DE60109463T2

DE60109463T2 - A/d-umsetzerkalibrierung

Info

Publication number: DE60109463T2
Application number: DE60109463T
Authority: DE
Inventors: Erik Bengt JONSSON
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 2000-08-29
Filing date: 2001-08-24
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2021-08-25
Also published as: SE0102078L; EP1316151B1; ATE291291T1; SE519360C2; WO2002019530A1; AU8634601A; AU2001286346B2; JP2004507964A; JP4776142B2; SE0102078D0; EP1316151A1; DE60109463D1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft Analog/Digital-(A/D-)Umsetzer und insbesondere die Hintergrundkalibrierung solcher Umsetzer.
HINTERGRUND
Das Leistungsvermögen jedes A/D-Umsetzers ist durch nichtideale Effekte in Verbindung mit seinen verschiedenen Baugruppen begrenzt. Dem Einfluss mehrerer solcher Effekte kann man mit digitaler Kalibrierung begegnen, zum Beispiel wie in [1] beschrieben, wo eine Menge von digitalen Kalibrierungskoeffizienten verwendet wird, um die geschätzten analogen Schaltungsfehler zu korrigieren. Ein Problem besteht darin, dass die Kalibrierungskoeffizienten am genauesten sind, wenn die Schaltung unter exakt den gleichen Bedingungen wie während der Schätzung betrieben wird. Wenn zum Beispiel die Temperatur, die Versorgungsspannung oder ein Vorspannungsstrom geändert wird, kann eine neue Menge von Koeffizienten zur optimalen Fehlerkorrektur erforderlich sein.
Normalerweise wird eine als Hintergrundkalibrierung bezeichnete Methode [2] verwendet, um den A/D-Umsetzer während des normalen Betriebs kontinuierlich zu kalibrieren. Jedoch stört der Prozess der Hintergrundkalibrierung den normalen Signalfluss durch den A/D-Umsetzer und verursacht deshalb einen Fehler im Ausgangssignal. Es gibt Methoden, um das Ausmaß solcher Fehler zu verringern, zum Beispiel durch Interpolation, wie in [3] beschrieben. Während einer Hintergrund-Kalibrierfolge erzeugt dieses "Skip-and-fall"-(Überspring- und Einsetzungs-)Verfahren Zeitschlitze für die Kalibrierung, indem das Abtasten für jede k-te Abtastposition unterbrochen und ein interpolierter Abtastwert in den Ausgangssignalstrom eingefügt wird. Solche Kalibrierfolgen werden kontinuierlich wiederholt. Gleichwohl führen die durch die Hintergrundkalibrierung des A/D-Umsetzers erzeugten interpolierten Abtastwerte zu einer erhöhten Bitfehlerrate, zum Beispiel in digitalen Kommunikationssystemen. Es wäre wünschenswert, sowohl aus Sicht der Signalqualität als auch der Leistungseffizienz, die Hintergrundkalibrierung des A/D-Umsetzers so weit wie möglich zu unterdrücken.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Methoden zur Hintergrundkalibrierung für A/D-Umsetzer mit niedrigerem Bitfehlerratenverlust als nach dem Stand der Technik bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird entsprechend den beigefügten Ansprüchen gelöst.
Kurz gesagt, beruht die vorliegende Erfindung auf der Erkenntnis, dass Hintergrundkalibrierung zu den Zeiten, wo die Betriebsbedingungen stabil sind, normalerweise nicht nötig ist. Durch Verwendung von chipinternen oder chipexternen Sensoren für kritische Betriebsparameter, wie etwa Temperatur und Versorgungsspannung, wird es möglich, sich ändernde Betriebsbedingungen zu verfolgen und die Abtast-Überspringrate der Hintergrundkalibrierung unter stabilen Bedingungen zu verringern, wodurch die Bitfehlerrate im stationären Zustand verringert wird. Ein weiterer Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass die Verfolgung der Betriebsbedingungen auch die Möglichkeit bietet, die Überspringrate zu erhöhen, wenn sich diese Bedingungen sehr schnell ändern. In dieser Situation kann es besser sein, die durch Hintergrundkalibrierung verursachte Fehlerstufe leicht zu erhöhen, um einen konstant kalibrierten Umsetzer zu erhalten.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung kann zusammen mit ihren weiteren Aufgaben und Vorteilen am besten unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verstanden werden, wobei diese folgendes zeigen:
1 ist ein Blockschaltbild eines herkömmlichen A/D-Umsetzers mit einem Interpolator;
2 ist ein Zeitdiagramm, das die Abtastung mit dem A/D-Umsetzer aus 1 darstellt;
