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ERFINDUNGSGEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Schaltungen, und insbesondere
einen Digital-Analog-Wandler.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Digital-Analog-Wandler
(DAC, "digital-to-analog
converters") sind
Schaltungen, die digitale Eingaben empfangen und analoge Ausgaben produzieren,
die analoge Äquivalente
der digitalen Eingaben in Form von Strömen oder Spannungen darstellen.
Ein typischer DAC umfasst einen Codierer, eine Anzahl von analogen
Ausgangselementen und eine Summierschaltung. Der Codierer empfängt eine
digitale Eingabe, die durch einen Digitalwert gebildet wird, welcher
durch eine Anzahl von binären Datenbits
repräsentiert
sind, und codiert dann die binären
Datenbits in geeignete Antriebssignale, um selektiv bzw. gezielt
die analogen Ausgangselemente zu aktivieren. In Antwort auf die
Antriebssignale erzeugen die aktivierten analogen Ausgangselemente bzw.
Ausgangsbauteile analoge Teilsignale. Diese analogen Teilsignale
werden dann durch die Summierschaltung kombiniert, um ein analoges
Ausgangssignal zu erzeugen, welches eine analoge Repräsentation
der digitalen Eingabe darstellt.
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Ein
Problem, das oft während
des Betriebs eines DAC auftritt, ist das Auftreten von Ausgabefehlern,
die "Glitch" genannt werden,
die hauptsächlich durch
falsche Zeitsteuerung der analogen Teilsignale am Ausgang des DAC
hervorgerufen werden. Die Glitches beeinflussen nicht den Endwert
eines eingependelten Ausgangssignals für ein jedes digitales Eingangssignal,
und sie treten nur während
des Übergangs
von einer digitalen Eingabe zur nächsten auf. Daher beeinträchtigen
die Glitches den spektralen Gehalt des Ausgangssignals, was für Hochgeschwindigkeitsanwendungen äußerst bedenklich
ist, da die Glitches als analoge Ausgangssignale missinterpretiert
werden können.
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Eine
Quelle für
eine fehlerhafte Zeitsteuerung besteht in unterschiedlichen Ankunftszeiten
der Datenbits eines digitalen Eingangssignals am Eingang des Codierers.
Jedoch kann diese feh lerhafte Zeitsteuerung leicht minimiert werden,
indem Auffangspeicher, so genannte "Latches" am Eingang des Codierers verwendet
werden, um die Datenbits zu synchronisieren. Eine andere Quelle
der fehlerhaften Zeitsteuerung besteht in einer differentiellen logischen
Verzögerung
zwischen der Eingabe des Codierers und der Ausgabe des Codierers.
Diese Quelle der fehlerhaften Zeitsteuerung kann jedoch minimiert
werden, indem Latches am Ausgang des Codierers mit einem sorgfältig gesteuerten
Taktsignal zugefügt
werden. Noch eine weitere Quelle fehlerhafter Zeitsteuerung besteht
in einem Missverhältnis
der Pfadlängen
zwischen dem Codierer und den analogen Ausgangselementen und/oder
einem Missverhältnis
der Pfadlänge
zwischen den analogen Ausgangselementen und der Ausgabe des DAC
durch die Summierschaltung. Diese letzte Quelle einer fehlerhaften
Zeitsteuerung kann minimiert werden, indem ein Schalter zwischen
der Summierschaltung und dem Ausgang des DAC zugefügt wird.
Der Schalter wird verwendet, um das analoge Signal erst dann zum
Ausgang durchzulassen, wenn sich das Signal auf einem Endwert eingependelt
hat. Somit kann der Teil des analogen Signals mit Gliches durch
die Verwendung des Schalters blockiert werden. Diese Technik führt die
Ausgabe-Wellenform auf Null oder irgendeinen Referenzwert während der
problematischen Zeit zurück,
und wird daher im Allgemeinen auch als "Rückkehr
zu Null" oder RZ
("Return to Zero") bezeichnet.
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Unter
Verwendung der RZ-Technik beeinflussen die nicht aufeinander abgestimmten
Verzögerungen
vor der Summiereinheit nicht mehr das Hochgeschwindigkeits-Leistungsverhalten
des DAC, und die Integrität
des Signals wird vornehmlich durch die Linearität des Schalters und die Reinheit
eines Wiederabtastungs-Taktes begrenzt, der verwendet wird, um den
Schalter zu betätigen.
