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Die Erfindung betrifft eine Ausleseschaltung für einen kapazitiven differentiellen Sensor mit periodischen Ausgabesignalen. Die Erfindung betrifft ferner ein Sensorsystem mit einer Ausleseschaltung.
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Stand der Technik
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MEMS-Gyroskop-Sensoren sind immer häufiger in persönlichen elektronischen Geräten und IOT-Geräten zu finden. Für die meisten dieser Anwendungen ist der Stromverbrauch ein sehr kritischer Parameter, gleichzeitig sollten aber auch Leistungsparameter wie das Rauschen ständig verbessert werden.
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Einer der kritischsten Schaltungsblöcke im Gyroskopsystem ist der erste Ausleseblock, der üblicherweise als Kapazitäts-Spannungs-Wandler (C/V-Wandler) implementiert ist und wesentlich zum gesamten Rauschbudget und folglich zum Strombudget beiträgt. Ein solcher Block muss für seinen Betrieb eine rein integrierende Charakteristik im Frequenzbereich des Eingangssignals aufweisen und wird daher als Verstärker mit rein kapazitiver Rückkopplung implementiert.
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Eine Problematik von C/V-Wandlern sind Offsets an den Eingängen des C/V-Wandlers, die auf Ungenauigkeiten im Design des C/V-Wandlers basieren.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung eine verbesserte Ausleseschaltung für einen kapazitiven differentiellen Sensor mit periodischem Ausgabesignal und ein verbessertes Sensorsystem bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch die Ausleseschaltung und das Sensorsystem der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der untergeordneten Ansprüche.
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Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine Ausleseschaltung für einen kapazitiven differentiellen Sensor mit periodischen Ausgabesignalen bereitgestellt, wobei die Ausleseschaltung wenigstens umfasst:
- einen Kapazitäts-Spannungs-Wandler für Ausgabesignale des Sensors;
- eine Feedbackschaltung mit einer Abtasteinheit und einer Filtereinheit, wobei die Abtasteinheit eingerichtet ist, ein Differenzsignal zweier gegenphasiger Ausgabesignale des Kapazitäts-Spannungs-Wandlers abzutasten und ein abgetastetes Differenzsignal zu generieren, wobei die Filtereinheit eingerichtet ist, das abgetastete Differenzsignal zu mitteln und ein gemitteltes Differenzsignal zu generieren, und wobei die Feedbackschaltung eingerichtet ist, das gemittelte Differenzsignal als Feedback in den Kapazitäts-Spannungs-Wandler einzuspeisen.
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Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass eine verbesserte Ausleseschaltung für einen kapazitiven differenziellen Sensor mit periodischen Ausgabesignalen bereitgestellt werden kann, wobei ungewollte Offsets eines Kapazitäts-Spannungs-Wandlers der Ausleseschaltung verringert bzw. neutralisiert werden können. Hierzu umfasst die Ausleseschaltung neben dem Kapazitäts-Spannungs-Wandler eine Feedbackschaltung mit einer Abtasteinheit und einer Filtereinheit. Über die Abtasteinheit kann ein abgetastetes Differenzsignal zweier gegenphasiger Ausgabesignale des Kapazitäts-Spannungs-Wandlers generiert werden, während durch die Filtereinheit ein gemitteltes Differenzsignal generiert werden kann. Die Feedbackschaltung ist eingerichtet, das gemittelte Differenzsignal als Feedback in den Kapazitäts-Spannungs-Wandler einzuspeisen. Über das eingespeiste gemittelte Differenzsignal kann ein Gleichspannungsoffset des Kapazitäts-Spannungs-Wandlers verringert bzw. neutralisiert werden. Das gemittelte Differenzsignal der zwei gegenphasigen Ausgabesignale des Kapazitäts-Spannungs-Wandlers entspricht hierbei dem über eine Periode des periodischen Ausgabesignals des Kapazitäts-Spannungs-Wandlers gemittelten Gleichspannungsoffsets. Durch Einspeisung des gemittelten Differenzsignals mit entsprechendem Vorzeichen in die Eingabeanschlüsse des Kapazitäts-Spannungs-Wandlers kann der dort auftretende Gleichspannungsoffset reduziert bzw. neutralisiert werden.
