DE4311724A1 - Rauscharmer Delta-Sigma-Modulator für Analog/Digital-Wandler - Google Patents
Rauscharmer Delta-Sigma-Modulator für Analog/Digital-WandlerInfo
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Description
Diese Erfindung betrifft allgemeine Analog/Digital-Wandler und inbesondere das
thermische Rauschverhalten eines Delta-Sigma-Modulators in einem Analog/Digi
tal-Wandler.
Das Rauschverhalten eines Analog/Digital-Wandlers wird zum Teil durch das
Rauschverhalten des Analogmodulators bestimmt. Im Falle eines Delta-Sigma-Mo
dulators kann dieses Rauschen zweierlei Art sein, nämlich das Quantisierungs
rauchen und das thermische Rauschen, das eine Funktion der Architektur, der Filte
rung, usw. des Modulators ist. Dies drückt sich besonders in den Rauschunter
schieden zwischen Multi-Bit- und Einzel-Bit-Wandlern aus. Multi-Bit-Delta-Sigma-
Modulatoren bieten aufgrund ihrer Fähigkeit, die Auflösung im DAC-Teil des Mo
dulators zu erhöhen, einige Vorteile im Quantisierungsrauschverhalten. Das Hinzu
fügen eines zusätzlichen Auflösungsbits im Rückkopplungs-DAC reduziert das
Quantisierungsrauschen um 6 dB. Delta-Sigma-Modulatoren sind oft auf minimales
Quantisierungsrauschen innerhalb eines interessierenden Frequenzbandes ausgelegt.
Diese Minimierung sieht vor, daß ein nachfolgender Digitalfilterbereich das Quanti
sierungsrauschen außerhalb des interessierenden Frequenzbandes entfernt.
Die Ordnung eines Delta-Sigma-Modulators legt den Betrag des Quantisierungsrau
schens fest, das in einem interessierenden Frequenzband auftritt. Ein Modulator der
Ordnung L verbessert das Signal/Rausch-Verhältnis um (6L+3) dB bei jeder Ver
dopplung der Abtastfrequenz. Aus diesem Grunde liegt es auf der Hand, daß die Er
höhung der Modulatorordnung ein effektiveres Verfahren zur Verbesserung des Dy
namikbereichs eines Delta-Sigma-Modulators ist, als es die Auflösungserhöhung sei
nes DAC-Bereichs ist.
Eine inhärente Begrenzung beim Einsatz von Multi-Bit-Delta-Sigma-Modulatoren
besteht in der Notwendigkeit, das nichtideale Verhalten in einem DAC mit mehr als
zwei Ausgangspegeln zu korrigieren. Die Korrektur dieses nichtidealen Verhaltens
ist in Catalepe et. al., "Digitally Corrected Multi-Bit Sigma-Delta Data Converters" IE-
EE Proceedings IsCAS ′89, Mai 1989, und Carley, "A Noise-Shaping Coder Topology
for 15+ Bit Converters", IEEE J. Solid-State Circuits, SC-24, April 1989 diskutiert.
Die primären Probleme, die von Entwicklern auf dem Gebiet der Delta-Sigma Ana
log/Digital-Wandler angesprochen werden, umfassen die Reduzierung des In-Band-
Quantisierungsrauschens und die Herstellung eines stabilen Modulators. Zum größ
ten Teil weisen praktisch ausgeführte Delta-Sigma-Modulatoren relativ wenig Quan
tisierungsrauschen in ihrem interessierenden Frequenzband auf, da ihr Rauschen
durch thermische Rauschquellen am Wandlereingang bestimmt wird, der normaler
weise einen Integrator mit geschaltetem Kondensator aufweist. Die Rauschgrenzen
der Integratoren mit geschalteten Kondensatoren sind in Hauser, M. W. und Broder
sen, R. W., "Circuit and Technology Considerations for MOS Delta-Sigma A/D Con
verters" IEEE Proceedings ISCAS ′86, Mai 1986, Seiten 1310-1315 diskutiert.
Bei konventionellen Delta-Sigma-Wandlern mit einem 2-Pegel-Ausgang besteht der
Rückkopplungs-DAC aus einem Kondensator C1 und geeigneten Schaltern. Der dem
optimalen quadratischen Mittelwertstrom des Wandlers entsprechende Eingangs
rauschstrom ist gegeben durch:
Zu beachten ist, daß i2 EQ linear mit dem Wert von C1 ansteigt. Hier ist die Modu
latorabtastfrequenz, fB die interessierende Bandbreite, k die Boltzmannkonstante
und T die absolute Temperatur.
Ein Typ eines Multi-Pegel-Delta-Sigma-Modulators mit einem 3-Pegel-DAC ist in
Paulos, "Improved Signal-to-Noise Ratio Using Tri-level Modulation", IEEE Proc.
ISCAS ′87, Mai 1987, Seiten 463-466 beschrieben. Bei diesem Strukturtyp ist ein
"nichts tun"-Zustand vorgesehen, so daß während eines großen Prozentsatzes der
Abtastperioden keine Ladung an den Eingangsknoten geliefert wird. Der "nichts
tun"-Zustand ergibt sowohl ein geringeres Quantisierungsrauschen als auch einige
Vorteile beim thermischen Rauschen. Der Grund dafür liegt darin, daß Rauschen nur
dann dem Modulator zusätzlich zugeführt wird, wenn C1 geschaltet wird. Wenn der
Term β die Wahrscheinlichkeit des Auftretens des "nichts tun"-Zustands beschreibt, dann ist der äquivalente Eingangsrauschstrom gegeben durch:
Daher liegt es auf der Hand, daß das 3-Pegel-System den effektiven Wert des Kon
densator C1 für einige Zeit (im Vergleich zu einem 2-Pegel-System) reduziert.
Das kTC1-Rauschen ist die vorherrschende thermische Rauschquelle in einem richtig
ausgelegten Delta-Sigma-Wandler. Es sollte jedoch klar sein, daß es auch zahlreiche
andere thermische Rauschquellen gibt, die die Leistung von Delta-Sigma-Modula
toren hoher Ordnung beeinflussen können.
Sobald die Filterparameter des Delta-Sigma-Modulator festgelegt sind, werden die
Referenzspannungswerte für den Quantisierer in dem 3-Pegel-System gewählt, um
das In-Band-Quantisierungsrauschen zu optimieren. Das bietet zwar einen Vorteil
beim Rauschen, spricht aber nicht direkt die thermischen Rauschprobleme an, die
dazu tendieren, die Rauschbetrachtungen in Delta-Sigma-Modulatoren hoher Ord
nung zu dominieren. Deshalb besteht eine Notwendigkeit, sich mit dem thermischen
Rauschens von Multi-Pegel Delta-Sigma-Modulatoren, die Multi-Pegel-DAC′s im
Rückkopplungspfad einsetzen, zu befassen.
