DE60124318T2

DE60124318T2 - Sigma-delta modulator mit einstellbarem rückkopplungsfaktor

Info

Publication number: DE60124318T2
Application number: DE60124318T
Authority: DE
Inventors: Matthias Locher
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: DSP Group Switzerland AG
Priority date: 2000-07-07
Filing date: 2001-06-26
Publication date: 2007-05-24
Anticipated expiration: 2021-06-27
Also published as: ATE344549T1; EP1374409B1; US6507301B2; JP2004503167A; CN1547804B; WO2002005432A2; WO2002005432A3; DE60124318D1; US20020011945A1; KR20020035586A; EP1374409A2; CN1547804A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sigma-Delta-Modulator, wie in dem Oberbegriff des Anspruchs 1 definiert.
Derartige Sigma-Delta-Modulatoren sind allgemein bekannt aber insbesondere aus dem Artikel: "A 0,2 mW CMOS ΣΔModulator for Speech Coding with 80 dB Dynamic Range", "IEEE Journal of Solid-State Circuits", Heft 31, Nr. 12, Dezember 1996.
Durch den immer ansteigenden Gebrauch dieser Schaltungsanordnungen in einem weiten Bereich von Applikationen ist ein Bedürfnis entwickelt worden nach Schaltungsanordnungen, die in Termen von Eingangspegel, Verstärkung, Prozessparametern usw. flexibel sind. Aus dem oben stehenden Dokument ist bekannt, den Eingangspegel dadurch zu variieren, dass Widerstände in dem Integrator umgeschaltet werden, was zu einem bestimmten Flexibilitätsgrad in dem Eingangspegel führt. Es gibt aber auch ein Bedürfnis nach mehr Parametern.
JP 08139607 (Kuzuu Minoru), den 31. Mai 1996 (31-05-1996) schafft einen derartigen Sigma-Delta-Modulator, wobei die Rückkopplungsschaltung einen einstellbaren Rückkopplungsfaktor hat und wobei der Sigma-Delta-Modulator ein einstellbares Element aufweist zum Einstellen des Rückkopplungsfaktors der Rückkopplungsschaltung. Diese Merkmale schaffen eine Einstellbarkeit des Rückkopplungsfaktors, was zu einer wesentlich besseren Einstellbarkeit für verschiedene Applikationen führt.
Die vorliegende Erfindung weist die Merkmale auf, mit dem Kennzeichen, dass die Rückkopplungsschaltung, der Addierer und der Integrator zu einer einzigen Schaltungsanordnung kombiniert worden sind und dass diese Schaltungsanordnung wenigstens eine einstellbare Stromquelle aufweist, die mit dem gemeinsamen Kontakt eines Schalter verbunden ist, der zwei andere Kontakte hat, die mit je einem Anschluss eine Kondensators verbunden sind, der die integrierende Funktion des Integrators durchführt, wobei der Schalter mit Hilfe des Digital-Analog-Wandlers gesteuert wird und wobei das Einstellelement wirksam ist zum Einstellen der Größe des von der genannten Stromquelle gelieferten Stromes.
Die Verwendung einer vereinigten Schaltungsanordnung mit einem Schalter und einer Stromquelle ist in diesem Bereich bekannt. Es schafft eine interessante Lösung für all diese Funktionen mit einer beschränkten Anzahl Elementen. Diese Ausführungsform kombiniert diese Vorteile mit den Vorteilen der vorliegenden Erfindung. Diese Kombination ist nur durch die Verwendung einstellbarer Stromquellen möglich, was auf einfache Art und Weise verwirklicht werden kann.
Obschon andere Lösungen, wie allmählich steuerbare Stromquellen, möglich sind, wird eine außerordentlich einfache Lösung erhalten, wenn die Stromquelle aus einer Anzahl Teilstromquellen besteht, die mit je einem Kontakt des Schalters verbunden sind, und zwar über betreffende weitere Schalter, die von dem einstellbaren Element gesteuert werden können. Sogar mit einer beschränkten Anzahl Schalter kann ein großer Bereich von Strömen gesteuert werden, was zu einem großen Steuerbereich führt. Dieser Bereich kann sogar noch vergrößert oder verkleinert werden, wenn die Stromquellen untereinander verschiedene Stromwerte haben. Es ist aber auch möglich, dieses Merkmal zur Begrenzung der Anzahl Stromquellen und Schalter anzuwenden.
