設(shè)置Delta-Sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器中輸出信號(hào)有效分辨率的方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種用于借助增量型Delta-Sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)置增量型Delta-Sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的輸出信號(hào)的有效分辨率的方法,其中,輸入信號(hào)與在反饋支路中形 成的基準(zhǔn)電壓信號(hào)的差被輸送至第一積分器。
[0002] 本發(fā)明還設(shè)及一種用于增量型Delta-Sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換的裝置,其中,增量型Delta-Sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器包括:用于形成模擬調(diào)制器輸入信號(hào)與模擬基準(zhǔn)電壓信號(hào)之間的差并且 產(chǎn)生差分電壓信號(hào)(U^ in)的差分形成器、用于對(duì)差分信號(hào)進(jìn)行積分或累加并且產(chǎn)生第一積 分器信號(hào)(Ul)的可復(fù)位的第一積分器、用于接收積分器信號(hào)并且產(chǎn)生量化信號(hào)的量化器W 及用于接收該數(shù)字量化信號(hào)并且將基準(zhǔn)電壓信號(hào)輸出到差分形成器的在反饋支路中的數(shù) 模轉(zhuǎn)換器。
【背景技術(shù)】
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)描述了不同結(jié)構(gòu)樣式的增量型Delta-Sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器(iDS-ADC),在他 們中,要轉(zhuǎn)換的輸入信號(hào)首先通過(guò)調(diào)制器回路W-定的預(yù)定的時(shí)鐘周期數(shù)量N進(jìn)行調(diào)制,并 且對(duì)內(nèi)部量化器的輸出端處的數(shù)字比特流進(jìn)行數(shù)字濾波。隨后,數(shù)字濾波器在N個(gè)時(shí)鐘周期 之后輸出模擬輸入信號(hào)化n的數(shù)字表示。
[0004] 從現(xiàn)有技術(shù)已知一些方法和裝置,利用它們W避免或解決在使用增量型Delta-Sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器時(shí)所出現(xiàn)的問(wèn)題。
[0005] 例如在US 6 909 388 Bl中公開(kāi)了一種方法,借助該方法可W隔離和補(bǔ)償用于使 用增量型Delta-Sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器的情況下的模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換的采樣輸入信號(hào)的輸入偏移。 在使用分形算法的情況下,為此使用采樣序列,借助該采樣序列,可W經(jīng)由合適的開(kāi)關(guān)電容 補(bǔ)償偏移。因此,在US 6 909 388 Bl中,除了實(shí)時(shí)補(bǔ)償偏移和相應(yīng)增大iDS-ADC的有效的輸 出動(dòng)態(tài)范圍之外,還可W實(shí)現(xiàn)降低輸出信號(hào)中的閃變?cè)肼暦至?。另外,在US 6 909 388 Bl 中提出的方法不依賴于例如導(dǎo)致組件不匹配的大量技術(shù)工藝參數(shù)變化。
[0006] 在US 2008/0074303 Al中公開(kāi)了一種用于改善穩(wěn)定性和用于增大多級(jí)的增量型 De 1 ta-Si gma模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的輸入電壓范圍的方法。其中,在每次新的AD轉(zhuǎn)換的起始,要么 至少一個(gè)積分器級(jí)要么多個(gè)積分器級(jí)保持在復(fù)位狀態(tài)中,并且根據(jù)具體方案僅在第一個(gè)循 環(huán)過(guò)程(Schleifendurchlauf)之后進(jìn)行切換,或者所有的積分器級(jí)在開(kāi)始時(shí)處于復(fù)位狀態(tài) 并且每次循環(huán)過(guò)程或每次迭代逐級(jí)地進(jìn)行切換。相應(yīng)的積分器級(jí)在此保持穩(wěn)定,如iDS-ADC 的總傳輸那樣。