Die vorliegende Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Reduzierung des thermischen
Rauschens eines Delta-Sigma-Modulators. Der Delta-Sigma-Modulator umfaßt ein
Schleifenfilter, das die Differenz zwischen dem Eingangssignal und einem
Rückkopplungs-DAC-Signal verarbeitet, um eine gefilterte Spannung zu erzeugen.
Das Ausgangssignal des Schleifenfilters ist das Eingangssignal zu einem m-Pegel-
Quantisierer mit m-1 Quantisier-Schwellenspannungen. Das Ausgangssignal des
Quantisierers ist das Eingangssignal zu einem Digitalfilter, um das gefilterte Aus
gangssignal des Analog/Digital-Wandlers zu erzeugen. Das Ausgangssignal des
Quantisieres ist ebenfalls das Eingangssignal für einen m-Pegel-DAC, der das
Rückkopplungs-DAC-Signal erzeugt. Der gesamte Delta-Sigma-Modulator weist ein
Signal/Rausch-Verhältnis auf, das ein Funktion der Quantisier-Schwellenspan
nungen ist. Die thermischen Rauscheigenschaften des Delta-Sigma-Modulators wer
den durch die Auswahl der Werte für die Quantisier-Schwellenspannungen opti
miert, was ein optimales Signal/Rausch-Verhältnis für das thermische Rauschen er
gibt. Diese Spannungen werden an die Schwellenspannungseingänge des m-Pegel-
Quantisierers angelegt.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Wert von m gleich
3, und der Quantisierer besteht aus zwei Komparatoren, von denen jeder einen ge
meinsamen Eingang aufweist, der mit dem Ausgang des Schleifenfilters verbunden
ist, und deren anderen Eingänge mit ersten bzw. zweiten Quantisier-Schwellenspan
nungen verbunden sind. Die Komparatoren liefern ein digitales Zwei-Bit-Ausgangs
signal, das drei Zustände aufweist, nämlich einen ersten Zustand, wenn die gefilterte
Spannung größer als die erste Schwellenspannung ist, einen zweiten Zustand, wenn
die gefilterte Spannung kleiner als die zweite Schwellenspannung ist, und einen drit
ten Zustand, wenn die gefilterte Spannung zwischen der ersten und der zweiten
Schwellenspannung liegt. Der m-Pegel-DAC besteht aus einem 3-Pegel-DAC, der
drei Zustände aufweist, einen positiven Ladezustand, einen negativen Ladezustand
und einen "nichts tun"-Zustand, bei dem dem Schleifenfilter keine Ladung zugeführt
wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Delta-Sigma-
Modulator ein Signal/Quantisierungsrauschen-Verhältnis auf, das eine Funktion der
Quantisier-Schwellenspannungen ist. Das Signal/Quantisierungsrauschen-Verhält
nis weist für mindestens einen Wert der Quantisier-Schwellenspannungen einen op
timalen Wert auf, wobei das Optimum des Signal/Rausch-Verhältnisses für das ther
mische Rauschen bei einem unterschiedlichen Wert der Quantisier-Schwellenspan
nung auftritt.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das
Signal/Rausch-Verhältnis des Delta-Sigma-Modulator durch die Auswahl der Quan
tisier-Schwellenspannung bestimmt, wobei im wesentlichen die Antwortfunktion
des Signal/Rausch-Verhältnisse des thermischen Rauschens maximiert wird.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnun
gen detailliert beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Analog/Digital-Wandlers, der ei
nen m-Pegel-DAC mit einem m-Pegel-Ausgangssignal ent
hält;
Fig. 2 ein Blockschaltbild eines 3-Bit-Delta-Sigma-Modulators;
Fig. 3 ein detailliertes Blockschaltbild eines 3-Pegel-Delta-Sigma-
Modulators mit einer Architektur fünfter Ordnung.
Fig. 4 die Antwortfunktion des Signal/Quantisierungsrauschens
und die Antwortfunktion des Signal/Rausch-Verhältnis
des thermischen Rauschens als Funktionen der Quantisier-
Schwellenspannung;
Fig. 5 die Antwortfunktion des thermischen Rauschens eines
Delta-Sigma-Modulators, bei dem die Schwellenspan
nungen für minimales thermisches Rauschen optimiert
sind; und
Fig. 6 die nicht optimierte Antwortfunktion eines Delta-Sigma-
Modulators.
In Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines Analog/Digital-Wandlers dargestellt, der ei
nen m-Pegel-Delta-Sigma-Modulator enthält. Der Delta-Sigma-Modulator besteht
aus einer Eingangsintegrationsstufe 10 mit einem positiven und einem negativen
Eingangsanschluß, wobei der positive Eingangsanschluß mit Masse, und der negati
ve Eingangsanschluß mit einem Summenknoten 12 verbunden ist. Ein Rückkop
plungskondensator 14 ist zwischen dem Eingangsknoten und dem Ausgang des In
tegrators 10 angeschlossen. Eine Stromquelle 16 liefert das Eingangssignal für den
Analog/Digital-Wandler. Es sollte jedoch auf der Hand liegen, daß auch ein Span
nungs-Eingangssignal mit einem zusätzlichen, geschalteten Eingangskondensator
benutzt werden könnte. Der Ausgang des Integrators 10 ist mit dem Eingang einer
Rauschunterdrückungsschaltung 18 verbunden, die typischerweise aus mehreren In
tegratoren besteht, wie später noch beschrieben wird. Die Rauschunterdrückungs
schaltung 18 besitzt die Übertragungsfunktion H′(z). Der Ausgang der Rauschunter
drückungsschaltung 18 ist mit einem Eingang eines eingebetteten Analog/Digital-
Wandlers (ADC) 20 mit m-1 Ausgangspegeln verbunden. Das Ausgangssignal des
eingebetteten Analog/Digital-Wandlers ist ein m-Pegel-Ausgangssignal, das in ein
Digitalfilter 22 eingegeben wird, um das Quantisierungsrauschen außerhalb des Ban
des herauszufiltern. Das ergibt ein digitales Ausgangssignal. Typischerweise ist das
Digitalfilter 22 ein Filter mit begrenzter Impulsantwort (Finite Impuls Response), ein
sog. FIR-Filter.
Der Ausgang des eingebetteten ADC 20 ist ebenfalls mit dem Steuereingang eines m-
Pegel-Digital/Analog-Wandlers (DAC) 24 verbunden. Der m-Pegel-DAC 24 erzeugt
drei Pegel, +1,0, -1, wobei der "0"-Pegel einen "nichts tun"-Pegel darstellt. Dem m-
Pegel-DAC 24 sind mehrere Ausgangsspannungen zugeordnet, um verschiedene
Rückkopplungspegel und ein "nichts tun"-Ausgangssignal zu definieren.
