DE10342056B4 - Additionsschaltung für Sigma-Delta-Modulatorschaltungen - Google Patents

Additionsschaltung für Sigma-Delta-Modulatorschaltungen Download PDF

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Abstract

Sigma-Delta-Modulatorschaltung, umfassend eine Filterschleife (60) mit mindestens einem Integratormittel (30) zur Rauschformung,
eine Quantisierungsschaltung (50) zur Quantisierung eines Ausgangssignals der Filterschleife (60),
eine Rückkopplungsschleife (70) mit einer Digital-Analog-Wandlerschaltung (55) zur Rückkopplung eines digitalen Ausgangssignals (2) der Sigma-Delta-Modulatorschaltung in mindestens einen Knotenpunkt (40) der Filterschleife (60), und
eine Additionsschaltung zur Addition von einem ersten zu addierenden Signal (V1) mit mindestens einem weiteren zu addierenden Signal (V2) an einem Knotenpunkt (45) am Signaleingang der Quantisierungsschaltung (50),
dadurch gekennzeichnet,
dass die Additionsschaltung einen ersten Speicherkondensator (21), mindestens einen weiteren Speicherkondensator (22) sowie Schaltmittel (11, 12) umfasst,
wobei die Additionsschaltung derart ausgestaltet ist, dass während einer ersten Taktphase jedes der zu addierenden Signale in einem entsprechenden Speicherkondensator (21, 22) durch eine Aufladung des Speicherkondensators (21, 22) gespeichert wird,
wobei während einer zweiten Taktphase die Speicherkondensatoren (21, 22) mittels der Schaltmittel (11, 12) parallel geschaltet sind, wodurch ein...

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Additionsschaltung, im Speziellen eine Additionsschaltung für eine Addition von Signalen am Signaleingang einer Quantisierungsschaltung in kondensatorgeschalteten Sigma-Delta-Modulatorschaltungen, z.B. zur Verwendung in Breitband-Datenübertragungssystemen.
  • Bei elektronischen Schaltungen besteht aufgrund verkleinerter Bauteilgrößen eine Tendenz, in den Schaltungen verwendete Versorgungsspannungen zu verringern. Mit dieser verringerten Versorgungsspannung reduziert sich auch ein maximal möglicher Signalpegel und ein Signal-Rausch-Verhältnis verschlechtert sich.
  • Bei kondensatorgeschalteten Sigma-Delta-Modulatorschaltungen, welche z.B. in Breitband-Datenübertragungssystemen eingesetzt werden, hängt beispielsweise der maximal mögliche Signalpegel von einer Referenzspannung ab, welche wiederum durch die Versorgungsspannung begrenzt ist. Für ein günstiges Signal-Rausch-Verhältnis ist somit die Referenzspannung so hoch wie möglich zu wählen, ohne dass es an Knotenpunkten der Schaltung zu einer Sättigung der Signalpegel kommt. Alternativ besteht die Möglichkeit, ein spezifiziertes Signal-Rausch-Verhältnis zu erreichen, indem durch eine entsprechend modifizierte Gestaltung der Schaltung ein Rauschpegel reduziert wird.
  • Ein Problem der Vorgehensweise, die Referenzspannung an die kleinere Versorgungsspannung anzupassen, und das spezifizierte Signal-Rausch-Verhältnis über eine Reduktion des Rauschpegels zu erreichen, liegt in einer erhöhten Stromaufnahme der Schaltung. Beispielweise ist eine Reduktion des Rauschpegels um einen Faktor 2, d.h. um 3 dB, mit einer ungefähr doppelten Stromaufnahme verbunden.
  • Bei kondensatorgeschalteten Sigma-Delta-Modulatorschaltungen kommt hinzu, dass auch ein zum reziproken Wert einer Schaltungskapazität proportionales thermisches Rauschen in dem selben Maß reduziert werden muss, d.h. eine Vergrößerung von Kapazitäten erforderlich ist. Die Vergrößerung von Kapazitäten ist bei typischen Halbleiter-Schaltungen mit einem erhöhten Platzbedarf auf einem zur Realisierung der Schaltung verwendeten Halbleiter-Chip verbunden.
  • Eine weitere Möglichkeit, das spezifizierte Signal-Rausch-Verhältnis zu erreichen, besteht darin, neben einer Filterschleife und einer Rückkopplungsschleife eine Vorwärtskopplungsschleife in die Sigma-Delta-Modulatorschaltung einzufügen. Üblicherweise umfasst bei Sigma-Delta-Modulatorschaltungen die Filterschleife zur Rauschformung mindestens ein Integratormittel bzw. mehrere in Reihe geschaltete Integratormittel. Aus einem Ausgangssignal eines letzten Integratormittels der Reihenschaltung ist ein Eingangssignal einer Quantisierungsschaltung abgeleitet. Die Rückkopplungsschleife ist üblicherweise zur Rückkopplung eines Ausgangssignals der Quantisierungsschaltung in Signaleingänge der Integratormittel ausgestaltet.
