BUF verbunden ist. Die Kurzschlussleitung 640 hat eine Spannung V_x. Die erste und die zweite Track-and-Hold-Schaltung 601, 602 haben einen zweiten Zustand, in dem die Ausgänge 613, 614 des ersten und des zweiten Spannungsverstärkers AMP1, AMP2 von der Kurzschlussleitung 640 elektrisch entkoppelt sind.
Der Kurzschlussschalter S3 hat einen ersten Anschluss 661, der elektrisch mit einem Ausgang 633 der ersten Track-and-Hold-Schaltung 601 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss 662, der elektrisch mit einem Ausgang 634 der zweiten Track-and-Hold-Schaltung 602 verbunden ist. Ein Ausgang 652 des Pufferverstärkers BUF ist elektrisch mit einer Ausgangsleitung 670 verbunden, die eine Ausgangsspannung V_o aufweist.
Die Schaltung 60 umfasst also eine Vielzahl von Spannungsverstärkern und Track-and-Hold-Schaltungen, die elektrisch parallel zueinander verbunden sind. In 6 sind 2 Spannungsverstärker und 2 Track-and-Hold-Schaltungen zu sehen. In anderen Ausführungsformen können mehr als 3, 4, 5 oder eine andere Anzahl (z. B. eine positive ganze Zahl größer oder gleich 2) von Spannungsverstärkern und Track-and-Hold-Schaltungen vorhanden sein, die elektrisch parallel zueinander verbunden sind. Der Ausgang jedes Satzes oder jeder Reihe von Spannungsverstärkern und Track-and-Hold-Schaltungen ist elektrisch mit der Kurzschlussleitung 640 verbunden, wie in 6 dargestellt. Der Eingang jedes Satzes oder jeder Reihe von Spannungsverstärkern und Track-and-Hold-Schaltungen ist elektrisch mit der Eingangsleitung 620 verbunden.
In einem Beispiel enthält die erste Track-and-Hold-Schaltung 601 einen ersten Abtastschalter S1 und einen ersten Abtastkondensator C1, und die zweite Track-and-Hold-Schaltung 602 enthält einen zweiten Abtastschalter S2 und einen zweiten Abtastkondensator C2. Der erste Abtastkondensator C1 hat eine Kapazität von C₁ , und der zweite Abtastkondensator C2 hat eine Kapazität von C₂. Ein erster Anschluss jedes Abtastkondensators C1, C2 ist elektrisch mit der Kurzschlussleitung 640 verbunden. Ein zweiter Anschluss jedes Abtastkondensators C1, C2 ist elektrisch mit der Erdung verbunden. Die Schalter S1, S2 und S3 können einpolige Umschalter (SPST) sein. Die ersten und zweiten Track-and-Hold-Schaltungen 301, 302 in 3 können dieselben sein wie die ersten und zweiten Track-and-Hold-Schaltungen 601 bzw. 602.
Wie bei der Mehrweg-Abtastschaltung 30 kann die Ausgangsspannung V_o1 (z. B. am Ausgang 613) des ersten Spannungsverstärkers AMP1 wie folgt charakterisiert werden: $v_{01} = a_{1} v_{I N}, v_{I N} < V_{1}$
$v_{01} = a_{1} v_{1}, v_{I N} \geq V_{1}$
wobei V₁ die Sättigungsspannung des ersten Spannungsverstärkers AMP1 und a₁ die Verstärkung des ersten Spannungsverstärkers AMP1 ist. Mit anderen Worten, der erste Spannungsverstärker AMP1 hat einen linearen Eingangsbereich unterhalb von V₁.
Darüber hinaus kann die Ausgangsspannung V_o2 (z.B. am Ausgang 614) des zweiten Spannungsverstärkers AMP2 wie folgt charakterisiert werden: $v_{02} = a_{2} v_{I N}, v_{I N} < V_{2}$
$v_{02} = a_{2} v_{2}, v_{I N} \geq V_{2}$
wobei V₂ die Sättigungsspannung des zweiten Spannungsverstärkers AMP2 und a₂ die Verstärkung des zweiten Spannungsverstärkers AMP2 ist. Mit anderen Worten: Der zweite Spannungsverstärker AMP2 hat einen linearen Eingangsbereich unterhalb von V₂.
Wie zu sehen ist, unterscheidet sich V₂ von V₁ (z.B. größer). In einigen Ausführungsformen kann V₂ mindestens das Doppelte (z.B. 2-10x) von V₁ betragen. Darüber hinaus unterscheidet sich a₂ von a₁ (z.B. kleiner). In einigen Ausführungsformen kann a₂ weniger als oder gleich der Hälfte (z.B. 0,1-0,5x) von a₁ betragen.
Die Schaltung 60 arbeitet in zwei Taktphasen, wie in 7 gezeigt, einer Abtast-Phase (T) und einer Halte-Phase (H). Während der Abtast-Phase befinden sich die erste und die zweite Track-and-Hold-Schaltung 601, 602 im ersten Zustand (z. B. sind die Abtastschalter S1 und S2 geschlossen) und der Kurzschlussschalter s3 ist geöffnet. Am Ende der Track-Phase gehen die erste und die zweite Track-and-Hold-Schaltung 601, 602 in den zweiten Zustand über (z. B. gehen die Abtastschalter S1 und S2 in den offenen Zustand über), dann (z. B. nach 1-3 Gate-Verzögerungen) geht der Kurzschlussschalter S3 in einen geschlossenen Zustand über.
Während der Haltephase sind die Spannung v_x an der Kurzschlussleitung 640 und am Eingang 651 des Pufferverstärkers BUF und die Ausgangsspannung vo am Ausgang 652 des Pufferverstärkers BUF gleich und können wie folgt dargestellt werden: $v_{0} = v_{x} = \frac{(C_{1} v_{01} + C_{2} v_{02})}{C_{1} + C_{2}} = \frac{(C_{1} a_{1} + C_{2} a_{2})}{C_{1} + C_{2}} v_{I N}, v_{I N} < V_{1}$
$v_{0} = v_{x} = \frac{(C_{1} a_{1} V_{1} + C_{2} a_{2} v_{I N})}{C_{1} + C_{2}}, V_{1} \leq v_{I N} \leq V_{2}$
$v_{0} = v_{x} = \frac{(C_{1} a_{1} V_{1} + C_{2} a_{2} V_{2})}{C_{1} + C_{2}}, v_{I N} > V_{2}$
Diese Eigenschaften sind in 8 grafisch dargestellt. Die Ausgangsspannung steigt linear für eine Eingangsspannung von weniger als V₁ bei einer Verstärkung von $\frac{(C_{1} a_{1} + C_{2} a_{2})}{C_{1} + C_{2}}$
an, steigt weiter an sobald die Eingangsspannung V₁ überschreitet, bei einer geringeren inkrementellen Verstärkung von $\frac{C_{2} a_{2}}{C_{1} + C_{2}} .$
Bei einer Eingangsspannung von mehr als V₂ erreicht der Ausgang die Sättigung bei $\frac{(C_{1} a_{1} V_{1} + C_{2} a_{2} V_{2})}{C_{1} + C_{2}} .$
Durch die richtige Wahl der Werte von a₁ , a₂, C₁ und C₂ können verschiedene Haltepunkte und inkrementelle Verstärkungen realisiert werden. Durch den Einsatz zusätzlicher Sätze oder Reihen von Spannungsverstärkern und Track-and-Hold-Schaltungen, die elektrisch parallel zueinander verbunden sind, können auch mehrere Abschnitte mit unterschiedlichen Verstärkungsbereichen realisiert werden. Einer der Vorteile der vorliegenden Erfindung ist, dass der Ausgang der Abtastschaltung 60 bei V₁ nicht in die Sättigung geht und einen größeren Dynamikbereich als eine herkömmliche Abtastschaltung aufweist. Da die Verstärkung für das Eingangssignal V_IN, das niedriger als V₁ ist, nicht reduziert wird, ist auch die Rauschleistung nicht beeinträchtigt. Da die inkrementelle Verstärkung für Eingangssignale V_IN, die größer als V₁ sind, geringer ist, erhöht sich das Rauschen in den auf die Abtastschaltung 60 folgenden Schaltkreisen, wenn man es auf den Eingang V_IN der Abtastschaltung bezieht. Da jedoch das Eingangssignal V_IN in diesem Fall bereits groß ist (z. B. größer als V₁), stellt dies in den meisten Systemen kein Problem dar.
9 ist ein schematisches Schaltbild einer Mehrweg-Abtastschaltung 90 gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Die Mehrweg-Abtastschaltung 90 umfasst einen ersten Spannungsverstärker AMP1, einen zweiten Spannungsverstärker AMP2, eine erste Track-and-Hold-Schaltung 901, eine zweite Track-and-Hold-Schaltung 902, einen Abtastschalter S3 und einen Operationsverstärker OPA.
Der erste und der zweite Spannungsverstärker AMP1, AMP2 sind elektrisch parallel zueinander geschaltet. Die ersten und zweiten Spannungsverstärker AMP1, AMP2 haben jeweilige Eingänge 911, 912, die elektrisch in Reihe mit einer Eingangsleitung 920 verbunden sind, die eine Eingangsspannung V_IN aufweist. AMP1 und AMP2 können durch die Gleichungen (2)-(5) charakterisiert werden.
Die erste und die Track-and-Hold-Schaltungen 901, 902 haben einen ersten Zustand, in dem die Ausgänge 913, 914 des ersten und des zweiten Spannungsverstärkers AMP1, AMP2 elektrisch mit einer Abtastschaltung 945 verbunden sind, die den Abtastschalter S3 und eine Kurzschlussleitung 940 enthält. Im ersten Zustand sind der erste Spannungsverstärker AMP1 und die erste Track-and-Hold-Schaltung 901 elektrisch parallel mit dem zweiten Spannungsverstärker AMP2 und der zweiten Track-and-Hold-Schaltung 902 verbunden. Die erste und die zweite Track-and-Hold-Schaltung 901, 902 haben einen zweiten Zustand, in dem die Ausgänge 913, 914 des ersten und des zweiten Spannungsverstärkers AMP1, AMP2 elektrisch mit einer ersten bzw. einer zweiten Rückkopplungsleitung 981, 982 verbunden sind, die elektrisch mit einem Ausgang 752 des Operationsverstärkers OPA verbunden sind. Eine Ausgangsleitung 970 ist elektrisch mit dem Ausgang 752 des Operationsverstärkers OPA verbunden. Der Ausgang 952 und die Ausgangsleitung 970 haben eine Ausgangsspannung V_o.
Die Kurzschlussleitung 940 ist elektrisch mit dem Abtastschalter S3 und mit einem Eingang des Operationsverstärkers OPA verbunden. Zum Beispiel ist die Kurzschlussleitung 940 elektrisch mit einer invertierenden Seite 951 eines Differenzeingangs des Operationsverstärkers OPA verbunden. Eine nicht-invertierende Seite 953 des Differenzeingangs des Operationsverstärkers OPA kann elektrisch mit der Erdung verbunden sein.
Der Abtastschalter S3 ist elektrisch mit der Kurzschlussleitung 940 verbunden. Der Abtastschalter S3 hat einen ersten Anschluss 961, der elektrisch mit der Kurzschlussleitung 940 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss 962, der elektrisch mit der Erdung verbunden ist. Der Abtastschalter S3 hat einen offenen Zustand und einen geschlossenen Zustand. Der Abtastschalter S3 kann ein SPST-Schalter sein.
So umfasst die Schaltung 90 eine Vielzahl von Spannungsverstärkern und Track-and-Hold-Schaltungen, die elektrisch parallel zueinander verbunden sind. Jede Track-and-Hold-Schaltung hat einen ersten Zustand, in dem der Ausgang des jeweiligen Spannungsverstärkers elektrisch mit einer Kurzschlussleitung verbunden ist. Jede Track-and-Hold-Schaltung hat einen zweiten Zustand, in dem der Ausgang des jeweiligen Spannungsverstärkers elektrisch mit einer jeweiligen Rückkopplungsleitung verbunden ist, die elektrisch mit einem Ausgang des Operationsverstärkers OPA verbunden ist. In 9 sind 2 Spannungsverstärker und 2 Track-and-Hold-Schaltungen zu sehen. In anderen Ausführungsformen kann es mehr als 3, 4, 5 oder eine andere Anzahl (z. B. eine positive ganze Zahl größer oder gleich 2) von Spannungsverstärkern und Track-and-Hold-Schaltungen geben, die elektrisch parallel zueinander verbunden sind und die wie oben beschrieben einen ersten und einen zweiten Zustand aufweisen. Der Eingang jedes Satzes oder jeder Reihe von Spannungsverstärkern und Track-and-Hold-Schaltungen ist elektrisch mit der Eingangsleitung 920 verbunden.