3 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild eines typischen digitalen Funksystems;
4 ist ein Diagramm, das darstellt, wie sich Betriebsbedingungen mit der Zeit ändern können;
5 ist ein Zeitdiagramm, das das Verhalten der Bitfehlerrate auf der Systemebene nach einer anfänglichen Vordergrundkalibrierung des A/D-Umsetzers darstellt;
6 ist ein Zeitdiagramm, das das Verhalten der Bitfehlerrate auf der Systemebene darstellt, wenn eine Hintergrundkalibrierung des A/D-Umsetzers verwendet wird;
7 ist eine gestreckte Ansicht des Diagramms in 6;
8 ist ein Zeitdiagramm, das das Verhalten der Bitfehlerrate auf der Systemebene bei unterschiedlichen Überspringraten darstellt;
9 ist ein Diagramm, das ein beispielhaftes Verfahren der Verfolgung von Änderungen der Betriebsbedingungen darstellt;
10 ist ein Zeitdiagramm, das das Verhalten der Bitfehlerrate auf der Systemebene in einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
11 ist ein Zeitdiagramm, das das Verhalten der Bitfehlerrate auf der Systemebene in einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
12 ist ein Zeitdiagramm, das das Verhalten der Bitfehlerrate auf der Systemebene in noch einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
13 ist ein Ablaufdiagramm, das eine beispielhafte Ausführungsform des A/D-Umsetzer-Kalibrierungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
14 ist ein Blockschaltbild, das eine beispielhafte Ausführungsform einer A/D-Umsetzer-Kalibrierungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
15 stellt eine beispielhafte Ausführungsform eines Sperrschicht-Temperatursensors dar;
16 stellt eine andere beispielhafte Ausführungsform eines Sperrschicht-Temperatursensors dar;
17 stellt eine beispielhafte Ausführungsform eines Vorspannungsstromsensors dar;
18 stellt eine beispielhafte Ausführungsform eines Versorgungsspannungssensors dar; und
19 ist ein Blockschaltbild, das eine beispielhafte Ausführungsform eines Betriebsbedingungs-Änderungsdetektors darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Einer der verbreiteteren Ansätze zur Hintergrundkalibrierung besteht darin, den "Skip-and-fill"-Lösungsansatz [3, 4] zu verwenden, wie in 1 und 2 dargestellt.
1 ist ein Blockschaltbild eines herkömmlichen A/D-Umsetzers mit einem Interpolator. Ein analoges Signal wird an einen A/D-Umsetzer 10 weitergeleitet. Die digitalen Abtastwerte werden an einen Interpolator 12 und ein Verzögerungsglied 14 weitergeleitet. Ein Schalter 16 ist normalerweise in der angegebenen oberen Stellung, in der die digitalen Abtastwerte vom Verzögerungsglied 14 in einem Abtastintervall T ausgegeben werden. Bei jedem k-ten Abtastwert wird Schalter 16 in seine untere Stellung versetzt, in der ein Abtastwert übersprungen und stattdessen ein interpolierter digitaler Abtastwert vom Interpolator 12 ausgegeben wird. Danach kehrt Schalter 16 in seine obere Stellung zurück. Die Kalibrierung oder ein Teil einer vollständigen Kalibrierung eines A/D-Umsetzers 10 wird während der Interpolation ausgeführt. Diese Operation wird periodisch wiederholt.
2 ist ein Zeitdiagramm, das die Abtastung mit dem A/D-Umsetzer aus 1 darstellt. Die gestrichelte Linie bezeichnet den tatsächlichen Wert des übersprungenen Abtastwerts. Wegen der begrenzten Bandbreite der Interpolation kann der interpolierte Werte von diesem tatsächlichen Wert abweichen. Der interpolierte Wert liegt auf der dargestellten Interpolationskurve, die durch die umgebenden Abtastwerte gebildet wird Diese umgebenden Abtastwerte sind der Grund für das Verzögerungsglied 14 in 1 (um interpolieren zu können, werden Abtastwerte sowohl vor als auch nach dem übersprungenen Abtastwert benötigt).
Ein Beispiel für ein digitales Funksystem wird in 3 dargestellt. Ein analoges Funkfrequenz-(RF-)Signal wird empfangen und mittels einer RF-Vorstufe 20 ins Basisband umgesetzt. Das Basisbandsignal wird dann durch einen A/D-Umsetzer 22 digitalisiert und in digitaler Form durch eine digitale Signalverarbeitungs-(DSP-)Einheit 24 weiterverarbeitet. Die Übertragungsqualität kann anhand der Bitfehlerrate (BER) des digitalen Ausgangssignals d_out gemessen werden. Die Übertragungsqualität ist normalerweise durch das Leistungsvermögen der RF-Vorstufe und des A/D-Umsetzers begrenzt.