  • Die Vorwärtskopplungsschleife dient hierbei dem Zweck, durch Vorwärtskopplung eines Eingangssignals der Sigma-Delta-Modulatorschaltung in Summationspunkte oder Knotenpunkte der Sigma-Delta-Modulatorschaltung einen Signalanteil eines ursprünglichen Eingangssignals der Sigma-Delta-Modulatorschaltung in der Filterschleife zu minimieren. Hierdurch können die Signalamplituden an Summationspunkten oder Knotenpunkten am Signaleingang von Integratormitteln der Filterschleife reduziert werden, so dass ein höherer Wert für die Referenzspannung gewählt werden kann, ohne dass es bei einer Vollaussteuerung an den betreffenden Knotenpunkten zu einer Sättigung der Signale kommt. Des Weiteren können in den Integratormitteln vereinfachte Verstärkeranordnungen, insbesondere einstufige Verstärkeranordnungen zum Einsatz kommen.
  • Eine Vorwärtskopplung des Eingangssignals der Sigma-Delta-Modulatorschaltung erfordert zusätzliche Additionen von Signalen. In analogen Schaltkreisen, wie z.B. in der Filterschleife eines Sigma-Delta-Modulators, ist die Addition von Signalen üblicherweise mit Hilfe von aktiven Blöcken, z.B. Operationsverstärkern, realisiert. Insbesondere für eine Addition am Signalausgang eines letzten Integratormittels der Filterschleife, d.h. am Signaleingang der Quantisierungsschaltung, ist ein ausschließlich für den Zweck der Addition von Signalen vorgesehener aktiver Block erforderlich. Ein Problem dieser Vorgehensweise besteht somit in einem erhöhten Flächenbedarf der Schaltungsanordnung auf dem Halbleiterchip sowie einer erhöhten Leistungsaufnahme.
  • Die US 2002/0110189 A1 beschreibt auf kondensatorgeschalteten Anordnungen basierende Filter. Eine derartige Anordnung umfasst eine Anzahl von Kondensatoren, welche durch Schaltmittel in unterschiedlicher Weise verschaltet werden können. Die Schaltmittel sind derart angesteuert, dass jeweils in einer Taktphase zunächst die Kondensatoren mit einem Eingangssignal der Anordnung geladen werden. In einer darauffolgenden weiteren Taktphase sind die Kondensatoren von dem Signaleingang der Anordnung abgekoppelt und geben ihre gespeicherte Energie weiter an eine Anordnung aus einem Operationsverstärker mit einem Rückkopplungskondensator.
  • Aus der DE 694 09 547 T2 ist ein Digital-Analog-Wandler mit niedriger Auflösung und hoher Linearität bekannt. Hierbei wird an einem Summiereingangsanschluss eines Operationsverstärkers eine Injektormatrix verwendet, welche Kondensatoren umfasst, die abwechselnd geladen und entladen werden. Die Injektorkondensatoren werden in einer ersten Phase mit einer gleichen Referenzspannung geladen. Mittels eines jeweils den Injektorkondensatoren zugeordneten Schalters kann bestimmt werden, ob in einer weiteren Taktphase der jeweilige Kondensator Ladung in den Operationsverstärker am Ausgang der Schaltung injiziert. Dabei ist es für bestimmte Zustände auch vorgesehen, dass die Injektorkondensatoren durch die Schaltmittel parallel geschaltet sind, so dass aus allen Injektorkondensatoren Ladung in den Eingang des Operationsverstärkers injiziert wird.
  • Die DE 37 33 682 C2 beschreibt einen Analog-Digital-Umsetzer, welcher insbesondere auch einen Sigma-Delta-Modulator umfasst. Der Sigma-Delta-Modulator beinhaltet dabei zwei Integratoren, wobei ein quantisiertes Ausgangssignal eines Komparators des Sigma-Delta-Modulators negativ an Summationspunkte jeweils vor den Integratoren rückgekoppelt wird. Bei der Schaltungsanordnung zur Summation der Signale am Eingang der Integratoren handelt es sich um eine kondensatorgeschaltete Anordnung mit jeweils einem Kondensator für jedes der zu addierenden bzw. subtrahierenden Signale. Die Kondensatoren können durch Schaltmittel derart verschaltet werden, dass sie entweder durch das entsprechende Eingangssignal geladen werden oder dass sie gemeinsam den Signaleingang eines Operationsverstärkers beaufschlagen. Eine Signaladdition am Eingang der Quantisierungsschaltung des Sigma-Delta-Modulators ist jedoch nicht vorgesehen.