In einem Beispiel enthält die erste Track-and-Hold-Schaltung 901 einen ersten Abtastschalter S1 und einen ersten Abtastkondensator C1, und die zweite Track-and-Hold-Schaltung 902 enthält einen zweiten Abtastschalter S2 und einen zweiten Abtastkondensator C2. Der erste Abtastkondensator C1 hat eine Kapazität von C₁, und der zweite Abtastkondensator C2 hat eine Kapazität von C₂. Ein erster Anschluss jedes Abtastkondensators C1, C2 ist elektrisch mit der Kurzschlussleitung 940 verbunden. Ein zweiter Anschluss jedes Abtastkondensators C1, C2 ist elektrisch mit dem jeweiligen Abtastschalter S1, S2 verbunden. Wenn sich die Abtastschalter S1, S2 in einem ersten Zustand befinden (z. B. in Position 1), ist der zweite Anschluss jedes Abtastkondensators C1, C2 elektrisch mit dem jeweiligen Ausgang 913, 914 des ersten und zweiten Spannungsverstärkers AMP1, AMP2 verbunden. Wenn sich die Abtastschalter S1, S2 in einem zweiten Zustand befinden (z. B. in Position 2), ist der zweite Anschluss jedes Abtastkondensators C1, C2 elektrisch mit der jeweiligen Rückkopplungsleitung 981, 982 verbunden. Die Abtastschalter S1, S2 können einpolige Umschalter (SPDT) sein.
Die Schaltung 90 arbeitet in zwei Phasen, wie in 7 gezeigt, einer Track-Phase (T) und einer Haltephase (H). Während der Track-Phase befinden sich die erste und die zweite Track-and-Hold-Schaltung 901, 902 im ersten Zustand (z. B. werden die Abtastschalter S1 und S2 in die Position 1 gebracht), und der Abtastschalter S3 befindet sich in einem geschlossenen Zustand. Am Ende der Abtasthase geht der Abtastschalter S3 in den offenen Zustand über, und dann (z. B. nach 1-3 Gate-Verzögerungen) gehen die erste und die zweite Track-and-Hold-Schaltung 901, 902 in der Haltephase in den zweiten Zustand über (z. B. werden die Abtastschalter S1 und S2 in die Position 2 geschaltet).
10 ist ein schematisches Schaltbild der Mehrweg-Abtastschaltung 90, um die elektrische Verbindung während der Haltephase zu zeigen. Die Schalter S1-S3 sind in 10 der Übersichtlichkeit halber weggelassen.
Unter der Annahme, dass der OPA ein idealer Operationsverstärker ist, kann gezeigt werden, dass die Ausgangsspannung V_O am Ausgang 952 des Operationsverstärkers OPA während der Haltephase identisch mit derjenigen der Mehrweg-Abtastschaltung 60 (z. B. der zweiten Ausführungsform) ist und durch die Gleichungen (13)-(15) und wie in 8 dargestellt charakterisiert ist.
Wie bei der Mehrweg-Abtastschaltung 60 lassen sich auch bei der Mehrweg-Abtastschaltung 90 durch die richtige Wahl der Werte von a₁ , a₂, C₁ und C₂ verschiedene Haltepunkte und inkrementelle Verstärkungen realisieren. Auch durch den Einsatz zusätzlicher Sätze oder Reihen von Spannungsverstärkern und Abtast- und Halteschaltungen, die elektrisch parallel zueinander verbunden sind, können mehrere Abschnitte mit unterschiedlichen Verstärkungsbereichen realisiert werden.
11 ist ein schematisches Schaltbild einer Mehrweg-Abtastschaltung 1100 gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Die Mehrweg-Abtastschaltung 1100 entspricht der Mehrweg-Abtastschaltung 90 mit Ausnahme der Position und des Anschlusses des Abtastschalters S3. In der Mehrweg-Abtastschaltung 1100 ist der Abtastschalter S3 elektrisch mit einer zweiten Kurzschlussleitung 1110 verbunden. Ein erster Anschluss 1121 des Abtastschalters ist elektrisch mit einer ersten Seite 1111 der zweiten Kurzschlussleitung 1110 verbunden. Ein zweiter Anschluss 1122 des Abtastschalters ist elektrisch mit einer zweiten Seite 1112 der zweiten Kurzschlussleitung 1110 verbunden. Der Abtastschalter S3 hat einen geschlossenen Zustand, in dem die ersten und zweiten Seiten 1111, 1112 der zweiten Kurzschlussleitung 1110 elektrisch verbunden sind, und einen offenen Zustand, in dem die ersten und zweiten Seiten 1111, 1112 der zweiten Kurzschlussleitung 1110 elektrisch entkoppelt sind.
Die Schaltung 1100 arbeitet in zwei Phasen, wie in 7 gezeigt, einer Track-Phase (T) und einer Haltephase (H). Während der Track-Phase befinden sich die erste und die zweite Track-and-Hold-Schaltung 901, 902 im ersten Zustand (z. B. werden die Abtastschalter S1 und S2 in die Position 1 gebracht), und der Abtastschalter S3 befindet sich in einem geschlossenen Zustand. Am Ende der Track-Phase geht der Abtastschalter S3 in den offenen Zustand über, und dann (z. B. nach 1-3 Gate-Verzögerungen) gehen die erste und die zweite Track-and-Hold-Schaltung 901, 902 in der Haltephase in den zweiten Zustand über (z. B. werden die Abtastschalter S1 und S2 in die Position 2 geschaltet).
Während der Track-Phase wird der Abtastschalter S3 geschlossen, um die erste und zweite Seite 1111, 1112 der zweiten Kurzschlussleitung 1110 elektrisch zu verbinden. Wenn die erste und die zweite Seite 1111, 1112 der zweiten Kurzschlussleitung 1110 elektrisch verbunden sind, ist die erste Rückkopplungsleitung 981 elektrisch mit der ersten Kurzschlussleitung 940 verbunden, die somit den invertierenden Eingang 951 und den Ausgang 952 des OPA elektrisch verbindet und dadurch die invertierende Eingangsspannung auf die Offsetspannung des OPA zwingt. Dadurch wird die Offsetspannung des OPA an den rechten Platten von C1 und C2 abgetastet, wodurch die Wirkung der Offsetspannung des OPA aufgehoben wird. Am Ende der Haltephase wird zuerst S3 geöffnet, dann werden die Abtastschalter S1 und S2 in die Position 2 geschaltet. Die elektrische Verbindung während der Haltephase ist identisch mit dem der dritten Ausführungsform in 10, wobei die Schalter aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen wurden.
Während der Haltephase ist der Abtastschalter S3 geöffnet, um die erste und zweite Seite 1111, 1112 der zweiten Kurzschlussleitung 1110 elektrisch zu entkoppeln. Wenn die erste und zweite Seite 1111, 1112 der zweiten Kurzschlussleitung 1110 elektrisch entkoppelt sind, ist die erste Rückkopplungsleitung 981 von der ersten Kurzschlussleitung 940 elektrisch entkoppelt.
Es kann gezeigt werden, dass die Ausgangsspannung V_O am Ausgang des OPA während der Haltephase identisch mit der der Mehrweg-Abtastschaltung 60 (z. B. der zweiten Ausführungsform) ist, selbst wenn die Offset-Spannung des OPA nicht Null ist, und durch die Gleichungen (13)-(15) und 8 gegeben ist.
Wie bei der Mehrweg-Abtastschaltung 60 können durch die richtige Wahl der Werte von a₁ , a₂, C₁ und C₂ in der Mehrweg-Abtastschaltung 1100 verschiedene Haltepunkte und inkrementelle Verstärkungen realisiert werden. Durch den Einsatz zusätzlicher Sätze oder Reihen von Spannungsverstärkern und Track-and-Hold-Schaltungen, die elektrisch parallel zueinander verbunden sind, können außerdem mehrere Abschnitte mit unterschiedlichen Verstärkungsbereichen realisiert werden.
12 ist ein schematisches Schaltbild einer Mehrweg-Abtastschaltung 1200 gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung. Die Mehrweg-Abtastschaltung 1200 umfasst einen ersten Spannungsverstärker AMP1, einen zweiten Spannungsverstärker AMP2, eine erste Track-and-Hold-Schaltung 1201, eine zweite Track-and-Hold-Schaltung 1202, einen Rückkopplungskondensator C3, einen Erdungsschalter S3, einen Abtastschalter S4 und einen Operationsverstärker OPA. Der erste und der zweite Spannungsverstärker AMP1, AMP2 sind elektrisch parallel zueinander geschaltet. Die ersten und zweiten Spannungsverstärker AMP1, AMP2 haben jeweilige Eingänge 1211, 1212, die elektrisch in Reihe mit einer Eingangsleitung 1220 verbunden sind, die eine Eingangsspannung V_IN aufweist. Die ersten und zweiten Track-and-Hold-Schaltungen 1201, 1202 können die gleichen sein wie die ersten und zweiten Track-and-Hold-Schaltungen 901, 902 und/oder die ersten und zweiten Track-and-Hold-Schaltungen 1201, 1202. AMP1 und AMP2 können durch die Gleichungen (2)-(5) charakterisiert werden.
Die erste und die zweite Track-and-Hold-Schaltung 1201, 1202 haben einen ersten Zustand, in dem die Ausgänge 1213, 1214 des ersten und des zweiten Spannungsverstärkers AMP1, AMP2 elektrisch mit einer Abtastschaltung 1245 verbunden sind, die den Abtastschalter S4 und eine Kurzschlussleitung 1240 enthält. Im ersten Zustand sind der erste Spannungsverstärker AMP1 und die erste Track-and-Hold-Schaltung 1201 elektrisch parallel mit dem zweiten Spannungsverstärker AMP2 und der zweiten Track-and-Hold-Schaltung 1202 verbunden. Die ersten und zweiten Track-and-Hold-Schaltungen 1201, 1202 haben einen zweiten Zustand, in dem die erste und die zweite Track-and-Hold-Schaltungen 1201, 1202 elektrisch mit der Erdung verbunden sind (z. B. über Erdungsleitungen 1291 bzw. 1292).
Die Kurzschlussleitung 1240 ist elektrisch mit dem Abtastschalter S4 und mit einem Eingang des Operationsverstärkers OPA verbunden. Beispielsweise ist die Kurzschlussleitung 1240 elektrisch mit einer invertierenden Seite 1251 eines Differenzeingangs des Operationsverstärkers OPA verbunden. Eine nicht-invertierende Seite 1253 des Differenzeingangs des Operationsverstärkers OPA kann elektrisch mit der Erdung verbunden sein. Eine Ausgangsleitung 1270 ist elektrisch mit einem Ausgang 1252 des Operationsverstärkers OPA verbunden. Der Ausgang 1252 und die Ausgangsleitung 1270 haben eine Ausgangsspannung V_o.
Der Abtastschalter S4 ist elektrisch mit der Kurzschlussleitung 1240 verbunden. Der Abtastschalter S4 hat einen ersten Anschluss 1261, der elektrisch mit der Kurzschlussleitung 1240 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss 1262, der elektrisch mit der Erdung verbunden ist. Der Abtastschalter S4 hat einen offenen und einen geschlossenen Zustand. Der Abtastschalter S4 kann ein SPST-Schalter sein.
Eine Rückkopplungsleitung 1281 ist elektrisch mit dem Ausgang 1252 des Operationsverstärkers OPA und mit der Kurzschlussleitung 1240 verbunden. Der Rückkopplungskondensator C3 und der Erdungsschalter S3 sind elektrisch mit der Rückkopplungsleitung 1281 verbunden. Der Erdungsschalter S3 hat einen ersten Zustand und einen zweiten Zustand. Im ersten Zustand ist der Erdungsschalter S3 in die Position 1 geschaltet, so dass der Erdungsschalter elektrisch mit der Erdung verbunden ist, wodurch die Ausgangsleitung 1270 des Operationsverstärkers OPA elektrisch mit der Erdung verbunden ist. Im zweiten Zustand wird der Erdungsschalter S3 in die Position 2 geschaltet, so dass der Erdungsschalter elektrisch mit einem ersten Anschluss des Rückkopplungskondensators C3 verbunden ist. Ein zweiter Anschluss des Rückkopplungskondensators C3 ist elektrisch mit der Kurzschlussleitung 1240 verbunden. Wenn der Erdungsschalter S3 in die Position 2 gebracht wird, ist somit ein Rückkopplungskreis zum Operationsverstärker OPA geschlossen.
So umfasst die Schaltung 1200 eine Vielzahl von Spannungsverstärkern und Track-and-Hold-Schaltungen, die elektrisch parallel zueinander verbunden sind. Jede Track-and-Hold-Schaltung hat einen ersten Zustand, in dem der Ausgang des jeweiligen Spannungsverstärkers elektrisch mit der Kurzschlussleitung 1240 verbunden ist. Jede Track-and-Hold-Schaltung hat einen zweiten Zustand, in dem der Ausgang des jeweiligen Spannungsverstärkers elektrisch mit der Erdung verbunden ist (z. B. über eine jeweilige Erdungsleitung). In 12 gibt es 2 Spannungsverstärker und 2 Track-and-Hold-Schaltungen. In anderen Ausführungsformen kann es mehr als 3, 4, 5 oder eine andere Anzahl (z. B. eine positive ganze Zahl größer oder gleich 2) von Spannungsverstärkern und Track-and-Hold-Schaltungen geben, die elektrisch parallel zueinander verbunden sind und die wie oben beschrieben einen ersten und einen zweiten Zustand aufweisen. Der Eingang jeder Gruppe oder Reihe von Spannungsverstärkern und Track-and-Hold-Schaltungen ist elektrisch mit der Eingangsleitung 1220 verbunden.