因此,利用根據(jù)US 2008/0074303 Al的復(fù)位初始化方法能夠?qū)崿F(xiàn)噪聲傳輸 函數(shù)(Noise-Transf e;r-Function,NTF),其在較大的iDS-ADC輸入電壓信號(hào)時(shí)可能導(dǎo)致在某 些情況下ADC的不穩(wěn)定的特性。其結(jié)果是,可W實(shí)現(xiàn)更加積極(aggressivere)的NTF或可W 利用iDS-ADC處理更大的輸入電壓信號(hào)范圍。此外,借助在US 2008/0074303 Al中闡述的方 法,實(shí)現(xiàn)了尤其是對(duì)于滿足(例如在較高的輸入信號(hào)電平時(shí))所需的穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)使更高 階的iDS-ADC變得簡(jiǎn)化。因此,在US 2008/0074303 Al中除其它外給出了iDS-ADC的具體應(yīng) 用,即,iDS-ADC的延遲僅對(duì)應(yīng)所連接的采樣濾波器的基帶采樣周期的大約一半,由此可W 實(shí)現(xiàn)例如借助逐次逼近寄存器(SAR)型轉(zhuǎn)換器的各個(gè)轉(zhuǎn)換。運(yùn)對(duì)于在運(yùn)樣的應(yīng)用中使用運(yùn) 種類型的ADC來(lái)說(shuō)是有利的,其中,每次轉(zhuǎn)換的能量需求是首要的,和/或其中,ADC應(yīng)該、可 W或必須反復(fù)進(jìn)入靜止?fàn)顟B(tài)。后一種情況例如是多路復(fù)用系統(tǒng)的情況,其中,同一或相同的 ADC應(yīng)處理不同的輸入源的信號(hào)。運(yùn)例如無(wú)法利用傳統(tǒng)的Delta-Sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)相同 的程度,而是需要增大的控制耗費(fèi)、時(shí)間耗費(fèi)和能量耗費(fèi)。
[0007]在iDS-ADC中往往使用開(kāi)關(guān)電容(簡(jiǎn)稱SC)裝置,W處理將要數(shù)字化的輸入信號(hào)和 所需的基準(zhǔn)電壓。為了減少由于使用電容所產(chǎn)生的所謂的不匹配誤差并且同時(shí)最小化運(yùn)種 類型的電路中的電荷轉(zhuǎn)移所需的階段(采樣和電荷轉(zhuǎn)移),US 2011/0163901 Al提出了一種 方法,其中,借助通過(guò)在A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中合適地選擇不同的輸入電容并將其輪流分配的電容 陣列,可W最終減少不匹配影響W及增益誤差。在此,在US 2011/0163901 Al中提出的方法 設(shè)及在使用截?cái)嗟膮⒖夹盘?hào)的情況下操作的iDS-ADC。根據(jù)US 2011/0163901 Al,信號(hào)與參 考值的比(S/R)因此必須小于1,W便確保更高階的iDS-ADC中的穩(wěn)定性。對(duì)此,似乎可W利 用在US 2011/0163901 Al中描述的方法來(lái)減少不匹配誤差和增益誤差,W借助上述的電容 陣列最終還實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的衰減并且因此實(shí)現(xiàn):S/R<1,其意味著在具有截?cái)嗟膮⒖夹盘?hào) 的iDS-ADC中的調(diào)制器穩(wěn)定性。
[000引該方法的具體實(shí)現(xiàn)在2006年屯月出版的第41卷第7期的IE邸Journal Of Solid-state CircuitsdE 邸的固 體電路期刊) 中的由V.Quiquempoix 等人發(fā)表的《A Low-Power 22-bit Incremental ADC(低功率的22位增量型模數(shù)轉(zhuǎn)換器)》中進(jìn)行了闡述,其中,使用了 立階061*曰-51旨111曰模數(shù)轉(zhuǎn)換器。致力于2/3的SA比,W便獲得輸入電容Cin上的iDS-ADC的差 分輸入電荷化n(取決于輸入電壓化n和在iDS-ADC的反饋路徑中產(chǎn)生的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的 輸出電壓Udac),其中,Qin = Cin(2/3 - Uin-UDAC)適用。除了原則上必須S/R< 1的條件W外, V.Quiquempoix等人還闡述了,用于iDS-ADC中的A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘周期數(shù)量N應(yīng)是參考值的整 數(shù)倍,W便在iDS-ADC中不再重新產(chǎn)生增益誤差。