  • Die DE 695 16 686 T2 beschreibt eine Sigma-Delta-Modulatorschaltung, wobei in diesem Fall speziell auf die Stabilität von Modulatoren hoher Ordnung eingegangen wird. Es ist dabei eine mehrfache Rückkopplungs- sowie auch eine Vorwärtskopplungs- bzw. Mitkopplungskonfiguration des Sigma-Delta-Modulators vorgesehen. Zur Beeinflussung der Rückkopplungskoef fizienten wird eine spezielle Skaliereinrichtung vorgeschlagen, welche in unterschiedliche Konfigurationen verschaltbare Kondensatoren umfasst, über welche der Signaleingang eines Integrators beaufschlagt wird. Die Ausführung der Signalsummation am Eingang der Quantisierungsschaltung des Sigma-Delta-Modulators mit Vorwärtskopplungskonfiguration ist jedoch nicht im Detail beschrieben.
  • Auch in der DE 691 03 977 T2 und der DE 694 22 109 T2 werden Sigma-Delta-Modulatoren beschrieben, welche ebenfalls kondensatorgeschaltete Komponenten aufweisen, die im Wesentlichen den oben beschriebenen entsprechen.
  • Aus der DE 41 27 096 A1 ist eine Vorwärtskopplung von Signalen an dem Signaleingang der Quantisierungsschaltung eines Sigma-Delta-Modulators bekannt. Auf die Ausführung der Signalsummation am Eingang der Quantisierungsschaltung wird nicht detailliert eingegangen. Es sind jedoch Schaltungskomponenten beschrieben, welche eine Signaladdition innerhalb eines kondensatorgeschalteten Filters der Sigma-Delta-Modulatorschaltung bewirken. Diese kondensatorgeschalteten Anordnungen umfassen insbesondere eine Verstärkerstufe am Signalausgang.
    •
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Sigma-Delta-Modulatorschaltung mit einer Additionsschaltung bereitzustellen, welche das oben beschriebene Problem löst und insbesondere eine effiziente Addition von Signalen am Signaleingang der Quantisierungsschaltung der Sigma-Delta-Modulatorschaltung ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird von einer Sigma-Delta-Modulatorschaltung gemäß Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
  • Eine Additionsschaltung in einer erfindungsgemäßen Sigma-Delta Modulatorschaltung umfasst hierfür Speicherkondensatoren und Schaltmittel. Die Additionsschaltung ist derart ausgestaltet, dass während einer ersten Taktphase jeder Speicherkondensator durch eine entsprechende Signalspannung aufgeladen wird. In einer zweiten Taktphase sind die Speicherkondensatoren mit Hilfe der Schaltmittel von den Signalspannungen abgekoppelt und parallel geschaltet, so dass ein Ladungsausgleich zwischen den Speicherkondensatoren stattfindet. Ein Ausgangssignal der Additionsschaltung wird durch eine Spannung gebildet, die nach dem Ladungsausgleich über die parallelgeschalteten Speicherkondensatoren abfällt, wobei die Additionsschaltung derart ausgestaltet ist, dass nach dem Ladungsausgleich die über die parallelgeschalteten Speicherkondensatoren abfallende Spannung bis auf einen Proportionalitätsfaktor oder Skalierungsfaktor einer Summe der zu addierenden Spannungssignale entspricht.
  • Vorzugsweise weisen die Speicherkondensatoren im Wesentlichen identische Kapazitäten auf.
  • Insbesondere kann die Additionsschaltung derart ausgestaltet sein, dass bei im Wesentlichen identischen Kapazitäten der Speicherkondensatoren der Skalierungsfaktor dem Kehrwert einer Anzahl der Speicherkondensatoren entspricht.
  • Die Additionsschaltung kann darüber hinaus einen Referenzspannungseingang umfassen. Der Referenzspannungseingang dient der Aufnahme einer Referenzspannung, z.B. für eine der Additionsschaltung nachgeschaltete Quantisierungsschaltung. Die Additionsschaltung ist dabei derart ausgestaltet, dass es aufgrund der angelegten Referenzspannung zu einem zusätzlichen Ladungsaustausch kommt, so dass nach erfolgtem Ladungsausgleich die Spannung, welche über die parallelgeschalteten Speicherkondensatoren abfällt, um einen Betrag vermindert oder erhöht ist, welcher der Referenzspannung entspricht.