Das Leistungsvermögen eines A/D-Umsetzers wird durch eine Kombination aus statischen Fehlern, wie etwa Fehlanpassung der Bauelemente, und einer Anzahl von Parametern, die seine Betriebsbedingungen verkörpern, beeinflusst. Beispiele für solche Parameter sind Temperatur, Versorgungsspannung und Vorspannungsströme. Da normalerweise für jeden Parameter ein Betriebsbereich definiert wird, wird ein eindimensionaler oder mehrdimensionaler Darstellungsbereich gebildet. Als Beispiel ist in 4 der zweidimensionale Darstellungsbereich für die Sperrschichttemperatur T_j und die Versorgungsspannung V_supp dargestellt. Eine gleichzeitige Änderung dieser beiden Parameter über der Zeit wird durch die Kurve dargestellt (die Zeit wächst von t₀ nach t₂).
Der Einfluss der Fehlanpassung von Bauelementen sowie von schwankenden Betriebsbedingungen kann verringert werden, zum Beispiel durch digitale Kalibrierung. Ein Problem besteht darin, dass eine wirksame digitale Kalibrierung von A/D-Umsetzern erfordert, dass die Kalibrierungskoeffizienten immer dann aktualisiert werden, wenn sich Betriebsbedingungen geändert haben. Solche Nachkalibrierung kann im Vordergrund oder Hintergrund vorgenommen werden.
Vordergrundkalibrierung blockiert den Datenfluss durch den A/D-Umsetzer vollständig, bis die Kalibrierfolge abgeschlossen ist. In einem digitalen Funksystem würde dies jeglichen Verkehr während der gesamten Kalibrierfolge unterbrechen. Solche Unterbrechungen sind in jedem normalen Betriebsmodus unannehmbar, und somit kann Vordergrundkalibrierung nur beim Anlaufen verwendet werden oder wenn der A/D-Umsetzer außer Betrieb ist. Nach dem Stand der Technik wird deshalb Hintergrundkalibrierung verwendet, um dieses Problem zu lösen.
Hintergrundkalibrierung stört auch den Datenfluss im A/D-Umsetzer, wenn auch nicht so sehr wie Vordergrundkalibrierung. Der Verlust an Signalqualität ist eine Funktion der Genauigkeit der Einsetz-Abtastwerte und des Abstandes zwischen ihnen. Ein größerer Abstand der Einsetz-Abtastwerte (oder eine niedrigere Überspringrate) führt zu geringerer Fehlerenergie in einer Abtastsequenz einer bestimmten Länge. Wenn jedoch der Abstand der Einsetz-Abtastwerte zu groß ist, verfolgt die Hintergrundkalibrierung schnelle Änderungen der Betriebsbedingungen nicht wirksam.
Der Unterschied zwischen Vordergrund- und Hintergrundkalibrierung aus Sicht der Systemebene ist in 5 und 6 dargestellt.
Ein Vordergrund-Kalibrierungsansatz kann die optimale Menge von Kalibrierungskoeffizienten beim Anlaufen (t = 0) finden. Dies wird auf der Systemebene durch die niedrige Bitfehlerrate BER₀ dargestellt. So wie sich die Betriebsbedingungen mit der Zeit ändern, so ändert sich auch die Bitfehlerrate, und diese ungesteuerte Veränderung kann ziemlich groß sein, wie in 5 gezeigt.
Hintergrundkalibrierung bedeutet, eine Kalibrierfolge kontinuierlich zu wiederholen, bei der die A/D-Umsetzung für eine vorbestimmte Anzahl von Abtastpositionen unterbrochen wird und die übersprungenen Abtastwerte durch Einsetz-Abtastwerte ersetzt werden, die man normalerweise durch Interpolation erhält. Durch eine relativ dichte Hintergrund-Kalibrierfolge (hohe Überspringrate) kann die Bitfehlerrate selbst bei schnellen Änderungen der Betriebsbedingungen stabilisiert werden. Dies ist in 6 dargestellt, wo die Bitfehlerrate im wesentlichen konstant ist. 7 ist eine gestreckte Ansicht des Diagramms aus 6, in der die übersprungenen Abtastwerte durch Teilstriche (zwischen diesen Abtastwerten gibt es k – 1 reguläre Abtastwerte) dargestellt sind und die Länge einer Kalibrierfolge gekennzeichnet worden ist. Aufgrund der "Skip-and-fill"-Operation bei Hintergrundkalibrierung gibt es eine Erhöhung der niedrigsten erreichbaren Bitfehlerrate – von der optimalen BER₀ auf BER₁ –, die von der Dichte oder Überspringrate der Hintergrund-Kalibrierfolge und der Genauigkeit der Einsetz-Abtastwerte bestimmt wird.
Nach dem Stand der Technik wird die Hintergrund-Kalibrierfolge kontinuierlich mit konstanter Überspringrate wiederholt, ganz gleich, ob es nötig ist oder nicht. Jedoch gibt es unter stabilen Betriebsbedingungen in Wirklichkeit eine geringere Notwendigkeit, den A/D-Umsetzer kontinuierlich nachzukalibrieren. Obwohl der Einsetz-Abtastwertfehler verringert werden kann, stellt er dennoch einen unnötigen A/D-Umsetzungsfehler dar. Deshalb sollte die Hintergrundkalibrierung so weit wie möglich unterdrückt werden, wenn die Betriebsbedingungen stabil sind.