Unter diesen zwei limitierenden Faktoren ist die Linearität des Schalters
der entscheidende limitierende Faktor. Eine Nichtlinearität des Schalters
kann auf dem reinen Widerstand des Schalters beruhen, der eine nichtlineare
Funktion bezüglich
des Stroms darstellen kann, welcher durch den Schalter fließt. Ferner
kann eine Nichtlinearität
des Schalters auf nichtlinearen parasitären Effekten beruhen, beispielsweise
einer Kapazität,
die mit dem Stromniveau variieren. Der Digital-Analog-Wandler, der
in der
US 4,663,610 beschrieben ist,
umfasst zwei Schieberegister, wobei ein jedes Schieberegister drei
strukturelle Stromquellen steuert, die denselben Strom bereitstellen.
Das Ausgangssignal des Wandlers ist eine in der Zeit kontinuierliche
Addition der geschalteten Stromquellen in Abhängigkeit von seriellen digitalen
Daten, die durch die Schieberegister wandern.
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In
dem Dokument
US
2001/0052868 A1 ist ein DAC für parallele digitale Daten
eines Worts der Länge
N beschrieben, wobei der Wandler 2
N geschaltete
Stromquellen umfasst. Sämtliche
Stromquellen stellen dieselbe Stromstärke bereit, wobei der Ausgangsstrom
des Wandlers durch die Anzahl von geschalteten Stromquellen ausgewählt wird.
Eine Anti-Glitch-Schaltung
für 2
N-Stromquellen wird verwendet, um die verzögerte Dispersion
unter den 2
N-Schaltern zu verringern, indem individuelle
Verzögerungen
zu den individuellen Anti-Glitch-Signalen addiert
werden.
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In
Anbetracht dieser Erwägungen
besteht ein Bedarf für
einen DAC und für
ein Verfahren zum Umwandeln digitaler Eingangssignale in analoge Ausgangssignale
dergestalt, dass Glitches in dem Ausgangssignal verringert oder
eliminiert werden, ohne eine Schalter-Nichtlinearität in das Ausgangssignal einzuführen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Ein
Digital-Analog-Wandler (DAC) und ein Verfahren zum Umwandeln digitaler
Eingangssignale in analoge Ausgangssignale verwenden Wiederabtastschalter
("resampling switches"), um die Übertragung
analoger Teilsignale zwischen analogen Ausgangsbauteilen und einer
Summierschaltung zu regulieren, um "Glitches" in dem Ausgangssignal zu verringern
oder zu eliminieren. Ein jeder Wiederabtastschalter kann individuell
mit einem analogen Ausgangsbauteil bzw. -element verbunden sein,
um ein feststehendes analoges Teilsignal, z. B. einen feststehenden
Strom, handzuhaben, der von dem analogen Ausgangselement erzeugt
wird. Dementsprechend können
die Wiederabtastschalter verwendet werden, um die Glitches in dem
Ausgangssignal zu verringern oder zu eliminieren, ohne eine Schalter-Nichtlinearität in das
Ausgangssignal einzuführen,
indem die analogen Teilsignale gleichzeitig unter Verwendung der
Wiederabtastschalter zur Summierschaltung übertragen werden.
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Ein
DAC gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung umfasst eine Anzahl von analogen Ausgangselementen
bzw. -bauteilen, einer Anzahl von Schaltern und eine Summierschaltung.
Die analogen Ausgangselemente sind dazu konfiguriert, selektiv analoge
Teilsignale in Antwort auf eine digitale Eingabe zu erzeugen. Die
Summierschaltung ist dazu konfiguriert, die analogen Teilsignale
zu kombinieren, um ein analoges Ausgangssignal zu erzeugen, welches eine
analoge Repräsentierung
des digitalen Eingangssignals ist. Die Schalter sind zwischen den analogen
Ausgangsbauteilen und der Summierschaltung angeordnet, um die Über tragung
der analogen Teilsignale zwischen den analogen Ausgangselementen
und der Summierschaltung zu regulieren. Ein jeder Schalter kann
mit einem unterschiedlichen analogen Ausgangselement verbunden sein,
um das analoge Teilsignal, welches von dem analogen Ausgangselement
erzeugt wird, zu der Summierschaltung zu übertragen.