In einem Beispiel umfasst die erste Track-and-Hold-Schaltung 1201 einen ersten Abtastschalter S1 und einen ersten Abtastkondensator C1, und die zweite Track-and-Hold-Schaltung 1202 umfasst einen zweiten Abtastschalter S2 und einen zweiten Abtastkondensator C2. Der erste Abtastkondensator C1 hat eine Kapazität von C₁ , und der zweite Abtastkondensator C2 hat eine Kapazität von C₂. Ein erster Anschluss jedes Abtastkondensators C1, C2 ist elektrisch mit der Kurzschlussleitung 1240 verbunden. Ein zweiter Anschluss jedes Abtastkondensators C1, C2 ist elektrisch mit dem jeweiligen Abtastschalter S1, S2 verbunden. Wenn sich die Track-and-Hold-Schaltungen 1201, 1202 im ersten Zustand befinden, befinden sich die Abtastschalter S1, S2 in einem ersten Zustand (z. B. in Position 1), in dem der zweite Anschluss jedes Abtastkondensators C1, C2 elektrisch mit dem jeweiligen Ausgang 1213, 1214 des ersten und zweiten Spannungsverstärkers AMP1, AMP2 verbunden ist. Wenn sich die Track-and-Hold-Schaltungen 1201, 1202 im zweiten Zustand befinden, befinden sich die Abtastschalter S1, S2 in einem zweiten Zustand (z. B. in Position 2), in dem der zweite Anschluss jedes Abtastkondensators C1, C2 elektrisch mit der Erdung verbunden ist (z. B. über Erdungsleitungen 1291 bzw. 1292). Die Abtastschalter S1, S2 und der Erdungsschalter S3 können SPDT-Schalter sein.
Die Schaltung 1200 arbeitet in zwei Phasen, wie in 7 gezeigt, einer Track-Phase (T) und einer Haltephase (H). Während der Track-Phase befinden sich die erste und die zweite Track-and-Hold-Schaltung 1201, 1202 im ersten Zustand (z. B. werden die Abtastschalter S1 und S2 in die Position 1 gebracht), der Erdungsschalter S3 befindet sich im ersten Zustand (z. B. in die Position 1 gebracht) und der Abtastschalter S4 befindet sich im geschlossenen Zustand. Am Ende der Track-Phase geht der Abtastschalter S4 in den offenen Zustand über, und dann (z. B. nach 1-3 Gate-Verzögerungen) gehen die erste und die zweite Track-and-Hold-Schaltung 1201, 1202 in den zweiten Zustand über (z. B. werden die Abtastschalter S1 und S2 in die Position 2 geschaltet), und der Erdungsschalter S3 befindet sich in der Haltephase im zweiten Zustand (z. B. in die Position 2 geschaltet). 13 ist ein schematisches Schaltbild der Mehrweg-Abtastschaltung 1200, um die elektrische Verbindung während der Haltephase zu zeigen. Die Schalter S1-S4 sind in 13 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
Die Ausgangsspannung V_O am Ausgang 1252 des Operationsverstärkers OPA kann wie folgt dargestellt werden: $v_{0} = \frac{(C_{1} v_{01} + C_{2} v_{02})}{C_{3}} = \frac{(C_{1} a_{1} + C_{2} a_{2})}{C_{3}} v_{I N}, v_{I N} < V_{1}$
$v_{0} = \frac{(C_{1} a_{1} V_{1} + C_{2} a_{2} v_{I N})}{C_{3}}, V_{1} < v_{I N} < V_{2}$
$v_{0} = \frac{(C_{1} a_{1} V_{1} + C_{2} a_{2} V_{2})}{C_{3}}, v_{I N} > V_{2}$
Diese Merkmale sind in 14 grafisch dargestellt, die der in 8 gezeigten Grafik für die Mehrweg-Abtastschaltungen 60 und 90 ähnelt, mit dem Unterschied, dass die Verstärkungen um einen Faktor von $\frac{C_{1} + C_{2}}{C_{3}}$
skaliert sind. Die Ausgangsspannung nimmt linear ab, wenn die Eingangsspannung kleiner als V₁ ist, bei einer Verstärkung von $\frac{(C_{1} a_{1} + C_{2} a_{2})}{C_{3}},$
und nimmt weiter ab, wenn die Eingangsspannung V₁ übersteigt, bei einer geringeren inkrementellen Verstärkung von $\frac{C_{2} a_{2}}{C_{3}} .$
Bei einer Eingangsspannung von mehr als V₂ sättigt der Ausgang bei $\frac{(C_{1} a_{1} V_{1} + C_{2} a_{2} V_{2})}{C_{3}} .$
Durch die richtige Wahl der Werte von a₁ , a₂, C₁ , C₂ und C₃ können verschiedene Haltepunkte und inkrementelle Verstärkungen für die Mehrweg-Abtastschaltung 1200 realisiert werden. Durch den Einsatz zusätzlicher Sätze oder Reihen von Spannungsverstärkern und Track-and-Hold-Schaltungen, die elektrisch parallel zueinander verbunden sind, können auch mehrere Abschnitte mit unterschiedlichen Verstärkungsbereichen realisiert werden.
15 ist ein schematisches Schaltbild einer Mehrweg-Abtastschaltung 1500 gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung. Die Mehrweg-Abtastschaltung 1500 entspricht der Mehrweg-Abtastschaltung 1200 mit Ausnahme der Position und des Anschlusses des Abtastschalters S4. In der Mehrweg-Abtastschaltung 1500 ist der Abtastschalter S4 elektrisch mit einer zweiten Rückkopplungsleitung 1510 verbunden. Ein erster Anschluss 1521 des Abtastschalters S4 ist elektrisch mit einer ersten Seite 1511 der zweiten Rückkopplungsleitung 1510 verbunden. Ein zweiter Anschluss 1522 des Abtastschalters S4 ist elektrisch mit einer zweiten Seite 1512 der zweiten Rückkopplungsleitung 1510 verbunden. Der Abtastschalter S4 hat einen geschlossenen Zustand, in dem die ersten und zweiten Seiten 1511, 1512 der zweiten Rückkopplungsleitung 1510 elektrisch verbunden sind, und einen offenen Zustand, in dem die ersten und zweiten Seiten 1511, 1512 der zweiten Rückkopplungsleitung 1510 elektrisch entkoppelt sind.
Die Mehrweg-Abtastschaltung 1500 arbeitet in zwei Phasen, wie in 7 gezeigt, einer Track-Phase (T) und einer Haltephase (H). Während der Track-Phase werden S1, S2 und S3 in die Position 1 gebracht, S4 ist geschlossen. Wenn die erste und die zweite Seite 1511, 1512 der zweiten Rückkopplungsleitung 1510 elektrisch verbunden sind, wird die Kurzschlussleitung 1240 elektrisch mit der zweiten Rückkopplungsleitung 1512 verbunden, die den invertierenden Eingang 1251 und den Ausgang 1252 des OPA elektrisch verbindet, wodurch die invertierende Eingangsspannung auf die Offsetspannung des OPA gezwungen wird. Dadurch wird die Offsetspannung des OPA an den rechten Platten von C1 und C2 abgetastet, wodurch die Wirkung der Offsetspannung des OPA aufgehoben wird. Am Ende der Track-Phase wird zunächst S3 geöffnet, dann werden die Abtastschalter S1 und S2 in die Position 2 geschaltet. Zum Übergang in die Haltephase wird zunächst S4 geöffnet, dann werden S1, S2 und S3 in die Position 2 geschaltet (z. B. nach 1-3 Gate-Verzögerungen). Die elektrische Verbindung während der Haltephase ist identisch mit dem der in 13 gezeigten Mehrweg-Abtastschaltung 1200, wobei die Schalter aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen wurden.
Die Ausgangsspannung V_O am Ausgang 1252 des Operationsverstärkers OPA kann wie folgt dargestellt werden: $v_{0} = \frac{(C_{1} v_{01} + C_{2} v_{02})}{C_{3}} = \frac{(C_{1} a_{1} + C_{2} a_{2})}{C_{3}} v_{I N}, v_{I N} < V_{1}$
$v_{0} = \frac{(C_{1} a_{1} V_{1} + C_{2} a_{2} v_{I N})}{C_{3}}, V_{1} < v_{I N} < V_{2}$
$v_{0} = \frac{(C_{1} a_{1} V_{1} + C_{2} a_{2} V_{2})}{C_{3}}, v_{I N} > V_{2}$
was dem in 8 gezeigten Diagramm für die Mehrweg-Abtastschaltung 60 (z. B. die zweite Ausführungsform) ähnlich ist, außer dass die Verstärkungen um einen Faktor $\frac{C_{1} + C_{2}}{C_{3}}$
skaliert sind . Die Ausgangsspannung steigt linear für eine Eingangsspannung von weniger als V₁ bei einer Verstärkung von $\frac{(C_{1} a_{1} + C_{2} a_{2})}{C_{3}}$
und steigt weiter an, sobald die Eingangsspannung V₁ übersteigt, bei einer niedrigeren inkrementellen Verstärkung von $\frac{C_{2} a_{2}}{C_{3}} .$
Bei einer Eingangsspannung von mehr als V₂ erreicht der Ausgang die Sättigung bei $\frac{(C_{1} a_{1} V_{1} + C_{2} a_{2} V_{2})}{C_{3}} .$
Wie bei der Mehrweg-Abtastschaltung 60 können durch die richtige Wahl der Werte von a₁ , a₂, C₁ und C₂ in der Mehrweg-Abtastschaltung 1100 verschiedene Haltepunkte und inkrementelle Verstärkungen realisiert werden. Auch durch den Einsatz zusätzlicher Sätze oder Reihen von Spannungsverstärkern und Track-and-Hold-Schaltungen, die elektrisch parallel zueinander verbunden sind, können mehrere Abschnitte mit unterschiedlichen Verstärkungsbereichen realisiert werden.
16 ist ein schematisches Schaltbild einer Mehrweg-Abtastschaltung 1600 gemäß einer siebten Ausführungsform der Erfindung. Die Mehrweg-Abtastschaltung 1600 umfasst einen ersten Spannungsverstärker AMP1, einen zweiten Spannungsverstärker AMP2 und einen Analog-Digital-Wandler ADC. Der ADC umfasst eine erste Track-and-Hold-Schaltung 1601, eine zweite Track-and-Hold-Schaltung 1602 und eine ADC-Steuerschaltung 1650.
Er umfasst einen ersten Verstärker AMP1, einen zweiten Verstärker AMP2 und einen Analog-Digital-Wandler AD. Der AD umfasst ferner einen ersten DAC-Kondensator C1 und einen zweiten DAC-Kondensator C2, einen ersten Abtastschalter S1, einen zweiten Abtastschalter S2, einen Abtastschalter S3 und eine ADC-Steuerschaltung. Die Schalter S1 und S2 sind SPDT-Schalter, und der Schalter S3 ist ein SPST-Schalter. AMP1 und AMP2 haben die gleiche Charakteristik wie in den Gleichungen (2)-(5) angegeben.
Der erste und der zweite Spannungsverstärker AMP1, AMP2 sind elektrisch parallel zueinander geschaltet. Die ersten und zweiten Spannungsverstärker AMP1, AMP2 haben jeweilige Eingänge 1611, 1612, die elektrisch in Reihe mit einer Eingangsleitung 1620 verbunden sind, die eine Eingangsspannung V_IN aufweist. Die ersten und zweiten Track-and-Hold-Schaltungen 1601, 1602 können die gleichen sein wie die ersten und zweiten Track-and-Hold-Schaltungen 901, 902, die ersten und zweiten Track-and-Hold-Schaltungen 1601, 1602 und/oder die ersten und zweiten Track-and-Hold-Schaltungen 1601, 1602. AMP1 und AMP2 können durch die Gleichungen (2)-(5) charakterisiert werden.
Die ersten und zweiten Track-and-Hold-Schaltungen 1601, 1602 haben einen ersten Zustand, in dem die Ausgänge 1613, 1614 der ersten und zweiten Spannungsverstärker AMP1, AMP2 elektrisch mit einer Kurzschlussleitung 1640 verbunden sind. Im ersten Zustand sind der erste Spannungsverstärker AMP1 und die erste Track-and-Hold-Schaltung 1601 elektrisch parallel mit dem zweiten Spannungsverstärker AMP2 und der zweiten Track-and-Hold-Schaltung 1602 verbunden. Die erste und die zweite Track-and-Hold-Schaltung 1601, 1602 haben einen zweiten Zustand, in dem die Ausgänge 1613, 1614 des ersten und des zweiten Spannungsverstärkers AMP1, AMP2 elektrisch mit der ersten und der zweiten Rückkopplungsleitung 1681, 1682 verbunden sind, die elektrisch mit der ADC-Steuerschaltung 1650 verbunden sind.
Der Abtastschalter S3 ist elektrisch mit der Kurzschlussleitung 1640 verbunden. Der Abtastschalter S3 hat einen ersten Anschluss 1661, der elektrisch mit der Kurzschlussleitung 1640 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss 1662, der elektrisch mit der Erdung verbunden ist. Der Abtastschalter S3 hat einen offenen Zustand und einen geschlossenen Zustand und kann ein SPST-Schalter sein.
