WO2012079901A1 - Analog-to-digital converter, method for operating an analog-to-digital converter and method for converting an analog input signal into a digital output signal - Google Patents

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Alexander Frey
Ingo KÜHNE
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    • H03M1/34Analogue value compared with reference values
    • H03M1/38Analogue value compared with reference values sequentially only, e.g. successive approximation type
    • H03M1/46Analogue value compared with reference values sequentially only, e.g. successive approximation type with digital/analogue converter for supplying reference values to converter
    • H03M1/466Analogue value compared with reference values sequentially only, e.g. successive approximation type with digital/analogue converter for supplying reference values to converter using switched capacitors
    • H03M1/468Analogue value compared with reference values sequentially only, e.g. successive approximation type with digital/analogue converter for supplying reference values to converter using switched capacitors in which the input S/H circuit is merged with the feedback DAC array

Abstract

The invention relates to an analog-to-digital converter (10) which functions on the basis of the principle of successive approximation and comprises a network (11) with weighted reference elements (12), which are formed at least partially by capacitors (C), which each have a first plate (19) and a second plate (20), a comparator (14), the first input of said comparator being connected to the second plates (20) of the capacitors, and a reference voltage (Vref) being applied to the second input of said comparator, a first switching unit (22), via which the first plates (19) can optionally be connected to a first input voltage (Vin1) or to ground, a second switching unit (24), via which the second plates (20) can optionally be connected to a second input voltage (Vin2) or so as to be highly resistive, and a monitoring unit (15), which is connected downstream of the comparator (14) and which comprises a data register (26) for buffer-storing output signals from the comparator (14) and a control unit (27) for driving the network (11) as well as the first switching unit (22) and the second switching unit (24). The differential analog-to-digital converter according to the invention is characterized by a low level of complexity in terms of circuitry, a low area requirement and a low power consumption.

Description

Beschreibung description
Analog-Digital-Umsetzer, Verfahren zum Betrieb eines Analog- Digital-Umsetzers und Verfahren zur Umsetzung eines analogen Eingangssignals in ein digitales Ausgangssignal Analog-to-digital converter, method for operating an analog-to-digital converter and method for converting an analog input signal into a digital output signal
Die Erfindung betrifft einen Analog-Digital-Umsetzer zur Umsetzung eines analogen Eingangssignals in ein digitales Aus¬ gangssignal nach dem Prinzip der sukzessiven Approximation, ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Analog- Digital-Umsetzers sowie ein Verfahren zur Umsetzung eines analogen Eingangssignals, welches aus der Differenz einer ersten analogen Eingangsspannung und einer zweiten analogen Eingangsspannung gebildet ist, in ein digitales Ausgangssig- nal nach dem Prinzip der sukzessiven Approximation. The invention relates to an analog-to-digital converter for converting an analog input signal into a digital Aus ¬ output signal according to the principle of successive approximation, a method for operating an analog-to-digital converter according to the invention and a method for converting an analog input signal, which from the Difference of a first analog input voltage and a second analog input voltage is formed in a digital Ausgangssig- signal according to the principle of successive approximation.
Analog/Digital-Umsetzer - häufig auch als A/D-Umsetzer, A/D- Wandler oder A/D-Konverter bezeichnet - sind elektronische Schaltungen, die eine analoge Eingangsspannung, z.B. ein Messsignal eines Sensors, in eine dazu proportionale digitale Ausgangsspannung, die zum Beispiel als binär codierte Aus¬ gangsspannung ausgegeben werden kann, wandeln. Für die Analog/Digital-Umsetzung sind vielerlei A/D-Wandlertypen bekannt, zum Beispiel parallel arbeitende A/D-Wandler (flash Converter), Kaskaden-A/D-Wandler (subranging Converter) und nach dem Wägeverfahren oder dem Prinzip der sukzessiven Approximation arbeitende A/D-Wandler (siehe hierzu Tietze, Schenk, Halbleiterschaltungstechnik, 10. Auflage, insbesondere Seiten 774 ff) . Analog / digital converters - often referred to as A / D converters, A / D converters or A / D converters - are electronic circuits which convert an analog input voltage, eg a measurement signal of a sensor, into a proportional digital output voltage. which can be, for example, output as binary coded for ¬ output voltage, convert. Many A / D converter types are known for the analog / digital conversion, for example parallel A / D converters (flash converters), cascade A / D converters (subranging converters) and according to the weighing method or the principle of the successive ones Approximation working A / D converter (see Tietze, Schenk, semiconductor circuit technology, 10th edition, especially pages 774 ff).