  • Die Additionsschaltung ist speziell geeignet zur Addition von Signalen an einem Summationspunkt oder Knotenpunkt einer kondensatorgeschalteten Sigma-Delta-Modulatorschaltung, z.B. in einem Breitband-Datenübertragungssystem, insbesondere zur Addition von Signalen an einem am Signaleingang der Quantisierungsschaltung der Sigma-Delta-Modulatorschaltung befindlichen Knotenpunkt. An einem solchen Knotenpunkt der Sigma-Delta-Modulatorschaltung können beispielsweise die Ausgangssignale einer Filterschleife der Sigma-Delta-Modulatorschaltung, rückgekoppelte Signale einer Rückkopplungsschleife der Sigma-Delta-Modulatorschaltung oder vorwärtsgekoppelte Signale einer Vorwärtskopplungsschleife der Sigma-Delta-Modulatorschaltung anliegen.
  • Bei der erfindungsgemäßen Sigma-Delta-Modulatorschaltung, welche zur Addition von Signalen am Signaleingang der Quantisierungsschaltung die oben beschriebene Additionsschaltung umfasst, ist die Quantisierungsschaltung vorzugsweise derart ausgestaltet, dass ein Verstärkungsfaktor der Quantisierungsschaltung dem Kehrwert des Skalierungsfaktors der Additionsschaltung entspricht. Auf diese Weise kann eine Signalreduktion durch den Skalierungsfaktor auf einfache Weise kompensiert werden.
  • Der Verstärkungsfaktor der Quantisierungsschaltung ist dadurch bereitgestellt, dass die Referenzspannung für die Quantisierungsschaltung im Vergleich zu einer für eine Digital-Analog-Wandlerschaltung der Rückkopplungsschleife verwendeten Referenzspannung um einen Faktor, der dem Skalierungsfaktor entspricht, geringer ausgewählt ist.
  • Die Sigma-Delta-Modulatorschaltung ist vorzugsweise derart ausgestaltet, dass die Filterschleife mindestens ein Integratormittel umfasst, wobei sich Knotenpunkte der Sigma-Delta-Modulatorschaltung an einem Signaleingang bzw. an einem Signalausgang des mindestens einen Integratormittels befinden. Die Rückkopplungsschleife ist dabei vorzugsweise derart ausgestaltet, dass ein Ausgangssignal der Quantisierungsschaltung in Knotenpunkte an den Signaleingängen der Integratormittel rückgekop pelt wird. Die Vorwärtskopplungschleife ist vorzugsweise derart ausgestaltet, dass ein Eingangssignal der Sigma-Delta-Modulatorschaltung in Knotenpunkte an den Signalausgängen der Integratormittel vorwärtsgekoppelt wird. Ein Knotenpunkt am Signalausgang eines letzten Integratormittels entspricht dabei dem Knotenpunkt am Signaleingang der Quantisierungsschaltung.
  • Bei den zu addierenden Signalen der Additionsschaltung am Signaleingang der Quantisierungsschaltung handelt es sich somit vorzugsweise um ein vorwärtsgekoppeltes Eingangssignal der Sigma-Delta-Modulatorschaltung und ein Ausgangssignal des letzten Integratormittels der Filterschleife.
  • Durch Einsatz der Vorwärtskopplungsschleife können Signalpegel an den Knotenpunkten der Sigma-Delta-Modulatorschaltung optimal eingestellt werden, so dass ein Signalanteil des Eingangssignals der Sigma-Delta-Modulatorschaltung minimiert wird und im Idealfall in der Filterschleife ausschließlich ein Signalanteil eines Digitalisierungsrauschens verarbeitet wird.
  • Der Einsatz der oben beschriebenen Additionsschaltung am Signalausgang des letzten Integratormittels, d.h. am Signaleingang der Quantisierungsschaltung, bietet den Vorteil einer einfachen und effizienten Addition, ohne dass zusätzliche aktive Blöcke in der Sigma-Delta-Modulatorschaltung erforderlich sind. Hierdurch können die Vorteile der Vorwärtskopplung von Signalen zu Knotenpunkten der Sigma-Delta-Modulatorschaltung optimal ausgeschöpft werden. Es ergibt sich insgesamt eine verringerte Leistungsaufnahme der Schaltung und ein verringerter Platzbedarf bei einer Realisierung der Sigma-Delta-Modulatorschaltung auf einem Halbleiterchip.
  • Die Erfindung ist besonders geeignet zum Einsatz in einer kondensatorgeschalteten Sigma-Delta-Modulatorschaltung, z.B. in einem Breitband-Datenübertragungsystem, ist jedoch nicht auf diesen bevorzugten Anwendungsbereich beschränkt.
  • Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele ersichtlich.
    •
  • Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele erläutert.