So umfasst die Schaltung 1600 eine Vielzahl von Spannungsverstärkern und Track-and-Hold-Schaltungen, die elektrisch parallel zueinander verbunden sind. Jede Track-and-Hold-Schaltung hat einen ersten Zustand, in dem der Ausgang des jeweiligen Spannungsverstärkers elektrisch mit einer jeweiligen Rückkopplungsleitung zur Kurzschlussleitung 1640 verbunden ist. Jede Track-and-Hold-Schaltung hat einen zweiten Zustand, in dem der Ausgang des jeweiligen Spannungsverstärkers elektrisch mit der ADC-Steuerschaltung 1650 verbunden ist. In 16 gibt es 2 Spannungsverstärker und 2 Track-and-Hold-Schaltungen. In anderen Ausführungsformen kann es mehr als 3, 4, 5 oder eine andere Anzahl (z. B. eine positive ganze Zahl größer oder gleich 2) von Spannungsverstärkern und Track-and-Hold-Schaltungen geben, die elektrisch parallel zueinander verbunden sind und die wie oben beschrieben einen ersten und einen zweiten Zustand aufweisen. Der Eingang jedes Satzes oder jeder Reihe von Spannungsverstärkern und Track-and-Hold-Schaltungen ist elektrisch mit der Eingangsleitung 1620 verbunden.
In einem Beispiel enthält die erste Track-and-Hold-Schaltung 1601 einen ersten Abtastschalter S1 und einen ersten Abtastkondensator C1, und die zweite Track-and-Hold-Schaltung 1602 enthält einen zweiten Abtastschalter S2 und einen zweiten Abtastkondensator C2. Der erste Abtastkondensator C1 hat eine Kapazität von C₁ , und der zweite Abtastkondensator C2 hat eine Kapazität von C₂. Ein erster Anschluss jedes Abtastkondensators C1, C2 ist elektrisch mit der Kurzschlussleitung 1640 verbunden. Ein zweiter Anschluss jedes Abtastkondensators C1, C2 ist elektrisch mit dem jeweiligen Abtastschalter S1, S2 verbunden. Wenn sich die Track-and-Hold-Schaltungen 1601, 1602 im ersten Zustand befinden, befinden sich die Abtastschalter S1, S2 in einem ersten Zustand (z. B. in Position 1), in dem der zweite Anschluss jedes Abtastkondensators C1, C2 elektrisch mit dem jeweiligen Ausgang 1613, 1614 des ersten und zweiten Spannungsverstärkers AMP1, AMP2 verbunden ist. Wenn sich die Track-and-Hold-Schaltungen 1601, 1602 im zweiten Zustand befinden, befinden sich die Abtastschalter S1, S2 in einem zweiten Zustand (z. B. in Position 2), in dem der zweite Anschluss jedes Abtastkondensators C1, C2 elektrisch mit der jeweiligen Rückkopplungsleitung 1681, 1682 verbunden ist. Die Nachlaufschalter S1, S2 können SPDT-Schalter sein.
Die Schaltung 1600 arbeitet, wie in 17 gezeigt, in zwei Taktphasen, einer Track-Phase (T) und einer Umwandlungsphase (C). Während der Track-Phase befinden sich die erste und die zweite Track-and-Hold-Schaltung 1601, 1602 im ersten Zustand (z. B. sind die Abtastschalter S1 und S2 in Position 1) und der Abtastschalter S3 im geschlossenen Zustand. Am Ende der Track-Phase geht der Abtastschalter S3 in den offenen Zustand über, dann (z. B. nach 1-3 Gate-Verzögerungen) gehen die erste und die zweite Track-and-Hold-Schaltung 1601, 1602 in der Umwandlungsphase in den zweiten Zustand über (z. B. werden die Abtastschalter S1 und S2 in die Position 2 geschaltet). Der ADC wandelt dann die abgetastete Ladung in C1 und C2 in ein digitales Ausgangssignal um. Die an die Position 2 der Schalter S1 und S2 angelegten Spannungen werden durch den A/D-Wandlungsprozess gesteuert und können die Referenzspannungen V_REFP , V_REFN oder Erdung umfassen.
Der digitale Ausgang Da am Ausgang 1670 des ADC kann wie folgt dargestellt werden: $D_{o} = \frac{C_{1} a_{1} + C_{2} a_{2}}{C_{1} + C_{2}} \cdot \frac{v_{I N}}{V_{R E F}}, v_{I N} < V_{1}$
$D_{o} = \frac{(C_{1} a_{1} V_{1} + C_{2} a_{2} v_{I N})}{(C_{1} + C_{2}) V_{R E F}}, V_{1} < v_{I N} < V_{2}$
$D_{o} = \frac{(C_{1} a_{1} V_{1} + C_{2} a_{2} v_{2})}{(C_{1} + C_{2}) V_{R E F}}, v_{I N} > V_{2}$
wobei V_REF die Vollausschlagsspannung des AD ist, die gleich V_REFP-V_REFN sein kann. Diese Eigenschaften sind in 18 grafisch dargestellt. Es kann gezeigt werden, dass der digitale Ausgang Da gleich oder nahe bei den Werten in den Gleichungen (22) - (24) liegt (z. B. proportional zu diesen). Der digitale Ausgang steigt linear an, wenn die Eingangsspannung kleiner als V₁ ist, bei einer Verstärkung von $\frac{C_{1} a_{1} + C_{2} a_{2}}{C_{1} + C_{2}} \cdot \frac{1}{V_{R E F}}$

und steigt weiter an, wenn die Eingangsspannung V₁ überschreitet, bei einer geringeren inkrementellen Verstärkung von $\frac{C_{2} a_{2}}{(C_{1} + C_{2}) V_{R E F}} .$
Bei einer Eingangsspannung größer als V₂ erreicht der Ausgang die Sättigung bei $\frac{(C_{1} a_{1} V_{1} + C_{2} a_{2} V_{2})}{(C_{1} + C_{2}) V_{R E F}} .$
Durch die richtige Wahl der Werte von a₁ , a₂, C₁ , C₂, C₃ und V_REF können verschiedene Haltepunkte und inkrementelle Verstärkungen realisiert werden. Durch den Einsatz zusätzlicher Sätze oder Reihen von Spannungsverstärkern und Track-and-Hold-Schaltungen, die elektrisch parallel zueinander verbunden sind, können auch mehrere Abschnitte mit unterschiedlichen Verstärkungsbereichen realisiert werden.
In allen vorhergehenden Ausführungen können die Verstärker AMP1 und AMP2 durch Differenzverstärker ersetzt werden, deren Eigenschaften in den Gleichungen 25-27 für AMP1 und in den Gleichungen 28-30 für AMP2 angegeben sind. $v_{o 1} = a_{1} v_{I N}, | v_{I N} | < V_{1}$
$v_{o 1} = a_{1} v_{1}, v_{IN} \geq V_{1}$
$v_{o 1} = - a_{1} v_{1}, v_{IN} \leq - V_{1}$
$v_{o 2} = a_{2} v_{I N}, | v_{I N} | < V_{2}$
$v_{o 2} = a_{2} v_{2}, v_{IN} \geq V_{2}$
$v_{o 2} = - a_{2} v_{2}, V_{IN} \leq - V_{2}$
Die Eigenschaften der Differenzverstärker AMP1 und AMP2 sind in 19 dargestellt. Die Differenzverstärker erweitern die Verstärkereigenschaften auf die negative Eingangs- und Ausgangsachse. Die resultierende Ausgangsspannung der Mehrweg-Abtastschaltung wird ebenfalls auf die negative Eingangs- und Ausgangsachse ausgedehnt, wie in 20 für die zweite bis vierte Ausführungsform (d. h. die Mehrweg-Abtastschaltungen 60, 90 und 1100) gezeigt.
In Systems-on-a-Chip (SoCs) werden häufig volldifferenzielle Topologien gewünscht, um die Auswirkungen von Stromversorgungs-, Gleichtakt- und Substratrauschen zu reduzieren.
Alle Ausführungsformen von der ersten bis zur siebten Ausführungsform (d. h. die Mehrweg-Abtastschaltungen 30, 60, 90, 1100, 1200, 1500 bzw. 1600) lassen sich ohne weiteres in eine volldifferenzielle Implementierung umwandeln.
Zur Veranschaulichung einer volldifferentiellen Ausführungsform zeigt 21 ein schematisches Schaltbild einer Mehrweg-Abtastschaltung 2100 gemäß einer achten Ausführungsform der Erfindung. Die Mehrweg-Abtastschaltung 2100 ist eine volldifferentielle Implementierung der Mehrweg-Abtastschaltung 90 (d. h. der dritten Ausführungsform). Die Mehrweg-Abtastschaltung 2100 umfasst einen ersten Spannungsverstärker AMP1, einen zweiten Spannungsverstärker AMP2, eine erste Track-and-Hold-Schaltung 2101, eine zweite Track-and-Hold-Schaltung 2102, eine erste Track-and-Hold-Schaltung 2103, eine vierte Track-and-Hold-Schaltung 2104, erste und zweite Abtastschalter S5, S6 und einen Operationsverstärker OPA.
Der erste und der zweite Spannungsverstärker AMP1, AMP2 sind elektrisch parallel zueinander geschaltet. Die ersten und zweiten Spannungsverstärker AMP1, AMP2 haben jeweilige Eingänge 2111, 2112, die elektrisch in Reihe mit einer Eingangsleitung 2120 verbunden sind, die eine Eingangsspannung V_IN aufweist. Die Track-and-Hold-Schaltungen 2101-2104 können dieselben sein wie alle hierin beschriebenen Track-and-Hold-Schaltungen. AMP1 und AMP2 können durch die Gleichungen (2)-(5) charakterisiert werden. Die Track-and-Hold-Schaltungen 2101-2104 sind in einer ersten und einer zweiten Track-and-Hold-Schaltungsgruppe 2131 bzw. 2132 angeordnet. Die Track-and-Hold-Schaltungen (z.B. die ersten und zweiten Track-and-Hold-Schaltungen 2101, 2102) in der ersten Track-and-Hold-Schaltungsgruppe 2131 sind elektrisch mit einer ersten Seite (z.B. einer nicht-invertierenden Seite) eines Differenzausgangs der jeweiligen Spannungsverstärker AMP1, AMP2 verbunden. Die Track-and-Hold-Schaltungen (z. B. die dritte und vierte Track-and-Hold-Schaltung 2103, 2104) in der zweiten Track-and-Hold-Schaltungsgruppe 2132 sind elektrisch mit einer zweiten Seite (z. B. einer invertierenden Seite) des Differenzausgangs der jeweiligen Spannungsverstärker AMP1, AMP2 verbunden.
Die erste und zweite Track-and-Hold-Schaltung 2101, 2102 haben einen ersten Zustand, in dem eine erste Seite (z.B. eine nicht-invertierende Seite) eines Differenzausgangs 2113, 2114 des ersten und zweiten Spannungsverstärkers AMP1, AMP2 elektrisch mit einer ersten Seite 2141 einer Abtastschaltung 2140 verbunden ist. Die dritte und vierte Track-and-Hold-Schaltung 2103, 2104 haben einen ersten Zustand, in dem eine zweite Seite (z. B. eine invertierende Seite) des Differenzausgangs 2113, 2114 des ersten und zweiten Spannungsverstärkers AMP1, AMP2 elektrisch mit einer zweiten Seite 2142 der Abtastschaltung 2140 verbunden ist. Im ersten Zustand sind der erste Spannungsverstärker AMP1 und die erste und zweite Track-and-Hold-Schaltung 2101, 2102 elektrisch parallel mit dem zweiten Spannungsverstärker AMP2 und der dritten und vierten Track-and-Hold-Schaltung 2103, 2104 verbunden.
Die erste und zweite Track-and-Hold-Schaltung 2101, 2102 haben einen zweiten Zustand, in dem die erste Seite (z.B. die nicht-invertierende Seite) des Differenzausgangs 2113, 2114 des ersten und zweiten Spannungsverstärkers AMP1, AMP2 elektrisch mit einer ersten Rückkopplungsleitung 2181 verbunden ist, die elektrisch mit einer ersten Seite (z.B. einer nicht-invertierenden Seite) eines Differenzausgangs 2172 des Operationsverstärkers OPA verbunden ist. Die dritte und vierte Track-and-Hold-Schaltung 2103, 2104 haben einen zweiten Zustand, in dem die zweite Seite (z.B. die invertierende Seite) des Differenzausgangs 2113, 2114 des ersten und zweiten Spannungsverstärkers AMP1, AMP2 elektrisch mit einer zweiten Rückkopplungsleitung 2182 verbunden ist, die elektrisch mit einer zweiten Seite (z.B. einer invertierenden Seite) des Differenzausgangs 2172 des Operationsverstärkers OPA verbunden ist.
Der erste Abtastschalter S5 ist elektrisch mit der ersten Seite 2141 der Abtastschaltung 2140 verbunden. Der zweite Abtastschalter S6 ist elektrisch mit der zweiten Seite 2142 der Abtastschaltung 2140 verbunden. Die Abtastschalter S5, S6 haben einen offenen und einen geschlossenen Zustand und können SPST-Schalter sein. Wenn sich beide Abtastschalter S5, S6 im geschlossenen Zustand befinden, sind die erste und zweite Seite 2141, 2142 der Abtastschaltung 2140 elektrisch verbunden, um eine System-Gleichtaktspannung V_CM zu empfangen. Die erste Seite 2141 der Abtastschaltung 2140 ist elektrisch mit einer ersten Seite (z. B. einer invertierenden Seite) eines Differenzeingangs 2171 des Operationsverstärkers OPA verbunden. Die zweite Seite 2142 der Abtastschaltung 2140 ist elektrisch mit einer zweiten Seite (z. B. einer nicht invertierenden Seite) des Differenzeingangs 2171 des Operationsverstärkers OPA verbunden.