Beim Verfahren der sukzessiven Approximation werden die Datenbits einer digitalen Ausgangsgröße aus einer Eingangsgröße in Wägeschritten sukzessive nacheinander bestimmt. Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines zum Beispiel in dem Deutschen Patent DE 101 39 488 Cl beschriebenen A/D-Wandlers 1 mit sukzessiver Approximation. Der A/D-Wandler 1 weist ein- gangsseitig eine Abtast-Halte-Schaltung 2 (sample and hold circuit) zum Abtasten und Speichern einer analogen Eingangs- Spannung UE auf. In der Abtast-Halte-Schaltung 2 wird die Eingangsspannung UE zwischengespeichert, um sicherzustellen, dass Änderungen der Eingangsspannung UE während der Wandlungsdauer keinen Fehler verursachen. Ferner ist ein Kompara- tor 3 zum Vergleichen der gespeicherten analogen Eingangsspannung UE mit dem aus der digitalen Ausgangsspannung UD abgeleiteten analogen Vergleichspannung UZ vorgesehen. Die analoge Vergleichspannung UZ ergibt sich durch Rückkopplung der durch ein SAR-Register 4 (SAR = Sukzessive Approximation Re- gister) erzeugten digitalen Ausgangsspannung UD und anschließender Digital/Analog-Wandlung . Hierfür ist ein n-Bit D/AWandler 5 vorgesehen, wobei n hier die Auflösung der D/AWandlung bezeichnet. In the method of successive approximation, the data bits of a digital output variable from an input variable in progress are successively determined in succession. 1 shows the basic structure of a successive approximation A / D converter 1 described, for example, in German Patent DE 101 39 488 C1. The A / D converter 1 has on the input side a sample and hold circuit 2 for sampling and storing an analogue input circuit 2. Voltage UE on. In the sample and hold circuit 2, the input voltage UE is latched to ensure that changes in the input voltage UE do not cause an error during the conversion period. Furthermore, a comparator 3 is provided for comparing the stored analog input voltage UE with the analog comparison voltage UZ derived from the digital output voltage UD. The analog comparison voltage UZ results from the feedback of the digital output voltage UD generated by a SAR register 4 (SAR = successive approximation register) and subsequent digital / analog conversion. For this purpose, an n-bit D / AWandler 5 is provided, where n here designates the resolution of the D / A conversion.
Bei der sukzessiven Approximation wird zunächst das In the successive approximation, the
höchstwertige Bit (MSB-Bit) gesetzt und dann mittels des Di- gital/Analog-Wandlers der zugehörige Wert einer Analogspan¬ nung ermittelt. Ist die zu wandelnde Eingangsanalogspannung UE größer als die ermittelte Ausgangsanalogspannung UZ des Digital/Analog-Wandlers , dann bleibt das gesetzte Bit ge¬ setzt. Im umgekehrten Falle wird es wieder zurückgesetzt. An¬ schließend wird das nächst niederwertigere Bit in gleicher Weise bestimmt. Auf diese Weise wird das Verfahren fortge¬ setzt, bis sukzessive alle Bits des Digital/Analog-Wandlers ermittelt worden sind. Most significant bit (MSB bit) set and then determined by means of the digital / analog converter, the associated value of an analog chip ¬ tion. Is to be converted input analog voltage UE is greater than the determined output analog voltage UZ of the digital / analog converter, then the set bit remains ge ¬ sets. In the opposite case, it is reset again. Subsequently , the next least significant bit is determined in the same way. In this way, the process will be continued sets ¬ until all successive bits of the digital / analog converter are determined.
Die Funktion der Abtast-Halte-Schaltung kann durch eine Modifizierung des Wandlerverfahrens in den D/A-Wandler integriert werden und damit als eigener Schaltungs- und Funktionsblock entfallen. So kann z.B. die analoge Eingangsspannung durchThe function of the sample-and-hold circuit can be integrated into the D / A converter by modifying the transducer method and thus be dispensed with as a separate circuit and function block. Thus, e.g. the analog input voltage through
Ladungsumverteilung auf einem in den D/A-Wandler integrierten Kapazitätsnetzwerk für die Zeit der Wandlung zwischengespeichert werden. Ein derart ausgestalteter A/D-Umsetzer ist beispielsweise in J. Sauerbrey, D. Schmitt-Landsiedel and R. Thewes; "A 0.5V, Ιμΐ/tf Successive Approximation ADC" ; IEEECharge redistribution on a capacity network integrated into the D / A converter for the time of conversion are cached. Such a designed A / D converter is described, for example, in J. Sauerbrey, D. Schmitt-Landsiedel and R. Thewes; "A 0.5V, Ιμΐ / tf Successive Approximation ADC"; IEEE