Die vorliegende Erfindung löst die Probleme der kontinuierlichen Hintergrundkalibrierung, indem Änderungen der Betriebsbedingungen verfolgt werden und die Hintergrundkalibrierungs-Überspringrate an die Änderungsgeschwindigkeit der Betriebsbedingungen angepasst wird.
8 ist ein Diagramm, das 7 entspricht und die Prinzipien der vorliegenden Erfindung darstellt. Die erste Kalibrierfolge ist die gleiche wie in 7 und hat somit die Bitfehlerrate BER₁. Die zweite Kalibrierfolge ist verdichtet, das heißt, die Überspringrate ist erhöht worden, wie durch den verringerten Abstand zwischen den Teilstrichen gekennzeichnet. Dies bedeutet eine erhöhte Bitfehlerrate, aber auch eine bessere Verfolgung sich schnell ändernder Betriebsbedingungen. Die dritte Kalibrierfolge in 8 ist gestreckt, das heißt, die Überspringrate ist verringert worden, wie durch den vergrößerten Abstand zwischen den Teilstrichen gekennzeichnet. Dies bedeutet eine verringerte Bitfehlerrate auf Kosten einer verringerten Fähigkeit zur Verfolgung schneller Änderungen der Betriebsbedingungen. Somit sind gestreckte Kalibrierfolgen in Zeitabschnitten mit stabilen Betriebsbedingungen geeignet.
Aufgrund der Beschreibung wird man anerkennen, dass die Verfolgung von Änderungen der Betriebsbedingungen ein wesentlicher Schritt bei der Steuerung der Bitfehlerrate ist. 9 ist ein Diagramm, das ein beispielhaftes Verfahren zur Verfolgung solcher Änderungen darstellt. Jeder Betriebsbedingungsparameter wird als eine Vektorkomponente betrachtet, und jeder Vektor in 9 stellt die Änderung der Betriebsbedingungen seit der letzten Kalibrierfolge dar (die Kalibrierfolgen beginnen zu den Zeitpunkten t₀–t₉). Ein geeignetes Maß für die Gesamtänderung der Betriebsbedingungen während einer Kalibrierfolge kann als Betrag eines solchen Differenzvektors ausgedrückt werden.
Es gibt mehrere mögliche Wege, die Größe eines Differenzvektors zu bestimmen. Eine Möglichkeit ist:
wobei

Δx: der Betrag des Differenzvektors ist,
Δx_i: die Änderungen der Betriebsbedingungsparameter sind,
N: die Anzahl der Betriebsbedingungsparameter ist, und
c_i: Wichtungskoeffizienten sind, die die relative Wichtigkeit der verschiedenen Parameter angeben.

Eine andere Möglichkeit ist:
Noch eine andere Möglichkeit ist: Δx = maxi (ci|Δxi|)
Im letztgenannten Beispiel stellt der größte (gewichtete) Betrag einer Komponente die Gesamtänderung dar.
10 ist ein Zeitdiagramm, das das Verhalten der Bitfehlerrate auf der Systemebene in einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. In dieser Ausführungsform wird die Überspringrate auf eine höhere Rate erhöht, wenn das Maß, das die Änderung der Betriebsbedingungen während einer Kalibrierfolge darstellt, einen Wert MAX überschreitet. Hingegen wird die Überspringrate auf eine niedrigere Rate verringert, wenn das Maß unter einen Wert MIN sinkt. Wenn das Maß zwischen den Werten MAX und MIN liegt, wird die Standard-Überspringrate verwendet.
In 9 wird angenommen, dass der erste Differenzvektor zwischen t₀ und t₁ zwischen den Werten MAX und MIN liegt. Somit erzeugt die erste Kalibrierfolge zwischen t₁ und t₂ in 10 die "normale" Bitfehlerrate BER₁. Während dieser Kalibrierfolge haben sich die Betriebsbedingungen schneller geändert, wie durch den längeren Differenzvektor zwischen t₁ und t₂ in 9 ersichtlich ist. Es wird angenommen, dass dieser längere Vektor einen Betrag hat, der den Wert MAX überschreitet. Somit wird die Überspringrate erhöht, und die Kalibrierfolge wird zeitlich verdichtet, wie durch die Kalibrierfolge zwischen t₂ und t₃ in 10 gekennzeichnet. Wie aus 10 ersichtlich, erhöht dies auch die Bitfehlerrate über BER₁. Der nächste Differenzvektor zwischen t₂ und t₃ in 9 überschreitet in der Länge ebenfalls den Wert MAX, und deshalb wird die nächste Kalibrierfolge zwischen t₃ und t₄ in 10 ebenfalls verdichtet. Zwischen t₆ und t₈ wird die Kalibrierfolge wegen Differenzvektoren normaler Länge zwischen t₅ und t₇ in 9 wieder zur normalen Überspringrate gestreckt. Zwischen t₅ und t₇ in 9 gibt es nur geringe Änderungen der Betriebsbedingungen und somit nur kurze Differenzvektoren mit einem Betrag, der kleiner als der Wert MIN ist. Dies bedeutet, dass es zwischen t₆ und t₈ in 10 gestreckte Kalibrierfolgen mit einer Überspringrate gibt, die kleiner als normal ist. Anhand dieser Beschreibung ist anzuerkennen, dass die mittlere Bitfehlerrate BER₂ zwischen BER₀ und BER₁ liegt, wenn sich die Betriebsbedingungen über die meiste Zeit langsam ändern.