In Fig. 2 ist ein genaueres Blockschaltbild des Delta-Sigma-Modulators von Fig. 1
dargestellt, das einen Zwei-Bit-Ausgang, der drei Zustände erzeugt, darstellt. Der
eingebettete ADC 20 besteht aus zwei Komparatoren, aus einem Komparator 26 und
einem Komparator 28. Der Komparator 26 hat seinen positiven Eingang mit einer po
sitiven Schwellenspannung V1 verbunden und seinen negativen Eingang mit dem
Ausgang der Rauschunterdrückungsschaltung 18 verbunden. Der Komparator 28
hat seinen positiven Eingang mit dem Ausgang der Rauschunterdrückungsschaltung
18 verbunden und seinen negativen Eingang mit einer Schwellenspannung V2 ver
bunden. Die Ausgänge der zwei Komparatoren 26 und 28 liefern die Zwei-Bit-Aus
gangssignale, die in das Digitalfilter 22 und auch in den DAC 24 eingegeben werden.
Demzufolge ist dann, wenn die Spannung VA am Ausgang der Rauschunter
drückungsschaltung 18 kleiner als V1 und größer als V2 ist, der Ausgangszustand ein
"11"-Zustand, während der Ausgangszustand ein "01"-Zustand ist, wenn VA größer
als V1 ist, und der Ausgangszustand ein "10"-Zustand ist, wenn VA kleiner als V2 ist.
Das ergibt drei unabhängige Zustände. Der "nichts tun"-Zustand ist jedoch der erste
Zustand, wobei das Ausgangssignal "11" ist.
Der DAC 24 besteht aus einem geschalteten Kondensator 30, der einen seiner An
schlüsse mit dem Schaltarm eines Schalters 32 verbunden hat, wobei der Schalter 32
eine Verbindung zwischen Masse und dem Eingangsknoten 12 herstellen kann. Die
andere Platte des Kondensators 30 ist mit dem Schaltarm eines Schalters 34 verbun
den, wobei der Schalter 34 in der Lage ist, zwischen den Referenzspannungen -VR
und +VR umzuschalten. Die Schalter werden so gesteuert, daß der "nichts tun"-Zu
stand immer dann besteht, wenn der Schalter 32 für eine volle Abtastperiode auf
Masse liegt. Der "+1"-Zustand besteht immer dann, wenn der Kondensator 30 über
den Schalter 34 geladen wird, der so geschaltet ist, daß er in Kontakt mit der Refe
renzspannung -VR und dem Schalter steht, welcher in einer ersten Phase der Abtast
periode auf Masse liegt. Dann werden beide Schalter 32 und 34 in einer zweiten Pha
se der Abtastperiode umgeschaltet. Im "-1"-Zustand wird der Kondensator durch die
Verbindung des Schalters 32 mit Masse und des Schalters 34 mit +VR in einer ersten
Phase der Abtastperiode aufgeladen. Dann werden die Schalter 32 und 34 in einer
zweiten Phase der Abtastperiode umgeschaltet.
In Fig. 3 ist ein genaueres Blockschaltbild des Delta-Sigma-Modulators von Fig. 2
dargestellt; es zeigt das Rauschformungsfilter 18. Es ist ein Eingangssignal vorgese
hen, das in den positiven Eingang eines Summenknotens 38 eingegeben wird, dessen
Ausgangssignal in eine erste Integrationsstufe 40 eingegeben wird. Die erste Integra
tionsstufe 40 ist vergleichbar mit dem Integrator 10 in Fig. 2. Die Integrationsstufe
40 besitzt einen Verstärkungskoeffizienten von 1. Das Ausgangssignal des Integra
tors 40 wird in den positiven Eingang eines Summenknotens 42 eingegeben, dessen
Ausgang mit einer zweiten Integrationsstufe 44 verbunden ist, wobei diese zweite
Integrationsstufe 44 einen Verstärkungskoeffizienten von 1 aufweist. Der Ausgang
des Integrators 44 ist mit dem Eingang eines Integrators 46 verbunden, wobei der In
tegrator 46 einen Verstärkungskoeffizienten von 1/5 aufweist. Das Ausgangssignal
der dritten Integrationsstufe 46 wird in den positiven Eingang eines Summenknotens
48 eingegeben. Das Ausgangssignal des Summenknotens 48 wird in den Eingang ei
ner vierten Integrationsstufe 50 mit einem Verstärkungskoeffizienten von 1/5 einge
geben. Das Ausgangssignal der vierten Integrationsstufe 50 wird in den Eingang ei
ner fünften Integrationsstufe 52, mit einem Verstärkungskoeffizienten von 1/5 einge
gegeben.
Ein Rückkopplungspfad ist zwischen dem Ausgang der dritten Integrationsstufe 46
und dem negativen Eingang des Summenknotens 42 angelegt, wobei der Rückkop
plungspfad einen Rückkopplungskoeffizienten von 0,0115 aufweist und dieses in ei
nem Rückkopplungskoeffizientenblock 54 angezeigt ist. Ein Rückkopplungspfad ist
auch zwischen dem Ausgang der fünften Integrationsstufe 52 und dem negativen
Eingang des Summenknotens 48 angelegt. Dieser Rückkopplungspfad hat einen
Rückkopplungskoeffizienten von 0,020, wie es in einem Rückkopplungskoeffizien
tenblock 56 angezeigt ist. Mitkopplungkoeffizienten sind ebenso zwischen dem Aus
gang einer jeden Integrationsstufe 40, 44, 46, 50 und 52 und einem Eingang des Sum
menknotens 58 angelegt. Der Mitkopplungspfad zwischen dem Ausgang der ersten
Integrationsstufe 40 und dem Summenknoten 58 hat einen Mitkopplungskoeffizien
ten von 0,95, was durch ein Mitkopplungskoeffizientenkästchen 60 dargestellt ist.
Der Mitkopplungspfad zwischen dem Ausgang der ersten Integrationsstufe 40 und
dem Summenknoten 58 hat einen Mitkopplungskoeffizienten von 0,95, was durch
ein Mitkopplungskoeffizientenkästchen 60 dargestellt ist. Der Mitkopplungspfad
zwischen dem Ausgang der zweiten Integrationsstufe 44 und dem Summenknoten
58 hat einen Mitkopplungskoeffizienten von 0,45, was durch ein Mitkopplungskoef
fizientenkästchen 62 dargestellt ist. Das Ausgangssignal des Mitkopplungskoeffi
zienten zwischen dem Ausgang der dritten Integrationsstufe 46 und dem Summenknoten
58 hat einen Mitkopplungskoeffizienten von 0,60, was durch ein Mitkop
plungskoeffizientenkästchen 64 dargestellt ist. Der Mitkopplungspfad zwischen dem
Ausgang der vierten Integrationsstufe 50 und dem Summenknoten 58 hat einen Mit
kopplungskoeffizienten von 0,45, was durch ein Mitkopplungskoeffizientenkästchen
66 dargestellt ist. Das Ausgangssignal des fünften Mitkopplungspfades zwischen
dem Ausgang der fünften Integrationsstufe 52 und dem Summenknoten 58 hat einen
Mitkopplungskoeffizienten von 0,15, was durch ein Mitkopplungskoeffizientenkäst
chen 68 dargestellt ist.