Journal of Solid-State Circuits; vol. 38 no . 7; Seiten 1261 - 1265; 2003 beschrieben. Dabei werden in einer Abtastphase erste Platten der Kondensatoren des Kapazitätsnetzwerks über einen ersten Schalter mit der analogen Eingangsspannung verbunden und zweite Platten der Kondensatoren des Kapazitätsnetzwerks über einen zweiten Schalter mit Masse verbunden. In einer darauffolgenden Haltephase, welche zugleich als Wandlungsphase dient, werden die ersten Platten der Kondensatoren mit Masse verbunden und die zweiten Platten hochohmig geschaltet, so dass am Eingang eines Komparators die negative Eingangsspannung anliegt. Über das Kapazitätsnetzwerk wird diese Spannung während der Wandlungsphase "gehalten". Der Komparator vergleicht in diesem Fall nicht mehr die analoge Eingangsspannung mit der analogen Vergleichsspannung. Stattdessen wird die Differenz aus Messspannung und Vergleichsspannung mit einer konstanten Referenzspannung am zweiten Komparatoreingang verglichen. Die eigentliche Wandlung mit Hilfe der sukzessiven Approximation bleibt unverändert. Journal of Solid State Circuits; vol. 38 no. 7; Pages 1261 - 1265; 2003 described. In this case, in a sampling phase first plates of the capacitors of the capacitance network on a first switch connected to the analog input voltage and second plates of the capacitors of the capacitance network connected via a second switch to ground. In a subsequent holding phase, which also serves as a conversion phase, the first plates of the capacitors are connected to ground and the second plates are switched high impedance, so that at the input of a comparator, the negative input voltage is applied. Through the capacity network, this voltage is "held" during the conversion phase. In this case, the comparator no longer compares the analog input voltage with the analog reference voltage. Instead, the difference between the measuring voltage and the reference voltage is compared with a constant reference voltage at the second comparator input. The actual transformation with the help of the successive approximation remains unchanged.
Das Wandlerergebnis kann durch Störsignale, z.B. in Form von Störspannungen, welche der analogen Eingangsspannung, z.B. einem Messsignal eines Sensors, überlagert sind, verfälscht werden. Wird der A/D-Umsetzer mit einem sogenannten "single ended" Spannungseingang betrieben, werden die Störsignale mit Bezug auf eine ideale Systemreferenzmasse verstärkt und ver¬ schlechtern über das Signal-zu-Rausch-Verhältnis die Wandler¬ auflösung . The result of the conversion can be falsified by interference signals, for example in the form of interference voltages, which are superimposed on the analog input voltage, for example a measurement signal of a sensor. If the A / D converter is operated with a so-called "single-ended" voltage input, the interference signals are amplified with respect to an ideal system reference ground and ver ¬ deteriorate on the signal-to-noise ratio, the converter ¬ resolution.
Zur Optimierung der Wandlergenauigkeit ist es bekannt, A/D- Umsetzer mit differentiellen Spannungseingängen zu versehen. Bei einem differentiellen Spannungseingang wird die Differenz zweier Eingangsspannungen (Messsignale) gebildet und diese in ein digitales Datenwort gewandelt. Auf diese Weise werden Störsignale, mit welchen beide Eingangsspannungen in gleicher Weise beaufschlagt sind, kompensiert. To optimize the converter accuracy, it is known to provide A / D converter with differential voltage inputs. With a differential voltage input, the difference between two input voltages (measuring signals) is formed and converted into a digital data word. In this way, interference signals, with which both input voltages are applied in the same way, compensated.
Ein derartiger A/D-Umsetzer mit differentiellem Spannungseingang ist beispielsweise aus der US 2003/0206038 AI bekannt. Such an A / D converter with differential voltage input is known for example from US 2003/0206038 AI.
Ein wesentlicher Nachteil der bekannten A/D-Umsetzer mit dif- ferentiellen Spannungseingängen besteht aber darin, dass ein zweiter D/A-Wandler bzw. ein zweites Kapazitätsnetzwerk sowie ein volldifferentieller Komparator erforderlich sind, was sowohl den schaltungstechnischen Aufwand und damit die Kosten als auch den Flächenbedarf deutlich erhöht. Außerdem haben derartige A/D-Umsetzer auch einen relativ hohen Leistungsbedarf . However, a major disadvantage of the known A / D converters with differential voltage inputs is that a second D / A converter or a second capacitance network and a fully differential comparator are required, which significantly increases both the circuitry complexity and thus the cost and space requirements. In addition, such A / D converter also have a relatively high power requirement.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Analog- Digital-Umsetzer mit differentiellen Spannungseingängen sowie ein zugehöriges Verfahren zur Umsetzung eines analogen Eingangssignals in ein digitales Ausgangssignal anzugeben, wel¬ che die oben angegebenen Nachteile vermeiden. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Analog-Digital-Umsetzer anzugeben, welcher neben dem differentiellen Betrieb ohne großen schaltungstechnischen Mehraufwand auch einen "single- ended" Modus erlaubt. The invention has for its object to provide an analog-to-digital converter with differential voltage inputs and an associated method for converting an analog input signal into a digital output signal, wel ¬ che avoid the disadvantages mentioned above. Another object of the invention is to provide an analog-to-digital converter, which in addition to the differential operation without large circuit overhead allows a "single-ended" mode.