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Ein
Verfahren zum Umwandeln digitaler Eingangssignale in analoge Ausgangssignale
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst das Empfangen eines digitalen
Eingangssignals, das Erzeugen analoger Teilsignale in Antwort auf
das digitale Eingangssignal, das Regulieren der Übertragung der analogen Teilsignale
und das Empfangen und Kombinieren der analogen Teilsignale, um ein
analoges Ausgangssignal zu produzieren, welches eine analoge Repräsentierung
des digitalen Eingangssignals darstellt.
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Weitere
Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden
detaillierten Beschreibung ersichtlich, wenn sie in Verbindung mit den
beigefügten
Zeichnungen betrachtet wird, die lediglich beispielhaft die Prinzipien
der Erfindung veranschaulicht.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Diagramm eines Digital-Analog-Wandlers (DAC) gemäß einer
exemplarischen Ausführungsform
der Erfindung.
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2 ist
ein Teildiagramm eines DAC, der in einer segmentierten Standard-DAC-Architektur gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist.
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3 ist
ein Schaltungsdiagramm eines analogen Ausgangselementes und eines
Wiederabtastschalters, die in dem DAC von 1 oder 2 verwendet
werden können,
gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform.
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4 ist
ein Zeitsteuerungsdiagramm des analogen Ausgangselementes und des
Wiederabtastschalters von 3.
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5 ist
ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Umwandeln digitaler Eingangssignale
in analoge Ausgangssignale gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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In 1 ist
ein Digital-Analog-Wandler (DAC) 100 gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der DAC 100 produziert
analoge Ausgangssignale in Antwort auf empfangene digitale Eingangssignale.
Die Stärke der
analogen Ausgangssignale entspricht den Werten, die durch die jeweiligen
digitalen Eingangssignale repräsentiert
werden. Somit sind die analogen Ausgangssignale analoge Äquivalente
der digitalen Eingangssignale. Der DAC 100 umfasst einen
Codierer 102, analoge Ausgangselemente bzw. -bauteile 104 (nur
fünf analoge
Ausgangselemente 104A, 104B, 104C, 104D und 104E sind
in 1 gezeigt), Wiederabtastschalter 106 und
eine Summiereinheit 108. Wie in 1 gezeigt
ist, sind die Wiederabtastschalter 106 zwischen den analogen
Ausgangselementen 104 und der Summierschaltung 108 angeordnet.
Wie unten beschrieben wird, verringert oder eliminiert die Verwendung
dieser Wiederabtastschalter 106 Ausgabefehler in dem Ausgangssignal
des DAC 100, die als "Glitches" bekannt sind, ohne
eine Schalter-Nichtlinearität
einzuführen,
die ein übliches Problem
bei herkömmlichen
DAC darstellen, die eine "Rückkehr zu
Null"-(RZ, "Return to Zero")-Technik verwenden.
Daher wird durch die Verwendung der Wiederabtastschalter 106 zum
Verringern oder Eliminieren der Glitches in dem Ausgangssignal die
Unversehrtheit des Ausgangssignals nicht beeinträchtigt.
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Der
Codierer 102 des DAC 100 übersetzt N binäre Datenbits
eines empfangenen digitalen Eingangssignals in M codierte Signale,
wobei N und M ganze Zahlen sind. Der Codierer 102 ist mit
N Eingangsleitungen 110 verbunden, um die N binären Datenbits
zu empfangen. Der Codierer 102 ist außerdem mit M Steuerleitungen 112 verbunden,
die individuell mit den analogen Ausgangselementen 104 verbunden
sind, um die M codierten Signale von dem Codierer durch die M Steuerleitungen
zu den analogen Ausgangselementen zu übertragen. Die M codierten
Signale sind Antriebssignale, die verwendet werden, um die analogen
Ausgangselemente 104 gemäß dem Wert des digitalen Eingangssignals
selektiv zu aktivieren, so dass ein äquivalentes analoges Ausgangssignal
unter Verwendung der von den aktivierten analogen Ausgangselementen
erzeugten analogen Signalen erzeugt werden kann. Ein jedes codiertes
Signal ist entweder ein Aktivierungssignal zum Aktivieren eines
analogen Ausgangselementes oder ein Deaktivierungssignal zum Deaktivieren
eines analogen Ausgangselementes. Der Codierer 102 kann
irgendein Codierer sein, der in einem DAC verwendet werden kann,
um binäre
Datenbits in codierte Signale zu übersetzen. Beispielsweise kann
der Codierer 102 ein Standard-Thermometer-Codierer sein, der
eine Nachschlags-Tabelle verwendet, um binäre Datenbits in Thermometer-codierte
Signale zu übersetzen.