Das Ausgangssignal des Summenknotens 58 wird in den 3-Pegel-Quantisierer einge
geben, der aus den zwei Komparatoren 26 und 28 besteht, deren Ausgänge mit ei
nem 3-Pegel-DAC 70 verbunden sind. Der 3-Pegel-DAC 70 besteht im allgemeinem
aus dem geschalteten Kondensator 30 in Fig. 2. Das Ausgangssignal des 3-Pegel-
DAC′s 70 wird in den negativen Eingang des Summenknotens 38 eingegeben.
Die Schaltung von Fig. 3 kann mit den normierten Rückkopplungspegeln "-1" und
"+1" in Verbindung mit dem dritten "nichts tun"-Pegel betrieben werden. Die gesam
te Spanne des analogen Eingangssignals des Delta-Sigma-Modulators wird dann auf
Werte zwischen "+1" und "-1" normiert. Dieses normierte Eingangssignal und die
Rückkopplungspegel werden in den nachfolgend beschriebenen Simulationen ver
wendet.
In Fig. 4 ist eine Simulation der Struktur von Fig. 3 dargestellt, die die Mitkop
plungskoeffizienten, die Rückkopplungskoeffizienten und die Verstärkungskoeffi
zienten in den Integratoren verwendet, wobei diese Simulation zwei Kurven ergibt,
nämlich eine erste Kurve 72, die das Signal/Quantisierungsrauschen-Verhältnis
(SQNR) über der Quantisier-Schwellenspannung auf der X-Achse repräsentiert, und
eine zweite Kurve 74, die das Signal/Rausch-Verhältnis des thermischen Quantisie
rungsrauschens als eine Funktion der Quantisier-Schwellenspannung repräsentiert.
Da das Quantisierungsrauschen relativ unbedeutend ist, wird es nachfolgend als das
Signal/Rausch-Verhältnis des thermischen Rauschens (STNR) bezeichnet. Die Quan
tisier-Schwellenspannung variert von einem Wert "0" bis zu einem Wert von 0,60
Volt. Man kann sehen, daß die SQNR-Kurve ihr Optimum ungefähr bei 0,30 Volt für
die Quantisier-Schwellenspannung erreicht, wobei zu beachten ist, daß die Größen
der Quantisier-Schwellenspannungen gleich für die positiven und die negativen
Quantisier-Schwellenspannungen sind, die für einem 3-Pegel-Quantisierer verwen
det werden. Im Vergleich dazu zeigt die STNR-Kurve 74 ihr optimales
Signal/Rausch-Verhältnis bei ungefähr 0,52 Volt Quantisier-Schwellenspannung.
Die Differenz im STNR zwischen der Quantisier-Schwellenspannung von 0,30 Volt
für ein optimales SQNR und dem für ein optimales STNR bei einer Quantisier-
Schwellenspannung von 0,52 Volt beträgt ungefähr 5,0 dB. Sobald man die Quanti
sier-Schwellenspannung für ein optimales SQNR wählt, beobachtet man eine Ver
schlechterung im STNR. Natürlich hängt das davon ab, was die dominante Rausch
quelle ist.
In hochauflösenden Analog/Digital-Wandlern ist das Quantisierungsrauschen rela
tiv niedrig. Die mit einem Anwachsen um 5,0 dB realisierte Verbesserung im STNR
ist eine signifikante Verbesserung bei diesem Typ von Analog/Digital-Wandlern.
Wenn die Quantisier-Schwellenspannung für das thermische Rauschen optimiert
wird, dann ist die Verschlechterung im SQNR ungefähr 8 dB. Die Verschlechterung
im SQNR von 8 dB ist jedoch nicht bemerkbar, solange der absolute Quantisierungs
rauschpegel gut unterhalb dem des absoluten thermischen Rauschpegels liegt. Dem
zufolge wird eine signifikante Verbesserung im Rauschverhalten hochauflösender
Analog/Digital-Wandler erzielt, wenn die Quantisier-Schwellenspannung für das
thermische Rauschen, anstatt für das Quantisierungsrauschen, optimiert wird. Beim
stand der Technik hat man nur an die Optimierung des Quantisierungsrauschens
und nicht an die Optimierung des thermischen Rauschens gedacht. Wenn demzufol
ge das optimale Rauschverhalten als Funktion der Quantisier-Schwellenspannung
bezogen auf das thermische Rauschen eine andere Quantisier-Schwellenspannung
als die im Vergleich zur Optimierung des Quantisierungsrauschen favorisiert, dann
kann die Quantisier-Schwellenspannung an einem anderem Punkt, als dem, der
nach dem Stand der Technik erwartet wird, optimiert werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Optimierungsverfahren besteht der erste Schritt darin,
die Rauschantwort des Delta-Sigma-Modulators bezogen auf das thermische Rau
schen zu optimieren. Die STNR-Kurve 74 wird typischerweise ihr Maximum bei ei
ner relativ hohen Quantisier-Schwellenspannung im Vergleich zum Maximum der
SQNR-Kurve aufweisen. Nach den STNR-Maximas wird der Delta-Sigma-Modulator
jedoch in einen instabilen Zustand übergehen. Bei der in Fig. 1 mit 74 bezeichneten
Kurve beginnt dieser instabile Bereich etwa bei 0,60 bis 0,61. Eine Quantisier-Schwel
lenspannung von 0,50 bis 0,54 ergibt das relative Optimum im thermischen Rausch
verhalten. Die Erzeugung der simulierten Antwortfunktion der in Fig. 4 dargestell
ten Kurve für die Struktur von Fig. 3 läßt sich mittels eines relativ einfachen Pro
gramms durchführen, wobei ein Fachmann mit den Mitkopplungskoeffizienten, den
Rückkopplungskoeffizienten und den Integrator-Verstärkungskoeffizienten die ther
mische Rauschantwort eines jeden Delta-Sigma-Modulators unter Hinzufügen der
thermischen Rauschquellen leicht simulieren kann.
Obwohl der eingebettete ADC 20 als Anwendung von Komparatoren beschrieben
wurde, könnte er auch mit anderen ADC-Architekturen wie z. B. mit einem Multi
schritt-Flash-ADC realisiert werden. Bei solchen anderen Architekturen bestimmt ei
ne Referenzspannung alle Quantisier-Schwellenspannungen. Diese Referenzspan
nung kann wie oben beschrieben für das STNR optimiert werden.
