DE19938045A1

DE19938045A1 - Erweiterter Gleichtakt-Eingangsbereich für einen Delta-Sigma-Wandler

Info

Publication number: DE19938045A1
Application number: DE19938045A
Authority: DE
Inventors: Theodore G Nelson
Original assignee: Tektronix Inc
Current assignee: Tektronix Inc
Priority date: 1998-08-18
Filing date: 1999-08-12
Publication date: 2000-03-02
Anticipated expiration: 2019-08-13
Also published as: JP2000091919A; DE19938045C2; US6172630B1; JP3491226B2

Abstract

Ein Delta-Sigma-Modulator umfaßt einen Integrator, der einen integrierenden Verstärker mit einem Eingangsanschluß und einem Ausgangsanschluß umfaßt. Ein Pol eines ersten einpoligen Umschalters (SPDT) ist mit einer ersten Elektrode eines Eingangskondensators gekoppelt, während eine erste Schalterstellung des ersten SPDT-Schalters mit einer Eingangssignalquelle gekoppelt ist, und eine zweite Schalterstellung mit einer Quelle für ein Bezugspotential (Erdung) gekoppelt ist. Ein Pol eines zweiten SPDT-Schalters ist mit einer zweiten Elektrode des Kondensators gekoppelt, während eine erste Schalterstellung des zweiten SPDT-Schalters mit dem Eingangsanschluß des integrierenden Verstärkers gekoppelt ist. Ein Rückkopplungssignal-Generator weist einen mit dem Ausgangsanschluß des integrierenden Verstärkers gekoppelten Eingangsanschluß und einen direkt mit einer zweiten Schalterstellung des zweiten SPDT-Schalters gekoppelten Ausgangsanschluß auf.

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Delta-Sigma-Analog- Digital-Wandler (ADC) und insbesondere einen Differential- Delta-Sigma-ADC mit verbessertem Gleichtakt-Eingangsbereichs verhalten, der insbesondere in einem Digitalmultimeter (DMM) Anwendung findet.

Hintergrund der Erfindung

Digitalmultimeter (DMMs) sind gut bekannte Prüfgeräte, die verwendet werden, um viele elektrische Messungen, einschließ lich der Verhältnis-Widerstandsmessung, bereitzustellen. Frü here DMMs verwendeten RMS-Wandler, um diese Messung durchzu führen. Aber RMS-Wandler besitzen eine relativ schlechte Ge nauigkeit. In letzter Zeit haben DMMs Delta-Sigma-ADCs, ge folgt von Digitalsignalverarbeitungs-(DSP)-Schaltkreisen, enthalten, um diese Messung durchzuführen. Diese Anordnung besitzt eine verbesserte Genauigkeit im Vergleich zu DMMs, die unter Verwendung von RMS-Wandlern implementiert wurden. Außerdem stellt diese Anordnung eine verbesserte Wechselspan nungsmessung bereit und macht es möglich, andere erwünschte Messungen, wie z. B. eine kombinierte Gleich- und Wechselspan nungsmessung, bereitzustellen.

Es ist bekannt, daß ein Delta-Sigma-Wandler mit einem relativ breiten Gleichtaktbereich erforderlich ist, um Verhältnis- Widerstandsmessungen durchzuführen. Es ist auch bekannt, daß der Gleichtaktbereich zu Lasten des dynamischen Bereichs op timiert werden kann; das heißt, der Gleichtakt-Eingangsbe reich kann durch Verringern des dynamischen Bereichs erwei tert werden. Das Verringern des dynamischen Bereichs senkt jedoch die Leistungsfähigkeit des Digitalmultimeters.

Ein Delta-Sigma-ADC besteht aus zwei Teilen, einem Delta- Sigma-Modulator, gefolgt von einem Digitalfilter und Dezi mator. Der Delta-Sigma-Modulator erzeugt ein überabgetastetes pulsweitenmoduliertes (PWM) digitales Signal mit einer mitt leren Spannung, die der Spannung des analogen Eingangssignals entspricht. Der Delta-Sigma-Modulator verwandelt das digitale PWM-Ausgangssignal in ein analoges Bezugssignal zurück, das dann zum Eingang des Delta-Sigma-Modulators rückgekoppelt wird. Eine Form eines Delta-Sigma-Modulators umfaßt einen oder mehrere in Reihe geschaltete Integratoren, die unter Verwendung von bekannten Verfahren mit geschalteten Kondensa toren (SC, switched capacitor) implementiert wurden.

Frühere SC-Delta-Sigma-Modulatoren umfassen einen geschalte ten Eingangskondensator, der zwischen einen Eingangsanschluß, der ein analoges Eingangssignal empfängt, und einen Integra tor gekoppelt ist. Somit wird das Eingangssignal in den Inte grator wechselspannungsmäßig eingekoppelt. Bei einer Anord nung des Standes der Technik wird das Rückkopplungssignal über einen geschalteten Rückkopplungskondensator in die Ein gangsanschlußseite des geschalteten Eingangskondensators ein gekoppelt. Bei einer anderen Anordnung des Standes der Tech nik wird das Rückkopplungssignal ebenfalls unter Verwendung eines geschalteten Rückkopplungskondensators in die Integra torseite des geschalteten Eingangskondensators eingekoppelt. Die Verstärkung des Rückkopplungsbezugssignals wird durch das Verhältnis des Rückkopplungskondensators und des Eingangskon densators gesteuert. Bei beiden Anordnungen des Standes der Technik wird das Rückkopplungsbezugssignal über den Rückkopp lungskondensator und/oder ebenso über den Eingangskondensator in den Verstärker ebenfalls wechselspannungsmäßig eingekop pelt. Dies beschränkt den Gleichtaktbereich des ADC auf den Bereich der Rückkopplungsbezugsspannung.