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Die
analogen Ausgangselemente 104 des DAC 100 erzeugen
ein oder mehrere analoge Signale, wenn die Elemente selektiv bzw.
gezielt durch die von dem Codierer 102 codierten Signale
aktiviert werden. Die analogen Signale, die von den analogen Ausgangselementen 104 erzeugt
werden, sind analoge Teilsignale, die nachfolgend kombiniert werden, um
ein analoges Ausgangssignal zu produzieren. Beispielsweise können die
analogen Ausgangselemente 104 dazu konfiguriert sein, die
analogen Signale in Form von Strömen
zu erzeugen. Wie oben festgestellt wurde, sind die analogen Ausgangselemente 104 individuell
mit dem Codierer 102 über Steuerleitungen 112 verbunden,
um codierte Signale für
ein gegebenes digitales Eingangssignal zu empfangen. Das heißt, dass
ein jedes analoges Ausgangselement 104 durch eine separate
Steuerleitung 112 mit dem Codierer 102 verbunden
ist, um eines der codierten Signale für ein gegebenes digitales Eingangssignal
zu empfangen. Dementsprechend wird in Abhängigkeit von dem codierten
Signal auf einer bestimmten Steuerleitung 112 das verbundene
analoge Ausgangselement 104 aktiviert, so dass ein analoges
Teilsignal erzeugt wird, oder deaktiviert, so dass kein Signal erzeugt
wird. In der beispielhaften Ausführungsform
sind die analogen Ausgangselement 104 identisch, und somit
erzeugt ein jedes analoges Ausgangselement das gleiche analoge Signal, beispielsweise
denselben Strom, wenn es durch ein codiertes Aktivierungssignal
aktiviert wird. Der Ausgang eines jeden Ausgangselementes 104 ist
mit der Summierschaltung 108 durch einen der Wiederabtastschalter 106 verbunden.
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Die
Wiederabtastschalter 106 des DAC 100 übertragen
die analogen Teilsignale, die durch die aktivierten analogen Ausgangselemente 104 erzeugt werden,
gleichzeitig zu der Summierschaltung 108 unter Verwendung
eines Wiederabtast-Taktsignals Clk. Ein jeder Wiederabtastschalter 106 ist
individuell mit einem bestimmten analogen Ausgangselement 104 verbunden,
um das von dem analogen Ausgangselement erzeugt analoge Teilsignal
zu übertragen. Daher
ist in der beispielhaften Ausführungsform
die Anzahl von Wiederabtastschaltern gleich der Anzahl von analogen
Ausgangselementen 104. Das Clk-Signal steuert den Zustand
der Wiederabtastschalter 106 derart, dass es gleichzeitig
sämtliche
Wiederabtastschalter für
eine gegebene Periode schließt
oder öffnet.
Somit regulieren die Wiederabtastschalter 106 die Übertragung
der analogen Teilsignale zwischen den aktivierten analogen Ausgangselementen 104 und
der Summierschaltung 108. Unter Verwendung der Zeitsteuerung
des Clk-Signals erfüllen
die Wiederabtastschalter 106 eine ähnliche Funktion wie ein herkömmlicher
RZ-Schalter. Die Wiederabtastschalter 106 können so
betätigt
werden, dass es den analogen Teilsignalen, beispielsweise Strömen, möglich ist,
sich auf den Endwert einzupendeln, bevor sie zur Summierschaltung 108 übertragen
werden. Dementsprechend werden die Teile der analogen Sig nale, die
zu den Glitches in dem letztendlichen Ausgangssignal des DAC 100 führen, durch
die Verwendung der Wiederabtastschalter 106 effektiv entfernt.