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Hierdurch kann das Rauschverhalten des Kapazitäts-Spannungs-Wandlers und damit verbunden der gesamten Ausleseschaltung substantiell reduziert werden.
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Nach einer Ausführungsform ist die Feedbackschaltung ferner eingerichtet, das gemittelte Differenzsignal mit einem Gleichtaktspannungssignal zu überlagern.
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Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass durch das zusätzlich zu dem gemittelten Differenzsignal in die Eingangsanschlüsse des Kapazitäts-Spannungs-Wandlers eingespeiste Gleichtaktspannungssignal die an den Eingangsanschlüssen des Kapazitäts-Spannungs-Wandlers anliegende Spannung auf einen vorbestimmten Wert gebracht werden kann. Hierdurch kann der Kapazität-Spannungs-Wandler in einem bevorzugten Betriebsbereich betrieben werden, wodurch die Effizienz und Präzision des Kapazitäts-Spannungs-Wandlers erhöht werden kann.
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Nach einer Ausführungsform ist die Abtasteinheit eingerichtet, das Differenzsignal in einer vorbestimmten Abtastfrequenz abzutasten, wobei die Abtastfrequenz wenigstens ein Zweifaches einer Frequenz der gegenphasigen Ausgabesignale des Kapazitäts-Spannungs-Wandlers beträgt.
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Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass beim Abtasten durch die Abtasteinheit die Periodizität der Ausgabesignale des Kapazitäts-Spannungs-Wandlers berücksichtigt werden kann. Die Periodizität der Ausgabesignale des Kapazitäts-Spannungs-Wandlers entsprechen hierbei der Periodizität der Ausgabesignale des Sensors.
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Nach einer Ausführungsform ist die Abtasteinheit dazu eingerichtet, das Differenzsignal mit einer Abtastfrequenz abzutasten, die ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz der Ausgabesignale ist.
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Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass die Periodizität der Ausgabesignale durch die Abtastung durch die Abtasteinheit berücksichtigt werden kann. Hierdurch kann präzise der Gleichspannungsoffset der gegenphasigen Ausgabesignale des Kapazitäts-Spannungs-Wandlers ermittelt werden.
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Nach einer Ausführungsform ist die Filtereinheit eingerichtet ist, das gemittelte Differenzsignal in einer Ausgabefrequenz auszugeben, und wobei die Ausgabefrequenz Fout einem Bruchteil der Frequenz Fs der gegenphasigen Ausgabesignale des Kapazitäts-Spannungs-Wandlers entspricht: Fout = Fs/n mit n= {1, 2,...}.
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Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass ein präzises gemitteltes Differenzsignal und damit verbunden ein präziser Wert des Gleichspannungsoffsets bestimmt werden kann. Indem die Ausgabefrequenz maximal gleich der Periodizität der gegenphasigen Ausgabesignale des Kapazitäts-Spannungs-Wandlers ist, kann die Mittelung des abgetasteten Differenzsignals wenigstens über eine Periode, oder über eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Perioden, der gegenphasigen Ausgabesignale des Kapazitäts-Spannungs-Wandlers erfolgen. Hierdurch kann eine präzise Mittelung und damit verbunden eine präzise Bestimmung des Gleichspannungsoffsets erreicht werden.
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Nach einer Ausführungsform umfasst die Feedbackschaltung ferner ein Feedbackkondensatorelement, wobei das Feedbackkondensatorelement eingerichtet ist, das gemittelte Differenzsignal in den Kapazitäts-Spannungs-Wandler einzuspeisen.