Ein Delta-Sigma-Modulator, der einen erhöhten Gleichtaktbe reich bereitstellt, ohne eine gleichzeitige Verringerung des dynamischen Bereichs zu erfordern, ist erwünscht.

Gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Delta-Sigma-Modulator einen Integrator, der einen integrie renden Verstärker mit einem Eingangsanschluß und einem Aus gangsanschluß umfaßt. Ein Pol eines ersten einpoligen Um schalters (SPDT, single-pole-double-throw) ist mit einer er sten Elektrode eines Eingangskondensators gekoppelt, während eine erste Schalterstellung des ersten SPDT-Schalters mit ei ner Eingangssignalquelle gekoppelt ist, und eine zweite Schalterstellung mit einer Quelle für ein Bezugspotential (Erdung) gekoppelt ist. Ein Pol eines zweiten SPDT-Schalters ist mit einer zweiten Elektrode des Kondensators gekoppelt, während eine erste Schalterstellung des zweiten SPDT-Schal ters mit dem Eingangsanschluß des integrierenden Verstärkers gekoppelt ist. Ein Rückkopplungssignal-Generator weist einen mit dem Ausgangsanschluß des integrierenden Verstärkers ge koppelten Eingangsanschluß und einen direkt mit einer zweiten Schalterstellung des zweiten SPDT-Schalters gekoppelten Aus gangsanschluß auf.

Ein Delta-Sigma-Modulator gemäß der vorliegenden Erfindung legt das Rückkopplungsbezugssignal an den Eingangsanschluß des Integrators an, ohne es durch einen Kondensator zu lei ten. Die Bezugsspannung wird somit in den Eingang des Inte grators gleichspannungsmäßig eingekoppelt, während das Gleichtakt-Eingangssignal in den Eingangsanschluß des Inte grators durch die geschalteten Eingangskondensatoren wech selspannungsmäßig eingekoppelt wird. Dies führt dazu, daß die Gleichtaktspannung nur durch die Versorgungsspannung begrenzt ist und nicht durch die Bezugsspannung wie bei Delta-Sigma- Wandlern des Standes der Technik. Der dynamische Bereich des Delta-Sigma-Wandlers wird jedoch durch diese Anordnung nicht beeinträchtigt.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung gilt:

Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm eines Delta-Sigma- Differentialmodulators gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ist ein ausführlicheres Diagramm, teilweise in Block form und teilweise in schematischer Form, einer Rückkopp lungsschaltung, die aus einem ADC und einem DAC besteht, wie in Fig. 1 dargestellt;

Fig. 3 und 4 sind vereinfachte schematische Diagramme eines Eintakt-Delta-Sigma-Modulators, der zum Verständnis der Ope ration des in Fig. 1 dargestellten Delta-Sigma-Differential modulators nützlich ist.

Ausführliche Beschreibung

Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm eines Delta-Sigma- Modulators gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung. In Fig. 1 umfaßt ein Differentialeingangsanschluß für den Delta-Sigma-Modulator einen nicht-invertierenden Eingangsan schluß Vin+ und einen invertierenden Eingangsanschluß Vin-. Der nicht-invertierende Eingangsanschluß Vin+ ist mit jewei ligen ersten Schalterstellungen (umschaltbaren Kontakten) ei nes ersten Abschnitts S1a und eines zweiten Abschnitts S1b eines zweipoligen Umschalters (DPDT) S1 gekoppelt. Der inver tierende Eingangsanschluß Vin- ist mit jeweiligen zweiten Schalterstellungen des ersten Abschnitts S1a und des zweiten Abschnitts S1b des DPDT-Schalters S1 gekoppelt. Ein Pol (nicht beweglicher Kontakt) des ersten Abschnitts S1a des DPDT-Schalters S1 ist mit einer ersten Elektrode eines ersten Eingangskondensators C1a gekoppelt, und ein Pol des zweiten Abschnitts S1b des DPDT-Schalters S1 ist mit einer ersten Elektrode eines zweiten Eingangskondensators C1b gekoppelt.

Eine zweite Elektrode des ersten Eingangskondensators C1a ist mit einem Pol eines ersten Abschnitts S2a eines zweiten DPDT- Schalters S2 gekoppelt, und die zweite Elektrode des zweiten Eingangskondensators C1b ist mit einem Pol eines zweiten Ab schnitts S2b des zweiten DPDT-Schalters S2 gekoppelt. Eine erste Schalterstellung des ersten Abschnitts S2a des zweiten DPDT-Schalters S2 ist mit einem nicht-invertierenden Ein gangsanschluß eines ersten Operationsverstärkers OP1 und mit einer ersten Elektrode eines ersten Rückkopplungskondensators C2a gekoppelt. Eine erste Schalterstellung des zweiten Ab schnitts S2b des zweiten DPDT-Schalters S2 ist mit einem in vertierenden Eingangsanschluß des ersten Operationsverstär kers und mit einer ersten Elektrode eines zweiten Rückkopp lungskondensators C2b gekoppelt. Der erste und der zweite Eingangskondensator C1a und C1b und der erste und der zweite DPDT-Schalter S1 und S2 bilden ein Differentialpaar von ge schalteten Eingangskondensatoren mit einem Eingangsseiten- Anschluß, der mit der Eingangssignalquelle (nicht darge stellt) gekoppelt ist, und einem Verstärkerseiten-Anschluß, der mit dem Eingangsanschluß des ersten Operationsverstärkers OP1 gekoppelt ist.