Stabilität von Sigma-Delta-Modulatoren kann ein Problem sein bei Modulatoren mit hohen Verstärkungen von geschlossenen Schleifen. Dies kann auch der Fall sein bei der vorliegenden Erfindung, wenn der Rückkopplungsfaktor vergrößert wird. Diese Zunahme kann zu einer derart hohen Verstärkung führen, dass das System geringfügig stabil oder unstabil wird.
Um eine derartige unerwünschte Situation zu vermeiden weist eine bevorzugte Ausführungsform das Kennzeichen auf, dass die Verstärkung der Kombination aus dem Integrator und dem Quantisierer einstellbar ist. Diese Merkmale schaffen eine zusätzliche Möglichkeit der Steuerung der gesamten Kreisverstärkung um Unstabilität zu vermeiden.
Weiterhin kann Steuerung vereinfacht werden, wenn, wie in einer anderen bevorzugten Ausführungsform, die Verstärkung der Kombination aus dem Integrator und dem Quantisierer durch das Steuerelement einstellbar ist. Die Steuerung der Verstärkung der Rückkopplungsschleife kann dann auf die Steuerung der Verstärkung des restlichen Teils der geschlossenen Schleife bezogen werden. Eine spezielle Einstellungsstrategie kann dann angewandt werden um etwaige unstabile Situationen zu vermeiden.
Ein Beispiel einer derartigen Einstellungsstrategie ist, dass das Einstellelement wirksam ist zur Steuerung der Verstärkung der Kombination aus dem Integrator und dem Quantisierer auf eine derartige Art und Weise, dass das Produkt aus den einzelnen Verstärkungsfaktoren konstant ist. Diese Strategie gewährleistet automatisch Stabilität, wenn das Produkt klein genug gewählt wird.
Die oben genannten Ausführungsformen beziehen sich alle auf die Einstellbarkeit der Verstärkungsfaktoren, d.h. auf die Situation, in der die Einstellungen durchgeführt und während der Herstellung der integrierten Schaltung mit den Elementen des Sigma-Delta-Modulators festgelegt werden, oder kurz danach während einer Initialisierungsprozedur.
Die vorliegende Erfindung ist aber nicht auf eine derartige Situation begrenzt; es ist durchaus möglich, die Verstärkung auch während der wirklichen Verwendung der Schaltungsanordnungen einzustellen. In einer derartigen Situation wird das Wort "Steuerung" statt des Wortes "Einstellung" verwendet.
Deswegen ist in einer bevorzugten Ausführungsform das Einstellelement dazu vorgesehen, den Rückkopplungsfaktor der Rückkopplungsschleife ständig zu steuern. Dieses Merkmal bezieht sich auf die Situation, in der nur die Verstärkung der Rückkopplungsschleife gesteuert wird. Dieses Merkmal ist aber auch in einer Situation anwendbar, in der die gesamte Kreisverstärkung ebenfalls gesteuert wird. Das Merkmal, dass das Einstellelement dazu vorgesehen ist, die Verstärkung der Kombination aus dem Integrator und dem Quantisierer ständig zu steuern, kann dann angewandt werden.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Darstellung eines Sigma-Delta-Modulators nach den Grundlagen der vorliegenden Erfindung,
2 eine Darstellung eines Sigma-Delta-Modulators mit einer einstellbaren Rückkopplung,
3 eine Darstellung der ersten Ausführungsform eines Sigma-Delta-Modulators nach der vorliegenden Erfindung, und
4 eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Sigma-Delta-Modulators nach der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt eine Darstellung eines Sigma-Delta-Modulators 1 mit einem Integrator 2, der hier als Tiefpassfilter verwendet wird, einem Quantisierer 3, einem Digital-Analog-Wandler 4 und einem Addierer 5. Ein derartiger Sigma-Delta-Modulator ist aus dem Stand der Technik bekannt, und die Wirkungsweise ist durchaus bekannt.
Der Sigma-Delta-Modulator hat eine Einstellung des Rückkopplungsfaktors der Rückkopplungsschleife, der in dem vorliegenden Fall den Digital-Analog-Wandler 4 und den Addierer 5 umfasst. Die Einstellung wird mit Hilfe eines Einstellgliedes 6 erreicht, das die Verstärkung des Digital-Analog-Wandlers 4 steuert. Es ist aber auch möglich, die Verstärkung des Rückkopplungszweiges des Addierers 5 zu steuern. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass in den genannten Addierer oder in den analogen Teil des Digital-Analog-Wandlers ein Dämpfer einverleibt wird. Es ist aber auch möglich, einen Digital-Analog-Wandler zu verwenden, der die Anpassung des eigentlichen Umwandlungsfaktors zwischen dem digitalen und dem analogen Signal ermöglicht. Wie oben bereits erwähnt, kann die Anfangseinstellung durch eine ständige Steuerung ersetzt werden.