So umfasst die Schaltung 2100 eine Vielzahl von Spannungsverstärkern und Track-and-Hold-Schaltungen, die elektrisch parallel zueinander verbunden sind. Eine erste Track-and-Hold-Schaltungsgruppe ist elektrisch mit einer ersten Seite eines Differenzausgangs jedes Spannungsverstärkers verbunden. Eine zweite Track-and-Hold-Schaltungsgruppe ist mit einer zweiten Seite des Differenzausgangs jedes Spannungsverstärkers elektrisch verbunden. Die Track-and-Hold-Schaltungen in der ersten Track-and-Hold-Schaltungsgruppe haben einen ersten Zustand, in dem die erste Seite eines Differenzausgangs jedes Spannungsverstärkers elektrisch mit einer ersten Seite einer Abtastschaltung verbunden ist. Die Track-and-Hold-Schaltungen in der zweiten Track-and-Hold-Schaltungsgruppe weisen einen ersten Zustand auf, in dem die zweite Seite des Differenzausgangs jedes Spannungsverstärkers mit einer zweiten Seite einer Abtastschaltung elektrisch verbunden ist.
Die Track-and-Hold-Schaltungen in der ersten Track-and-Hold-Schaltungsgruppe weisen einen zweiten Zustand auf, in dem die erste Seite des Differenzausgangs jedes Spannungsverstärkers elektrisch mit einer ersten Rückkopplungsleitung verbunden ist, die elektrisch mit einer ersten Seite eines Differenzausgangs eines Operationsverstärkers OPA verbunden ist. Die Track-and-Hold-Schaltungen in der zweiten Track-and-Hold-Schaltungsgruppe haben einen zweiten Zustand, in dem die zweite Seite des Differenzausgangs jedes Spannungsverstärkers elektrisch mit einer zweiten Rückkopplungsleitung verbunden ist, die elektrisch mit einer zweiten Seite des Differenzausgangs des Operationsverstärkers OPA verbunden ist. In 21 befinden sich in jeder Track-and-Hold-Schaltungsgruppe 2 Spannungsverstärker und 2 Track-and-Hold-Schaltungen. In anderen Ausführungsformen kann es mehr als 3, 4, 5 oder eine andere Anzahl (z. B. eine positive ganze Zahl größer oder gleich 2) von Spannungsverstärkern und Track-and-Hold-Schaltungen in jeder Track-and-Hold-Schaltungsgruppe geben, die elektrisch parallel zueinander verbunden sind und die erste und zweite Zustände wie oben beschrieben haben. Der Eingang jeder Gruppe oder Reihe von Spannungsverstärkern und Track-and-Hold-Schaltungen ist elektrisch mit der Eingangsleitung 2120 verbunden.
In einem Beispiel enthält die erste Track-and-Hold-Schaltung 2101 einen ersten Abtastschalter S1 und einen ersten Abtastkondensator C1, die zweite Track-and-Hold-Schaltung 2102 enthält einen zweiten Abtastschalter S2 und einen zweiten Abtastkondensator C2, die dritte Track-and-Hold-Schaltung 2103 enthält einen dritten Abtastschalter S3 und einen dritten Abtastkondensator C3, und die vierte Track-and-Hold-Schaltung 2104 enthält einen vierten Abtastschalter S4 und einen vierten Abtastkondensator C4. Die ersten und dritten Abtastkondensatoren C1, C3 können eine Kapazität von C₁ haben, und die zweiten und vierten Abtastkondensatoren C2, C4 können eine Kapazität von C₂ haben. Ein erster Anschluss jedes Abtastkondensators C1, C2 ist elektrisch mit der ersten Seite 2141 der Abtastschaltung 2140 verbunden. Ein zweiter Anschluss jedes Abtastkondensators C1, C2 ist elektrisch mit dem jeweiligen Abtastschalter S1, S2 verbunden. Ein erster Anschluss eines jeden Abtastkondensators C3, C4 ist elektrisch mit der zweiten Seite 2142 der Abtastschaltung 2140 verbunden. Ein zweiter Anschluss jedes Abtastkondensators C3, C4 ist elektrisch mit dem jeweiligen Abtastschalter S3, S4 verbunden.
Wenn sich die Abtastschalter S1, S2 in einem ersten Zustand befinden (z.B. in Position 1 geschaltet), ist der zweite Anschluss jedes Abtastkondensators C1, C2 elektrisch mit der ersten Seite (z.B. der nicht-invertierenden Seite) des jeweiligen Differenzausgangs 2113, 2114 des ersten und zweiten Spannungsverstärkers AMP1, AMP2 verbunden. Wenn sich die Abtastschalter S3, S4 in einem ersten Zustand befinden (z. B. in Position 1), ist der zweite Anschluss jedes Abtastkondensators C3, C4 elektrisch mit der zweiten Seite (z. B. der invertierenden Seite) des jeweiligen Differenzausgangs 2113, 2114 des ersten und zweiten Spannungsverstärkers AMP1, AMP2 verbunden.
Wenn sich die Abtastschalter S1, S2 in einem zweiten Zustand befinden (z. B. in Position 2 geschaltet), ist der zweite Anschluss jedes Abtastkondensators C1, C2 elektrisch mit der ersten Rückkopplungsleitung 2181 verbunden. Wenn sich die Abtastschalter S3, S4 in einem zweiten Zustand befinden (z. B. in Position 2 geschaltet), ist der zweite Anschluss jedes Abtastkondensators C3, C4 elektrisch mit der zweiten Rückkopplungsleitung 2182 verbunden. Die Abtastschalter S1, S2, S3, S4 können SPDT-Schalter sein.
Die differentielle Ausgangsspannung V_O1 von AMP1 ist definiert als $v_{o 1} = v_{o 1 p} - v_{o 1 n}$
und die Differenzausgangsspannung V_O2 von AMP2 ist definiert als $v_{o 2} = v_{o 2 p} - v_{o 2 n}$
AMP1 hat die folgenden Eigenschaften: $v_{o 1} = a_{1} v_{I N}, | v_{I N} | < V_{1}$
$v_{o 1} = a_{1} v_{1}, v_{IN} \geq V_{1}$
$v_{O 1} = - a_{1} V_{1}, v_{I N} \leq - V_{1}$
und AMP2 hat die folgenden Eigenschaften: $v_{O 1} = a_{2} v_{I N}, | V_{I N} | < V_{2}$
$v_{O 1} = a_{2} V_{2}, v_{I N} \geq V_{2}$
$v_{O 1} = - a_{2} V_{2}, v_{I N} \leq - V_{2}$
Die Merkmale von AMP1 und AMP2 sind identisch mit den in 19 dargestellten.
Die Schaltung arbeitet in zwei Phasen, wie in 7 dargestellt, einer Track-Phase (T) und einer Haltephase (H). Während der Track-Phase werden die Abtastschalter S1, S2, S3 und S4 in die Position 1 gebracht, und die Abtastschalter S5 und S6 werden geschlossen. Am Ende der Track-Phase werden zunächst S5 und S6 geöffnet, dann (z. B. nach 1-3 Gateverzögerungen) werden die Abtastschalter S1, S2, S3 und S4 in die Position 2 geschaltet.
Die Ausgangsspannung V_O am Ausgang des OPA kann wie folgt berechnet werden: $V_{O} = \frac{(C_{1} v_{O 1} + C_{2} v_{O 2})}{C_{1} + C_{2}} = \frac{(C_{1} a_{1} + C_{2} a_{2})}{C_{1} + C_{2}} v_{I N}, | V_{I N} | < V_{1}$
$V_{O} = \frac{(C_{1} a_{1} V_{1} + C_{2} a_{2} V_{I N})}{C_{1} + C_{2}}, V_{1} < | V_{I N} | < V_{2}$
$V_{O} = \frac{(C_{1} a_{1} V_{1} + C_{2} a_{2} V_{2})}{C_{1} + C_{2}}, | v_{I N} | > V_{2}$
Diese Kennlinie ist identisch mit der in 20 gezeigten. Wie in 20 gezeigt, steigt die Ausgangsspannung V_o linear für die Eingangsspannung zwischen -V₁ und +V₁ bei einer Verstärkung von $\frac{(C_{1} a_{1} + C_{2} a_{2})}{C_{1} + C_{2}} .$
Die Ausgangsspannung V_o steigt weiter an, wenn die Eingangsspannung zwischen +V₁ und +V₂ liegt, sowie wenn die Eingangsspannung zwischen -V₁ und -V₂ liegt, bei einer geringeren inkrementellen Verstärkung von $\frac{C_{2} a_{2}}{C_{1} + C_{2}} .$
Bei einer Eingangsspannung größer als +V₂ und kleiner als -V₂, geht die Ausgangsspannung V_o bei $\frac{(C_{1} a_{1} V_{1} + C_{2} a_{2} V_{2})}{C_{1} + C_{2}}$
und $- \frac{(C_{1} a_{1} V_{1} + C_{2} a_{2} V_{2})}{C_{1} + C_{2}}$
in die Sättigung. Durch die richtige Wahl der Werte von a₁ , a₂ , C₁ und C₂ können verschiedene Haltepunkte und inkrementelle Verstärkungen realisiert werden. Durch den Einsatz einer Vielzahl von Verstärkern, Schaltern und Abtastkondensatoren können auch mehrere Abschnitte mit unterschiedlichen Verstärkungsbereichen realisiert werden.
Der Erfinder hat auch die Vorteile der Verwendung unterschiedlicher Frequenzgänge in AMP1 und AMP2 der verschiedenen beschriebenen Ausführungsformen erkannt. Zum Beispiel verwendet eine neunte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung die gleiche Struktur wie Schaltung 60 für die zweite Ausführungsform der Erfindung, aber die Eingangsspannung V_IN ist eine Wechselspannung. Die Gleichstromeigenschaften von AMP1 und AMP2 sind ebenfalls identisch mit denen der ersten Ausführungsform, wie durch die Gleichungen (2)-(5) gegeben. Für AMP1 ist jedoch in seinem linearen Betriebsbereich (d. h., v_IN < V₁), sein Frequenzgang gegeben durch: $V_{o 1} = a_{1} H_{1} (s) V_{i n}$
wobei V_in, den Wechselstrombetrag und die Phase der Eingangsspannung V_IN in einem Polarformat und V_o1 den Wechselstrombetrag und die Phase der Ausgangsspannung v_O1 von AMP1 in einem Polarformat darstellt. H₁ ist eine Laplace-Domain-Übertragungsfunktion von AMP1.
Auch für AMP2 ist in seinem linearen Arbeitsbereich (d. h., v_IN < V₂) sein Frequenzgang gegeben durch: $V_{o 2} = a_{2} H_{2} (s) V_{i n}$
wobei V_o2 den Wechselstrom-Betrag und die Phase der Ausgangsspannung v_O2 von AMP2 in einem polaren Format darstellt. H₂ ist eine Laplace-Domain-Übertragungsfunktion von AMP2.
Es kann gezeigt werden, dass, wenn sowohl AMP1 als auch AMP2 im linearen Bereich liegen (d. h., v_IN < V₁, V₂), die Ausgangsspannung von V_o einen zusammengesetzten Frequenzgang wie folgt aufweist: $V_{o} = \frac{(C_{1} a_{1} H_{1} (s) + C_{2} a_{2} H_{2} (s))}{C_{1} + C_{2}} V_{i n}$
Es ist zu beachten, dass Gleichung (44) eine zeitkontinuierliche Annäherung an die Ausgangsspannung ist, die zeitdiskret ist. Zum Beispiel mit $H_{1} (s) = \frac{T_{1} s}{1 + T_{1} s}$
und $H_{2} (s) = 1$
wobei T₁ eine Zeitkonstante der Übertragungsfunktion H₁ darstellt.
Die Eingangs-Ausgangs-Beziehung ist gegeben durch $\frac{V_{o}}{V_{I N}} = \frac{C_{2} a_{2}}{C_{1} + C_{2}} \cdot \frac{1 + (1 + \frac{a_{1} C_{1}}{a_{2} C_{2}} T_{1}) s}{1 + T_{1} s}$
Die Eingangs-Ausgangs-Beziehung kann wie folgt umgeschrieben werden: $V_{o} = \frac{C_{2} a_{2}}{C_{1} + C_{2}} \cdot \frac{1 + (1 + \frac{a_{1} C_{1}}{a_{2} C_{2}} T_{1}) s}{1 + T_{1} s} V_{I N}$
Durch die richtige Wahl der Werte von T₁, a₁ , a₂, C₁ und C₂ lassen sich verschiedene Polnullstellen realisieren.
Eine zehnte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet eine identische Struktur wie Schaltung 90 für die dritte Ausführungsform der Erfindung, aber die Eingangsspannung V_IN ist eine Wechselspannung. Die Gleichstromeigenschaften von AMP1 und AMP2 sind identisch mit denen der ersten Ausführungsform (d.h. der Schaltung 30) und werden durch die Gleichungen (2)-(5) angegeben. AMP1 und AMP2 haben auch die gleichen Frequenzgänge, die durch die Gleichungen (42) und (43) gegeben sind. Die Eingangs-Ausgangs-Beziehung für diese Ausführungsform, wenn sowohl AMP1 als auch AMP2 im linearen Bereich liegen (d. h., v_IN < V₁, V₂), ist durch Gleichung 48 angegeben.