Ein invertierender Ausgangsanschluß des ersten Operationsver stärkers OP1 ist mit einer zweiten Elektrode des ersten Rück kopplungskondensators C2a und mit einer ersten Schalterstel lung eines ersten Abschnitts S3a eines dritten DPDT-Schalters S3 gekoppelt. Ein nicht-invertierender Ausgangsanschluß des ersten Operationsverstärkers OP1 ist mit einer zweiten Elek trode des zweiten Rückkopplungskondensators C2b und mit einer ersten Schalterstellung eines zweiten Abschnitts des dritten DPDT-Schalters S3 gekoppelt. Jeweilige zweite Schalterstel lungen des ersten Abschnitts S3a und des zweiten Abschnitts S3b des dritten DPDT-Schalters S3 sind mit einer Quelle für ein Bezugspotential (Erdung) gekoppelt. Die Kombination aus dem ersten und dem zweiten Eingangskondensator C1a und C1b, dem ersten Operationsverstärker OP1 und dem ersten und dem zweiten Rückkopplungskondensator C2a und C2b bilden einen er sten Differentialintegrator 10.

Ein Pol des ersten Abschnitts S3a des dritten DPDT-Schalters S3 ist mit einer ersten Elektrode eines ersten Kopplungskon densators C3a gekoppelt, und ein Pol des zweiten Abschnitts S3b des dritten DPDT-Schalters S3 ist mit einer ersten Elek trode eines zweiten Kopplungskondensators C3b gekoppelt. Eine zweite Elektrode des ersten Kopplungskondensators C3a ist mit einem Pol eines ersten Abschnitts S4a eines vierten DPDT- Schalters S4 gekoppelt, und eine zweite Elektrode des zweiten Kopplungskondensators C3b ist mit einem Pol eines zweiten Ab schnitts S4b des vierten DPDT-Schalters S4 gekoppelt. Eine erste Schalterstellung des ersten Abschnitts S4a des vierten DPDT-Schalters S4 ist mit dem nicht-invertierenden Eingangs anschluß eines zweiten Operationsverstärkers OP2 und mit ei ner ersten Elektrode eines dritten Rückkopplungskondensators C4a gekoppelt. Eine erste Schalterstellung des zweiten Ab schnitts S4b des vierten DPDT-Schalters S4 ist mit einem in vertierenden Eingangsanschluß des zweiten Operationsverstär kers OP2 und mit einer ersten Elektrode eines vierten Rück kopplungskondensators C4b gekoppelt. Der erste und der zweite Kopplungskondensator C3a und C3b, und der dritte und der vierte DPDT-Schalter S3 und S4 bilden ein Differentialpaar von geschalteten Kopplungskondensatoren mit einem Eingangs seiten-Anschluß, der mit dem Ausgangsanschluß des ersten Dif ferentialintegrators 10 gekoppelt ist, und einem Verstärker seiten-Anschluß, der mit dem Eingangsanschluß des zweiten Operationsverstärkers OP2 gekoppelt ist.

Ein invertierender Ausgangsanschluß des zweiten Operations verstärkers OP2 ist mit einem ersten Eingangsanschluß eines Analog-Digital-Wandlers (ADC) 30 und mit einer zweiten Elek trode des dritten Rückkopplungskondensators C4a gekoppelt. Ein nicht-invertierender Ausgangsanschluß des zweiten Opera tionsverstärkers OP2 ist mit einem zweiten Eingangsanschluß des ADC 30 und mit einer zweiten Elektrode des vierten Rück kopplungskondensators C4b gekoppelt. Die Kombination aus dem ersten und dem zweiten Kopplungskondensator C3a und C3b, dem zweiten Operationsverstärker OP2 und dem dritten und dem vierten Rückkopplungskondensator C4a und C4b bilden einen zweiten, in Reihe geschalteten Differentialintegrator 20.

Ein erster Ausgangsanschluß des ADC 30 ist mit einem nicht- invertierenden Ausgangsanschluß Vout+ des Delta-Sigma-Modu lators und mit einem Eingangsanschluß eines ersten Digital- Analog-Wandlers (DAC) 40a gekoppelt. Ein zweiter Ausgangsan schluß des ADC 30 ist mit einem invertierenden Ausgangsan schluß Vout- des Delta-Sigma-Modulators und mit einem Ein gangsanschluß eines zweiten DAC 40b gekoppelt. Ein jeder des ersten und des zweiten DAC 40a und 40b ist mit einer Quelle für eine positive Bezugsspannung Ref+ und mit einer Quelle für eine Erdspannung gekoppelt. Ein Ausgangsanschluß des er sten DAC 40a ist mit jeweiligen zweiten Schalterstellungen des ersten Abschnitts S4a des vierten DPDT-Schalters S4 und des ersten Abschnitts S2a des zweiten DPDT-Schalters S2 ge koppelt. Ein Ausgangsanschluß des zweiten DAC 40b ist mit je weiligen zweiten Schalterstellungen des zweiten Abschnitts S4b des vierten DPDT-Schalters S4 und des zweiten Abschnitts S2b des zweiten DPDT-Schalters S2 gekoppelt. Die dargestellte Ausführungsform wird Delta-Sigma-Differentialmodulator zwei ter Ordnung mit geschalteten Kondensatoren genannt.