2 zeigt eine Darstellung eines Sigma-Delta-Modulators entsprechend dem Sigma-Delta-Modulator aus 1. Der in 2 dargestellte Modulator umfasst eine einzelne Dämpfungsschaltung 7 zum Durchführen der Einstellfunktion. Der Dämpfer kann mit Hilfe eines schaltbaren Widerstandsnetzwerkes gebildet werden, aber auch, wie dargestellt, durch ein geschaltetes Kondensatornetzwerk. Ein derartiges Netzwerk umfasst einen Kondensator 8 und vier Schalter, die durch FETen 9a, 9b, 9c und 9d gebildet sind.
Die FETen werden paarweise 9a, 9c und 9b, 9d gesteuert, so dass der Kondensator 8 abwechselnd geladen und entladen wird. Das Verhältnis zwischen den Lade- und Entladeperiode definiert den Dämpfungsfaktor. Zur Steuerung der FETen und folglich des Dämpfungsverhältnisses liefert die Einstellschaltung 6 geeignete Treibersignale zu den FETen. In diesem Fall kann die Einstellschaltung auch nur anfangs oder ständig funktionieren.
3 zeigt eine Ausführungsform, in der die Funktionen des Digital-Analog-Wandlers, des Addierers und des Integrators alle zu einer einzigen Schaltungsanordnung 10 kombiniert sind. Diese Schaltungsanordnung 10 umfasst einen Kondensator 11 und einen Schalter 12, der mit Hilfe eines Paares FETen oder anderer Schaltelemente gebildet werden kann. Der Kondensator 11 ist zwischen den Kontakten 12a und 12b des Schalters 12 vorgesehen und diese Kontakte sind mit den Eingängen eines Operationsverstärkers 13 verbunden. Der Schalter 12 wird von dem digitalen Signal BTSTRM an dem Ausgang des Quantisierers 3 gesteuert. Der gemeinsame Kontakt 12c des Schalters 12 ist mit einer Spannungsquelle 14 verbunden. Als solche ist die genannte Schaltungsanordnung aus dem Stand der Technik bekannt.
Nach der vorliegenden Erfindung ist die Stromquelle 14 eine steuerbare Stromquelle, die es ermöglicht, den Strom zu dem Schalter 12 und folglich den Strom zur Ladung oder Entladung des Kondensators einzustellen oder zu steuern. Der Strom bestimmt die in dem Kondensator 11 gesammelte Ladung und folglich die Spannung daran, die den Eingängen des Operationsverstärkers 13 zugeführt wird. Auf diese Weise wird der Rückkopplungsfaktor durch Einstellung oder Steuerung des Stromes der Stromquelle 14 gesteuert.
Es gibt viele Möglichkeiten den Strom der Stromquelle einzustellen oder zu steuern, beispielsweise durch analoge Steuerung über Transistoren. Eine andere Möglichkeit ist die Anwendung einer digitalen Steuerung. Dazu kann die Stromquelle in eine Anzahl Stromquelle aufgeteilt werden, die je mit dem Schalter 12 verbunden werden können, und zwar über einen steuerbaren Schalter. Durch Einstellung oder Steuerung dieser steuerbaren Schalter kann Einstellung oder Steuerung des Rückkopplungsfaktors erreicht werden.
Eine Ausführungsform einer derartigen Konfiguration ist in 4 dargestellt. Darin ist der Kontakt 12c des Schalters 12 mit einer ersten Stromquelle 15 verbunden, die einen Strom mit einer Größe von 4I liefert, der ein Basisstrom ist um das System im Betrieb zu halten. Weiterhin ist dieser Kontakt 12c mit einem Kontakt 16a eines ersten Steuerschalters 16 verbunden, dessen Kontakt 16c mit einer zweiten Stromquelle 17 verbunden ist, die einen Strom mit einer Größe von 2I liefert. Die Schalter können durch FETen oder andere schaltende Elemente gebildet werden. Der andere Kontakt 16b des ersten Steuerschalters 16 ist mit der Drain-Elektrode eines FETs 18 verbunden, der als Eingangselement des Operationsverstärkers des Integrators wirksam ist. Der von der Stromquelle 17 herrührende Strom wird zu dem Kondensator 11 oder zu dem FET 18 fließen, und zwar je nach der Stellung des Schalters 16.