In Fig. 5 ist in einem Diagramm das Rauschverhalten des Delta-Sigma-Modulators
von Fig. 3 als Funktion des Eingangspegels dargestellt, wobei sich der Eingangspe
gel von der vollen positiven Spanne bis zur vollen negativen Spanne erstreckt und
das relative Rauschverhalten über der y-Achse aufgetragen ist. Diese Kurve reprä
sentiert den Zustand, wenn die Quantisier-Schwellenspannung für das thermische
Rauschen optimiert ist. Im Vergleich dazu stellt Fig. 6 eine ähnliche Kurve dar, bei
der die Quantisier-Schwellenspannung auf ungefähr 0,30 gelegt ist; das ist die Quan
tisier-Schwellenspannung, die für die Optimierung des Quantisierungsrauschens er
forderlich ist. Man kann sehen, daß bei 0,0 Volt eine Verschlechterung von ca. 4 dB
im Rauschverhalten gegenüber der bezüglich des thermischen Rauschens optimier
ten Kurve von Fig. 5 besteht.
Kurz zusammengefaßt, wurde hier ein Optimierungsverfahren zum Festlegen der
Quantisier-Schwellenspannungen für einen m-Pegel-Delta-Sigma-Modulator, der ei
nen m-Pegel-Quantisierer verwendet, geschaffen. Das Optimierungsverfahren be
steht zuerst aus der Simulation der Signal/Rausch-Verhältnisantwort des thermi
schen Rauschens des Delta-Sigma-Modulators und dann aus der Optimierung von
dessen Rauschverhalten, um das optimale STNR zu erzielen. Dieses wird mit einem
Optimierungsschritt verglichen, bei dem das SQNR optimiert wird. Dann wird die
Quantisier-Schwellenspannung an dem m-Pegel-Quantisierer festgelegt, um das op
timale thermische Rauschverhalten zu erzielen.
Claims (28)
1. Rauscharmer Delta-Sigma-Modulator für Analog/Digital-Wandler gekenn
zeichnet durch:
- - ein Schleifenfilter für den Empfang eines Eingangssignals, wobei das Schleifenfil ter die Differenz zwischen dem Eingangssignal und einem Rückkopplungs-DAC- Signal verarbeitet, um ein gefiltertes Ausgangssignal zu erzeugen;
- - einen Multi-Pegel-Quantisierer (20) mit m-1 Quantisier-Schwelleneingängen zum Empfang von Quantisier-Schwellenspannungen, wobei der Quantisierer in der La ge ist, das Ausgangssignal des Schleifenfilters zu empfangen und einen m-Pegel- Quantisierwert auszugeben;
- - einen m-Pegel Digital/Analog-Wandler (24), der an seinem Eingang das Aus gangssignal des Quantisierers empfängt, wobei dessen Ausgang das Rückkopp lungs-DAC-Signal für die Eingabe in das Schleifenfilter erzeugt;
- - wobei das Schleifenfilter, der Quantisierer (20) und der Digital/Analog-Wandler (24) ein Signal/Rausch-Verhältnis des thermischen Rauschens aufweisen, das sich als Funktion der Quantisier-Schwellenspannungen ändert, und das einen optima len Wert für mindestens einen Wert der Quantisier-Schwellenspannungen auf weist; und
- - eine Schwellenspannungsquelle zur Eingabe der Quantisier-Schwellenspan nungen in den Quantisierer (20), wobei die Quantisier-Schwellenspannungen auf einen Wert gesetzt sind, um im wesentlichen das optimale Signal/Rausch-Verhält nis des thermischen Rauschens zu erzielen.
2. Delta-Sigma-Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Schleifenfilter eine Rauschunterdrückungs-Antwortfunktion aufweist, um das
Quantisierungsrauschen innerhalb eines interessierenden Frequenzbandes zu mini
mieren.
3. Delta-Sigma-Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Schleifenfilter mehrere Integrationsstufen (40, 44, 46, 50, 52) aufweist, die in Ka
skade geschaltet sind, wobei ausgewählte Ausgangssignale der Integrationsstufen
(46, 52) auf die Eingänge (42, 48) ausgewählter Integrationsstufen (44, 50) mit vorbe
stimmten Rückkopplungskoeffizienten (54, 56) zurückgekoppelt werden, und wobei
die Ausgangssignale ausgewählter Integrationsstufen (40, 44, 46, 50, 52) in einen
Summenknoten (58) in einem Mitkopplungspfad eingegeben werden, wobei jeder
Mitkopplungspfad einen ihm zuordneten Mitkopplungskoeffizienten (60, 62, 64, 66,
68) aufweist.
4. Delta-Sigma-Modulator nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n ze i c h net, daß
der Wert von m gleich drei ist.
5. Delta-Sigma-Modulator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
der Multi-Pegel-Quantisierer (20) erste und zweite Komparatoren (26, 28) enthält,
von denen jeder einen Quantisier-Schwellenspannungseingang zum Empfang einer
separaten Quantisier-Schwellenspannung und beide einen gemeinsamen, mit dem
Ausgang des Schleifenfilters verbundenen Eingang aufweisen, wobei die Ausgänge
der ersten und zweiten Komparatoren (26, 28) ein digitales Zwei-Bit-Ausgangssignal
mit drei Zuständen aufweisen, wobei ein Zustand die Bedingung repräsentiert, bei
der das gefilterte Signal größer ist, als die in den ersten Komparator (26) eingegebene
Quantisier-Schwellenspannung, ein Zustand die Bedingung repräsentiert, bei der
das gefilterte Signal kleiner ist, als die in den zweiten Komparator (28) eingegebene
Quantisier-Schwellenspannung, und ein dritter Zustand die Bedingung repräsen
tiert, bei der das gefilterte Signal einen Wert zwischen den Spannungspegeln der in
die ersten und zweiten Komparatoren (26, 28) eingegebenen Quantisier-Schwellen
spannungen aufweist.
6. Delta-Sigma-Modulator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
der Digital/Analog-Wandler (24) einen Bereich mit einem geschalteten Kondensator
(30) aufweist, dessen eine Platte zwischen zwei verschiedenen Referenzspannungen
umgeschaltet wird, und dessen andere Platte zwischen einer Massespannung und
dem Eingang (12) des Schleifenfilters umgeschaltet wird, wobei der Bereich mit ge
schaltetem Kondensator durch das digitale Zwei-Bit-Ausgangssignal der ersten und
zweiten Komparatoren gesteuert wird, um eine positive Ladung auf den Eingang
(12) des Schleifenfilters als Antwort auf den ersten, am Ausgang des Quantisierers
bestehenden Zustand zu schalten, um eine negative Ladung auf den Eingang (12)
des Schleifenfilters als Antwort auf den zweiten, durch den Quantisierer ausgege
benen Zustand schalten, und um nicht auf den Eingang (12) des Schleifenfilters zu
schalten, wenn der dritte Zustand des Quantisierers ausgegeben wird.