Beim Betrieb schalten der erste, der zweite, der dritte und der vierte DPDT-Schalter S1, S2, S3 und S4 synchron als Reak tion auf ein periodisches Taktsignal (nicht dargestellt). Die Schalter S1, S2, S3 und S4 können Halbleiterschalter sein, die in einer beliebigen von verschiedenen bekannten Konfigu rationen hergestellt sind, und können in bekannter Öffnen- vor-Schließen-Weise arbeiten. Die Schalter S1, S2, S3 und S4 sind so synchronisiert, daß sie sich in einer von zwei Stel lungen befinden. Eine erste Stellung ist in Fig. 1 darge stellt, und eine zweite Stellung ist in Fig. 1 angedeutet dargestellt, alles in bekannter Weise. Wenn sich die Schalter in der ersten Stellung (in Fig. 1 dargestellt) befinden, sam meln die Eingangskondensatoren C1a und C1b und die Kopplungs kondensatoren C3a und C3b eine Ladung, die die Differenz zwi schen dem Rückkopplungsbezugssignal aus dem ersten bzw. dem zweiten DAC 40a und 40b und dem Eingangssignal Vin oder dem Signal aus dem ersten Integrator 10 darstellt. Wenn sich die Schalter in der zweiten Stellung (in Fig. 1 angedeutet darge stellt) befinden, wird die in den Eingangskondensatoren C1a und C1b gesammelte Ladung zu den Rückkopplungskondensatoren C2a und C2b übertragen und von diesen integriert, und die in den Kopplungskondensatoren C3a und C3b gesammelte Ladung wird zu den Rückkopplungskondensatoren C4a und C4b übertragen und von diesen integriert.

Das Ausgangssignal aus dem zweiten Integrator 20 wird durch den ADC 30 in ein digitales PWM-Signal umgewandelt und das digitale PWM-Signal aus dem ADC 30 wird durch die DACs 40a und 40b in jeweilige Rückkopplungsbezugssignale umgewandelt, alles in bekannter Weise. Bei einer bevorzugten Ausführungs form ist der ADC 30 ein Ein-Bit-ADC und der erste und der zweite DAC 40a und 40b sind Ein-Bit-DACs. Fig. 2 ist ein aus führlicheres Diagramm, teilweise in Blockform und teilweise in schematischer Form, einer solchen Rückkopplungsschaltung, die aus einem Ein-Bit-ADC 30 und einem ersten und einem zwei ten Ein-Bit-DAC 40a und 40b besteht, wie in Fig. 1 darge stellt. In Fig. 2 ist der Differentialausgangsanschluß aus dem zweiten Operationsverstärker OP2 (von Fig. 1) mit einem Differentialeingangsanschluß eines Nulldurchgangsdetektors (ZCD) 32 gekoppelt. Ein Differentialausgangsanschluß des ZCD 32 ist mit einem jeweiligen Setz- S und Rücksetzeingangsan schluß R eines Setz-Rücksetz-(S-R)-Flip-Flops 34 gekoppelt. Ein Q-Ausgangsanschluß des S-R-Flip-Flops 34 erzeugt das nicht-invertierende Ausgangssignal aus dem Delta-Sigma- Modulator und wird in den nicht-invertierenden Ausgangsan schluß Vout+ (nicht dargestellt) und einen Steueranschluß ei nes ersten gesteuerten SPDT-Schalters 40a eingekoppelt. Ein Q-Ausgangsanschluß des S-R-Flip-Flops 34 erzeugt das inver tierende Ausgangssignal aus dem Delta-Sigma-Modulator und wird in den invertierenden Ausgangsanschluß Vout- (nicht dar gestellt) und einen Steueranschluß eines zweiten gesteuerten SPDT-Schalters 40b eingekoppelt. Die Kombination aus dem ZCD 32 und dem S-R-Flip-Flop 34 bildet den ADC 30 (von Fig. 1).

Jeweilige erste Schalterstellungen des ersten und des zweiten gesteuerten SPDT-Schalters 40a und 40b sind mit einer Quelle für eine positive Bezugsspannung Ref+ gekoppelt, und jeweili ge zweite Schalterstellungen des ersten und des zweiten ge steuerten SPDT-Schalters 40a und 40b sind mit der Erdung ge koppelt. Ein Pol des ersten gesteuerten SPDT-Schalters 40a erzeugt ein nicht-invertiertes Rückkopplungsbezugssignal FB+ und ist mit den jeweiligen zweiten Schalterstellungen der er sten Teile des zweiten DPDT-Schalters S2 und des vierten DPDT-Schalters S4 gekoppelt. Ein Pol des zweiten gesteuerten SPDT-Schalters 40b erzeugt ein invertiertes Rückkopplungsbe zugssignal FB - und ist mit den jeweiligen zweiten Schalter stellungen der zweiten Teile des zweiten DPDT-Schalters S2 und des vierten DPDT-Schalters S4 gekoppelt. Der erste ge steuerte Schalter 40a bildet den ersten DAC 40a, und der zweite gesteuerte Schalter 40b bildet den zweiten DAC 40b (beide von Fig. 1). Der durch den ZCD 32 und den S-R-Flip- Flop 34 gebildete ADC 30 und der erste und der zweite DAC 40a und 40b, die durch den ersten bzw. den zweiten gesteuerten Schalter 40a bzw. 40b gebildet werden, arbeiten in bekannter Weise und werden nachstehend nicht im einzelnen beschrieben. Der vorteilhafte Betrieb des in Fig. 1 dargestellten Delta- Sigma-Modulators kann mit Bezug auf Fig. 3 und 4 besser ver standen werden. Fig. 3 stellt die Eingangsintegratorstufe 10' mit einem geschalteten Eintakt-Kondensator dar, wie im Stand der Technik implementiert. In Fig. 3 entspricht ein einpoli ger Umschalter (SPDT) S1' dem ersten Abschnitt S1a des DPDT- Schalters S1, der Eingangskondensator C1' entspricht dem er sten Eingangskondensator C1a, und ein SPDT-Schalter S2' ent spricht dem ersten Abschnitt S2a des zweiten DPDT S2, alle von Fig. 1. Wenn sich die Schalter S1' und S2' in der ersten Stellung befinden, die in Fig. 3 dargestellt ist, speichert der Eingangskondensator C1' eine Ladung, die den Pegel des Eingangssignals Vin darstellt. Wenn sich die Schalter S1' und S2' in der zweiten Stellung befinden, die in Fig. 3 angedeu tet dargestellt ist, ist die gespeicherte Ladung, die den Pe gel des Eingangssignals Vin darstellt, zwischen das Rückkopp lungs-Bezugsspannungssignal Vfb und den Eingangsanschluß des Operationsverstärkers OP geschaltet. Auf diese Weise wird ei ne Ladung, die gleich der Differenz zwischen dem Pegel des Eingangssignals und jenem des Rückkopplungsbezugssignals ist, in den Operationsverstärker OP eingekoppelt und durch den Rückkopplungskondensator C2' integriert.