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Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass das gemittelte Differenzsignal über das Feedbackkondensatorelement in Form einer Ladung in die Eingangsanschlüsse des Kapazitäts-Spannungs-Wandlers eingespeist werden kann. Hierdurch können die eingespeisten gemittelten Differenzsignale durch den Kapazitäts-Spannungs-Wandler als Feedback-Eingangssignale verarbeitet werden.
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Nach einer Ausführungsform ist die Filtereinheit als ein Filter mit endlicher Impulsantwort FIR ausgebildet.
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Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass eine leistungsfähiges und präzises Filtereinheit bereitgestellt werden kann.
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Nach einer Ausführungsform ist die Filtereinheit als ein passives Filterelement ausgebildet.
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Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass zum Betreiben der Filtereinheit keine zusätzliche Leistung benötigt wird. Hierdurch kann eine möglichst leistungssparende Ausleseschaltung bereitgestellt werden.
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Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Sensorsystem mit einem kapazitiven differentiellen Sensor mit periodischem Ausgabesignal und einer Ausleseschaltung nach einer der voranstehenden Ausführungsformen bereitgestellt.
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Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass ein verbessertes Sensorsystem mit einer Ausleseschaltung mit den oben genannten technischen Vorteilen bereitgestellt werden kann.
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Nach einer Ausführungsform ist der Sensor als ein kapazitiver Drehratensensor ausgebildet.
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Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass ein verbessertes Sensorsystem mit einem kapazitiven Drehratensensor mit den oben genannten technischen Vorteilen bereitgestellt werden kann.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der folgenden Zeichnungen erläutert. In den schematischen Zeichnungen zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Sensorsystems mit einer Ausleseschaltung gemäß einer Ausführungsform;
- 2 ein Blockschaltbild einer Signalverarbeitung einer Ausleseschaltung gemäß einer Ausführungsform; und
- 3 ein Zeitschaltschema einer Signalverarbeitung einer Ausleseschaltung nach einer Ausführungsform.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Sensorsystems 200 mit einer Ausleseschaltung 100 gemäß einer Ausführungsform.
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In der gezeigten Ausführungsform umfasst das Sensorsystem 200 einen kapazitiven differenziellen Sensor 201 und eine Ausleseschaltung 100. Die Ausleseschaltung 100 umfasst einen Kapazitäts-Spannungs-Wandler 107 und eine Feedbackschaltung 101.
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Der Kapazitäts-Spannungs-Wandler 107 umfasst zwei Eingangsanschlüsse INP, INN und zwei Ausgangsanschlüsse OutP, OutN und ist eingerichtet, kapazitive Ausgangssignale des kapazitiven differenziellen Sensors 201 zu verstärken und in entsprechend verstärkte Spannungssignale umzuwandeln.
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Der Kapazitäts-Spannungs-Wandler 107 weist ferner zwei weitere Feedbackkondensatoren Cf auf, die gemäß dem Stand der Technik eingerichtet sind, ein kapazitives Feedbacksignal in Form von Signalladungen in die Eingangsanschlüsse INP, INN einzuspeisen.
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Die Feedbackschaltung 101 ist parallel zu den weiteren Feedbackkondensatoren Cf geschaltet und mit den Eingangsanschlüssen INP; INN und den Ausgangsanschlüssen OutP, OutN mit dem Kapazitäts-Spannungs-Wandler 107 verschaltet. Die Feedbackschaltung 101 umfasst eine Abtasteinheit 103 und eine Filtereinheit 105, die in Reihe zueinander verschaltet sind. In der gezeigten Ausführungsform umfasst die Feedbackschaltung 101 ferner zwei Feedbackkondensatoren Cfb und zwei Gleichtaktspannungsquellen VCM, die jeweils in einer Signalverarbeitungsrichtung D der Feedbackschaltung 101 nach der Filtereinheit 105 verschaltet sind.
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Die Feedbackschaltung 101 weist jeweils zwei Signalverarbeitungspfade auf, die von einander separiert jeweils zwischen den Eingangsanschlüssen INP, INN und den jeweiligen Ausgangsanschlüssen OutP, OutN verschaltet sind.