7. Delta-Sigma-Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Delta-Sigma-Modulator ein Signal/Quantisierungsrauschen-Verhältnis mit ei
nem Optimum für mindestens einen Wert der Quantisier-Schwellenspannungen auf
weist, der sich von der Quantisier-Schwellenspannung unterscheidet, die dem Opti
mum des Signal/Rausch-Verhältnisses des thermischen Rauschens entspricht.
8. Delta-Sigma-Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Optimum des Signal/Rausch-Verhältnisses des thermischen Rauschens da auf
tritt, wo die Ableitung der Antwortfunktion des thermischen Rauschens des Delta-
Sigma-Modulators als Funktion der Quantisier-Schwellenspannungen im wesentli
chen Null ist, und wo der Pegel der Antwortfunktion den wesentlichen optimalen
Wert erreicht.
9. Rauscharmer Delta-Sigma-Modulator für einen Analog/Digital-Wandler
gekennzeichnet durch:
- - ein Schleifenfilter für den Empfang eines Eingangssignals, wobei das Schleifenfil ter die Differenz zwischen dem Eingangssignal und einem Rückkopplungs-DAC- Signal verarbeitet, um ein gefiltertes Ausgangssignal zu erzeugen;
- - einen Multi-Pegel-Quantisierer (20) mit m-1 Schwelleneingängen zum Empfang von Quantisier-Schwellenspannungen, wobei der Quantisierer in der Lage ist, das Ausgangssignal des Schleifenfilters zu empfangen und einen m-Pegel-Quantisier wert auszugeben;
- - einen m-Pegel-Digital/Analog-Wandler (24), um an seinem Eingang das Aus gangssignal des Quantisierers zu empfangen, wobei an dessen Ausgang das Rückkopplungs-DAC-Signal für das Schleifenfilter erzeugt wird;
- - wobei das Schleifenfilter, der Quantisierer und der Digital/Analog-Wandler (24) ein Signal/Rausch-Verhältnis des thermischen Rauschens aufweisen, das sich als Funktion der Quantisier-Schwellenspannungen ändert,und sie ein Signal/Quanti sierungsrauschen-Verhältnis, das sich als Funktion der Quantisier-Schwellenspan nungen ändert und einen optimalen Wert für mindestens einen Wert der Quanti sier-Schwellenspannungen hat, aufweisen; und
- - eine Schwellenspannungsquelle zur Eingabe der Quantisier-Schwellenspannung in den Quantisierer, wobei die Quantisier-Schwellenspannungen auf einen Wert gesetzt sind, der sich im wesentlichen von dem Wert der Quantisier-Schwellen spannungen unterscheidet, der dem optimalen Wert des Signal/Quantisierungs rauschen-Verhältnisses entspricht, um ein höheres Signal/Rausch-Verhältnis des thermischen Rauschens zu erzielen als das, das dem Wert der Quantisier-Schwel lenspannungen zugeordnet ist, der dem optimalen Signal/Quantisierungsrau schen-Verhältnis entspricht.
10. Delta-Sigma-Modulator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
das Schleifenfilter mehrere Integrationsstufen (40, 44, 46, 50, 52) aufweist, die in Ka
skade geschaltet sind, wobei ausgewählte Ausgangssignale der Integrationsstufen
(46, 52) auf die Eingänge (42, 48) ausgewählter Integrationsstufen mit vorbestimmten
Rückkopplungskoeffizienten (54, 56) zurückgekoppelt werden und die Ausgangs
signale ausgewählter Integrationsstufen (46, 52) in einen Summenknoten (58) in ei
nem Mitkopplungspfad eingegeben werden, wobei jeder Mitkopplungspfad einen
ihm zuordneten Mitkopplungskoeffizienten (60, 62, 64, 66, 68) aufweist.
11. Delta-Sigma-Modulator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
der Wert von m gleich drei ist.
12. Delta-Sigma-Modulator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß der Multi-Pegel-Quantisierer (20) erste und zweite Komparatoren (26, 28) ent
hält, von denen jeder einen Quantisier-Schwellenspannungseingang zum Empfang
einer separaten Quantisier-Schwellenspannung und beide einen gemeinsamen, mit
dem Ausgang des Schleifenfilters verbundenen Eingang aufweisen, wobei die Ausgänge
der ersten und zweiten Komparatoren (26, 28) ein digitales Zwei-Bit-Aus
gangssignal mit drei Zuständen aufweisen, wobei ein Zustand die Bedingung reprä
sentiert, bei der das gefilterte Signal größer ist als die in den ersten Komparator (26)
eingegebene Quantisier-Schwellenspannung, ein Zustand die Bedingung repräsen
tiert, bei der das gefilterte Signal kleiner ist als die in den zweiten Komparator (28)
eingegebene Quantisier-Schwellenspannung, und ein dritter Zustand die Bedingung
repräsentiert, bei der das gefilterte Signal einen Wert zwischen den Spannungspe
geln der in die ersten und zweiten Komparatoren (26, 28) eingegebenen Quantisier-
Schwellenspannungen aufweist.
13. Delta-Sigma-Modulator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß der Digital/Analog-Wandler (24) einen Bereich mit einem geschalteten Konden
sator (30) aufweist, dessen eine Platte zwischen zwei verschiedenen Referenzspan
nungen und dessen andere Platte zwischen einer Massespannung und dem Eingang
(12) des Schleifenfilters umgeschaltet wird, wobei der Bereich mit geschaltetem Kon
densator durch das digitale Zwei-Bit-Ausgangssignal der ersten und zweiten Kom
paratoren gesteuert wird, um eine positive Ladung auf den Eingang (12) des Schlei
fenfilters als Antwort auf den ersten, am Ausgang des Quantisierers bestehenden
Zustands zu schalten, um eine negative Ladung auf den Eingang (12) des Schleifen
filters als Antwort auf den zweiten, durch den Quantisierer ausgegebenen Aus
gangszustand zu schalten, und um dann nicht auf den Eingang (12) des Schleifenfil
ters zu schalten, wenn der dritte Zustand des Quantisierers anliegt.