Eine Komplikation bei der mit Bezug auf 9 und 10 beschriebenen Verfahrensweise besteht darin, dass die Differenzvektoren Änderungen über ungleiche Zeitabschnitte darstellen, wenn die Kalibrierfolgen nicht die gleiche Überspringrate haben. Eine mögliche Lösung besteht darin, aus nichtnormalen Folgen gewonnene Änderungsmaße mit einem Skalierungsfaktor zur Zeitkompensation zu multiplizieren. Auf diese Weise beziehen sich alle Maße auf den gleichen Zeitraum Eine weitere Möglichkeit besteht darin, unterschiedliche Werte MAX und MIN für normale und nichtnormale Folgenlängen zu verwenden, wodurch die Zeitkompensation direkt in den Werten MAX und MIN enthalten ist.
Eine Alternative zur Messung der Änderung der Betriebsbedingungsparameter am Ende jeder Kalibrierfolge besteht darin, die Messungen regelmäßig vorzunehmen. Auf diese Weise ist der Zeitabschnitt der Messung immer gleich. Dieser Zeitabschnitt kann zum Beispiel gleich einer Kalibrierfolge normaler Länge sein. Die gemessene Änderung während eines solchen Zeitabschnitts beeinflusst die Überspringrate der nächsten Kalibrierfolge, wenngleich diese Folge nicht exakt dann beginnen muss, wenn die Messung abgeschlossen worden ist. Jedoch es ist auch möglich, die Überspringrate innerhalb einer Kalibrierfolge zu verändern (und nicht zu warten, bis die nächste Folge beginnt).
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung weist weitere mögliche Überspringraten auf. In dieser Ausführungsform wird die Überspringrate erhöht, solange das Änderungsmaß aus der vorigen Kalibrierfolge den Wert MAX überschreitet, bis eine obere Grenze der Überspringrate erreicht ist. In ähnlicher Weise wird die Überspringrate verringer, solange das Änderungsmaß aus der vorigen Kalibrierfolge unter den Wert MIN sinkt, bis eine untere Grenze der Überspringrate erreicht ist. Schließlich wird, solange das Änderungsmaß aus der vorigen Kalibrierfolge zwischen den Werten MAX und MIN liegt, die Überspringrate erhöht oder verringert, bis die normale Überspringrate erreicht ist, abhängig davon, ob die vorige Überspringrate niedriger oder höher als die normale Überspringrate war. 11 stellt das typische Verhalten dieser Ausführungsform dar.
In einer vereinfachten Ausführungsform gibt es nur einen Änderungsschwellwert. Wenn der Schwellwert überschritten wird, wird eine höhere Überspringrate ausgewählt. Wenn die Änderungsrate unter den Schwellwert sinkt, wird eine niedrigere Überspringrate ausgewählt.
Die Ausführungsform des vorangegangenen Absatzes kann auch erweitert werden, so dass sie weitere Überspringraten zwischen den höheren und niedrigeren Überspringraten aufweist. Wenn der Schwellwert überschritten wird, wird eine höhere Überspringrate ausgewählt, bis eine maximale Überspringrate erreicht ist. Wenn die Änderungsrate unter einen Schwellwert sinkt, wird eine niedrigere Überspringrate ausgewählt, bis eine minimale Überspringrate erreicht ist. 12 stellt das typische Verhalten dieser Ausführungsform dar.
Statt die Überspringrate schrittweise zu erhöhen oder zu verringern, ist es auch möglich, ein Überspringintervall k auszuwählen, das im wesentlichen zum Kehrwert der Änderungsrate proportional ist, zum Beispiel:
Allgemeiner ausgedrückt, kann das Überspringintervall eine Funktion von Δx und Δt sein.
13 ist ein Ablaufdiagramm, das eine beispielhafte Ausführungsform des Verfahren der vorliegenden Erfindung darstellt. Schritt S1 bestimmt die Änderung der Betriebsbedingungen durch Bestimmen und Kombinieren der Betriebsparameteränderungen, zum Beispiel nach einer der oben genannten Gleichungen. Schritt S2 bestimmt, ob die Änderung einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet. Wenn dies der Fall ist, wird im Schritt S3 die Überspringrate der nächsten Kalibrierfolge auf die hohe Rate gesetzt. Andernfalls wird im Schritt S4 die Überspringrate auf die niedrige Rate gesetzt. Nach Schritt S3 oder S4 erfolgt eine Rückkehr zu Schritt S1. Die Schritte S1 und S2 werden am Ende jeder Kalibrierfolge ausgeführt.