  • 1 zeigt eine Additionsschaltung zur Addition von Signalen am Signaleingang einer Quantisierungsschaltung in einer kondensatorgeschalteten Sigma-Delta-Modulatorschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und
  • 2 zeigt schematisch eine kondensatorgeschaltete Sigma-Delta-Modulatorschaltung mit einer Vorwärtskopplungsschleife, wobei zur Addition eines vorwärtsgekoppelten Eingangssignals der Sigma-Delta-Modulatorschaltung mit einem Ausgangssignal einer Filterschleife eine Additionsschaltung wie in 1 gezeigt eingesetzt ist.
  • Ein in 1 gezeigtes Beispiel einer Additionsschaltung ist zur Addition von einem ersten Signal V1 mit einem zweiten Signal V2 ausgestaltet. Die Additionsschaltung ist zur Verwendung am Signaleingang einer Quantisierungsschaltung 50 in einer kondensatorgeschalteten Sigma-Delta-Modulatorschaltung ausgestaltet, d.h. die zu addierenden Signale V1, V2 werden z.B. durch ein Ausgangssignal einer Filterschleife und ein vorwärtsgekoppeltes Signal einer Vorwärtskopplungsschleife gebildet. Aus einem Ausgangssignal der Additionsschaltung ist ein Eingangssignal der Quantisierungsschaltung 50 abgeleitet.
  • Die Signale V1, V2 liegen an Signaleingängen der Additionsschaltung an. Die Additionsschaltung umfasst für jedes der zwei zu addierenden Signale V1, V2 einen Speicherkondensator 21, 22. Des Weiteren umfasst die Additionsschaltung Schaltmittel 11, 12. Die Schaltmittel sind durch über eine Taktspannung getaktet angesteuerte Feldeffekt-Transistoren gebildet.
  • Die Schaltmittel 11, 12 sind durch eine Taktspannung so angesteuert, dass während einer ersten Taktphase die zu einer ersten Gruppe gehörenden Schaltmittel 11 offen sind, während die zu einer zweiten Gruppe gehörenden Schaltmittel 12 geschlossen sind. Somit ist während der ersten Taktphase jeder der Speicherkondensatoren 21, 22 an seinem ersten Kontakt mit der entsprechenden Signalspannung V1, V2 verbunden während sein zweiter Kontakt mit einem Nullpotential verbunden ist, so dass jeder der Kondensatoren mit einer über seine Kapazität und die jeweilige Signalspannung V1, V2 bestimmten Ladung aufgeladen wird.
  • Während einer zweiten Taktphase sind, umgekehrt wie während der ersten Taktphase, die zu der ersten Gruppe gehörenden Schaltmittel 11 geschlossen, während die zu der zweiten Gruppe gehörenden Schaltmittel 12 offen sind. Während der zweiten Taktphase sind die Speicherkondensatoren 21, 22 parallelgeschaltet. Die ersten Kontakte der Speicherkondensatoren 21, 22 sind dabei gemeinsam mit einem Referenzspannungseingang 24 verbunden, während die zweiten Kontakte der Speicherkondensatoren 21, 22 gemeinsam mit dem Signalausgang der Additionsschaltung verbunden sind.
  • In der parallelgeschalteten Konfiguration der Speicherkondensatoren 21, 22 kommt es zu einem Ladungsausgleich. Der Ladungsausgleich erfolgt derart, dass eine der Summe der einzelnen gespeicherten Ladungen entsprechende Gesamtladung in einer der Summe der einzelnen Kapazitäten der Speicherkondensatoren 21, 22 entsprechenden Gesamtkapazität gespeichert ist.
  • Im Fall von m zu addierenden Signalen und m Speicherkondensatoren mit im Wesentlichen identischen Kapazitäten, gilt für die über die parallelgeschalteten Speicherkondensatoren abfallende Spannung VT
    Figure 00130001
    wobei QT die gesamte in den Speicherkondensatoren gespeicherte Ladung, CT die Gesamtkapazität der Parallelschaltung von Speicherkondensatoren, Qk die in dem k-ten Speicherkondensator mit gespeicherte Ladung, Vk das k-te Spannungssignal, C die identische Kapazität der Speicherkondensatoren und m die Anzahl der zu addierenden Signale bzw. Speicherkondensatoren ist. Der Skalierungsfaktor, um welchen die über die Parallelschaltung der Speicherkondensatoren abfallende Spannung kleiner ist als die Summe der zu addierenden Signale, entspricht somit dem Kehrwert der Anzahl von Speicherkondensatoren.
  • Bei einer geeignet an dem Referenzspannungseingang 24 angelegten Referenzspannung Vref kommt es zu einem weiteren Ladungsaustausch, derart dass die über die parallelgeschalteten Speicherkondensatoren abfallende Spannung um die Referenzspannung Vref vermindert ist. Hierfür umfasst ein Referenzspannungspuffer 20, welcher die Referenzspannung Vref bereitstellt Operationsverstärkerelemente ohne Rückkopplungsschleifen. Hierdurch kann Ladung mit hoher Geschwindigkeit bereitgestellt bzw. aufgenommen werden, so dass eine geringe Verzerrung bei der Addition der Signale gewährleistet ist.