In der beispielhaften Ausführungsform
sind die Wiederabtastschalter 106 identisch, ebenso wie
die analogen Ausgangselemente 104. Daher überträgt ein jeder Wiederabtastschalter 106,
der mit einem aktivierten analogen Ausgangselement 104 verbunden
ist, wenn er geschlossen ist, das analoge Signal, welches von dem
analogen Ausgangselement erzeugt wird. Da ein jeder Wiederabtastschalter 106 ein
feststehendes analoges Signal handhabt, beispielsweise einen feststehenden
Strom, werden die Probleme bezüglich der
Nichtlinearität
des Schalters, die unter Verwendung eines herkömmlichen RZ-Schalters ein wesentliches
Problem darstellen, durch Verwendung der Wiederabtastschalter zum
gleichzeitigen Übertragen der äquivalenten
analogen Signale von den analogen Ausgangselementen 104 zu
der Summierschaltung 108 gelöst.
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In
anderen Ausführungsformen
kann der DAC 100 weniger Wiederabtastschalter 106 als
analoge Ausgangselemente 104 enthalten. In diesen Ausführungsformen
können
die Ausgänge
von zwei oder mehr analogen Ausgangselementen 104 miteinander
verbunden sein, so dass analoge Teilsignale von den analogen Ausgangselementen
miteinander kombiniert werden. Der resultierende Ausgang wird ebenfalls
mit dem Eingang eines der Wiederabtastschalter 106 verbunden.
Somit kann ein jeder Wiederabtastschalter 106 so verbunden
sein, dass er ein kombiniertes analoges Signal von mehreren analogen
Ausgangselementen 104 überträgt. Die
Anzahl von Wiederabtastschaltern 106, die in dem DAC 100 verwendet
werden, kann irgendeine Anzahl sein, die geringer als die Gesamtzahl
der analogen Ausgangselemente 104 ist, welche in dem DAC
enthalten sind.
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Die
Summierschaltung 108 des DAC 100 kombiniert die
analogen Teilsignale von den analogen Ausgangselementen 104,
die gleichzeitig durch die Wiederabtastschalter 106 übertragen
werden, um ein analoges Ausgangssignal an einem Ausgangs-Anschluss 114 herzustellen,
welches ein analoges Äquivalent
des empfangenen digitalen Eingangssignals darstellt. Die Summierschaltung 108 kann
so konfiguriert sein, dass sie das analoge Ausgangssignal unter
Verwendung eines von verschiedenen Signal-Kombinationsschemata produziert,
die die analogen Signale von den analogen Ausgangselementen 104 linear
addieren. Beispielsweise kann die Summierschaltung 108 ein
segmentiertes Standard-Strom-Additionsschemata verwenden, in welchem
einige der Ströme
(d. h., analoge Teilsignale) von den analogen Ausgangselementen 104 direkt
an den Ausgangs-Anschluss 114 angelegt werden, um höchstwertige
Bit-Signale des
analogen Ausgangssignals bereitzustellen, während andere Ströme von analogen Ausgangselementen
erst unter Verwendung einer R-2R-Struktur skaliert werden, bevor
sie an den Ausgangs-Anschluss angelegt werden, um binär-skalierte
niedrigstwertige Bit-Signale des analogen Ausgangssignals bereitzustellen.
Andere Strom-Additionsschemata, die von der Summierschaltung 108 verwendet
werden können,
umfassen ein gerades binärgewichtetes
R-2R-Schema (straight binary-weighted
R-2R) und ein Einzelausgabe-Lastwiderstandsschema, bei dem die Ströme von den analogen
Ausgangselementen 104 an einen einzelnen Ausgangs-Lastwiderstand angelegt
werden. Der Ausgangs-Anschluss 114 des DAC 100 kann
mit einem Strom-zu-Spannungs-Wandler (nicht gezeigt) verbunden sein,
um das analoge Ausgangssignal von einem Strom in eine Spannung umzuwandeln.