[0009] DE 102011079211 B3描述了 一種方法及其實(shí)現(xiàn)為增量型Delta-Sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換 器,其中,借助基于內(nèi)部處理的量化噪聲(其取決于在(多級(jí))積分器級(jí)鏈的輸出端的iDS-ADC 中的輸入信號(hào) ) 的特定的最小測(cè)定來(lái)確定量化誤差。因此,根據(jù) DE 102011079211 B3 可 W實(shí)現(xiàn)iDS-ADC的輸出信號(hào)的精度或輸出值的精度的改善。此外,DE 102011079211 B3描述 了,鑒于所闡述的用于改善ADC輸出值的精度的方法,可W或應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)在新的AD轉(zhuǎn)換之前復(fù) 位轉(zhuǎn)換器值。此外,DE 102011079211 B3公開(kāi)了,在該方法中,借助傳播時(shí)間相關(guān)系數(shù)對(duì)量 化噪聲信號(hào)進(jìn)行縮放,W便利用相應(yīng)地縮放的信號(hào)執(zhí)行iDS-ADC中的循環(huán)過(guò)程的調(diào)節(jié)。循環(huán) 過(guò)程的運(yùn)種調(diào)節(jié)主要W盡可能高的ADC輸出值的精度為目標(biāo)。
[0010] 增量型Delta-Sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器W典型的方式處理模擬輸入信號(hào),W便分配與該 輸入信號(hào)盡可能成比例的數(shù)字輸出信號(hào),或W便實(shí)現(xiàn)將模擬輸入信號(hào)優(yōu)選地明確地映射到 數(shù)字輸出值上(圖1)。
[0011] 通常,輸入信號(hào)與寬帶噪聲(熱噪聲)疊加。存在一系列的ADC固有噪聲源,諸如電 阻的熱噪聲或在ADC電路中具有pn結(jié)的有源組件的復(fù)合噪聲。在基于Delta-Sigma的變換器 中,往往由所謂的量化噪聲決定輸出噪聲并且由閃變?cè)肼暬?/f噪聲決定輸入噪聲。由于噪 聲形成在(不僅傳統(tǒng)的而且增量型的)Delta-Sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部,所W可W通過(guò)所謂 的噪聲整形將大部分量化噪聲W及輸入信號(hào)的大部分熱噪聲化N向較高的頻率推移,并且可 W借助低通濾波器對(duì)其濾波,并且將其從將要數(shù)字化的信號(hào)中去除。然而,由此不能補(bǔ)償諸 如直流信號(hào)偏移的信號(hào)分量和/或大部分閃變?cè)肼?。圖2示出了圖1的增量型Delta-Sigma模 數(shù)轉(zhuǎn)換器的等效的示意圖作為時(shí)間離散的系統(tǒng),也就是說(shuō)W采樣的方式工作的系統(tǒng)。輸入 信號(hào)噪聲應(yīng)是化N,并且由量化引起的噪聲應(yīng)是E。
[0012] 提高增量型Delta-Sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器中調(diào)制器的階數(shù)通常會(huì)導(dǎo)致ADC輸出值精度 的提高,其中,同時(shí)增加了實(shí)施費(fèi)用并且使得確保調(diào)制器環(huán)路的穩(wěn)定性變得更加困難,或者 僅能實(shí)現(xiàn)很小的環(huán)路穩(wěn)定性余量(Schleifenstabilitatsreserven)。運(yùn)反過(guò)來(lái)導(dǎo)致調(diào)制器環(huán)路的 和因此ADC自身的更高的、非期望的易受干擾性。提高調(diào)制器階數(shù)同樣會(huì)導(dǎo)致可在增量型 De Ita-Sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器中處理的輸入信號(hào)范圍的減小并且因此導(dǎo)致輸入動(dòng)態(tài)范圍的減 小。
[0013] 增量型Delta-Sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器與傳統(tǒng)的Delta-Sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器的區(qū)別尤其在 于,積分器針對(duì)每次新的A/D轉(zhuǎn)換都進(jìn)行復(fù)位,并且因此存在輸入信號(hào)值到剛好僅一個(gè)輸出 信號(hào)值的直接映射。此外,運(yùn)對(duì)于在具有多個(gè)輸入信號(hào)源的多路復(fù)用系統(tǒng)中的使用是有利 的。
[0014] 各個(gè)基于Delta-Sigma調(diào)制器的更高階數(shù)的變換器就其穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)受限于僅對(duì)應(yīng) 于所使用的基準(zhǔn)電壓的一部分的輸入信號(hào)范圍(動(dòng)態(tài)范圍)。