  • Aus dem Ausgangssignal der Additionsschaltung ist, wie in 1 dargestellt, ein Eingangssignal einer Quantisierungsschaltung 50 abgeleitet. Die Gestaltung der Additionsschaltung ermöglicht es, die Speicherkondensatoren 21, 22 als Eingangskondensatoren von Komparatorelementen der Quantisierungsschaltung 50 einzusetzen, wodurch der Flächenbedarf der Schaltung auf einem Halbleiterchip reduziert wird. Die Referenzspannung Vref für die Komparatorelemente ist dabei über den Referenzspannungseingang 24 der Additionsschaltung bereitgestellt.
  • In 2 ist schematisch eine Sigma-Delta-Modulatorschaltung zweiter Ordnung dargestellt. Die Sigma-Delta-Modulatorschaltung umfasst eine Filterschleife 60 mit zwei in Reihe geschalteten Integratormitteln 30, eine Rückkopplungsschleife 70, eine Vorwärtskopplungsschleife 80 und eine Quantisierungsschaltung 50. Summationspunkte oder Knotenpunkte 40, 45 der Sigma-Delta-Modulatorschaltung befinden sich an Signaleingängen und Signalausgängen der Integratormittel 30. Der Knotenpunkt 45 am Signalausgang des letzten, d.h. des zweiten, Integratormittels 30 ist identisch mit einem Knotenpunkt 45 an dem Signaleingang der Quantisierungsschaltung 50. Die Integratormittel 30 sind über einstufige Operations-Transkonduktanz-Verstärkerelemente (OTA) realisiert.
  • Die Rückkopplungsschleife 70 ist derart ausgestaltet, dass sie das digitale Ausgangssignal 2 der Sigma-Delta-Modulatorschaltung, welches durch eine Digital-Analog-Wandlerschaltung 55 in ein analoges Signal gewandelt wird, in alle Knotenpunkte 40 an den Signaleingängen der Integratormittel 30 rückkoppelt.
  • Die Vorwärtskopplungsschleife 80 ist derart ausgestaltet, dass sie ein Eingangssignal 1 der Sigma-Delta-Modulatorschaltung an alle sich an den Signalausgängen der Integratormittel 30 befindlichen Knotenpunkte vorwärtskoppelt.
  • Die Sigma-Delta-Modulatorschaltung ist als kondensatorgeschaltete Sigma-Delta-Modulatorschaltung ausgestaltet, d.h. an den Signaleingängen der Integratormittel 30 und der Quantisierungsschaltung 50 werden Signale durch Aufladen entsprechender Eingangskondensatoren abgetastet.
  • Kopplungskoeffizienten a1, a2 der Filterschleife 60, Rückkopplungskoeffizienten b1, b2 der Rückkopplungsschleife 70 und Vorwärtskopplungskoeffizienten c1, c2 der Vorwärtskopplungsschleife 80 sind derart gewählt, dass die Signalübertragungsfunktion der Sigma-Delta-Modulatorschaltung im Wesentlichen 1 beträgt. Des Weiteren sind die Kopplungskoeffizienten a1, a2, Rückkopplungskoeffizienten b1, b2 und Vorwärtskopplungskoeffizienten c1, c2 derart ausgewählt, dass an den Signaleingängen der Integratormittel 30 ein Signalanteil, welcher dem ursprünglichen Eingangssignal 1 der Sigma-Delta-Modulatorschaltung entspricht, minimiert wird, so dass lediglich geringe Signalpegel, die einem in der Quantisierungsschaltung 50 anfallenden Digitalsierungsrauschen 3 entsprechen, an den entsprechenden Knotenpunkten 40 auftreten. Hierdurch wird ein verzerrungsfreier Betrieb der einstufigen Transkonduktanz-Verstärkerelemente der Integratormittel 30 gewährleistet.
  • Die Signaladdition an dem vor dem Signaleingang der Quantisierungsschaltung 50 gelegenen Knotenpunkt 45 erfolgt mittels der oben unter Bezugnahme auf 1 erläuterten Additionsschaltung. Bei den zu addierenden Signalen handelt es sich somit um das Ausgangssignal der Filterschleife 60 und das vorwärtsgekoppelte Signal der Vorwärtskopplungsschleife 80. Das Eingangssignal der Quantisierungsschaltung 50 ist aus dem Ausgangssignal der Additionsschaltung abgeleitet. Die Eingangskondensatoren der Quantisierungsschaltung 50 sind durch die Speicherkondensatoren 21, 22 der Additionsschaltung gebildet.