Um den Betrieb des in Fig. 3 dargestellten Delta-Sigma-Modu lators zu erläutern, wird angenommen, daß sich die Schalter S1' und S2' anfänglich in der zweiten Stellung (angedeutet dargestellt) befinden und daß die Spannung über dem Rückkopp lungskondensator C2' null Volt beträgt, die Rückkopplungsbe zugsspannung zwei Volt beträgt, die Eingangsspannung Vin ein Volt beträgt, und daß die Spannung über dem Eingangskondensa tor C1' ein Volt beträgt (siehe Gleichung (1)).

V_C2 = 0 V; Vfb = 2 V; Vin = 1 V und V_C1 = 1 V (1)

Wenn die Schalter S1' und S2' in die erste Stellung umschal ten, wie dargestellt, wird der Eingangskondensator C1' zwi schen den Eingangsanschluß und die Erdung gekoppelt und wird auf die Eingangsspannung Vin, d. h. ein Volt, aufgeladen. Der Rückkopplungskondensator C2' ist vom Rest der Schaltung iso liert und seine Spannung bleibt auf null Volt (siehe Glei chung (2)).

V_C1 = 1 V und V_C2 = 0 V (2)

Wenn die Schalter S1' und S2' in die zweite Stellung (ange deutet) zurückgeschaltet werden, wird die Rückkopplungsbe zugsspannung Vfb über den Eingangskondensator C1' an den Ein gang des Operationsverstärkers OP gekoppelt. Die Spannung am Eingangsanschluß des Operationsverstärkers OP ist die Diffe renz zwischen der Rückkopplungsbezugsspannung (2 Volt) und der Spannung über dem Eingangskondensator (1 Volt) oder 1 Volt. Der Operationsverstärker OP lädt den Rückkopplungskon densator auf 1 Volt auf. Die Ausgangsspannung wird folglich -1 Volt (siehe Gleichung (3)).

V_C1 = 2 V; V_C2 = 1 V und Vout = -1 V (3)

Fig. 4 stellt eine Eingangsintegratorstufe 10" eines Delta- Sigma-Modulators mit einem geschalteten Eintakt-Kondensator dar, der gemäß der vorliegenden Erfindung angeordnet ist. In Fig. 4 sind die Verbindungen der Erdung und des Rückkopp lungsbezugssignals Vfb mit den Schaltern S1" und S2" bezüg lich jenen in Fig. 3 umgekehrt. Insbesondere ist bei der An ordnung des Standes der Technik von Fig. 3 das Rückkopplungs bezugssignal Vfb mit der Eingangsanschlußseite des geschalte ten Kondensators C1' über den Schalter S1' gekoppelt, während in Fig. 4 das Rückkopplungsbezugssignal Vfb mit der Integra torseite des geschalteten Eingangskondensators C1" über den Schalter S2" gekoppelt ist.

Um den Betrieb des in Fig. 4 dargestellten Delta-Sigma-Modu lators zu erläutern, wird wieder angenommen, daß sich die Schalter S1" und S2" anfänglich in der zweiten Stellung (an gedeutet dargestellt) befinden und daß die Spannung über dem Rückkopplungskondensator C2" Null ist, die Rückkopplungsbe zugsspannung zwei Volt beträgt und die Eingangsspannung Vin ein Volt beträgt. Aus Gründen, die nachstehend beschrieben werden, beträgt jedoch in diesem Fall die Spannung über dem Eingangskondensator C1" null Volt (siehe Gleichung (4)).

V_C2 = 0 V; Vfb = 2 V; Vin = 1 V und V_C1 = 0 V (4)

Wenn die Schalter S1" und S2" in die erste Stellung umschal ten, wie dargestellt, wird der Eingangskondensator C1" zwi schen den Eingangsanschluß und den Rückkopplungsbezugssignal- Anschluß gekoppelt und wird auf die Differenz zwischen der Eingangsspannung (1 V) und der Rückkopplungsbezugsspannung (2 V), d. h. -1 Volt, aufgeladen. Der Rückkopplungskondensator C2" ist vom Rest der Schaltung isoliert und seine Spannung bleibt auf null Volt (siehe Gleichung (5)).

V_C1 = -1 V und V_C2 = 0 V (5)

Wenn die Schalter S1" und S2" in die zweite Stellung (ange deutet) zurückgeschaltet werden, wird das Negative der Span nung über dem Eingangskondensator C1" an den Eingangsanschluß des Operationsverstärkers OP gekoppelt, d. h. die Spannung am Eingangsanschluß des Operationsverstärkers OP beträgt +1 Volt. Der Operationsverstärker OP lädt den Rückkopplungskon densator auf 1 Volt auf. Wie vorher wird die Ausgangsspannung folglich -1 Volt (siehe Gleichung (6)).