Die erste Aufgabe wird gelöst durch einen Analog-Digital- Umsetzer zur Umsetzung eines analogen Eingangssignals in ein digitales Ausgangssignal nach dem Prinzip der sukzessiven Approximation, welcher umfasst: The first object is achieved by an analog-to-digital converter for converting an analog input signal into a digital output signal according to the principle of successive approximation, which comprises:
- ein Netzwerk mit gewichteten Referenzelementen, welche zumindest teilweise durch Kondensatoren gebildet sind, wel¬ che jeweils eine erste Platte und eine zweite Platte auf- weisen, , Wel ¬ che each have a network having weighted reference elements, which are at least partially formed by a first capacitor plate and a second plate up, -
- einen Komparator, dessen erster Eingang mit den zweiten Platten der Kondensatoren des Netzwerkes verbunden ist und an dessen zweiten Eingang eine Referenzspannung angelegt ist,  a comparator whose first input is connected to the second plates of the capacitors of the network and to whose second input a reference voltage is applied,
- eine erste steuerbare Schalteinheit, welche derart ausges¬ taltet ist, dass die ersten Platten der Kondensatoren des Netzwerks wahlweise zumindest mit einer ersten analogen Eingangsspannung oder mit Masse beschaltbar sind, - a first controllable switching unit, which is such ausges ¬ taltet that the first plates of the capacitors of the network are alternatively be wired with at least one first analog input voltage or to ground,
- eine zweite steuerbare Schalteinheit, welche derart aus- gestaltet ist, dass die zweiten Platten der Kondensatoren des Netzwerks wahlweise mit einer zweiten analogen Ein¬ gangsspannung oder hochohmig beschaltbar sind, und - eine dem Komparator nachgeschaltete Kontrolleinheit, wel¬ che zumindest ein Datenregister, insbesondere ein sukzes¬ sives Approximationsregister, zur Zwischenspeicherung von Ausgangssignalen des Komparators und eine Steuereinheit zur Ansteuerung des Netzwerks sowie der ersten und der zweiten Schalteinheit umfasst. - a second controllable switching unit, which is designed such Removing that the second plates of the capacitors of the network are optionally substituted with a second analog input voltage or a high resistance A ¬ be wired, and -, wel ¬ comprises at least one downstream of the comparator control unit che a data register, in particular a sukzes ¬ immersive approximation register, for the intermediate storage of output signals of the comparator and a control unit for controlling the network as well as the first and the second switching unit.
Die erste Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zur Umsetzung eines analogen Eingangssignals, welches aus der Differenz einer ersten analogen Eingangsspannung und einer zweiten analogen Eingangsspannung gebildet ist, in ein digitales Ausgangssignal mit Hilfe eines Netzwerks mit gewichte¬ ten Referenzelementen, welche zumindest teilweise durch Kondensatoren gebildet sind, welche jeweils eine erste Platte und eine zweite Platte aufweisen. Dabei wird in einer Abtast¬ phase an die ersten Platten der Kondensatoren die erste analoge Eingangsspannung und an die zweiten Platten der Kondensatoren die zweite analoge Eingangsspannung angelegt. In ei¬ ner der Abtastphase folgenden Wandlungsphase werden dann die ersten Platten der Kondensatoren mit Masse verbunden, die zweiten Platten der Kondensatoren hochohmig geschaltet und anschließend eine digitale Ausgangsspannung mit Hilfe sukzes¬ siver Approximation bestimmt. Die Erfindung basiert auf der Grundidee, zur Realisierung differentieller Spannungseingänge die beiden Eingangsspannungen nicht in getrennte Netzwerke einzuspeisen, sondern in ein gemeinsames Netzwerk, wobei in einer Abtastphase eine der Eingangsspannungen an die unteren und die andere Eingangs- Spannung an die oberen Platten der Kondensatoren des Netzwerkes angelegt werden. Für die Anwendbarkeit der Erfindung ist es dabei unerheblich, ob die Referenzelemente vollständig durch Kondensatoren gebildet sind (Kapazitätsnetzwerk) oder ob ein Teil des Netzwerks auch durch andere Referenzelemente, wie z.B. Widerstände, realisiert ist (Hybrid-Netzwerk) . The first object is also achieved by a method for converting an analog input signal, which is formed from the difference of a first analog input voltage and a second analog input voltage, into a digital output signal with the aid of a network with weighted reference elements , which are at least partially connected by capacitors are formed, each having a first plate and a second plate. Here, the first analog input voltage and to the second plates of the capacitors, the second analog input voltage is applied in a sample ¬ phase on the first plates of the capacitors. In ei ¬ ner following the sampling phase conversion phase then the first plates of the capacitors are connected to ground, switched the second plates of the capacitors high impedance and then determines a digital output voltage using sukzes ¬ siver approximation. The invention is based on the basic idea, to implement differential voltage inputs, not to feed the two input voltages into separate networks, but into a common network, wherein in one sampling phase one of the input voltages to the lower and the other input voltage to the upper plates of the capacitors of the network be created. For the applicability of the invention, it is irrelevant whether the reference elements are completely formed by capacitors (capacitance network) or whether part of the network is also realized by other reference elements, such as resistors (hybrid network).