  • Die Quantisierungsschaltung 50 weist dabei einen Verstärkungsfaktor auf, welcher dem Kehrwert des Skalierungsfaktors der Additionsschaltung entspricht, so dass eine Signalreduktion durch den Skalierungsfaktor mittels des Verstärkungsfaktors kompensiert ist. In dem gezeigten speziellen Fall mit zwei Speicherkondensatoren 21, 22 beträgt der Skalierungsfaktor 1/2, so dass die Quantisierungsschaltung 50 einen Verstärkungsfaktor von 2 bereitstellt.
  • Der Verstärkungsfaktor der Quantisierungsschaltung 50 ist realisiert, indem die für die Quantisierungsschaltung verwendete Referenzspannung Vref um einen Faktor, der dem Skalierungsfaktor der Additionschaltung entspricht, geringer gewählt ist als eine Referenzspannung, die für die Digital-Analog-Wandlerschaltung 55 verwendet ist. Hierdurch können die Ausgangssignale der Quantisierungsschaltung 50 mit geringem Aufwand verstärkt werden.
  • Die Taktspannungen zur getakteten Ansteuerung der Schaltmittel 11, 12 der Additionsschaltung sind aus den Taktsspannungen abgeleitet, welche in der kondensatorgeschalteten Sigma-Delta-Modulatorschaltung im Allgemeinen zur getakteten Ansteuerung von Schaltmitteln verwendet werden. Hierdurch ist keine gesonderte Bereitstellung von Taktspannungen für den Betrieb der Additionsschaltung erforderlich. Die Taktspannungen zur getakteten Ansteuerung von kritischen Schaltmitteln der kondensatorgeschalteten Sigma-Delta-Modulatorschaltung, insbesondere der Schaltmittel 11, 12 der Additionsschaltung sind durch so genanntes Clock-Boosting unter Einsatz von Ladungspumpen verstärkt. Hierdurch wird eine durch endliche Schaltwiderstände der Schaltmittel 11, 12 verursachte Verzerrung reduziert.
  • Die Additionsschaltung ist, wie aus der vorhergehenden Beschreibung der kondensatorgeschalteten Sigma-Delta-Modulatorschaltung ersichtlich, besonders geeignet zur Addition eines Ausgangssignals der Filterschleife 60 und des vorwärtsgekoppelten Signals der Vorwärtskopplungsschleife 80 an dem am Signaleingang der Quantisierungsschaltung 50 gelegenen Knotenpunkt 45. Hierbei ergibt sich eine besonders effiziente Addition der Signale, die insbesondere keine eigenen aktiven Blöcke erfordert, wodurch eine geringe Leistungsaufnahme der Sigma-Delta-Modulatorschaltung gewährleistet ist. Die gleichzeitige Nutzung der Speicherkondensatoren 21, 22 als Eingangskapazität der Quantisierungsschaltung 50 ermöglicht darüber hinaus eine zusätzliche Platzersparnis auf dem Halbleiterchip.
  • Die Additionsschaltung ist jedoch nicht auf diesen bevorzugten Anwendungsbereich beschränkt. Die Additionsschaltung ist auf eine Vielzahl von zu addierenden Signalen erweiterbar und im Allgemeinen bevorzugt anwendbar für die Addition von Signalen in kondensatorgeschalteten Anordnungen mit anschließender Quantisierung. Die hierin beschriebene Signaladdition ist z.B. auch geeignet für den Einsatz in einer Successive-Approximation-Register-Analog-Digital-Wandlerschaltung.