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Der kapazitive differenzielle Sensoren 201 weist periodische Ausgangssignale auf, und kann beispielsweise als ein kapazitiver Drehratensensor ausgebildet sein. Die periodischen kapazitiven Ausgangssignale des Sensors 201 werden in Form von entsprechenden Signalladungen als entsprechende Eingangssignale VinP, VinN in die Eingangsanschlüssen INP, INN des Kapazitäts-Spannungs-Wandlers 107 eingespeist. Der Kapazitäts-Spannungs-Wandler 107 verstärkt die Eingabesignale VinP, VinN und wandelt diese in entsprechende Spannungssignale um und gibt entsprechende Ausgabesignale VoutP, VoutN aus. Die Ausgabesignale VoutP, VoutN weisen hierbei die Periodizität der periodischen Ausgabesignale des kapazitiven Sensors 201 auf und sind vollständig differentiell, sprich als vollständig gegenphasige Ausgabesignale ausgebildet.
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Die beiden gegenphasigen Ausgabesignale aus den beiden Ausgabeanschlüssen OutP, OutN werden durch die beiden Signalverarbeitungspfade der Feedbackschaltung 101 in die Abtasteinheit 103 geleitet. Die Abtasteinheit 103 ist eingerichtet, ein Differenzsignal der beiden gegenphasigen Ausgabesignale zu bilden und in einer Abtastfrequenz das Differenzsignale abzutasten und ein entsprechendes abgetastetes Differenzsignal zu bilden. Das abgetastete Differenzsignal wird an die Filtereinheit 105 übertragen, die eingerichtet ist, das abgetastete Differenzsignal zu mitteln und in einer Ausgabefrequenz ein gemitteltes Differenzsignal auszugeben. In der gezeigten Ausführungsform wird das gemittelte Differenzsignal mit einem Gleichtaktspannungssignal der Gleichtaktspannungsquellen überlagert und mit dem gemittelten Differenzsignal und dem überlagerten Gleichtaktspannungssignal werden jeweils die zwei Feedbackkondensatoren Cfb geladen. Die Feedbackkondensatoren Cfb bilden hierbei mit dem gemittelten Differenzsignal und dem Gleichtaktspannungssignalen entsprechende Signalladungen, die in die Eingabeanschlüsse INP, INN des Kapazitäts-Spannungs-Wandlers 107 als Feedbacksignale eingespeist werden.
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Die Filtereinheit 105 kann beispielsweise als ein Filter mit endlicher Impulsantwort FIR ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Filtereinheit 105 als ein passiver Filter betrieben werden.
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Die Gleichtaktspannungsquelle VCM kann beispielsweise eine Erdungsspannung sein. Alternativ kann die Gleichtaktspannung als eine Referenz proportional zur Betriebsspannung des Kapazitäts-Spannungs-Wandlers 107 generiert sein.
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Die Feedbackschaltung 101 ist somit eingerichtet, periodische und gegenphasige Spannungssignale des Kapazitäts-Spannungs-Wandlers 107 in ein gemitteltes Differenzsignal umzuwandeln, das einer Differenz der beiden gegenphasigen Ausgangssignale des Kapazitäts-Spannungs-Wandlers 107 entspricht, dieses mit Gleichtaktspannungssignalen zu überlagern und entsprechende Signalladungen in die Eingangsanschlüsse INP, INN des Kapazitäts-Spannungs-Wandlers 107 als Feedback einzuspeisen.
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Durch das Einspeisen des gemittelten Differenzsignals in die Eingangsanschlüsse INP, INN des Kapazitäts-Spannungs-Wandlers 107 kann der Gleichspannungsoffset des Kapazitäts-Spannungs-Wandlers 107 verringert oder neutralisiert werden. Darüber hinaus kann ein thermisches Rauschen des Kapazitäts-Spannungs-Wandlers 107 verringert werden.