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Die
Linearität
der analogen Ausgangssignale, die von dem DAC 100 produziert
werden, hängt nicht
von der grundsätzlichen
Reihen-Linearität
der Wiederabtastschalter 106 ab. Beispielsweise sei angenommen,
dass der Ausgangsstrom eines jeden Wiederabtastschalters 106 in
einer nichtlinearen Relation zu dem Eingangsstrom steht, welche
durch eine Funktion, wie beispielsweise Iaus =
Iin + A·Iin 2 definiert ist, wobei Iaus der
Ausgangsstrom des Wiederabtastschalters ist, Iin der
Eingangsstrom des Wiederabtastschalters ist und A eine Konstante
ist. Dies resultiert in lediglich zwei möglichen Werten für den Ausgangsstrom
eines jeden Wiederabtastschalters 106 I0 für das codierte
Signal von "0" (deaktiviert) oder
I1 für
das codierte Signal von "1" (aktiviert). Nach der
Kombination bei der Summierschaltung 108 wird das Signal
n·I1 + (M – n)·I0 betragen, wenn n "Einsen" in den Steuerleitungen 112 vorliegen.
Dies ist eine lineare Funktion von n, obwohl das Signal Verstärkungs-
und Offsetfehler enthalten kann.
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In 2 ist
ein Teil eines DAC 200 gezeigt, der in einer segmentierten
Standard-DAC-Architektur gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist. Die gleichen Bezugszeichen wie
in 1 werden verwendet, um ähnliche Elemente in 2 zu
identifizieren. Ein Codierer für
den DAC 200 ist in 2 nicht
gezeigt. Der DAC 200 umfasst eine R-2R-Ausgangs-Summierschaltung 208, die
elektrisch mit den analogen Ausgangselementen 104A, 104B, 104C, 104D und 104E über die
Wiederabtastschalter 106 verbunden ist. In dieser Ausführungsform
erzeugt ein jedes analoges Ausgangselement dasselbe analoge Signal,
beispielsweise denselben Strom. Jedoch kann, in Abhängigkeit
der Verbindungen der analogen Ausgangselemente mit der R-2R-Ausgangs-Summierschaltung 208 das
gesamte Analogsignal oder ein skalierter Teil des Analogsignals
von einem bestimmten analogen Ausgangselement zu dem Ausgangs-Anschluss 114 übertragen werden,
um das resultierende analoge Ausgangssignal zu produzieren. Für analoge
Ausgangselemente, die direkt mit dem Ausgangs-Anschluss 114 verbunden
sind, z. B. die analogen Ausgangselemente 104A, 104B und 104C werden
die gesamten analogen Signale, die durch diese analogen Ausgangselemente
erzeugt werden, zu dem Ausgangs-Anschluss 114 übertragen.
Für die
analogen Ausgangselemente, die über
einen oder mehrere R- und 2R-Widerstände mit dem Ausgangs-Anschluss 114 verbunden sind,
beispielsweise die analogen Ausgangselemente 104D und 104E,
werden binär
skalierte Teile der analogen Signale, die durch diese analogen Ausgangselemente
erzeugt werden, zu dem Ausgangs-Anschluss 114 übertragen.
Die analogen Ausgangselemente, die direkt mit dem Ausgangs-Anschluss 114 verbunden
sind, können
als Signale betrachtet werden, die höchstwertige Bit-Signale (most significant
bit, MSB) eines analogen Ausgangssignals bereitstellen, welche große feststehende
analoge Signale sind, während
die analogen Ausgangselemente, die über einen oder mehrere R- und
2R-Widerstände
mit dem Ausgangs-Anschluss 114 verbunden
sind, als Ausgangselemente betrachtet werden können, die niedrigstwertige
Bit-Signale des analogen Ausgangssignals bereitstellen (least significant bit,
LSB), welche kleiner skalierte Signale sind. Die MSB-Signale und
die LSB-Signale werden an dem Ausgangs-Anschluss 114 kombiniert,
um das analoge Ausgangssignal zu produzieren. Zur Vereinfachung
der Darstellung sind in 2 nur drei analoge Ausgangselemente 104A, 104B und 104C zum
Erzeugen der MSB-Signale und zwei analoge Ausgangselemente 104D und 104E zum
Erzeugen von LSB-Signalen gezeigt. Jedoch kann die Anzahl von analogen
Ausgangselementen, die in dem DAC 200 zum Erzeugen der
benötigten
MSB- und LSB-Signale
zum Produzieren der analogen Ausgangssignale enthalten sind, wesentlich
größer sein.