Die erfindungsgemäße Systemarchitektur zeichnet sich The system architecture according to the invention is characterized
dadurch aus, dass ein differentieller Betrieb des A/D Umsetzers mit nur einem (einzigen) D/A-Wandler bzw. Netzwerk ermöglicht wird, darüber hinaus ist auch kein voll differen- tieller Komparator erforderlich. Beides wirkt sich positiv auf den Schaltungsaufwand, die Kosten und den notwendigen Flächenbedarf aus. Auch der Leistungsverbrauch ist im Vergleich zu herkömmlichen differentiellen A/D-Umsetzern merklich reduziert. in that a differential operation of the A / D Converter with only one (single) D / A converter or network is made possible, moreover, no fully differential comparator is required. Both have a positive effect on the circuit complexity, the costs and the necessary space requirement. Also, power consumption is significantly reduced compared to conventional differential A / D converters.
Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung ist die zweite steuerbare Schalteinheit derart ausgestaltet, dass die zwei¬ ten Platten der Kondensatoren des Netzwerks nicht nur mit der zweiten analogen Eingangsspannung oder hochohmig beschaltbar sind, sondern alternativ auch noch mit der Referenzspannung, welche auch am Komparator als konstante Vergleichsspannung genutzt wird. Auf diese Weise wird mit sehr einfachen schal¬ tungstechnischen Mitteln ein A/D-Umsetzer geschaffen, welcher neben dem differentiellen auch einen "single ended" Betriebsmodus zulässt. Je nachdem ob die zweiten Platten der Kondensatoren des Netzwerks in der Abtastphase über die zweite steuerbare Schalteinheit mit der zweiten Eingangsspannung oder der Referenzspannung verbunden werden, wird ein diffe- rentieller Betrieb (erster Betriebsmodus) bzw. ein "single ended" Betrieb (zweiter Betriebsmodus) realisiert. Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung ist der Betriebsmodus durch einen Benutzer des Analog-Digital-Umsetzers fest¬ legbar. Dazu kann die zweite steuerbare Schalteinheit z.B. abhängig von einem externen durch einen Benutzer vorgebbaren Steuersignal steuerbar sein. According to one disclosed embodiment of the invention, the second controllable switching unit is configured such that the two ¬ ten plates of the capacitors of the network are be wired not only with the second analog input voltage or a high resistance, but alternatively also with the reference voltage, which as well as at the comparator constant comparison voltage is used. In this way, an A / D converter is provided with very simple switching ¬ technical means, which in addition to the differential also allows a "single-ended" mode of operation. Depending on whether the second plates of the capacitors of the network are connected to the second input voltage or the reference voltage in the sampling phase via the second controllable switching unit, a differential mode (first operating mode) or a "single-ended" mode (second operating mode) realized. According to one disclosed embodiment of the invention, the operation mode is fixed ¬ can be laid by a user of the analog-digital converter. For this purpose, the second controllable switching unit can be controllable, for example, depending on an external control signal that can be predetermined by a user.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus Ausführungsbeispielen, welche im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert werden. Es zeigen: Fig. 1 eine schematisches Blockschaltbild eines bekannten, nach dem Prinzip der sukzessiven Approximation arbeitenden A/D-Umset zers und# Further features and advantages of the invention will become apparent from exemplary embodiments, which are explained below with reference to the drawings. Show it: 1 is a schematic block diagram of a known, working on the principle of successive approximation A / D Umsetz zers and #
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemä¬ ßen Analog-Digital-Umsetzers gemäß einer möglichen Aus führungs form. Fig. 2 is a schematic representation of an inventive ¬ SEN analog-to-digital converter according to a possible disclosed embodiment.
Der in Figur 2 schematisch dargestellte A/D-Umsetzer 10 weist ein Netzwerk 11 mit parallel geschalteten gewichteten Referenzelementen 12 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Netzwerk 11 als reines Kapazitätsnetzwerk ausgestaltet, welches als Referenzelemente 12 ausschließlich Kondensa¬ toren C aufweist. Für die Anwendbarkeit der Erfindung ist aber auch ausreichend, wenn nur ein Teil der Referenzelemente 12 als Kondensatoren C ausgestaltet ist und die übrigen Refe¬ renzelemente 12 anderweitig, z.B. in Form von Widerständen (Widerstandsnetzwerk) , realisiert sind. Ein derartiges, aus mehreren Teilnetzwerken mit unterschiedlichen Referenzelemen- ten bestehendes Netzwerk wird häufig auch als Hybridnetzwerk bezeichnet. Außerdem weist der A/D Umsetzer 10 einen Kompara- tor 14 und eine Kontrolleinheit 15 auf. The A / D converter 10 shown schematically in FIG. 2 has a network 11 with weighted reference elements 12 connected in parallel. In the illustrated embodiment, the network 11 is designed as a pure capacitance network, which has as reference elements 12 exclusively capacitors C ¬ . But for the applicability of the invention is also sufficient if only a part of the reference elements 12 is designed as capacitors C and the other Refe ¬ rence elements 12 otherwise, eg in the form of resistors (resistor network), realized. Such a network consisting of several subnetworks with different reference elements is often referred to as a hybrid network. In addition, the A / D converter 10 has a comparator 14 and a control unit 15.