14 ist ein Blockschaltbild, das eine beispielhafte Ausführungsform einer A/D-Umsetzer-Kalibrierungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt. Eine Menge von Betriebsbedingungsparameter-Sensoren 100 detektiert die gegenwärtigen Betriebsbedingungen, die durch Parameter x₁, ..., x_N dargestellt werden. In dieser Ausführungsform wird angenommen, dass die Sensoren 100 auf dem gleichen Chip wie der A/D-Umsetzer selbst integriert sind. Jedoch sind Ausführungsformen, bei denen einige oder alle Sensoren gesondert vom Chip bereitgestellt werden, ebenfalls realisierbar. Die gemessenen Parameter werden in analoger oder digitaler Form an einen Betriebsbedingungs-Änderungsdetektor 102 weitergeleitet, der ein Änderungsmaß bestimmt, zum Beispiel nach einer der obigen Gleichungen, und bestimmt, ob dieses Maß einen vorbestimmten Änderungsschwellwert überschreitet. Ein Kalibrierungs-Steuersignal CTRL_SKP_RT wird zu einer Kalibrierungs-Steuerungsleinheit 104 geleitet, die die Überspringrate der nächsten Hintergrund-Kalibrierfolge auf einen hohen oder niedrigen Wert setzt, abhängig davon, ob das bestimmte Änderungsmaß den Schwellwert überschritt oder nicht. In der Ausführungsform von 10 sind Änderungsdetektor 102 und Steuerungseinheit 104 außerhalb des A/D-Umsetzer-Chips dargestellt. Jedoch sind Ausführungsformen, bei denen eines oder beide dieser Elemente in den A/D-Umsetzer selbst integriert sind, gleichermaßen realisierbar. Wenn er außerhalb des A/D-Umsetzerchips angeordnet ist, kann der Änderungsdetektor 102 unter Verwendung eines Mikroprozessors, Signalprozessors oder eines feldprogrammierbaren Gate-Arrays (FPGA) implementiert werden. Wenn er auf dem Chip angeordnet ist, kann er als eine anwendungsspezifische digitale Schaltung implementiert werden.
Da es in Wirklichkeit nicht notwendig ist, absolute Parameterwerte genau zu detektieren. können die Betriebsbedingungen mit einfachen auf dem Chip oder außerhalb des Chips angeordneten Bauelementen mit niedriger Verlustleistung detektiert werden. Die einzige Anforderung besteht darin, dass relative Änderungen mit hinreichender Auflösung und Geschwindigkeit detektiert werden. Als Beispiel wird angenommen, dass Temperaturänderungen von 0,1°C oder weniger innerhalb eines Temperaturbereichs von 0–90°C zu detektieren sind. Dann ist es möglich, einen 10-Bit-A/D-Umsetzer für einen Quantisierungsnennbereich von –5 bis +95°C zu verwenden. Dies entspricht einer Temperaturauflösung von 0,1°C. Eine mögliche Verschiebung der Temperaturskala von wenigen °C, zum Beispiel aufgrund von Schwankungen bei der Produktion der Sensoren, ist normalerweise annehmbar.
15 stellt eine beispielhafte Ausführungsform eines Sperrschicht-Temperatursensors dar. In dieser Ausführungsform wird die Temperatur durch eine Spannungsreferenz V_PTAT detektiert, die "proportional zur absoluten Temperatur" (PTAT) ist, und durch eine Spannungsreferenz V_FIX, die unabhängig von der Temperatur und möglicherweise auch von der Versorgungsspannung ist.
16 stellt eine weitere Ausführungsform eines Sperrschicht-Temperatursensors dar. In dieser Ausführungsform sind die Spannungsreferenzen in 15 durch entsprechende Stromreferenzen ersetzt worden.
17 stelle eine beispielhafte Ausführungsform eines Vorspannungsstromsensors dar. In dieser Ausführungsform können Veränderungen des Vorspannungsstroms detektiert werden, indem eine Kopie des überwachten Vorspannungsstroms mit einem konstanten Referenzstrom verglichen wird.
18 stellt eine beispielhafte Ausführungsform eines Versorgungsspannungssensors dar. In dieser Ausführungsform werden Spannungsveränderungen detektiert, indem die Versorgungsspannung über zwei Widerstände geteilt und die sich ergebende geteilte Spannung mit einer konstanten Referenzspannung, zum Beispiel aus einer Bandlücken-Referenz von 1,25 V, verglichen wird.
Weitere Einzelheiten zur Implementierung der mit Bezug auf 15–18 beschriebenen Sensor-Ausführungsformen können der Quelle [5] entnommen werden, die PTAT sowie konstante Spannungen und Ströme ausführlich beschreibt.