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Durch das Einspeisen der Gleichtaktspannungssignale VCM in die Eingangsanschlüsse INP, INN des Kapazitäts-Spannungs-Wandlers 107 können die an den Eingangsanschlüssen INP, INN des Kapazitäts-Spannungs-Wandlers herrschenden Spannungsniveaus gesteuert werden, um somit den Kapazitäts-Spannungs-Wandler 107 in einem bevorzugten Betriebszustand betreiben zu können.
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In der gezeigten Ausführungsform ist die Feedbackschaltung 101 als eine Feedbackschleife 1. Ordnung ausgebildet und die Feedbacksignale, bestehend aus dem gemittelten Differenzsignal und den Gleichtaktspannungssignalen VCM, können als entsprechende Signalladungen in die Eingangsanschlüsse INP, INN des Kapazitäts-Spannungs-Wandlers 107 eingespeist werden. Hierdurch kann die Steuerung der Gleichtaktspannung an den Eingangsanschluss INP, INN technisch einfach als eine Ladungsteilung zwischen den Eingangsanschlüssen INP, INN und den Gleichtaktspannungssignalen der Feedbackkondensatoren Cfb der Feedbackschaltung 101 ausgebildet sein.
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Die Ausleseschaltung 100 kann insbesondere als eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung ASIC ausgebildet sein.
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2 zeigt ein Blockschaltbild einer Signalverarbeitung einer Ausleseschaltung 100 gemäß einer Ausführungsform.
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Zur Signalverarbeitung der Ausgabesignale VoutP, VoutN des kapazitiven Spannungswandlers 107 durch die Feedbackschaltung 101 werden die Ausgabesignale VoutP, VoutN entlang einer Signalverarbeitungsrichtung D zunächst in die Abtasteinheit 103 eingeführt. Die Abtasteinheit 103 bildet aus den beiden gegenphasigen Ausgabesignalen VoutP, VoutN, die jeweils periodische Signale sind und die Periodizität der periodischen Ausgabesignale des kapazitiven differentiellen Sensors 201 aufweisen, ein entsprechendes Differenzsignal, das einer Differenz der beiden gegenphasigen Ausgabesignale VoutP, VoutN entspricht. Gemäß einer Abtastfrequenz Fsmp und einer zeitlichen Abtastperiode Tsmp=1/Fsmp tastet die Abtasteinheit 103 das gemittelte Differenzsignal Vdiff ab und bildet ein abgetastetes Differenzsignal. Die Abtastfrequenz Fsmp kann hierbei einem ganzzahligen Vielfachen der Frequenz Fs der periodischen Ausgabesignale VoutP, VoutN des Kapazitäts-Spannungs-Wandlers 107 entsprechen, wobei die periodischen Ausgabesignale VoutP, VoutN eine entsprechende Periode Ts=1/Fs aufweisen. Die Frequenz Fs der Ausgabesignale VoutP, VoutN entspricht hierbei der Frequenz der periodischen Ausgabesignale des kapazitiven differentiellen Sensors 201.
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Die Abtasteinheit 103 gibt darauffolgend das abgetastete Differenzsignal Vdiff an die Filtereinheit 105 ab. Die Filtereinheit 105 mittelt das abgetastete Differenzsignal Vdiff und bildet ein gemitteltes Differenzsignal Vdiff_avg. Gemäß einer Ausgabefrequenz Fout gibt die Filtereinheit 105 das gemittelte Differenzsignal Vdiff_avg als Ausgabesignal aus. Das Ausgabesignal weist hierbei entsprechend der Ausgabefrequenz Fout eine Ausgabeperiode Tout=1/Fout auf. Die Ausgabefrequenz Fout kann hierbei einen Bruchteil der Frequenz Fs der gegenphasigen Ausgabesignale VoutP, VoutN des Kapazitäts-Spannungs-Wandlers 107 entsprechen und der folgenden Relation genügen, Fout = Fs/n mit n = 1, 2,....