An einen ersten Eingang 16 des A/D-Umset zers 10 ist eine ers- te analoge Eingangsspannung Vj_ni und an einen zweiten Eingang 17 des A/D-Umset zers 1 ist eine zweite analoge Eingangsspan¬ nung Vin2 anlegbar. Die Eingangsspannungen Vj_ni und Vin2 können dabei z.B. Messsignale eines nicht dargestellten Sensors sein. Die Eingangsspannungen Vj_ni und Vin2 können unmittelbar in Form von Spannungssignalen vorliegen oder aber aus Stromsignalen, z.B. über einen nicht dargestellten Widerstand, abgeleitet werden. An einen dritten Eingang 18 des A/D- Umsetzers 10 ist schließlich eine Referenzspannung Vref anleg¬ bar . To a first input 16 of the A / D-imple dec 10 is a ERS te analog input voltage Vj_ n i and to a second input 17 of the A / D-imple decomp 1 is a second analog input clamping ¬ voltage Vi n 2 can be applied. The input voltages Vj_ n i and n 2 Vi can in this case be, for example, measuring signals of a sensor, not shown. The input voltages Vj_ n i and n 2 Vi may be present directly in the form of voltage signals or current signals from, are discharged via a resistor not shown, for example. At a third input 18 of the A / D converter 10 is finally a reference voltage V ref anleg ¬ bar.
Das Netzwerk 11 weist eine Vielzahl von Kondensatoren Co bis Cn-i auf, welche jeweils eine erste Platte 19 und eine zweite Platte 20 aufweisen und welche mit Ausnahme des Kondensators Co jeweils in Reihe zu einem steuerbaren Schalter 21-1 bis 21-n geschaltet sind. Alternativ zu der dargestellten Ausführungsform kann aber auch der Kondensator Co in Reihe zu einem steuerbaren Schalter geschaltet sein. Die steuerbaren Schal- ter 21-1 bis 21-n ermöglichen die wahlweise Verbindung der ersten Platten 19 der Kondensatoren Co bis Cn-i mit einer Be¬ triebsspannung VDD, welche vorteilhaft stabilisiert ist, oder mit einer ersten steuerbaren Schalteinheit 22. Die steuerba¬ ren Schalter 21-1 bis 21-n-l sind über Steuersignale Sc steu- erbar, wie nachfolgend noch detaillierter ausgeführt wird. Das Netzwerk 11 mit den schaltbaren Referenzelementen 12 in Form der Kondensatoren C erfüllt dabei die Funktion eines Di- gital/Analog-Wandlers und einer Abtast-Halte-Schaltung, wie sie einem sukzessiv approximierenden A/D-Umsetzer inhärent sind. Die Kapazitätswerte der Kondensatoren Co bis Cn-i sind binär gewichtet, wobei die Kapazität des Kondensators Cn-i der Summe der Kapazitäten der niederwertigeren Kondensatoren Cn-i- i bis Co entspricht. Der Kondensator Cn-i entspricht dabei bei einem n-Bit-Umsetzer dem höchstwertigen Kondensator, während der Kondensator Co dem niederwertigsten Kondensator entspricht. Bei Referenzelementen 12, welche z.B. als Widerstände ausgeführt sind, kann eine entsprechende Gewichtung mit Hilfe der Widerstandswerte erreicht werden. Über die erste steuerbare Schalteinheit 22, welche im darge¬ stellten Ausführungsbeispiel als einfacher Schalter 23 ausge¬ führt ist, sind die ersten Platten 19 der Kondensatoren C des Netzwerks 11 wahlweise mit der ersten analogen Eingangsspannung Vini oder mit Masse beschaltbar. Über eine zweite steuer- bare Schalteinheit 24, sind die zweiten Platten 20 der Kondensatoren C des Netzwerks 11 wahlweise mit der zweiten ana¬ logen Eingangsspannung Vin2 oder mit der konstanten Referenzspannung Vref oder hochohmig beschaltbar. Ausgangsseitig ist dem Netzwerk 11 der Komparator 14 nachgeschaltet, wobei ein erster Eingang des Komparators 14 mit ei¬ nem die zweiten Platten 20 der Kondensatoren C miteinander verbindenden Knoten 25 verbunden ist. An dem zweiten Eingang des Komparators liegt die Referenzspannung Vref an. The network 11 has a plurality of capacitors Co to C n -i, each having a first plate 19 and a second plate 20 and which except for the capacitor Co are respectively connected in series to a controllable switch 21-1 to 21-n. As an alternative to the illustrated embodiment, however, the capacitor Co may also be connected in series with a controllable switch. The controllable formwork ter 21-1 to 21-n permit the selective connection of the first plates 19 of capacitors Co through C n-i with a Be ¬ operating voltage VDD, which is advantageously stabilized, or 22, with a first controllable switching unit the steuerba The switches 21-1 to 21-nl can be controlled via control signals S c , as will be explained in more detail below. The network 11 with the switchable reference elements 12 in the form of the capacitors C fulfills the function of a digital / analog converter and a sample-and-hold circuit, as they are