V_C1 = 2 V; V_C2 = 1 V und Vout = -1 V (6)

Kurz gesagt lädt die Anordnung des Standes der Technik von Fig. 3 in einer ersten Schalterstellung den geschalteten Ein gangskondensator C1' auf die Eingangsspannung Vin auf, dann subtrahiert sie in einer zweiten Schalterstellung die vorher im geschalteten Eingangskondensator C1' gespeicherte Ein gangsspannung von der Rückkopplungsbezugsspannung Vfb und legt diese Differenz an den Eingangsanschluß des Integrators (OP) an. Die Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung, Fig. 4, lädt in einer ersten Schalterstellung den geschalteten Eingangskondensator C1" auf die Differenz zwischen der Ein gangsspannung Vin und der Rückkopplungsbezugsspannung Vfb auf, dann legt sie in einer zweiten Schalterstellung diese Differenz an den Eingangsanschluß des Integrators (OP) an. Die Signalverarbeitung ist somit identisch.

Wie bei der in Fig. 1 dargestellten Differentialanordnung zu sehen ist, wird jedoch das Rückkopplungsbezugssignal aus den DACs 40a und 40b in die Schalter (S2a bzw. S2b), die mit den Verstärkerseiten der geschalteten Eingangskondensatoren (C1a bzw. C1b) gekoppelt sind, und in die Schalter (S4a bzw. S4b), die mit den Verstärkerseiten der geschalteten Kopplungskon densatoren (C3a bzw. C3b) gekoppelt sind, eingekoppelt. Somit wird das Rückkopplungsbezugssignal Vfb in die Eingangsan schlüsse der jeweiligen Verstärker OP1 und OP2 gleichspan nungsmäßig eingekoppelt. Andererseits wird das Eingangssignal über die geschalteten Eingangskondensatoren C1a und C2a bzw. die geschalteten Kopplungskondensatoren C3a und C3b in die Eingangsanschlüsse der jeweiligen Verstärker OP1 und OP2 wechselspannungsmäßig eingekoppelt. Folglich ist die Rück kopplungsbezugsspannung von der Gleichtaktkomponente im Ein gangssignal isoliert, und der Gleichtaktbereich des Eingangs signals ist nicht durch das Bezugssignal begrenzt. Statt des sen kann die Gleichtaktspannung des Eingangssignals die Rück kopplungsbezugsspannung übersteigen und ist nur durch die Versorgungsspannung begrenzt.

Die Leistung der in Fig. 3 und 4 dargestellten Delta-Sigma- Modulatoren ist dieselbe und diese Schaltungen besitzen die selbe Verstärkung. Mit erneutem Bezug auf Fig. 1 ist zu se hen, daß die erste Integratorstufe 10 in derselben Weise an geordnet ist wie jene, die in Fig. 4 dargestellt ist, aber in einer Differentialkonfiguration. Die zweite Integratorstufe 20 ist in ähnlicher Weise angeordnet, wobei sie ihr Eingangs signal aus dem Ausgang der ersten Integratorstufe bezieht. Somit kann der in Fig. 1 dargestellte Delta-Sigma-Modulator einen Gleichtakt-Eingangsbereich bereitstellen, der nur durch die Versorgungsspannung und nicht durch die Bezugsspannung begrenzt ist.

Der dynamische Bereich wird im allgemeinen durch diese Anord nung nicht verringert und muß nicht verringert werden. Bei der in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform wird jedoch eine zusätzliche Verbesserung vorgenommen. Bei Anordnungen des Standes der Technik erzeugen die Ein-Bit-DACs in der Rückkopplungsschaltung, die den DACs 40a und 40b in Fig. 1 und 2 entsprechen, ein Ausgangssignal, das eine Spannung von entweder einer positiven Bezugsspannung Ref+ oder einer nega tiven Bezugsspannung Ref- aufweist. Insbesondere waren mit Bezug auf Fig. 2 beim Stand der Technik die zweiten Schalter stellungen von sowohl dem ersten SPDT-Schalter 40a als auch dem zweiten SPDT-Schalter 40b mit einer Quelle für ein nega tives Bezugspotential Ref- anstatt mit der Erdung gekoppelt, wie dargestellt. Der dynamische Bereich dieser Anordnung reichte von Ref- bis Ref+. Dies erforderte jedoch eine nega tive Bezugsspannungsquelle, und daß die Größe der von dieser Spannungsquelle erzeugten Spannung nahe auf die Größe der po sitiven Bezugsspannung Ref+ abgestimmt war. Der dynamische Bereich der Schaltung von Fig. 1 und 2 reicht von -1/2(Ref+) bis +1/2(Ref+). Da die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform jedoch keine negative Bezugsspannungsquelle benötigt, besitzt sie nicht das Problem der Abstimmung der Größen der positiven und der negativen Bezugsspannungsquelle.

Claims

1. Delta-Sigma-Modulator, welcher folgendes umfaßt:
einen Integrator, der folgendes umfaßt:
einen integrierenden Verstärker mit einem Eingangsan schluß und einem Ausgangsanschluß;
einen Kondensator;
einen ersten einpoligen Umschalter (SPDT) mit einem mit einer ersten Elektrode des Kondensators gekoppelten Pol, einer mit einer Eingangssignalquelle gekoppelten er sten Schalterstellung und einer mit einer Quelle für ein Bezugspotential (Erdung) gekoppelten zweiten Schalter stellung; und
einen zweiten SPDT-Schalter mit einem mit einer zwei ten Elektrode des Kondensators gekoppelten Pol, einer mit dem Eingangsanschluß des integrierenden Verstärkers ge koppelten ersten Schalterstellung und einer zweiten Schalterstellung; und
einen Rückkopplungssignal-Generator mit einem mit dem Ausgangsanschluß des integrierenden Verstärkers gekoppel ten Eingangsanschluß und einem direkt mit der zweiten Schalterstellung des zweiten SPDT-Schalters gekoppelten Ausgangsanschluß.