Claims (14)

  1. Sigma-Delta-Modulatorschaltung, umfassend eine Filterschleife (60) mit mindestens einem Integratormittel (30) zur Rauschformung, eine Quantisierungsschaltung (50) zur Quantisierung eines Ausgangssignals der Filterschleife (60), eine Rückkopplungsschleife (70) mit einer Digital-Analog-Wandlerschaltung (55) zur Rückkopplung eines digitalen Ausgangssignals (2) der Sigma-Delta-Modulatorschaltung in mindestens einen Knotenpunkt (40) der Filterschleife (60), und eine Additionsschaltung zur Addition von einem ersten zu addierenden Signal (V1) mit mindestens einem weiteren zu addierenden Signal (V2) an einem Knotenpunkt (45) am Signaleingang der Quantisierungsschaltung (50), dadurch gekennzeichnet, dass die Additionsschaltung einen ersten Speicherkondensator (21), mindestens einen weiteren Speicherkondensator (22) sowie Schaltmittel (11, 12) umfasst, wobei die Additionsschaltung derart ausgestaltet ist, dass während einer ersten Taktphase jedes der zu addierenden Signale in einem entsprechenden Speicherkondensator (21, 22) durch eine Aufladung des Speicherkondensators (21, 22) gespeichert wird, wobei während einer zweiten Taktphase die Speicherkondensatoren (21, 22) mittels der Schaltmittel (11, 12) parallel geschaltet sind, wodurch ein Ladungssausgleich zwischen den Speicherkondensatoren (21, 22) erfolgt, so dass nach dem Ladungsausgleich eine über die parallel geschalteten Speicherkondensatoren (21, 22) abfallende Spannung ein Eingangssignal der Quantisierungsschaltung bildet, wobei die Additionsschaltung derart ausgestaltet ist, dass nach dem Ladungsausgleich die über die parallel geschalteten Speicherkondensatoren (21, 22) abfallende Spannung bis auf einen Skalierungsfaktor der Summe der zu addierenden Signale (V1, V2) entspricht, und wobei die Quantisierungsschaltung (50) derart ausgestaltet ist, dass ein Verstärkungsfaktor der Quantisierungsschaltung (50) bereitgestellt ist, indem eine Referenzspannung der Quantisierungsschaltung (50) um einen Faktor geringer gewählt ist als eine Referenzspannung der Digital-Analog-Wandlerschaltung (55) der Rückkopplungsschleife (70), wobei der Faktor dem Skalierungsfaktor der Additionsschaltung entspricht.
  2. Sigma-Delta-Modulatorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherkondensatoren (21, 22) im Wesentlichen gleiche Kapazitäten aufweisen.
  3. Sigma-Delta-Modulatorschaltung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Skalierungsfaktor dem Kehrwert der Anzahl von Speicherkondensatoren (21, 22) entspricht.
  4. Sigma-Delta-Modulatorschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Additionsschaltung einen Referenzspannungseingang (24) zur Aufnahme einer Referenzspannung umfasst.
  5. Sigma-Delta-Modulatorschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückkopplungsschleife (70) zur Rückkopplung des digitalen Ausgangssignals (2) der Sigma-Delta-Modulatorschaltung in Knotenpunkte (40) an Signaleingängen aller Integratormittel (30) der Filterschleife (60) ausgestaltet ist.
  6. Sigma-Delta-Modulatorschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vorwärtskopplungsschleife (80) zur Vorwärtskopplung eines Eingangssignals (1) der Sigma-Delta-Modulatorschaltung in mindestens einen Knotenpunkt (45) an einem Signalausgang des mindestens einen Integratorelements (30) der Sigma-Delta-Modulatorschaltung.
  7. Sigma-Delta-Modulatorschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwärtskopplungsschleife (80) zur Vorwärtskopplung des Eingangssignals der Sigma-Delta-Modulatorschaltung (1) in Knotenpunkte an Signalausgängen aller Integratormittel (30) der Filterschleife (60) ausgestaltet ist.
  8. Sigma-Delta-Modulatorschaltung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass Kopplungskoeffizienten (a1, a2) der Filterschleife (60), Rückkopplungskoeffizienten (b1, b2) der Rückkopplungsschleife (70) bzw. Vorwärtskopplungskoeffizienten (c1, c2) der Vorwärtskopplungsschleife (80) derart abgestimmt sind, dass eine Signalübertragungsfunktion der Sigma-Delta-Modulatorschaltung im Wesentlichen 1 beträgt.
  9. Sigma-Delta-Modulatorschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sigma-Delta-Modulatorschaltung als kondensatorgeschaltete Sigma-Delta-Modulatorschaltung ausgestaltet ist.
  10. Sigma-Delta-Modulatorschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherkondensatoren (21, 22) der Additionsschaltung gleichzeitig als Eingangskondensatoren der Quantisierungsschaltung (50) dienen.
  11. Sigma-Delta-Modulatorschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Taktspannung-Verstärkungsmittel zur Verstärkung einer Taktspannung zur getakteten Ansteuerung der Schaltmittel (11, 12) der Additionsschaltung vorgesehen sind.
  12. Sigma-Delta-Modulatorschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Integratormittel (30) im Wesentlichen durch ein einstufiges Operations-Transkonduktanz-Verstärkerelement gebildet ist.
  13. Sigma-Delta-Modulatorschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Referenzspannungspuffer (20) zur Bereitstellung von Referenzspannungen (Vref) für Komparatorelemente der Quantisierungsschaltung (50) über einen Referenzspannungseingang (24) der Additionsschaltung, wobei der Referenzspannungspuffer (20) Operationsverstärkerelemente ohne Rückkopplungsschleifen umfasst.
  14. Sigma-Delta-Modulatorschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sigma-Delta-Modulatorschaltung zur Verwendung in einem Breitband-Datenübertragungssystem ausgestaltet ist.
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