19 ist ein Blockschaltbild, das eine beispielhafte Ausführungsform eines Betriebsbedingungs-Änderungsdetektors darstellt. Die gemessenen Parameterwerte von den Sensoren 100 werden an eine Menge von A/D-Umsetzern 200 weitergeleitet. Die digitalisierten Werte werden an RAM-Zellen 202 und Addierer 204 weitergeleitet. Die Addierer 204 bilden die Differenzen zwischen den gemessenen Parameterwerten und den beim vorigen Kalibrierungsbeginn in den RAM-Zellen 202 gespeicherten Werten. Eine Einheit 206 bestimmt ein Änderungsmaß, zum Beispiel nach einer der obigen Gleichungen. Dieses Änderungsmaß wird an eine Schwellwerteinheit 208 weitergeleitet. Wenn das Änderungsmaß den Schwellwert überschreitet, wählt ein CTRL_SKP_RT-Signal eine höhere Überspringrate aus. Andernfalls wählt es eine niedrigere Überspringrate aus. Einheit 206 erzeugt außerdem jedes Mal, wenn ein Änderungswert bestimmt worden ist, ein Signal, das das Schreiben der aktuellen Sensorwerte in die RAM-Zellen 202 ermöglicht.
Um den Einfluss von Rauschen und Störimpulsen zu verringern und die Genauigkeit der geschätzten Kalibrierungskoeffizienten allgemein zu verbessern, kann eine Mittelwertbildung von Koeffizienten aus mehreren Kalibrierfolgen verwendet werden, um die Kalibrierung statistisch zu verfeinern.
Einer der Vorteile der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Stand der Technik besteht darin, dass sie gesteuerte Hintergrundkalibrierung ermöglicht. Indem die Hintergrundkalibrierungs-Überspringrate verringert wird, wenn die Betriebsbedingungen stabil sind, wird der Signalfluss durch den A/D-Umsetzer weniger häufig unterbrochen, und daher wird die Bitfehlerrate verbessert.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine niedrige Hintergrundkalibrierungs-Überspringrate Leistung spart. Dieses Merkmal ist besonders für batteriebetriebene Ausrüstung, wie etwa mobile Endgeräte, attraktiv.
Die Erfindung stellt ein generisches Verfahren dar, das für die Hintergrundkalibrierung der meisten bekannten Architekturen von A/D-Umsetzern anwendbar ist, und ist daher für eine große Zahl von Anwendungen geeignet, nicht nur für jene, die digitale Funksysteme betreffen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf ein bestimmtes Kalibrierungsprinzip beschränkt. Stattdessen ist es unter Verwendung der vorliegenden Erfindung möglich, das Leistungsvermögen des Gesamtsystems zu verbessern und dabei eines aus einer großen Bandbreite von neuartigen und bestehenden Hintergrund-Kalibrierungsprinzipien zu verwenden.
Außerdem ist die vorliegende Erfindung nicht auf die zur Darstellung dienende Skip-and-fill-Hintergrundkalibrierung vom Interpolationstyp beschränkt. Sie ist gleichermaßen auf jede Hintergrundkalibrierung anwendbar, die gelegentlich den Datenfluss durch den Haupt-Umsetzungsweg stört. Zum Beispiel ist es möglich, einen zusätzlichen A/D-Umsetzer mit niedrigerem Leistungsvermögen zum Abtasten der Abtastwerte zu verwenden, die vom Haupt-A/D-Umsetzer übersprungen werden.
Es ist für den Fachmann verständlich, dass verschiedene Abwandlungen und Änderungen der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne von ihrem Schutzbereich abzuweichen, der durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.
QUELLENANGABEN

[1] US-Patent 5499027, A. N. Karanicolas, und H.-S. Lee, "Digitally self-calibrating pipeline analog-to-digital converter".
[2] O. E. Erdogran, P. J. Hurst, und S. H. Lewis, "A 12b Digital-Background-Calibrated Algorithmic ADC with –90 dB THD", 1999 Intl. Solid-State Circ. Conf., Seiten 316–317, Februar 1999, IEEE.
[3] U.-K. Moon, und B.-S. Song, "Background Digital Calibration Techniques for Pipelined ADCs", IEEE Trans. Circ. Syst. – II, Seiten 102–109, Bd. 44, Nr. 2, Februar 1997, IEEE.
[4] S.-U. Kwak, B-S. Song, und K. Bacrania, "A 15-b, 5-Msample/s Low-Spurious CMOS ADC", IEEE J. Solid-State Circ, Seiten 1866–1875, Bd. 32, Nr. 12, Dezember 1997, IEEE.
[5] B. Razavi, "Design of Analog CMOS Integrated Circuits", McGraw-Hill, Seiten 361–388.