2. Modulator nach Anspruch 1, wobei der integrierende Ver stärker folgendes umfaßt:
einen Operationsverstärker mit einem mit dem Eingangsan schluß des integrierenden Verstärkers gekoppelten inver tierenden Eingangsanschluß, einem mit einer Quelle für ein Bezugspotential gekoppelten nicht-invertierenden Ein gangsanschluß und einem mit dem Ausgangsanschluß des in tegrierenden Verstärkers gekoppelten Ausgangsanschluß; und
einen Rückkopplungskondensator, der zwischen den Aus gangsanschluß und den invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers gekoppelt ist.

3. Modulator nach Anspruch 1, wobei der Rückkopplungssignal- Generator folgendes umfaßt:
einen Analog-Digital-Wandler (ADC), der mit dem Ausgangs anschluß des integrierenden Verstärkers gekoppelt ist; und
einen Digital-Analog-Wandler (DAC), der zwischen den ADC und die zweite Schalterstellung des zweiten SPDT-Schal ters gekoppelt ist.

4. Modulator nach Anspruch 3, wobei:
der ADC ein Ein-Bit-ADC ist und
der DAC ein Ein-Bit-DAC ist.

5. Modulator nach Anspruch 3, wobei der ADC folgendes um faßt:
einen Nulldurchgangsdetektor, der mit dem Ausgangsan schluß des integrierenden Verstärkers gekoppelt ist; und
ein Flip-Flop, das mit dem Nulldurchgangsdetektor gekop pelt ist.

6. Modulator nach Anspruch 3, wobei der DAC einen gesteuer ten einpoligen Umschalter mit einem mit der zweiten Schalterstellung des zweiten SPDT-Schalters gekoppelten Pol, einer mit einer Quelle für eine positive Rückkopp lungsbezugsspannung gekoppelten ersten Schalterstellung, einer mit der Erdung gekoppelten zweiten Schalterstellung und einem mit dem ADC gekoppelten Steuereingangsanschluß umfaßt.

7. Delta-Sigma-Modulator, welcher folgendes umfaßt:
einen Differentialintegrator, der folgendes umfaßt:
einen integrierenden Differentialverstärker mit einem invertierenden Eingangsanschluß, einem nicht- invertierenden Eingangsanschluß und einem Ausgangsan schluß;
einen ersten und einen zweiten Eingangskondensator;
einen ersten einpoligen Umschalter (SPDT) mit einem mit einer ersten Elektrode des ersten Eingangskondensa tors gekoppelten Pol, einer mit einer Quelle für ein nicht-invertiertes Eingangssignal gekoppelten ersten Schalterstellung und einer mit einer Quelle für ein in vertiertes Eingangssignal gekoppelten zweiten Schalter stellung;
einen zweiten SPDT-Schalter mit einem mit einer er sten Elektrode des zweiten Eingangskondensators gekoppel ten Pol, einer mit der Quelle für das invertierte Ein gangssignal gekoppelten ersten Schalterstellung und einer mit der Quelle für das nicht-invertierte Eingangssignal gekoppelten zweiten Schalterstellung;
einen dritten SPDT-Schalter mit einem mit einer zwei ten Elektrode des ersten Eingangskondensators gekoppelten Pol, einer mit dem nicht-invertierenden Eingangsanschluß des integrierenden Verstärkers gekoppelten ersten Schal terstellung und einer zweiten Schalterstellung; und
einen vierten SPDT-Schalter mit einem mit einer zwei ten Elektrode des zweiten Eingangskondensators gekoppel ten Pol, einer mit dem invertierenden Eingangsanschluß des integrierenden Verstärkers gekoppelten ersten Schal terstellung und einer zweiten Schalterstellung; und
einen Rückkopplungssignal-Generator mit einem mit dem Ausgangsanschluß des integrierenden Verstärkers gekoppel ten Eingangsanschluß, einem direkt mit der zweiten Schal terstellung des dritten Schalters gekoppelten nicht-in vertierenden Ausgangsanschluß und einem direkt mit der zweiten Schalterstellung des vierten Schalters gekoppel ten invertierenden Ausgangsanschluß.

8. Delta-Sigma-Modulator nach Anspruch 7, wobei der inte grierende Differentialverstärker folgendes umfaßt:
einen Differential-Operationsverstärker mit einem nicht- invertierenden Eingangsanschluß, einem invertierenden Eingangsanschluß, einem nicht-invertierenden Ausgangsan schluß und einem invertierenden Ausgangsanschluß;
einen ersten Rückkopplungskondensator, der zwischen den invertierenden Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers und den nicht-invertierenden Eingangsanschluß des Opera tionsverstärkers gekoppelt ist; und
einen zweiten Rückkopplungskondensator, der zwischen den nicht-invertierenden Ausgangsanschluß des Operationsver stärkers und den invertierenden Eingangsanschluß des Ope rationsverstärkers gekoppelt ist.

9. Delta-Sigma-Modulator nach Anspruch 7, wobei der Rück kopplungssignal-Generator folgendes umfaßt:
einen Analog-Digital-Wandler (ADC), der mit dem Ausgangs anschluß des integrierenden Verstärkers gekoppelt ist; und
eine Digital-Analog-Wandler-(DAC)-Schaltung, die zwischen den ADC und den Differentialeingangsanschluß des inte grierenden Verstärkers gekoppelt ist.