14. Rauscharmer Delta-Sigma-Modulator für einen Analog/Digital-Wandler
gekennzeichnet durch:
- - ein Schleifenfilter für den Empfang eines Eingangssignals, wobei das Schleifenfil ter die Differenz zwischen dem Eingangssignal und einem Rückkopplungs-DAC- Signal verarbeitet, um ein gefiltertes Ausgangssignal zu erzeugen;
- - einen Multi-Pegel-Quantisierer (20) mit m-1 Quantisier-Schwelleneingängen, wo bei der Quantisierer in der Lage ist, das Ausgangssignal des Schleifenfilters zu empfangen und einen m-Pegel-Quantisierwert auszugeben;
- - einen m-Pegel-Digital/Analog-Wandler (24), der seinem Eingang das Ausgangs signal des Quantisierers empfängt, wobei dessen Ausgang das Rückkopplungs signal-DAC-Signal für das Schleifenfilter erzeugt;
- - wobei das Schleifenfilter, der Quantisierer und der Digital/Analog-Wandler (24) ein Signal/Rausch-Verhältnis des thermischen Rauschens aufweisen, das sich als Funktion der Quantisier-Schwellenspannungen ändert und das einen optimalen Wert für mindestens einen Wert der Quantisier-Schwellenspannungen aufweist; und
- - eine Schwellenspannungsquelle zur Erzeugung eines Signals zur Steuerung Quan tisier-Schwellenspannungen, indem sie auf einen Wert gesetzt werden, um im we sentlichen das optimale Signal/Rausch-Verhältnis des thermischen Rauschens zu erzielen.
15. Verfahren zur Optimierung des thermischen Rauschverhaltens eines Delta-Sig
ma-Modulators in einem Analog/Digital-Wandler, dadurch gekennzeich
net, daß der Delta-Sigma-Modulator einen Multi-Pegel-Ausgang und einen Quan
tisierer mit m-1 Quantisier-Schwellenspannungen aufweist, m größer als 2 ist und
das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- - Simulieren der Antwortfunktion des Delta-Sigma-Modulators zur Bestimmung des Signal/Rausch-Verhältnisses des thermischen Rauschens als Funktion der Quantisier-Schwellenspannungen; und
- - Festlegen der Quantisier-Schwellenspannungen auf einen Wert, der im wesentli chen ein optimales Signal/Rausch-Verhältnis des thermischen Rauschens ergibt.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Delta-
Sigma-Modulator ein Signal/Quantisierungsrauschen-Verhältnis als Funktion der
Quantisier-Schwellenspannungen aufweist, das ein Optimum für einen anderen
Wert der Quantisier-Schwellenspannung als für den Wert aufweist, der für das opti
male Signal/Rausch-Verhältnis des thermischen Rauschens gilt.
17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Opti
mum des Signal/Rausch-Verhältnisses des thermischen Rauschens als Funktion der
Quantisier-Schwellenspannung dann auftritt, wenn die Antwortfunktion des
Signal/Rausch-Verhältnisses des thermischen Rauschens als Funktion der Quanti
sier-Schwellenspannung eine erste Ableitung hat, die im wesentlichen Null ist, und
der Wert der Antwortfunktion einen im wesentlichen optimalen Wert erreicht.
18. Verfahren zur Optimierung des thermischen Rauschverhaltens eines Delta-Sig
ma-Modulators in einem Analog/Digital-Wandler, dadurch gekennzeich
net, daß der Delta-Sigma-Modulator einen Multi-Pegel-Ausgang und einen Quan
tisierer mit m-1 Quantisier-Schwellenspannungen aufweist, m größer als 2 ist, und
der Delta-Sigma-Modulator ein Signal /Quantisierungsrauschen-Verhältnis aufweist,
das ein Optimum für mindestens einen Wert der Quantisier-Schwellenspannungen
besitzt, und das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- - Simulieren der Antwortfunktion des Delta-Sigma-Modulators zur Bestimmung der Signal/Rausch-Verhältnisses des thermischen Rauschens als Funktion der Quantisier-Schwellenspannungen; und
- - Festlegen der Quantisier-Schwellenspannungen auf einen Wert, der sich im we sentlichen von dem Wert der Quantisier-Schwellenspannungen unterscheidet, der dem optimalen Wert des Signal/Quantisierungsrauschen-Verhältnisses entspricht, um ein höheres Signal/Rausch-Verhältnis des thermischen Rauschens zu erzielen als das, das dem Wert des Wert der Quantisier-Schwellenspannungen zugeordnet ist, der dem optimalen Signal/Quantisierungsrauschen-Verhältnis entspricht.
19. Verfahren für eine rauscharme Delta-Sigma-Modulation gekennzeichnet
durch die Schritte:
- - Empfangen eines Eingangssignals und eines Rückkopplungs-DAC-Signals und Anwendung einer Schleifenfilteroperation darauf, um die Differenz zwischen dem Eingangssignal und dem Rückkopplungs-DAC-Signal zu verarbeiten, um ein ge filtertes Ausgangssignal zu erzeugen;
- - Bereitstellen eines Multi-Pegel-Quantisierers (20) mit m-1 Quantisier-Schwellen eingängen, zum Empfang der Quantisier-Schwellenspannungen und zum Quanti sieren des gefilterten Signals, um einen m-Pegel-Quantisierwert auszugeben;
- - Umwandeln des m-Pegel-Quantisierwerts in einen Analogwert mittels eines m-Pe gel-Digital/Analog-Wandlers, um das Rückkopplungs-DAC-Signal zu erzeugen;
- - die Schritte des Verarbeitens mittels des Schleifenfilters, des Quantisierens und Wandelns des m-Pegel-Quantisierwerts in einen Analogwert, dem ein Signal/Rausch-Verhältnis des thermischen Rauschens zugeordnet ist, das sich als Funktion der in die Quantisier-Schwellenspannungseingänge eingegebenen Quan tisier-Schwellenspannungen ändert, und das einen optimalen Wert für mindestens einen Wert der Quantisier-Schwellenspannungen aufweist; und
- - Eingeben der Quantisier-Schwellenspannungen in den Quantisierer, wobei die Quantisier-Schwellenspannungen auf einen Wert gesetzt sind, um im wesentli chen das optimale Signal/Rausch-Verhältnis des thermischen Rauschens zu erzie len.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Verar
beitungsschritt mit dem Schleifenfilter aufweist: die Bereitstellung mehrerer Integra
tionsstufen (40, 44, 46, 50, 52), die in Kaskade geschaltet sind, die Rückkopplung der
Ausgangssignale ausgewählter Integrationsstufen (46, 52) auf die Eingänge (42, 48)
anderer ausgewählter Integrationsstufen (46, 50) mit vorbestimmten Rückkop
plungskoeffizienten (54, 56) und die Einspeisung der Ausgangssignale ausgewählter
Integrationsstufen (40, 44, 46, 50, 52) in einen Summenknoten (58) in einem separaten
Mitkopplungspfad, wobei jeder Mitkopplungspfad einen ihm zuordneten vorbe
stimmten Mitkopplungskoeffizienten (60, 62, 64, 66, 68) aufweist.
21. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert
von m gleich drei ist.
22. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt
des Bereitstellens des Multi-Pegel-Quantisierers (20) umfaßt:
- - Vorsehen erster und zweiter Komparatoren (26, 28), von denen jeder einen Quan tisier-Schwellenspannungseingang zum Empfang einer separaten Quantisier- Schwellenspannung von dem Eingabeschritt der Quantisier-Schwellenspan nungen aufweist; und
- - Verbinden eines Eingangs jeden Komparators, um das gefilterte Signal zu empfan gen, wobei die Ausgänge der ersten und zweiten Komparatoren ein digitales Zwei-Bit-Ausgangssignal mit drei Zuständen aufweisen, wobei ein Zustand die Bedingung repräsentiert, bei der das gefilterte Signal größer ist als die in den er sten Komparator (26) eingegebene Quantisier-Schwellenspannung, ein Zustand die Bedingung repräsentiert, bei der das gefilterte Signal kleiner ist als die in den zweiten Komparator (28) eingegebene Quantisier-Schwellenspannung, und ein dritter Zustand die Bedingung repräsentiert, bei der das gefilterte Signal einen Wert zwischen den Spannungspegeln der in die ersten und zweiten Kompara toren (26, 28) eingegebenen Quantisier-Schwellenspannungen aufweist.
23. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß dem Vear
beitungsschritt mit dem Schleifenfilter, dem Quantisieren und dem Wandeln des
Quantisierwertes in eine Analogspannung und deren Subtraktion vom Eingangs
signal ein Signal/Quantisierungsrauchen-Verhältnis zugeordnet ist, das eine Funk
tion der Quantisier-Schwellenspannungen ist, und das einen optimalen Wert für
mindestens einen Wert der Quantisier-Schwellenspannungen hat, wobei das Opti
mum bei einem anderen Wert der Quantisier-Schwellenspannungen auftritt als bei
dem, des Optimums des Signal/Rausch-Verhältnisses des thermischen Rauschens.
24. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt
zur Bestimmung des optimalen Wert des Signal/Rausch-Verhältnisses des thermi
schen Rauschens die Bestimmung des Punkts umfaßt, an dem die erste Ableitung
des Signal/Rausch-Verhältnisses des thermischen Rauschens als Funktion der Quan
tisier-Schwellenspannungen im wesentlichen Null, und der Pegel der Antwortfunk
tion einen im wesentlichen optimalen Wert erreicht.
25. Verfahren für eine rauscharme Delta-Sigma-Modulation gekennzeichnet
durch die Schritte:
- - Empfangen eines Eingangssignals und eines Rückkopplungs-DAC-Signals und Ausführen einer Schleifenfilteroperation damit, um die Differenz zwischen dem Eingangssignal und dem Rückkopplungs-DAC-Signal zu verarbeiten, und um ein gefiltertes Ausgangssignal zu erzeugen;
- - Bereitstellen eines Quantisierers mit m-1 Quantisier-Schwelleneingängen zum Empfang von Quantisier-Schwellenspannungen und zum Quantisieren des gefil terten Signals, um einen m-Pegel-Quantisierwert auszugeben;,
- - Umwandeln des m-Pegel-Quantisierwerts in einen Analogwert mittels eines m-Pe gel-Digital/Analog-Wandlers, um das Rückkopplungs-DAC-Signal für das Schlei fenfilter zu erzeugen;
- - die Verarbeitungsschritte mit dem Schleifenfilter, des Quantisierens und Wandelns des m-Pegel-Quantisierwertes in eine Analogspannung, der ein Signal/Rauch- Verhältnis des thermischen Rauschens und ein Signal/Quantisierungsrauschen- Verhältnis zugeordnet ist, wobei beide sich als Funktion der Quantisier-Schwel lenspannungen ändern, die in die Quantisier-Schwellenspannungseingänge ein gegeben werden, wobei das Signal/Quantisierungsrauschen-Verhältnis einen op timalen Wert für mindestens einen Wert der Q Quantisier-Schwellenspannungen aufweist; und
- - die Eingabe der Quantisier-Schwellenspannungen in den Quantisierer, wobei die Quantisier-Schwellenspannungen auf einen Wert gesetzt sind, der sich im wesent lichen von dem Wert der Quantisier-Schwellenspannungen unterscheidet, der dem optimalen Wert des Signal/Quantisierungsrauschen-Verhältnisses entspricht, um ein höheres Signal/Rausch-Verhältnis des thermischen Rauschen zu erzielen, als das, das dem Wert der Quantisier-Schwellenspannungen zugeordnet ist, der dem optimalen Signal/Quantisierungsrauschen-Verhältnis entspricht.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Verar
beitungsschritt mit dem Schleifenfilter aufweist: Das Bereitstellen mehrerer Integra
tionsstufen (40, 44, 46, 50, 52), die in Kaskade geschaltet sind, die Rückkopplung der
Ausgangssignale ausgewählter Integrationsstufen (46, 52) auf die Eingänge (42, 48)
anderer ausgewählter Integrationsstufen (44, 50) mit vorbestimmten Rückkop
plungskoeffizienten (54, 56) und die Einspeisung der Ausgangssignale ausgewählter
Integrationsstufen (40, 44, 46, 50, 52) in einen Summenknoten (58) in einem separaten
Mitkopplungspfad, wobei jeder Mitkopplungspfad einen ihm zuordneten vorbe
stimmten Mitkopplungskoeffizienten (60, 62, 64, 66, 68) aufweist.
27. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert
von m gleich drei ist.
28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereit
stellungsschritt des Multi-Pegel Quantisierers (20) umfaßt:
- - das Bereitstellen erster und zweiter Komparatoren (26, 28), von denen jeder einen Quantisier-Schwellenspannungseingang zum Empfang einer separaten Quanti sier-Schwellenspannung von dem Eingabeschritt der Quantisier-Schwellenspan nung aufweist; und
- - das Verbinden eines Eingangs jeden Komparators, um das gefilterte Signal zu empfangen, wobei die Ausgänge der ersten und zweiten Komparatoren (26, 28) ein digitales Zwei-Bit-Ausgangssignal mit drei Zuständen aufweisen, wobei ein Zustand die Bedingung repräsentiert, bei der das gefilterte Signal größer ist, als die in den ersten Komparator (26) eingegebene Quantisier-Schwellenspannung, ein Zustand die Bedingung repräsentiert, bei der das gefilterte Signal kleiner ist, als die in den zweiten Komparator (28) eingegebene Quantisier-Schwellenspan nung, und ein dritter Zustand die Bedingung repräsentiert, bei der das gefilterte Signal einen Wert zwischen den Spannungspegeln der in die ersten und zweiten Komparatoren (26, 28) eingegebenen Quantisier-Schwellenspannungen aufweist.
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