inherent in a successively approximating A / D converter. The capacitance values of the capacitors Co to C n -i are binary-weighted, the capacitance of the capacitor C n -i corresponding to the sum of the capacitances of the lower-value capacitors C n -i i to Co. The capacitor C n -i corresponds to the highest-order capacitor in an n-bit converter, while the capacitor Co corresponds to the lowest-value capacitor. For reference elements 12, which are designed, for example, as resistors, a corresponding weighting can be achieved with the aid of the resistance values. Is connected via the first controllable switching unit 22 out ¬ leads Darge ¬ exemplary embodiment illustrated as a simple switch 23, the first plates 19 of the capacitors C of the network 11 can be wired either with the first analog input voltage Vi n i or ground. Via a second controllable switching unit 24, the second plates 20 of the capacitors C of the network 11 can be selectively connected to the second ana ¬ logen input voltage Vi n 2 or the constant reference voltage V ref or high impedance. On the output side of the network 11, the comparator 14 is connected downstream, wherein a first input of the comparator 14 with egg ¬ nem the second plates 20 of the capacitors C with each other connecting node 25 is connected. At the second input of the comparator, the reference voltage V ref is applied .
Dem Komparator 14 ausgangsseitig nachgeschaltet ist die Kon- trolleinheit 15, welche zumindest ein Datenregister 26 und eine Steuereinheit 27 aufweist. Das Datenregister 26 ist im Falle eines sukzessiv approximierenden A/D-Wandlers typi¬ scherweise ein sukzessives Approximationsregister ( SAR) . In dem Datenregister 26 werden die Ausgangssignale des Kompara- tors 14, das heißt die jeweiligen Vergleichsergebnisse Vcomp, zwischengespeichert. Abhängig von dem Ergebnis Vcomp eines je¬ weils momentanen Vergleichs in dem Komparator 14 erzeugt die Steuereinheit 27 ein Steuersignal Sc für das Netzwerk 11, insbesondere die Schalter 21, und Steuersignale Sl für die steuerbaren Schalteinheiten 22 und 24. Downstream of the comparator 14 is the control unit 15, which has at least one data register 26 and a control unit 27. The data register 26 is, in the case of a successive approximation A / D converter ¬ typi cally a successive approximation register (SAR). In the data register 26, the output signals of the comparator 14, that is, the respective comparison results V comp , are buffered. Depending on the result of a V comp per ¬ weils current comparison in the comparator 14, the control unit 27 generates a control signal S c for the network 11, especially the switches 21, and control signals Sl for the controllable switching units 22 and 24th
Die Kontrolleinheit 15 kann ein SAR enthalten, welches binä¬ ren A/D-Wandlern 10 eigen ist. Zusätzlich oder alternativ kann hier allerdings eine beliebige Ausgestaltung des Daten- registers 26 vorgesehen sein. Beispielsweise kann die Kontrolleinheit 15 einen beliebigen Wandlungsalgorythmus zur Er¬ mittlung der Bits eines digitalen Ausgangssignals enthalten. Insbesondere kann die Kontrolleinheit 15 auch für einen nicht binär arbeitenden A/D-Umsetzer ausgebildet sein. So ist es beispielsweise denkbar, dass der erfindungsgemäße A/D-The control unit 15 may contain a SAR which binä ¬ ren A / D converters 10 is proper. Additionally or alternatively, however, any configuration of the data register 26 may be provided here. For example, the control unit 15 may contain any Wandlungsalgorythmus for He averaging ¬ the bits of a digital output signal. In particular, the control unit 15 may also be designed for a non-binary A / D converter. For example, it is conceivable that the inventive A / D
Umsetzer mit einer Redundanz ausgebildet ist, was insbesonde¬ re hinsichtlich der Schnelligkeit des A/D-Umsetzers von Vor¬ teil ist. Nachfolgend wird jedoch auf den Aufbau und die Funktionsweise eines solchen sukzessiv approximierenden A/D- Umsetzers mit Redundanz nicht näher eingegangen, da derenConverter is designed with a redundancy, which is insbesonde ¬ re in terms of the speed of the A / D converter of ¬ part before. In the following, however, the structure and operation of such a successively approximating A / D converter with redundancy will not be discussed in more detail, since the latter
Grundstruktur und -funktionalität aus dem Stand der Technik bereits hinlänglich bekannt ist. Basic structure and functionality from the prior art is already well known.