Beispielsweise kann der DAC 200 32 analoge Ausgangselemente zum
Erzeugen der MSB-Signale und neun analoge Ausgangselemente zum Erzeugen
der LSB-Signale für
eine 14-Bit-Digital-Analog-Wandlung enthalten.
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Um
die Beschreibung zu vereinfachen, wurden die DACs 100 und 200 von 1 und 2 so dargestellt
und beschrieben, dass sie zum Erzeugen eines einzelnen analogen
Ausgangssignals für
ein gegebenes digitales Eingangssignal konfiguriert sind. Jedoch
können
die DACs 100 und 200 modifiziert werden, um ein
Paar von differentiellen analogen Ausgangssignalen für ein gegebenes
digitales Eingangssignal zu erzeugen, was für bestimmte Anwendungen wünschenswert
sein kann.
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In
3 sind
ein analoges Ausgangselement
304 und ein Wiederabtastschalter
306 gemäß einer
beispielhaften differentiellen Implementierung gezeigt. Das analoge
Ausgangselement
304 und der Wiederabtastschalter
306 können in
dem DAC
100 von
1 oder dem DAC
200 von
2 verwendet werden.
Das analoge Ausgangselement
304 und der Wiederabtastschalter
306 sind
so konfiguriert, dass sie differentielle analoge Signale I
aus und
unter Verwendung
von D und D und Wiederabtast-Taktsignalen, Clk und
Clk erzeugen. Das analoge Ausgangselement
304 umfasst
differentiell verbundene bipolare Transistoren
316 und
318 und
eine Stromquelle
320. Die Emitter der differentiell verbundenen
Transistoren
316 und
318 sind mit der Stromquelle
320 verbunden.
Die Basis des differentiell verbundenen Transistors
316 ist
so verbunden, dass sie das codierte Signal D empfängt, während die
Basis des differentiell verbundenen Transistors
318 so
verbunden ist, dass sie das codierte Signal über
D empfängt.
Die Stromquelle
320 umfasst einen bipolaren Transistor
322 und
einen Widerstand
324, die in Reihe mit einem Niedervolt-Anschluss
326 von
beispielsweise –3,3
V verbunden sind. Die Basis des bipolaren Transistors
322 ist
so verbunden, dass sie eine Vorspannung V
Vorspannung empfängt, die
den Strom steuert, welcher durch den Transistor geleitet wird. Der
bipolare Transistor
322 und der Widerstand
324 der
Stromquelle
320 arbeiten so, dass sie einen feststehenden Strom
I
Quelle leiten, der die Werte I
aus und
definiert.
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Die
differentiell verbundenen Transistoren
316 und
318 des
analogen Ausgangselementes
304 sind mit dem Wiederabtastschalter
306 verbunden, der
bipolare Wiederabtast-Transistoren
328,
330,
332 und
334 umfasst.
Die Emitter der Wiederabtast-Transistoren
328 und
330 sind
mit dem Kollektor des differentiell verbundenen Transistors
316 des analogen
Ausgangselementes
304 verbunden, während die Emitter der Wiederabtast-Transistoren
332 und
334 mit
dem Kollektor des anderen differentiell verbundenen Transistors
318 des
analogen Ausgangselementes verbunden sind. Der Kollektor des Wiederabtast-Transistors
328 ist
außerdem
mit einer Summierschaltung
208A (nicht gezeigt) verbunden, um
das differentielle analoge Signal
zu übertragen.
Auf ähnliche
Weise ist der Kollektor der Wiederabtast-Transistors
332 mit
einer anderen Summierschaltung
208B (nicht gezeigt) verbunden,
um das differentielle analoge Signal
zu übertragen.
Die Summierschaltungen
208A und
208B können identisch
zu der Summierschaltung
208 von
2 sein. Die
Summierschaltungen
208A und
208B sind so konfiguriert,
dass sie differentielle analoge Signale von den analogen Ausgangselementen
empfangen, um differentielle analoge Ausgangssignale zu erzeugen.
Die Widerabtast-Transistoren
328 und
332 werden
durch das Taktsignal Clk gesteuert, welches an die Basen der Transistoren
328 und
332 angelegt wird.
