DE20116222U1

DE20116222U1 - Analog/Digital-Wandler

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Publication number: DE20116222U1
Application number: DE20116222U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-10-02
Filing date: 2001-10-02
Publication date: 2002-01-03
Anticipated expiration: 2011-10-03

Description

Beschreibung

Analog-/Digital-Wandler

Nach dem Stand der Technik sind Analog/Digitai-Wandler (A/D-Wandler) seit langem bekannt. Sie wandeln ein analoges Eingangssignal in Form einer Eingangsspannung in ein in der Regel binäres Ausgangssignal um. Dabei folgt der digitale Ausgangswert in der Regel linear der Eingangsspannung.

Seit einigen Jahren sind sog. Delta-Sigma A/D-Wandler bekannt, die durch Überabtastung des Eingangssignals unter Zuhilfenahme von Integratoren, Komperatoren und digitalen Filtern das Eingangssignal in ein digitales Ausgangssignal umsetzen. Beschreibungen zum Prinzip und verschiedenen Realisierungen finden sich in:

Delta-Sigma Data Converters : Theory, Design, and Simulation von Steven R. Norsworthy, u. a. ISBN: 0780310454 (1996)

Vorteil der Delta-Sigma A/D-Wandler ist die relative Unempfindlichkeit gegen gewisse Unzulänglichkeiten und Toleranzen des analogen Teils.

Nach dem Stand der Technik benötigen Delta-Sigma A/D-Wandler mindestens einen aktiven elektronischen Integrator, einen Schwellendetektor und eine Referenzspannungsquelle. Diese Schaltungsteile nehmen auf einem Chip oder aber als diskrete Bauteile erhebliche Siliziumflächen in Anspruch und sind nicht einfach mit jeder neuen Chip-Technologie-Generation verkleinerbar wie es mit digitalen Schaltungen der Fall ist.

Die vorliegende Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, den analogen Teil eines Delta-Sigma A/D-Wandlers auf ein absolutes Minimum zu beschränken und damit rein digitale Chips mit einem A/D-Wandler ausrüsten zu können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das analoge Frontend aus einem Eingangswiderstand [1], einem Rückkopplungswiderstand [2] einer Integrator-Kapazität [3] und einem Flip-Flop [4] besteht (Fig. 1).

Hierbei vereint das Flip-Flop (FF) die Funktion eines SchwelIwert-Komperators mit der Abtastfunktion. Bereits durch die Verstärkung der auf integrierten Schaltungen vorhandenen Eingangsbuffer wird für ein übliches integriertes FF die Wahrscheinlichkeit metastabiler Zustände auf ein geringes Maß verringert.

Die Schaltung funktioniert derart, dass durch die Abtastung und die Gegenkopplung durch den Rückkopplungswiderstand [2] dafür gesorgt wird, dass die Spannung an der Integrator-Kapazität [3] im wesentlichen konstant bleibt. Nur minimale Änderungen führen zu einem Umschalten des FF. Am Ausgang entsteht eine Folge von Nullen und Einsen, die eine digitale Abbildung der Eingangsspannung darstellt. Diese Folge kann durch entsprechende rein digitale Schaltungen in Binärworte umgesetzt werden.

Um die Wandlung auch geringer Eingangsspannungen zu ermöglichen, sollte der Spannungshub am Eingang des FF in der Größenordnung der aufbaubedingten Störspannungen und des Eingangsrauschens verbleiben. Unter aufbaubedingten Störspannungen sind insbesondere Signaleinstreuungen von benachbarten Schaltungen und Störspannungen auf den Versorgungsleitungen des FFs zu verstehen.

Da bei der erfindungsgemäßen Schaltung die Versorgungsspannung als Referenz-Spannung genutzt wird, ist die Qualität, d.h. Auflösung des Wandlers direkt abhängig von der Versorgungsspannung. Auf eine entsprechende Stabilisierung und Siebmittel für Störspannungen ist zu achten.

Nach Anspuch 2. besteht beim erfindungsgemäßen A/D-Wandler der digitale Teil aus mindestens einem Dezimator und mindestens einem digitalen Filter. Der Vorteil der Erfindung ergibt sich hier daraus, dass für die digitalen Teile des Wandlers keine neuen aufwendigen Digitalschaltungen entwickelt werden müssen. Vielmehr können hier die bereits bekannten digitalen Dezimatoren und Filter verwendet werden.

Nach Anspruch 3. Ergeben sich besondere Vorteile, wenn bis auf den Eingangswiderstand [1], den Rückkopplungswiderstand [2] und die Integrator-Kapazität [3] alle Komponenten in einem digitalen Halbleiterchip integriert sind. Die externen Komponenten haben nur minimale Größe. Alle anderen Schaltungsteile lassen sich in einem rein digitalen Chip integrieren. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass mit jeder neuen Technologie-Generation der auf dem Chip zu integrierende Digitalteil verkleinert werden kann. Schwierig zu integrierende analoge Teile werden gar nicht benötigt.

Nach Anspruch 4. wird durch externe Buffer, deren Betriebsspannung getrennt von dem die digitalen Filter beinhaltenden Halbleiterchip stabilisiert wird, eine Entkopplung zwischen Halbleiterchip und analogem Frontend eintreten. Sollte die Stabilisierung und Entstörung der Betriebsspannung für die angestrebte Genauigkeit des A/D-Wandlers nur schwierig zu erreichen sein, so können digitale Signalbuffer in den Rückkopplungspfad und vor den D-Eingang des FF eingefügt werden. Deren Betriebsspannung ist durch entsprechende Siebmittel und Spannungsstabilisierungen von Störquellen zu trennen.