Eine elfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet eine identische Struktur wie die Schaltung 1100 für die vierte Ausführungsform der Erfindung, aber die Eingangsspannung V_IN ist eine Wechselspannung. Die Gleichstromeigenschaften von AMP1 und AMP2 sind identisch mit denen der ersten Ausführungsform (d.h. der Schaltung 30) und werden durch die Gleichungen (2)-(5) angegeben. AMP1 und AMP2 haben auch die gleichen Frequenzgänge, die durch die Gleichungen (42) und (43) angegeben sind. Die Eingangs-Ausgangs-Beziehung für diese Ausführungsform, wenn sowohl AMP1 als auch AMP2 im linearen Bereich liegen (d. h., v_IN < V₁, V₂), ist durch Gleichung 48 gegeben.
Eine zwölfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet eine identische Struktur wie die Schaltung 1200 für die fünfte Ausführungsform der Erfindung, aber die Eingangsspannung V_IN ist eine Wechselspannung. Die Gleichstromeigenschaften von AMP1 und AMP2 sind identisch mit denen der ersten Ausführungsform (d.h. der Schaltung 30) und werden durch die Gleichungen (2)-(5) angegeben. AMP1 und AMP2 haben auch die gleichen Frequenzgänge, die durch die Gleichungen (42) und (43) angegeben sind. Die Eingangs-Ausgangs-Beziehung für diese Ausführungsform, wenn sowohl AMP1 als auch AMP2 im linearen Bereich liegen (d. h., v_IN < V₁, V₂), ist durch Gleichung 48 gegeben.
Eine dreizehnte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet eine identische Struktur wie die Schaltung 1500 für die sechste Ausführungsform, aber die Eingangsspannung V_IN ist eine Wechselspannung. Die Gleichstromeigenschaften von AMP1 und AMP2 sind identisch mit denen der ersten Ausführungsform (d.h. Schaltung 30) und werden durch die Gleichungen (2)-(5) angegeben, während AMP1 und AMP2 auch die gleichen Frequenzgänge haben, die durch die Gleichungen (42) und (43) angegeben sind. Die Eingangs-Ausgangs-Beziehung für diese Ausführungsform, wenn sowohl AMP1 als auch AMP2 im linearen Bereich liegen (d.h., v_IN < V₁, V₂), ist durch Gleichung 49 gegeben. $V_{o} = \frac{C_{1} a_{1} + C_{2} a_{2}}{C_{3}} \cdot \frac{1 + (1 + \frac{a_{1} C_{1}}{a_{2} C_{2}} T_{1}) s}{1 + T_{1} s} V_{I N}$
Eine vierzehnte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet eine identische Struktur wie die Schaltung 1600 für die siebte Ausführungsform, aber die Eingangsspannung V_IN ist eine Wechselspannung. Die Gleichstromeigenschaften von AMP1 und AMP2 sind identisch mit denen der ersten Ausführungsform (d.h. der Schaltung 30), die durch die Gleichungen (2)-(5) angegeben sind, während AMP1 und AMP2 auch die gleichen Frequenzgänge haben, die durch die Gleichungen (42) und (43) angegeben sind. Die Eingangs-Ausgangs-Beziehung für diese Ausführungsform, wenn sowohl AMP1 als auch AMP2 im linearen Bereich liegen (d. h., v_IN < V₁, V₂), ist durch Gleichung 50 angegeben. $D_{o} = \frac{C_{2} a_{2}}{C_{1} + C_{2}} \cdot \frac{1 + (1 + \frac{a_{1} C_{1}}{a_{2} C_{2}} T_{1}) s}{1 + T_{1} s} \cdot \frac{v_{I N}}{V_{R E F}}$
Eine fünfzehnte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet eine identische Struktur wie die Schaltung 2100 für die achte Ausführungsform, aber die Eingangsspannung V_IN ist eine Wechselspannung. Die Gleichstromeigenschaften von AMP1 und AMP2 sind identisch mit denen der achten Ausführungsform (d.h. der Schaltung 2100) und werden durch die Gleichungen (33)-(38) angegeben, während AMP1 und AMP2 auch die gleichen Frequenzgänge haben, die durch die Gleichungen (42) und (43) angegeben sind Die Eingangs-Ausgangs-Beziehung für diese Ausführungsform, wenn sowohl AMP1 als auch AMP2 im linearen Bereich liegen, (d.h., v_IN < V₁, V₂), ist durch Gleichung 48 angegeben.
Obwohl hier verschiedene erfinderische Ausführungsformen beschrieben und illustriert wurden, wird sich der Fachmann ohne weiteres eine Vielzahl anderer Mittel und/oder Strukturen vorstellen können, um die Funktion auszuführen und/oder die Ergebnisse und/oder einen oder mehrere der hier beschriebenen Vorteile zu erzielen, und jede dieser Variationen und/oder Modifikationen wird als im Rahmen der hier beschriebenen erfinderischen Ausführungsformen liegend betrachtet. Ganz allgemein wird der Fachmann erkennen, dass alle hierin beschriebenen Parameter, Abmessungen, Werkstoffe und Konfigurationen beispielhaft sind und dass die tatsächlichen Parameter, Abmessungen, Werkstoffe und/oder Konfigurationen von der spezifischen Anwendung bzw. den spezifischen Anwendungen abhängen, für die die erfindungsgemäße Lehre verwendet wird bzw. werden. Der Fachmann wird viele Äquivalente zu den hierin beschriebenen spezifischen erfinderischen Ausführungsformen erkennen oder in der Lage sein, sie durch einfaches Experimentieren zu ermitteln. Als spezifisches Beispiel kann es erwünscht sein, PMOS-Transistoren in den Stromspeicherschaltungen anstelle der NMOS-Eingangstransistoren, wie in den Beispielfiguren gezeigt, zu verwenden. Solche „umgekehrten“ Konfigurationen werden von Fachleuten geschätzt. Es versteht sich daher von selbst, dass die vorstehenden Ausführungsformen nur beispielhaft dargestellt sind und dass im Rahmen der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente erfinderische Ausführungsformen auf andere Weise als in der speziell beschriebenen Weise ausgeführt werden können. Erfindungsgemäße Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf jedes einzelne hier beschriebene Merkmal, System, Artikel, Material, Kit und/oder Verfahren. Darüber hinaus ist jede sinnvolle Kombination von zwei oder mehr solcher Merkmale, Systeme, Artikel, Materialien, Kits und/oder Methoden, wenn solche Merkmale, Systeme, Artikel, Materialien, Kits und/oder Methoden nicht gegenseitig widersprüchlich sind, in den erfinderischen Umfang der vorliegenden Offenbarung eingeschlossen.
Die hier beschriebene Erfindung kann auch in Form eines Verfahrens ausgeführt werden. Die Handlungen, die als Teil des Verfahrens durchgeführt werden, können in jeder geeigneten Weise angeordnet sein. Dementsprechend können Ausführungsformen konstruiert werden, bei denen die Handlungen in einer anderen als der dargestellten Reihenfolge ausgeführt werden, was die gleichzeitige Ausführung einiger Handlungen einschließen kann, auch wenn sie in den dargestellten Ausführungsformen als aufeinanderfolgende Handlungen gezeigt werden.
Die Erfindung sollte nicht als auf die oben beschriebenen besonderen Ausführungsformen beschränkt angesehen werden, sondern sollte so verstanden werden, dass sie alle Aspekte der Erfindung abdeckt, wie sie in den beigefügten Ansprüchen angemessen dargelegt sind. Verschiedene Modifikationen, äquivalente Verfahren sowie zahlreiche Strukturen, auf die die Erfindung anwendbar sein kann, werden für den Fachmann auf dem Gebiet, auf das sich die Erfindung bezieht, nach Durchsicht dieser Offenbarung offensichtlich sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 63072985 [0001]

Claims

Mehrweg-Abtastschaltung, die Folgendes umfasst: eine Eingangsleitung, die elektrisch eine Eingangsspannung aufweist; eine Vielzahl von Spannungsverstärkern, die elektrisch parallel zueinander geschaltet sind, wobei jeder Spannungsverstärker einen entsprechenden Eingang hat, der elektrisch mit der Eingangsleitung verbunden ist, wobei jeder Spannungsverstärker eine unterschiedliche Verstärkung und eine unterschiedliche Sättigungsspannung hat; eine Vielzahl von Track-and-Hold-Schaltungen; eine Kurzschlussleitung, die elektrisch mit einem entsprechenden Ausgang jeder Abtast- und Halteschaltung verbunden ist; einen Kurzschlussschalter, der elektrisch mit der Kurzschlussleitung verbunden ist; einen Pufferverstärker mit einem Eingang, der elektrisch mit der Kurzschlussleitung verbunden ist, wobei: die Mehrweg-Abtastschaltung eine Track-Phase und eine Haltephase hat, wobei wenn sich die Mehrweg-Abtastschaltung in der Track-Phase befindet: der Kurzschlussschalter geöffnet ist und die Track-and-Hold-Schaltungen sich in einem ersten Zustand befinden, in dem ein jeweiliger Eingang jeder Track-and-Hold-Schaltung elektrisch mit einem Ausgang eines jeweiligen Verstärkers verbunden ist, und wenn sich die Mehrweg-Abtastschaltung in der Track-Phase befindet: der Kurzschlussschalter in geschlossenem Zustand ist, und die Track-and-Hold-Schaltungen sich in einem zweiten Zustand befinden, in dem der jeweilige Eingang jeder Track-and-Hold-Schaltung von dem Ausgang des jeweiligen Verstärkers elektrisch entkoppelt ist.
Schaltung gemäß Anspruch 1, die ferner umfasst: eine Vielzahl von Abtastschaltern; und eine Vielzahl von Abtastkondensatoren, wobei: jede Track-and-Hold-Schaltung einen entsprechenden Abtastschalter und einen entsprechenden Abtastkondensator enthält, wenn sich die Track-and-Hold-Schaltungen im ersten Zustand befinden, die Abtastschalter in einem geschlossenen Zustand sind, so dass jeder Abtastkondensator elektrisch mit dem Ausgang des jeweiligen Verstärkers verbunden ist, und wenn sich die Track-and-Hold-Schaltungen im zweiten Zustand befinden, die Abtastschalter sich in einem offenen Zustand befinden, so dass jeder Abtastkondensator vom Ausgang des jeweiligen Verstärkers elektrisch entkoppelt ist.
Schaltung gemäß Anspruch 1, wobei: die Spannungsverstärker einen ersten und einen zweiten Spannungsverstärker umfassen, die Track-and-Hold-Schaltungen erste und zweite Track-and-Hold-Schaltungen umfassen, die Verstärkung des ersten Spannungsverstärkers größer ist als die Verstärkung des zweiten Spannungsverstärkers, und die Sättigungsspannung des ersten Spannungsverstärkers niedriger ist als die Sättigungsspannung des zweiten Spannungsverstärkers.
Schaltung gemäß Anspruch 3, wobei: die Verstärkung des ersten Spannungsverstärkers mindestens das Doppelte der Verstärkung des zweiten Spannungsverstärkers ist, und die Sättigungsspannung des ersten Spannungsverstärkers kleiner als oder gleich der Hälfte der Sättigungsspannung des zweiten Spannungsverstärkers ist.
Schaltung gemäß Anspruch 3, wobei: die erste Track-and-Hold-Schaltung einen ersten Abtastschalter und einen ersten Abtastkondensator enthält, die zweite Track-and-Hold-Schaltung einen zweiten Abtastschalter und einen zweiten Abtastkondensator enthält, wobei wenn sich die Track-and-Hold-Schaltungen im ersten Zustand befinden, der erste und der zweite Abtastschalter sich in einem geschlossenen Zustand befinden, so dass der erste und der zweite Abtastkondensator elektrisch mit dem Ausgang des ersten bzw. des zweiten Spannungsverstärkers verbunden sind, und wenn sich die Track-and-Hold-Schaltungen im zweiten Zustand befinden, der erste und der zweite Abtastschalter sich in einem offenen Zustand befinden, so dass der erste und der zweite Abtastkondensator vom Ausgang des ersten bzw. des zweiten Spannungsverstärkers elektrisch entkoppelt sind.
Schaltung gemäß Anspruch 5, wobei: wenn die Eingangsspannung (V_IN) niedriger als die Sättigungsspannung (V₁) des ersten Spannungsverstärkers ist, eine Spannung (V_o) an einem Ausgang des Pufferverstärkers gleich $\frac{(C_{1} a_{1} + C_{2} a_{2})}{C_{1} + C_{2}} v_{I N}$
ist, wenn V_IN größer als oder gleich V₁ und kleiner als oder gleich der Sättigungsspannung (V₂) des zweiten Spannungsverstärkers ist, V_o gleich $\frac{(C_{1} a_{1} V_{1} + C_{2} a_{2} v_{I N})}{C_{1} + C_{2}}$
ist, und wenn V_IN größer ist als V₂, V_o gleich $\frac{(C_{1} a_{1} V_{1} + C_{2} a_{2} V_{2})}{C_{1} + C_{2}}$
ist, wobei: a₁ die Verstärkung des ersten Spannungsverstärkers ist, a₂ die Verstärkung des zweiten Spannungsverstärkers ist, C₁ eine Kapazität des ersten Abtastkondensators ist, C₂ eine Kapazität des zweiten Abtastkondensators ist, und V_o während der Haltephase der Mehrweg-Abtastschaltung gemessen wird.