Claims

Verfahren zur Hintergrundkalibrierung eines A/D-Umsetzers des "Skip-and-fill"-Typs, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Verfolgen von Änderungen der Betriebsbedingungen (S1); und Anpassen der Überspringrate der Hintergrundkalibrierung an die Änderungsrate der Betriebsbedingungen des A/D-Umsetzers (S2–S4).
Verfahren nach Anspruch 1 mit den folgenden Schritten: Bestimmen eines Maßes, das eine Änderung mindestens eines Parameters der Betriebsbedingungen darstellt; Erhöhen der Überspringrate, wenn das Maß einen vorbestimmten Änderungsschwellwert überschreitet; und Verringern der Überspringrate, wenn das Maß unter den Änderungsschwellwert sinkt.
Verfahren nach Anspruch 1 mit den folgenden Schritten: Bestimmen eines Maßes, das eine Änderung mindestens eines Parameters der Betriebsbedingungen darstellt; Erhöhen der Überspringrate, wenn das Maß einen ersten vorbestimmten Schwellwert überschreitet; und Verringern der Überspringrate, wenn das Maß unter einen zweiten vorbestmmten Schwellwert sinkt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Bestimmungsschritt wiederholt ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 mit dem Schritt des Erhöhens der Überspringrate, solange das Maß den Änderungsschwellwert überschreitet, bis eine maximale Überspringrate erreicht ist.
Verfahren nach Anspruch 4 mit dem Schritt des Verringerns der Überspringrate, solange das Maß den Änderungsschwellwert nicht überschreitet, bis eine minimale Überspringrate erreicht ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Bestimmungsschritt wiederholt ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 mit dem Schritt des Erhöhens der Überspringrate, solange das Maß den Änderungsschwellwert überschreitet, bis eine maximale Überspringrate erreicht ist.
Verfahren nach Anspruch 7 mit dem Schritt des Verringerns der Überspringrate, solange das Maß den Änderungsschwellwert nicht überschreitet, bis eine minimale Überspringrate erreicht ist.
Verfahren nach Anspruch 1 mit den folgenden Schritten: Bestimmen eines Maßes, das eine Änderungsrate mindestens eines Parameters der Betriebsbedingungen darstellt; Bestimmen einer neuen Überspringrate der Hintergrundkalibrierung durch Bewerten einer Funktion des Maßes.
Vorrichtung für die Hintergrundkalibrierung eines A/D-Umsetzers des "Skip-and-fill"-Typs, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung aufweist: eine Einrichtung zum Verfolgen von Änderungen der Betriebsbedingungen (102); und eine Einrichtung zum Anpassen der Überspringrate der Hintergrundkalibrierung an die Änderungsrate der Betriebsbedingungen des A/D-Umsetzers.
Vorrichtung nach Anspruch 11 mit: einer Einrichtung zum Bestimmen eines Maßes, das eine Änderung mindestens eines Parameters der Betriebsbedingungen darstellt; eine Einrichtung zum Erhöhen der Überspringrate, wenn das Maß einen vorbestimmten Änderungsschwellwert überschreitet; und eine Einrichtung zum Verringern der Überspringrate, wenn das Maß unter den Änderungsschwellwert sinkt.
Vorrichtung nach Anspruch 11 mit: eine Einrichtung zum Bestimmen eines Maßes, das eine Änderung mindestens eines Parameters der Betriebsbedingungen darstellt; eine Einrichtung zum Erhöhen der Überspringrate, wenn das Maß einen ersten vorbestimmten Schwellwert überschreitet; und eine Einrichtung zum Verringern der Überspringrate, wenn das Maß unter einen zweiten vorbestimmten Schwellwert sinkt.
Vorrichtung nach Anspruch 12 mit einer Einrichtung zum wiederholten Ausführen des Bestimmungsschritts.
Vorrichtung nach Anspruch 14 mit einer Einrichtung zum Erhöhen der Überspringrate, solange das Maß den Änderungsschwellwert überschreitet, bis eine maximale Überspringrate erreicht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14 mit einer Einrichtung zum Verringern der Überspringrate, solange das Maß den Änderungsschwellwert nicht überschreitet, bis eine minimale Überspringrate erreicht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13 mit einer Einrichtung zum wiederholten Ausführen des Bestimmungsschritts.
Vorrichtung nach Anspruch 17 mit einer Einrichtung zum Erhöhen der Überspringrate, solange das Maß den Änderungsschwellwert überschreitet, bis eine maximale Überspringrate erreicht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17 mit einer Einrichtung zum Verringern der Überspringrate, solange das Maß den Änderungsschwellwert nicht überschreitet, bis eine minimale Überspringrate erreicht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11 mit: eine Einrichtung zum Bestimmen eines Maßes, das eine Änderungsrate mindestens eines Parameters der Betriebsbedingungen darstellt; eine Einrichtung zum Bestimmen einer neuen Überspringrate der Hintergrundkalibrierung durch Bewerten einer Funktion des Maßes.