Nach Anspruch 5. wird durch speziell für das analoge Frontend aus dem Halbleiterchip herausgeführte Versorgungsspannungsleitungen eine Entkopplung zwischen digitalen und analogen Schaltungsteilen eintreten. Hierbei ist das gleiche Ziel wie in Anspruch 4. angestrebt. Es werden jedoch Buffer auf dem Chip verwendet, deren Betriebsspannung vom Rest des Chips getrennt angeschlossen werden kann. Auch durch diese Maßnahme kann eine Entstörung der Versorgungsspannung für die Buffer realisiert werden.

Nach Anspruch 6. Kann der Analog-/Dgital-Wandler so realisiert werden, dass die über den Rückkopplungswiderstand [2] zurückgeführte Ausgangsspannung des Flip-

Flops [4] frequenzmäßig deutlich unter der Abtastfrequenz dieses Flip-Flops liegt. Dieses tritt immer dann ein, wenn der aus Rückkopplungswiderstand [2] und Integrator-Kapazität [3] zusammengestzte Tiefpass derart dimensioniert ist, dass eine Änderung der Ausgangsspannung des FFs nicht inerhalb eines Taktes auf die Eingangsspannung rückwirkt. Das gleiche Verhalten wird auch durch minimale interne Mitkopplungen im Signalpfad erreicht. Dies führen zu einer geringen Hysterese des Eingangspfads des FFs. Die Anordnung ist dadurch von Vorteil, da die Auflösung der Rückkopplungsspannung im wesentlichen von der Abtastfrequenz abhängt. Eine sehr hohe Frequenz der aus dem FF kommenden Rückkopplungsspannung ist jedoch u.a. wegen der elektromagnetischen Verträglichkeit eher unerwünscht. Die Abtastfrequenz kann jedoch rein intern auf dem Chip erzeugt werden, so dass eine Abstrahlung dieser Frequenz weitestgehend entfällt. So können mit heutigen Technologien z.B. Rückkopplungsspannungen von einigen MHz bei Abtastfrequenzen von bis zu einem GigaHz erreicht werden.

Nach Anspruch 7. kann die Abtastfrequenz für das Flip-Flop [4] einem nicht frequenzstabilisierten Oscillator entnommen werden. Hohe, nicht frequenzstabilisierte Frequenzen, im oberen Megahertz oder Gigahertz-Bereich lassen sich mit sog. Ringoscillatoren auf einem Chip leicht erzeugen. Diese sind in ihrer Frequenz jedoch von der Versorgungsspannung, der Temperatur und von Fertigungstoleranzen abhängig. Trotzdem können sie als Abtastfrequenz für das Flip-Flop [4] dienen. Für die Einhaltung der gewünschten Qualität des A/D-Wandlers ist nur darauf zu achten, dass eine Mindestfrequenz eingehalten wird. Höhere Abtastfrequenzen verbessern die Eigenschaften des A/D-Wandlers nur. Soll die Ausgangsdatenrate eine feste Frequenz haben, so kann die Datenrate im Digitalteil innerhalb eines Dezimators oder eines digitalen Filters auf eine konstante Frequenz umgesetzt werden.

Claims

1. Analog-/Digital-Wandler dadurch gekennzeichnet, dass das analoge Frontend aus einem Eingangswiderstand [1], einem Rückkopplungswiderstand [2] einer Integrator-Kapazität [3] und einem Flip-Flop [4] besteht.

2. Analog-/Digital-Wandler nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass der digitale Teil aus mindestens einem Dezimator und mindestens einem digitalen Filter besteht.

3. Analog-/Digital-Wandler nach Anspruch 1. und 2. dadurch gekennzeichnet, dass bis auf den Eingangswiderstand [1], den Rückkopplungswiderstand [2] und die Integrator-Kapazität [3] alle Komponenten in einem digitalen Halbleiterchip integriert sind.

4. Analog-/Digital-Wandler nach Anspruch 1. und 2. dadurch gekennzeichnet, dass durch externe Buffer, deren Betriebsspannung getrennt von dem die digitalen Filter beinhaltenden Halbleiterchip stabilisiert wird, eine Entkopplung zwischen Halbleiterchip und analogem Frontend eintritt.

5. Analog-/Digital-Wandler nach Anspruch 1., 2. und 3. dadurch gekennzeichnet, dass durch speziell für das analoge Frontend aus dem Halbleiterchip herausgeführte Versorgungsspannungsleitungen eine Entkopplung zwischen digitalen und analogen Schaltungsteilen eintritt.

6. Analog-/Dgital-Wandler nach Anspruch 1. und 2. dadurch gekennzeichnet, dass die über den Rückkopplungswiderstand [2] zurückgeführte Ausgangsspannung des Flip-Flops [4] frequenzmäßig deutlich unter der Abtastfrequenz dieses Flip-Flops liegt.

7. Analog-/Dgital-Wandler nach Anspruch 1. und 2. dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastfrequenz für das Flip-Flop [4] einem nicht frequenzstabilisierten Oscillator entnommen wird.