10. Delta-Sigma-Modulator nach Anspruch 9, wobei der ADC fol gendes umfaßt:
einen Nulldurchgangsdetektor mit einem mit dem Ausgangs anschluß des integrierenden Verstärkers gekoppelten Ein gangsanschluß; und
ein Flip-Flop, das mit dem Nulldurchgangsdetektor gekop pelt ist.

11. Delta-Sigma-Modulator nach Anspruch 10, wobei:
der Nulldurchgangsdetektor einen nicht-invertierenden Ausgangsanschluß und einen invertierenden Ausgangsan schluß aufweist; und
das Flip-Flop ein Setz-Rücksetz-Flip-Flop ist, mit einem Setzeingangsanschluß, der mit einem nicht-invertierenden Ausgangsanschluß des Nulldurchgangsdetektors gekoppelt ist, einem Rücksetzeingangsanschluß, der mit einem inver tierenden Ausgangsanschluß des Nulldurchgangsdetektors gekoppelt ist, einem Q-Ausgangsanschluß, der einen nicht- invertierenden Ausgangsanschluß des ADC bildet, und einem Q-Ausgangsanschluß, der einen invertierenden Ausgangsan schluß des ADC bildet.

12. Delta-Sigma-Modulator nach Anspruch 11, wobei die DAC- Schaltung folgendes umfaßt:
einen ersten DAC, der zwischen den Q-Ausgangsanschluß des Flip-Flops und die zweite Schalterstellung des vierten SPDT-Schalters gekoppelt ist; und
einen zweiten DAC, der zwischen den Q-Ausgangsanschluß des Flip-Flops und die zweite Schalterstellung des drit ten SPDT-Schalters gekoppelt ist.

13. Delta-Sigma-Modulator nach Anspruch 9, wobei die DAC- Schaltung folgendes umfaßt:
einen ersten DAC, der zwischen einen invertierenden Aus gangsanschluß des ADC und die zweite Schalterstellung des dritten SPDT-Schalters gekoppelt ist; und
einen zweiten DAC, der zwischen einen nicht- invertierenden Ausgangsanschluß des ADC und die zweite Schalterstellung des vierten SPDT-Schalters gekoppelt ist.

14. Delta-Sigma-Modulator nach Anspruch 13, wobei:
der erste DAC einen fünften gesteuerten einpoligen Um schalter (SPDT) mit einem mit der zweiten Schalterstel lung des dritten SPDT-Schalters gekoppelten Pol, einer mit einer Quelle für ein positives Rückkopplungsbezugspo tential gekoppelten ersten Schalterstellung, einer mit der Erdung gekoppelten zweiten Schalterstellung und einem mit dem ADC gekoppelten Steuereingangsanschluß umfaßt;
der zweite DAC einen sechsten gesteuerten SPDT-Schalter mit einem mit der zweiten Schalterstellung des vierten SPDT-Schalters gekoppelten Pol, einer mit der Quelle für das positive Rückkopplungsbezugspotential gekoppelten er sten Schalterstellung, einer mit der Erdung gekoppelten zweiten Schalterstellung und einem mit dem ADC gekoppel ten Steuereingangsanschluß umfaßt.

15. Delta-Sigma-Modulator nach Anspruch 7, welcher ferner ei nen zweiten Differentialintegrator umfaßt, der zwischen den ersten erwähnten Differentialintegrator und den Rück kopplungssignal-Generator gekoppelt ist, wobei der zweite Differentialintegrator folgendes umfaßt:
einen zweiten integrierenden Differentialverstärker mit einem invertierenden Eingangsanschluß, einem nicht- invertierenden Eingangsanschluß und einem Ausgangsan schluß;
einen ersten und einen zweiten Kopplungskondensator;
einen fünften SPDT-Schalter mit einem mit einer ersten Elektrode des ersten Kopplungskondensators gekoppelten Pol, einer mit einem invertierenden Ausgangsanschluß des ersten erwähnten Differentialintegrators gekoppelten er sten Schalterstellung und einer mit der Erdung gekoppel ten zweiten Schalterstellung;
einen sechsten SPDT-Schalter mit einem mit einer ersten Elektrode des zweiten Kopplungskondensators gekoppelten Pol, einer mit dem nicht-invertierenden Ausgangsanschluß des ersten erwähnten Differentialintegrators gekoppelten ersten Schalterstellung und einer mit der Erdung gekop pelten zweiten Schalterstellung;
einen siebten SPDT-Schalter mit einem mit einer zweiten Elektrode des ersten Kopplungskondensators gekoppelten Pol, einer mit einem nicht-invertierenden Eingangsan schluß des zweiten Differentialintegrators gekoppelten ersten Schalterstellung und einer mit dem invertierenden Ausgangsanschluß des Rückkopplungssignal-Generators ge koppelten zweiten Schalterstellung; und
einen achten SPDT-Schalter mit einem mit einer zweiten Elektrode des zweiten Kopplungskondensators gekoppelten Pol, einer mit dem invertierenden Eingangsanschluß des zweiten Differentialintegrators gekoppelten ersten Schal terstellung und einer mit dem nicht-invertierenden Aus gangsanschluß des Rückkopplungssignal-Generators gekop pelten zweiten Schalterstellung.

16. Delta-Sigma-Modulator nach Anspruch 15, wobei der zweite integrierende Differentialverstärker folgendes umfaßt:
einen Operationsverstärker mit einem Differentialein gangsanschluß und einem Differentialausgangsanschluß;
einen ersten Rückkopplungskondensator, der zwischen den invertierenden Ausgangsanschluß und den nicht-invertie renden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers gekop pelt ist; und
einen zweiten Rückkopplungskondensator, der zwischen den nicht-invertierenden Ausgangsanschluß und den invertie renden Anschluß des Differentialeingangsanschlusses des Operationsverstärkers gekoppelt ist.