Im Gegensatz dazu werden die Wiederabtast-Transistoren
330 und
334 durch
das Taktsignal
Clk gesteuert,
welches an die Basen der Transistoren
330 und
334 angelegt
wird. Die Kollektoren der Wiederabtast-Transistoren
330 und
334 sind
mit einem Spannungsanschluss
336, beispielsweise dem Massepotential,
verbunden, um Ströme
von den Wiederabtast-Transistoren
330 und
334 abzuleiten,
die durch Glitch-Übertragungen
beeinträchtigt
sein können,
wenn das Taktsignal
Clk hoch
ist.
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Obwohl
die Transistoren des analogen Ausgangselementes 304 und
des Wiederabtast-Schalters 306 als
bipolare Transistoren dargestellt und beschrieben sind, können stattdessen
auch andere Arten von Transistoren verwendet werden. Beispielsweise
können
die Transistoren des analogen Ausgangselementes 304 und
des Wiederabtastschalters 306 Metalloxid-Halbleiter-Transistoren
(MOS-Transistoren) sein. Alternativ können diese Transistoren auch
eine Mischung von verschiedenen Arten von Transistoren sein.
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In
4 ist
ein Zeitsteuerungsdiagramm für die
Signale I
aus,
Clk
und D gezeigt. Diese Signale sind Beispiele, die den Betrieb des
analogen Ausgangselementes
304 und des zugehörigen Wiederabtastschalters
306 illustrieren.
Wie in dem Zeitsteuerungsdiagramm gezeigt ist, wird ein hohes differentielles
Signal I
aus erzeugt, wenn sowohl das Taktsignal Clk
als auch das codierte Signal D hoch sind, während ein hohes differentielles
Signal
erzeugt
wird, wenn das Taktsignal Clk hoch ist und das codierte Signal D
niedrig ist. Wie ferner in dem Zeitsteuerungsdiagramm gezeigt ist,
ist das Taktsignal Clk zeitlich von dem codierten Signal D versetzt,
so dass das codierte Signal D sich nur ändert, während das Taktsignal Clk niedrig
ist. Daher haben die differentiellen analogen Signale I
aus und
die
Gelegenheit, sich einzupendeln, bevor das Taktsignal Clk wieder
ansteigt, was zu sauberen Ausgangspulsen führt.
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Ein
Verfahren zum Umwandeln digitaler Eingangssignale in analoge Ausgangssignale
gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
wird unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm von 5 beschrieben.
Im Block 502 werden digitale Eingangssignale einer digitalen
Eingabe empfangen. Die eingegebenen digitalen Signale der digitalen
Eingabe repräsentieren
einen Wert. Als nächstes
werden im Block 504 die digitalen Eingangssignale in codierte Signale übersetzt.
Beispielsweise können
die codierten Signale Thermometer-codierte Signale sein. Bei Block 506 werden
unter Verwendung der codierten Signale analoge Teilsignale erzeugt.
Die analogen Teilsignale können
erzeugt werden, indem analoge Ausgangselemente unter Verwendung
der codierten Signale als Antriebssignale selektiv aktiviert werden. Als
nächstes
wird bei Block 508 die Übertragung
der analogen Teilsignale reguliert. Beispielsweise kann eine Anzahl
von Wiederabtastschaltern verwendet werden, um die Übertragung
der analogen Teilsignale zu regulieren, indem die Wiederabtastschalter
unter Verwendung eines Taktsignals gleichzeitig geschlossen und
geöffnet
werden, um die analogen Teilsignale gleichzeitig zu übertragen,
wodurch Glitches in dem resultierenden Ausgangssignal verringert
oder eliminiert werden können,
ohne eine Schalter-Nichtlinearität
einzuführen.
Das Taktsignal sollte zeitlich von den Übergängen in dem digitalen Eingangssignal
versetzt sein, so dass die relevanten elektrischen Signale Gelegenheit
haben, sich einzupendeln, wenn die Schalter offen sind. Bei Block 510 werden
die analogen Teilsignale empfangen und unter Verwendung eines vordefinierten
Schemas kombiniert, um ein analoges Ausgangssignal zu erzeugen,
welches eine analoge Repräsentierung
des digitalen Eingangssignals darstellt. Beispielsweise können die
analogen Teilsignale unter Verwendung von segmentierten Standard-Kombinationsschemata
unter Verwendung einer R-2R-Struktur kombiniert werden.