Mehrweg-Abtastschaltung, die Folgendes umfasst: eine Eingangsleitung mit einer Eingangsspannung; eine Vielzahl von Spannungsverstärkern, die elektrisch parallel zueinander geschaltet sind, wobei jeder Spannungsverstärker einen entsprechenden Eingang hat, der elektrisch mit der Eingangsleitung verbunden ist, wobei jeder Spannungsverstärker eine unterschiedliche Verstärkung und eine unterschiedliche Sättigungsspannung hat; eine Vielzahl von Track-and-Hold-Schaltungen; eine Abtastschaltung, die elektrisch mit einem entsprechenden Ausgang jeder Abtast- und Halteschaltung verbunden ist, wobei die Abtastschaltung einen Abtastschalter mit einem offenen Zustand und einem geschlossenen Zustand enthält; einen Operationsverstärker mit einem Differenzeingang und einem Ausgang, wobei der Differenzeingang des Operationsverstärkers elektrisch mit der Kurzschlussleitung verbunden ist, wobei: die Mehrweg-Abtastschaltung eine Track-phase und eine Haltephase hat, wobei wenn sich die Mehrweg-Abtastschaltung in der Track-phase befindet: die Track-and-Hold-Schaltungen sich in einem ersten Zustand befinden, in dem ein jeweiliger Ausgang eines jeden Spannungsverstärkers elektrisch mit der Kurzschlussleitung verbunden ist, und der Abtastschalter in geschlossenem Zustand ist, und wenn sich die Mehrweg-Abtastschaltung in der Haltephase befindet: die Track-and-Hold-Schaltungen sich in einem zweiten Zustand befinden, in dem der jeweilige Ausgang eines jeden Spannungsverstärkers von der Kurzschlussleitung elektrisch entkoppelt ist, und der Abtastschalter geöffnet ist.
Schaltung gemäß Anspruch 7, wobei: die Abtastschaltung elektrisch mit einer invertierenden Seite des Differenzeingangs verbunden ist, und eine nicht-invertierende Seite des Differenzeingangs elektrisch mit der Erdung verbunden ist.
Schaltung gemäß Anspruch 7, wobei: die Spannungsverstärker einen ersten und einen zweiten Spannungsverstärker umfassen, die Track-and-Hold-Schaltungen erste und zweite Track-and-Hold-Schaltungen umfassen, die Verstärkung des ersten Spannungsverstärkers größer ist als die Verstärkung des zweiten Spannungsverstärkers, und die Sättigungsspannung des ersten Spannungsverstärkers niedriger ist als die Sättigungsspannung des zweiten Spannungsverstärkers.
Schaltung gemäß Anspruch 9, wobei: die erste Track-and-Hold-Schaltung einen ersten Abtastschalter und einen ersten Abtastkondensator enthält, die zweite Track-and-Hold-Schaltung einen zweiten Abtastschalter und einen zweiten Abtastkondensator enthält, wobei wenn sich die erste und die zweite Track-and-Hold-Schaltung im ersten Zustand befinden, der erste und der zweite Abtastschalter sich in einem ersten Zustand befinden, so dass der erste und der zweite Abtastkondensator elektrisch mit dem Ausgang des ersten bzw. des zweiten Spannungsverstärkers verbunden sind, und wenn sich die erste und die zweite Track-and-Hold-Schaltung im zweiten Zustand befinden, sich der erste und der zweite Abtastschalter in einem zweiten Zustand befinden, so dass der erste und der zweite Abtastkondensator vom Ausgang des ersten bzw. des zweiten Spannungsverstärkers elektrisch entkoppelt sind.
Schaltung gemäß Anspruch 10, wobei im zweiten Zustand der erste und der zweite Abtastschalter den ersten und den zweiten Abtastkondensator elektrisch mit einer jeweiligen Rückkopplungsleitung verbinden, die elektrisch mit dem Ausgang des Operationsverstärkers verbunden ist.
Schaltung gemäß Anspruch 11, wobei: wenn die Eingangsspannung (V_IN) niedriger als die Sättigungsspannung (V₁) des ersten Spannungsverstärkers ist, eine Spannung (V_o) am Ausgang des Operationsverstärkers gleich $\frac{(C_{1} a_{1} + C_{2} a_{2})}{C_{1} + C_{2}} v_{I N}$
ist, wenn V_IN größer als oder gleich V₁ und kleiner als oder gleich der Sättigungsspannung (V₂) des zweiten Spannungsverstärkers ist, V_o gleich $\frac{(C_{1} a_{1} V_{1} + C_{2} a_{2} v_{I N})}{C_{1} + C_{2}}$
ist, und wenn V_IN größer als V₂ ist, V_o gleich $\frac{(C_{1} a_{1} V_{1} + C_{2} a_{2} V_{2})}{C_{1} + C_{2}}$
ist, wobei: a₁ die Verstärkung des ersten Spannungsverstärkers ist, a₂ die Verstärkung des zweiten Spannungsverstärkers ist, C₁ eine Kapazität des ersten Abtastkondensators ist, C₂ eine Kapazität des zweiten Abtastkondensators, ist und V_o während der Haltephase der Mehrwegabtastschaltung gemessen wird.
Schaltung gemäß Anspruch 10, die außerdem Folgendes umfasst: einen Rückkopplungskondensator mit einem ersten Anschluss, der elektrisch mit der Abtastschaltung verbunden ist; und einen Erdungsschalter, wobei: wenn sich die Mehrweg-Abtastschaltung in der Track-Phase befindet, der Erdungsschalter sich in einem ersten Zustand befindet, in dem ein zweiter Anschluss des Rückkopplungskondensators elektrisch mit der Erdung verbunden ist, wobei wenn sich die Mehrweg-Abtastschaltung in der Haltephase befindet: der erste und der zweite Abtastschalter den ersten bzw. den zweiten Abtastkondensator elektrisch mit der Erdung verbinden, und der Erdungsschalter sich in einem zweiten Zustand befindet, in dem der zweite Anschluss des Rückkopplungskondensators elektrisch mit einer Rückkopplungsleitung verbunden ist, wobei die Rückkopplungsleitung elektrisch mit dem Ausgang des Operationsverstärkers und mit der Abtastschaltung verbunden ist.
Schaltung gemäß Anspruch 13, wobei: wenn die Eingangsspannung (V_IN) niedriger als die Sättigungsspannung (V₁) des ersten Spannungsverstärkers ist, eine Spannung (V_o) am Ausgang des Operationsverstärkers gleich $\frac{(C_{1} a_{1} + C_{2} a_{2})}{C_{3}} v_{I N}$
ist, wenn V_IN größer als oder gleich V₁ und kleiner als oder gleich der Sättigungsspannung (V₂) des zweiten Spannungsverstärkers ist, V_o gleich $\frac{(C_{1} a_{1} V_{1} + C_{2} a_{2} v_{I N})}{C_{3}}$
ist, und wenn V_IN größer ist als V₂, V_o gleich $\frac{(C_{1} a_{1} V_{1} + C_{2} a_{2} V_{2})}{C_{3}}$
ist, wobei: a₁ die Verstärkung des ersten Spannungsverstärkers ist, a₂ die Verstärkung des zweiten Spannungsverstärkers , C₁ eine Kapazität des ersten Abtastkondensators ist, C₂ eine Kapazität des zweiten Abtastkondensators ist, C₃ die Kapazität des Rückkopplungskondensators ist, und V_x während der Haltephase der Mehrweg-Abtastschaltung gemessen wird.
Schaltung gemäß Anspruch 10, wobei die Abtastschaltung umfasst: eine erste Kurzschlussleitung, die elektrisch mit dem jeweiligen Ausgang jeder Abtast- und Halteschaltung verbunden ist, wobei die erste Kurzschlussleitung elektrisch mit einer invertierenden Seite des Differenzeingangs des Operationsverstärkers verbunden ist; eine zweite Kurzschlussleitung, die eine erste Rückkopplungsleitung elektrisch mit der Kurzschlussleitung verbindet; und der Abtastschalter einen ersten Anschluss hat, der elektrisch mit einer ersten Seite der zweiten Kurzschlussleitung verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der elektrisch mit einer zweiten Seite der zweiten Kurzschlussleitung verbunden ist, wobei: wenn sich der Abtastschalter im geschlossenen Zustand befindet, der Abtastschalter die erste und zweite Seite der zweiten Kurzschlussleitung elektrisch verbindet, wodurch die invertierende Seite des Differenzeingangs des Operationsverstärkers mit dem Ausgang des Operationsverstärkers elektrisch verbunden wird, wenn sich der Abtastschalter im offenen Zustand befindet, der Abtastschalter die erste und zweite Seite der zweiten Kurzschlussleitung elektrisch entkoppelt, wodurch die invertierende Seite des Differenzeingangs des Operationsverstärkers mit dem Ausgang des Operationsverstärkers elektrisch entkoppelt wird.
Schaltung gemäß Anspruch 7, wobei die Abtastschaltung eine Kurzschlussleitung umfasst, die elektrisch mit dem jeweiligen Ausgang jeder Abtast- und Halteschaltung verbunden ist, wobei der Abtastschalter elektrisch mit der Kurzschlussleitung verbunden ist, wobei: wenn sich die Abtastschaltung im ersten Zustand befindet, sich der Abtastschalter in einem geschlossenen Zustand befindet, in dem die Abtastschaltung elektrisch mit der Erdung verbunden ist, und wenn sich die Abtastschaltung im zweiten Zustand befindet, sich der Abtastschalter in einem offenen Zustand befindet, in dem der Abtastschalter elektrisch von der Erdung entkoppelt ist.
Schaltung gemäß Anspruch 7, wobei die mehreren Spannungsverstärker unterschiedliche Frequenzgänge aufweisen.
Mehrweg-Abtastschaltung, die Folgendes umfasst: eine Eingangsleitung mit einer Eingangsspannung; eine Vielzahl von Spannungsverstärkern, die elektrisch parallel zueinander geschaltet sind, wobei jeder Spannungsverstärker einen entsprechenden Eingang hat, der elektrisch mit der Eingangsleitung verbunden ist, wobei jeder Spannungsverstärker eine unterschiedliche Verstärkung und eine unterschiedliche Sättigungsspannung hat; eine Vielzahl von Track-and-Hold-Schaltungen, einschließlich einer ersten Track-and-Hold-Schaltungsgruppe und einer zweiten Track-and-Hold-Schaltungsgruppe, wobei jede Track-and-Hold-Schaltung einen entsprechenden Eingang und einen entsprechenden Ausgang aufweist; eine Abtastschaltung mit einer ersten Seite, die elektrisch mit jeder Track-and-Hold-Schaltung in der ersten Track-and-Hold-Schaltungsgruppe verbunden ist, und einer zweiten Seite, die elektrisch mit jeder Abtast- und Halteschaltung in der zweiten Track-and-Hold-Schaltungsgruppe verbunden ist, wobei die Abtastschaltung einen ersten Zustand, in dem die erste und die zweite Seite der Abtastschaltung elektrisch verbunden sind, und einen zweiten Zustand, in dem die erste und die zweite Seite der Abtastschaltung elektrisch entkoppelt sind, aufweist; und einen Operationsverstärker mit einem Differenzeingang, bei dem (a) eine erste Seite des Differenzeingangs des Operationsverstärkers elektrisch mit der ersten Seite der Abtastschaltung verbunden ist und (b) eine zweite Seite des Differenzeingangs des Operationsverstärkers elektrisch mit der zweiten Seite der Abtastschaltung verbunden ist, wobei: die Mehrweg-Abtastschaltung eine Track-Phase und eine Haltephase aufweist, wenn sich die Mehrweg-Abtastschaltung in der Track-Phase befindet: die Track-and-Hold-Schaltungen in der ersten Track-and-Hold-Schaltungsgruppe sich in einem ersten Zustand befinden, in dem eine erste Seite eines Differenzausgangs jedes Spannungsverstärkers elektrisch mit der ersten Seite der Abtastschaltung verbunden ist, die Track-and-Hold-Schaltungen in der ersten Track-and-Hold-Schaltungsgruppe sich in einem ersten Zustand befinden, in dem eine zweite Seite des Differenzausgangs jedes Spannungsverstärkers elektrisch mit der zweiten Seite der Abtastschaltung verbunden ist, und die Abtastschaltung sich im ersten Zustand befindet, wenn sich die Mehrweg-Abtastschaltung in der Haltephase befindet: der jeweilige Eingang jeder Track-and-Hold-Schaltung in der ersten Track-and-Hold-Schaltungsgruppe elektrisch mit einer ersten Rückkopplungsleitung verbunden ist, die elektrisch mit einer ersten Seite eines Differenzausgangs des Operationsverstärkers verbunden ist, der jeweilige Eingang jeder Track-and-Hold-Schaltung in der zweiten Track-and-Hold-Schaltungsgruppe elektrisch mit einer zweiten Rückkopplungsleitung verbunden ist, die elektrisch mit einer zweiten Seite des Differenzausgangs des Operationsverstärkers verbunden ist, und die Abtastschaltung sich im zweiten Zustand befindet.
Schaltung gemäß Anspruch 18, wobei: die Spannungsverstärker einen ersten und einen zweiten Spannungsverstärker umfassen, die erste Track-and-Hold-Schaltungsgruppe erste und zweite Track-and-Hold-Schaltungen umfasst, die zweite Track-and-Hold-Schaltungsgruppe dritte und eine vierte Track-and-Hold-Schaltungen umfasst, die Verstärkung des ersten Spannungsverstärkers größer ist als die Verstärkung des zweiten Spannungsverstärkers, und die Sättigungsspannung des ersten Spannungsverstärkers kleiner ist als die Sättigungsspannung des zweiten Spannungsverstärkers.