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In Abhängigkeit der Ausgabefrequenz Fout kann somit eine Mittelung des gemittelten Differenzsignals Vdiff für wenigstens eine Periode der periodischen Ausgabesignale VoutP, VoutN des Kapazitäts-Spannungs-Wandler 107 durchgeführt werden.
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Die gemittelten Differenzsignale Vdiff_avg werden darauffolgend jeweils mit einem Gleichtackt-Spannungssignal VCM überlagert und an die jeweiligen Eingangsanschlüsse INP, INN ausgegeben. In 2 sind die Feedbackkondensatoren Cfb nicht dargestellt. Der Ausführung zu 1 folgend, werden die überlagerten Differenzsignale Vdiff_avg und Gleichspannungssignale VCM in Form entsprechender Signalladungen in die Eingangsanschlüssen INP, INN eingespeist.
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3 zeigt ein Zeitschaltschema einer Signalverarbeitung einer Ausleseschaltung 100 nach einer Ausführungsform.
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3 zeigt einen zeitlichen Verlauf der beiden periodischen gegenphasigen Ausgabesignale VoutP, VoutN des Kapazitäts-Spannungs-Wandlers 107. Die beiden Ausgabesignale VoutP, VoutN sind sinusförmig und vollständig gegenphasig. Ferner weisen die beiden Ausgabesignale VoutP, VoutN eine gegenseitige Verschiebung in Form eines Gleichspannungsoffsets DC-Offset auf, der sich durch die nicht verschwindende Differenz im Nulldurchgang der beiden Ausgabesignale VoutP, VoutN zeigt.
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Ferner sind in 3 für verschiedene Abtastzeitpunkte Differenzsignale Vdiff dargestellt, die durch die Abtasteinheit 103 als Differenz aus den beiden gegenphasigen Ausgabesignalen VoutP, VoutN generiert sind. Das durch die Abtasteinheit 103 gebildete Differenzsignal Vdiff wird im Folgenden gemäß einer Abtastfrequenz Fsmp in der gezeigten Abtastperiode Tsmp=1/Fsmp abgetastet und ein entsprechend abgetastetes Differenzsignal generiert. Die Abtastfrequenz Fsmp entspricht hierbei wenigstens der zweifachen Frequenz Fs der periodischen Ausgabesignale VoutP, VoutN. In der gezeigten Ausführungsform entspricht die Abtastfrequenz Fsmp dem Vierfachen der Frequenz Fs der Ausgabesignale VoutP, VoutN, wodurch die gezeigte Abtastperiode Tsmp einem Viertel der Periode Ts=1/Fs der periodischen Ausgabesignale VoutP, VoutN entspricht.
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Das abgetastete Differenzsignal Vdiff wird wie im oben dargelegt durch die Filtereinheit 105 gemittelt und in einer Ausgabefrequenz Fout und mit einer entsprechenden Ausgabeperiode Tout=1/Fout ausgegeben. In der gezeigten Ausführungsform entspricht die Ausgabefrequenz Fout=1/Tout der Frequenz Fs=1/Ts der Ausgabesignale VoutP, VoutN, wodurch die Ausgabeperiode Tout ebenfalls der Periode Ts der Ausgabesignale VoutP, VoutN entspricht. Alternativ hierzu kann die Ausgabefrequenz Fout einen Bruchteil der Frequenz Fs, spricht Fs/n mit n = 1, 2, ..., entsprechen. In der gezeigten Ausführungsform in 3 wird das abgetastete Differenzsignal Vdiff somit durch die Filtereinheit 105 für eine Periode Ts der Ausgabesignale VoutP, VoutN gemittelt. Bei einer geringeren Ausgabefrequenz Tout kann hingegen das abgetastete Differenzsignal Vdiff für ein ganzzahliges Vielfaches der Periode der Ausgabesignale VoutP, VoutN gemittelt und ein entsprechend gemitteltes Differenzsignal Vdiff_avg generiert werden.
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Das gemittelte Differenzsignal Vdiff_avg beschreibt hierbei den Gleichspannungsoffset DC-Offset.