Es ist eine dritte Stromquelle 20 vorgesehen, die eine Rolle erfüllt, entsprechend der der zweiten Stromquelle 17. Deswegen ist sie mit dem festen Kontakt 19c eines zweiten Schalters 19 verbunden, der, genauso wie der erste Steuerschalter 16, mit dem Kondensator 11 und dem FET 18 verbunden ist. Dieser zweite Schalter 19 schafft eine weitere Möglichkeit zur Steuerung der Größe des Stromes zum Laden oder Entladen des Kondensators 11.
Weiterhin ist eine vierte Stromquelle 21 vorgesehen, die einen Vorspannstrom für den FET 18 liefert. Es ist im Grunde möglich, die Größe des Stromes jeder belie bigen Stromquelle 15, 17 oder 20 steuerbar zu machen, aber meistens wird durch Umschaltung der festen Ströme genügend Flexibilität geboten.
Die Schaltungsanordnung nach 4 ist eine symmetrische Konfiguration. Deswegen haben die Elemente 16, 17, 18, 19, 20 und 21 Gegenteile auf der "anderen Seite" der Schaltungsanordnung. Die Funktion davon wird klar sein.
Zum Schluss schafft die Schaltungsanordnung Einstellbarkeit der Eingangsverstärkung mit Hilfe von Widerständen 23, 24 und 25, die zwischen dem FET 18 und einer Vorspannstromquelle 30 in Reihe geschaltet sind. Diese Widerstände können durch die Schalter 26, 27 und 28 kurzgeschlossen werden, damit verschiedene Dämpfungspegel erhalten werden. Auch hier haben die Elemente 23 bis 28 wieder Gegenteile auf der anderen Seite der Schaltungsanordnung. Auf diese Weise wird eine doppelte Möglichkeit der Einstellung und Regelung von Signalpegeln erhalten.

Claims

Sigma-Delta-Modulator, der die nachfolgenden Elemente aufweist: – einen Integrator, – einen Quantisierer, der mit einem Ausgang des Integrators verbunden ist, – eine Rückkopplungsschaltung mit einem Digital-Analog-Wandler, dessen Eingang mit einem Ausgang des Quantisierers verbunden ist, und – einen Addierer, von dem ein Ausgang mit einem Eingang des Integrators verbunden ist und von dem ein erster Ausgang den Eingang des Sigma-Delta-Modulators bildet und von dem ein zweiter Eingang mit einem Ausgang der Rückkopplungsschaltung verbunden ist, wobei die Rückkopplungsschaltung einen einstellbaren Rückkopplungsfaktor hat und wobei der Sigma-Delta-Modulator ein Einstellelement zum Einstellen des Rückkopplungsfaktors der Rückkopplungsschaltung hat, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückkopplungsschaltung, der Addierer und der Integrator zu einer einzigen Schaltungsanordnung kombiniert werden und diese Schaltungsanordnung wenigstens eine einstellbare Stromquelle hat, die mit dem gemeinsamen Kontakt eines Schalters verbunden ist, der zwei andere Kontakte hat, die mit je einem Anschluss eines Kondensators verbunden ist, der die integrierende Funktion des Integrators durchführt, wobei der Schalter durch den Digital-Analog-Wandler gesteuert wird und wobei das Einstellelement wirksam ist zum Einstellen der Größe des von der genannten Stromquelle gelieferten Stromes.
Sigma-Delta-Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle aus einer Anzahl Teilstromquellen besteht, die je mit dem gemeinsamen Kontakt des Schalters verbunden sind, und zwar über betreffende weitere Schalter, die mit Hilfe des Einstellelementes steuerbar sind.
Sigma-Delta-Modulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquellen untereinander verschiedene Stromwerte haben.
Sigma-Delta-Modulator nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung der Kombination aus dem Integrator und dem Quantisierer mit Hilfe des Einstellelementes einstellbar ist.
Sigma-Delta-Modulator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Einstellelement wirksam ist zur Steuerung der Verstärkung der Kombination aus dem Integrator und dem Quantisierer, derart, dass das Produkt aus deren einzelnen Verstärkungsfaktoren konstant ist.
Sigma-Delta-Modulator nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Einstellelement wirksam ist zur ständigen Steuerung des Rückkopplungsfaktors der Rückkopplungsschleife.
Sigma-Delta-Modulator nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Einstellelement wirksam ist zur ständigen Steuerung der Verstärkung der Kombination aus dem Integrator und dem Quantisierer.