Schaltung gemäß Anspruch 19, wobei: die erste Track-and-Hold-Schaltung einen ersten Abtastschalter und einen ersten Abtastkondensator enthält, die zweite Track-and-Hold-Schaltung einen zweiten Abtastschalter und einen zweiten Abtastkondensator enthält, die dritte Track-and-Hold-Schaltung einen dritten Abtastschalter und einen dritten Abtastkondensator enthält, die vierte Track-and-Hold-Schaltung einen vierten Abtastschalter und einen vierten Abtastkondensator enthält, wenn die erste, die zweite, die dritte und die vierte Track-and-Hold-Schaltung sich im ersten Zustand befinden, der erste, der zweite, der dritte und der vierte Abtastschalter sich in einem ersten Zustand befinden, so dass (a) ein jeweiliger erster Anschluss des ersten und des zweiten Abtastkondensators elektrisch mit der ersten Seite des Differenzausgangs des ersten bzw. des zweiten Spannungsverstärkers verbunden ist und (b) ein jeweiliger erster Anschluss des dritten und des vierten Abtastkondensators elektrisch mit der zweiten Seite des Differenzausgangs des ersten bzw. des zweiten Spannungsverstärkers verbunden ist, und wenn sich die erste, zweite, dritte und vierte Track-and-Hold-Schaltung im zweiten Zustand befinden, sich der erste und zweite Abtastschalter in einem zweiten Zustand befinden, so dass (a) der jeweilige erste Anschluss des ersten und zweiten Abtastkondensators elektrisch mit der ersten Rückkopplungsleitung verbunden ist und (b) der jeweilige erste Anschluss des dritten und vierten Abtastkondensators elektrisch mit der zweiten Rückkopplungsleitung verbunden ist.
Schaltung gemäß Anspruch 20, wobei: die erste Seite des Differenzausgangs des ersten und des zweiten Spannungsverstärkers eine nicht-invertierende Seite ist, die zweite Seite des Differenzausgangs des ersten und des zweiten Spannungsverstärkers eine invertierende Seite ist, wenn ein absoluter Wert der Eingangsspannung (V_IN ) niedriger ist als die Sättigungsspannung (V₁ ) des ersten Spannungsverstärkers, eine Spannung (V_o ) über der ersten und zweiten Seite des Differenzausgangs des Operationsverstärkers gleich $\frac{(C_{1} a_{1} + C_{2} a_{2})}{C_{1} + C_{2}} v_{I N}$
ist, wenn der Absolutwert von V_IN größer als oder gleich V₁ und kleiner als oder gleich der Sättigungsspannung (V₂) des zweiten Spannungsverstärkers ist, ist V_o gleich $\frac{(C_{1} a_{1} V_{1} + C_{2} a_{2} v_{I N})}{C_{1} + C_{2}}$
ist, und wenn V_IN größer ist als V₂, V_o gleich $\frac{(C_{1} a_{1} V_{1} + C_{2} a_{2} V_{2})}{C_{1} + C_{2}}$
ist, wobei: a₁ die Verstärkung des ersten Spannungsverstärkers ist, a₂ die Verstärkung des zweiten Spannungsverstärkers ist, C₁ eine Kapazität des ersten und dritten Abtastkondensators, C₂ eine Kapazität des zweiten und vierten Abtastkondensators ist, und V_o während der Haltephase der Track-and-Hold-Schaltungen gemessen wird.
Mehrweg-Abtastschaltung, die Folgendes umfasst: eine Eingangsleitung mit einer Eingangsspannung; eine Vielzahl von Spannungsverstärkern, die elektrisch parallel zueinander geschaltet sind, wobei jeder Spannungsverstärker einen entsprechenden Eingang aufweist, der elektrisch mit der Eingangsleitung verbunden ist, wobei jeder Spannungsverstärker eine unterschiedliche Verstärkung und eine unterschiedliche Sättigungsspannung aufweist; und einen Analog-Digital-Wandler (ADC), der Folgendes umfasst: eine Vielzahl von Track-and-Hold-Schaltungen; eine Kurzschlussleitung, die elektrisch mit jeder Abtast- und Halteschaltung verbunden ist; eine Vielzahl von ADC-Steuerleitungen; einen Abtastschalter mit einem geschlossenen Zustand, in dem die Kurzschlussleitung elektrisch mit der Erdung verbunden ist, und einem offenen Zustand, in dem die Kurzschlussleitung elektrisch von der Erdung entkoppelt ist; und ADC-Steuerschaltungen, die elektrisch mit der Kurzschlussleitung und den ADC-Steuerleitungen verbunden sind, wobei: der ADC eine Track-Phase und eine Umwandlungsphase aufweist, wobei wenn sich der ADC in der Track-Phase befindet: die Track-and-Hold-Schaltungen sich in einem ersten Zustand befinden, in dem ein jeweiliger Ausgang eines jeden Spannungsverstärkers elektrisch mit der Kurzschlussleitung verbunden ist, und der Abtastschalter in geschlossenem Zustand ist, wenn sich der ADC in der Umwandlungsphase befindet: die Track-and-Hold-Schaltungen sich in einem zweiten Zustand befinden, in dem die Kurzschlussleitung elektrisch mit einer entsprechenden ADC-Steuerleitung verbunden ist, und der Abtastschalter geöffnet ist.
Schaltung gemäß Anspruch 22, wobei: die Spannungsverstärker einen ersten und einen zweiten Spannungsverstärker umfassen, die Track-and-Hold-Schaltungen erste und zweite Track-and-Hold-Schaltungen umfassen, die ADC-Steuerleitungen erste und zweite ADC-Steuerleitungen umfassen, die Verstärkung des ersten Spannungsverstärkers größer ist als die Verstärkung des zweiten Spannungsverstärkers, und die Sättigungsspannung des ersten Spannungsverstärkers kleiner ist als die Sättigungsspannung des zweiten Spannungsverstärkers.
Schaltung gemäß Anspruch 23, wobei: die Verstärkung des ersten Spannungsverstärkers mindestens das Doppelte der Verstärkung des zweiten Spannungsverstärkers ist, und die Sättigungsspannung des ersten Spannungsverstärkers kleiner als oder gleich der Hälfte der Sättigungsspannung des zweiten Spannungsverstärkers ist.
Schaltung gemäß Anspruch 23, wobei: die erste Track-and-Hold-Schaltung einen ersten Abtastschalter und einen ersten Abtastkondensator enthält, die zweite Track-and-Hold-Schaltung einen zweiten Abtastschalter und einen zweiten Abtastkondensator enthält, wenn sich die Track-and-Hold-Schaltungen im ersten Zustand befinden, sich der erste und der zweite Abtastschalter in einem ersten Zustand befinden, in dem ein jeweiliger erster Anschluss des ersten und des zweiten Abtastkondensators elektrisch mit dem jeweiligen Ausgang des ersten bzw. des zweiten Spannungsverstärkers verbunden ist, und wenn sich die Track-and-Hold-Schaltungen in dem zweiten Zustand befinden, sich der erste und der zweite Abtastschalter in einem zweiten Zustand befinden, in dem der jeweilige erste Anschluss des ersten und des zweiten Abtastkondensators elektrisch mit der ersten bzw. der zweiten ADC-Steuerleitung verbunden ist.
Schaltung gemäß Anspruch 25, wobei: wenn die Eingangsspannung (V_IN ) niedriger ist als die Sättigungsspannung (V₁) des ersten Spannungsverstärkers, ein digitaler Ausgang (D_o) der ADC-Steuerschaltung gleich oder nahe bei $\frac{c_{1} a_{1} + c_{2} a_{2}}{c_{1} + c_{2}} \cdot \frac{v_{I N}}{V_{R E F}}$
ist, wenn V_IN größer als oder gleich V₁ und kleiner als oder gleich der Sättigungsspannung (V₂) des zweiten Spannungsverstärkers ist, D_o gleich oder nahe $\frac{(c_{1} a_{1} v_{1} + c_{2} a_{2} v_{I N})}{(c_{1} + c_{2}) V_{R E F}}$
wenn V_IN größer ist als V₂, Da gleich oder annähernd gleich $\frac{(c_{1} a_{1} v_{1} + c_{2} a_{2} v_{2})}{(c_{1} + c_{2}) V_{R E F}}$
ist, wobei: a₁ die Verstärkung des ersten Spannungsverstärkers ist, a₂ die Verstärkung des zweiten Spannungsverstärkers ist, C₁ eine Kapazität des ersten Abtastkondensators ist, C₂ die Kapazität des zweiten Abtastkondensators ist, V_REF die Vollausschlagsspannung des ADC ist, und D_o während der Umwandlungsphase des ADC gemessen wird.
Mehrweg-Abtastschaltung, die Folgendes umfasst: eine Eingangsleitung, die elektrisch eine Eingangsspannung aufweist; eine Vielzahl von Spannungsverstärkern, die elektrisch parallel zueinander geschaltet sind, wobei jeder Spannungsverstärker einen entsprechenden Eingang hat, der elektrisch mit der Eingangsleitung verbunden ist, wobei jeder Spannungsverstärker eine unterschiedliche Verstärkung und eine unterschiedliche Sättigungsspannung hat; eine Vielzahl von Track-and-Hold-Schaltungen; und eine Summierschaltung, die elektrisch mit den Track-and-Hold-Schaltungen verbunden ist, wobei: die Mehrweg-Abtastschaltung eine Track-Phase und eine Haltephase hat, wenn sich die Mehrweg-Abtastschaltung in der Track-phase befindet, sich die Track-and-Hold-Schaltungen in einem ersten Zustand befinden, in dem ein jeweiliger Eingang jeder Track-and-Hold-Schaltung elektrisch mit einem Ausgang eines jeweiligen Verstärkers verbunden ist, und wenn sich die Mehrweg-Abtastschaltung in der Haltephase befindet, sich die Track-and-Hold-Schaltungen in einem ersten Zustand befinden, in dem der jeweilige Eingang jeder Track-and-Hold-Schaltung vom Ausgang des jeweiligen Verstärkers elektrisch entkoppelt ist.
Schaltung gemäß Anspruch 27, wobei: die Spannungsverstärker einen ersten und einen zweiten Spannungsverstärker umfassen, die Track-and-Hold-Schaltungen erste und zweite Track-and-Hold-Schaltungen umfassen, die erste Track-and-Hold-Schaltung einen ersten Abtastschalter und einen ersten Abtastkondensator enthält, die zweite Track-and-Hold-Schaltung einen zweiten Abtastschalter und einen zweiten Abtastkondensator enthält, wenn sich die erste und die zweite Track-and-Hold-Schaltung im ersten Zustand befinden, sich der erste und der zweite Abtastschalter in einem ersten Zustand befinden, so dass der erste und der zweite Abtastkondensator elektrisch mit dem Ausgang des ersten bzw. des zweiten Spannungsverstärkers verbunden sind, wenn sich die erste und die zweite Track-and-Hold-Schaltung im zweiten Zustand befinden, sich der erste und der zweite Abtastschalter in einem zweiten Zustand befinden, so dass der erste und der zweite Abtastkondensator vom Ausgang des ersten bzw. des zweiten Spannungsverstärkers elektrisch entkoppelt sind, die Verstärkung des ersten Spannungsverstärkers größer ist als die Verstärkung des zweiten Spannungsverstärkers, und die Sättigungsspannung des ersten Spannungsverstärkers niedriger ist als die Sättigungsspannung des zweiten Spannungsverstärkers.
Schaltung gemäß Anspruch 28, wobei: die Summierschaltung einen ersten und einen zweiten Summierverstärker und einen Ausgangssummierknoten umfasst, ein Eingang des ersten Summierverstärkers elektrisch mit einem Ausgang der ersten Track-and-Hold-Schaltung verbunden ist, ein Eingang des zweiten Summierverstärkers elektrisch mit einem Ausgang der zweiten Track-and-Hold-Schaltung verbunden ist, und der Ausgangssummierknoten elektrisch mit einem Ausgang des ersten Summierverstärkers und einem Ausgang des zweiten Summierverstärkers verbunden ist.
Schaltung gemäß Anspruch 29, wobei: wenn die Eingangsspannung (V_IN ) niedriger ist als die Sättigungsspannung (V₁) des ersten Spannungsverstärkers, eine Spannung (V_o) an einem Ausgang des Ausgangssummenknotens gleich (a₁b₁ + a₂b₂)V_IN ist, wenn V_IN größer als oder gleich V₁ und kleiner als oder gleich der Sättigungsspannung (V₂) des zweiten Spannungsverstärkers ist, V_o gleich a₁b1V₁ + a₂b₂V_IN ist, und wenn V_IN größer ist als V₂ , V_o gleich a₁b₁V₁ + a₂b₂V₂ ist, wobei: a₁ die Verstärkung des ersten Spannungsverstärkers ist, a₂ die Verstärkung des zweiten Spannungsverstärkers ist, b₁ ein Spannungsskalierungsfaktor des ersten Summierverstärkers ist, b₂ ein Spannungsskalierungsfaktor des zweiten Summierverstärkers ist, und V_o während der Haltephase der Mehrweg-Abtastschaltung gemessen wird.