Die zweite steuerbare Schalteinheit 24 umfasst bei der darge- stellten Ausführungsvariante zwei Schalter 28 und 29. Der erste Schalter 28 dient dabei der Ablaufsteuerung der A/D- Umsetzung, insbesondere dem Wechsel zwischen einer Abtastpha¬ se und einer darauf folgenden Wandlungsphase, was im Folgen- den noch detaillierter erläutert wird. Der zweite Schalter 29 dient der Einstellung oder Festlegung eines Betriebsmodus des A/D-Umsetzers 10. Je nach Stellung des zweiten Schalters 29 werden die zweiten Platten 20 der Kondensatoren C bei ge- schlossenem ersten Schalter 28 mit der zweiten Eingangsspannung Vin2 oder der Referenzspannung Vref verbunden, was einem differentiellen Betriebsmodus bzw. einem " single-ended" Be¬ triebsmodus entspricht. Angesteuert wird der zweite Schalter 29 dabei über ein extern durch einen Benutzer vorgebbares Steuersignal D. Die zweite steuerbare Schalteinheit 24 kann aber auch in anderer Form ausgestaltet sein, insbesondere kann auf die Umschaltmöglichkeit in einen "single ended" Mo¬ dus verzichtet werden. Nachfolgend sei die Funktionsweise des erfindungsgemäßen A/D- Wandlers 10 aus Fig. 2 für einen differentiellen Betriebsmodus erläutert. The second controllable switching unit 24 comprises in the ones shown, presented embodiment, two switches 28 and 29. The first switch 28 serves to control flow of the A / D conversion, in particular the changeover between a Abtastpha ¬ se and subsequent conversion phase, the consequences - will be explained in more detail. The second switch 29 is used to set or determine an operating mode of the A / D converter 10. Depending on the position of the second switch 29, the second plates 20 of the capacitors C with closed first switch 28 with the second input voltage Vi n 2 or Reference voltage V ref connected, which corresponds to a differential mode of operation or a "single-ended" ¬ operating mode. The second switch 29 is controlled via an externally definable by a user control signal D. The second controllable switching unit 24 can also be configured in a different form, in particular can be dispensed with the possibility of switching to a "single-ended" Mo ¬ dus. The mode of operation of the inventive A / D converter 10 from FIG. 2 for a differential mode of operation will now be explained.
In einer Abtastphase wird an die ersten Platten 19 der Kon- densatoren C die erste analoge Eingangsspannung Vj_ni und an die zweiten Platten 20 der Kondensatoren C die zweite analoge Eingangsspannung Vin2 angelegt. Dazu werden die Schalter 21 des Netzwerks 11, der Schalter 23 der ersten Schalteinheit 22 und die Schalter 28 und 29 der zweiten Schalteinheit 24 durch die Steuereinheit 27 der Kontrolleinheit 15 entsprechend an¬ gesteuert, insbesondere wird durch Schließen des ersten In a sampling phase is applied to the first plates 19 of the capacitors C, the first analog input voltage Vj_ n i and the second plates 20 of the capacitors C, the second analog input voltage Vi n 2. For this purpose, the switches 21 of the network 11, the switch 23 of the first switching unit 22 and the switches 28 and 29 of the second switching unit 24 by the control unit 27 of the control unit 15 according to ¬ controlled, in particular by closing the first
Schalters 28 der zweiten Schalteinheit 24 die Abstastphase gestartet. In einer der Abtastphase folgenden Wandlungsphase werden die ersten Platten 19 der Kondensatoren C mit Masse verbunden und die zweiten Platten 20 der Kondensatoren C hochohmig geschaltet (Öffnen des ersten Schalters 28 der zweiten Schalteinheit 24) . An dem nicht invertierenden Eingang des Komparators 14 liegt somit aufgrund der Ladungsum¬ verteilung eine Spannung Vx an, welche der Differenz der bei- den analogen Eingangsspannungen Vj_ni und Vin2 entspricht. An¬ schließend wird in der Wandlungsphase die digitale Ausgangs¬ spannung auf an sich bekannte Art und Weise mit Hilfe sukzes¬ siver Approximation bestimmt, wie sie beispielsweise in James L. McCreary und Paul R. Gray; "All-MOS Charge Redistribution Analog-to-Digital Conversion Techniques-Part I", IEEE Journal of Solid State Circuits, 12/1975, Seiten 371-379, ausführlich beschrieben ist. Switch 28 of the second switching unit 24, the Abstastphase started. In a conversion phase following the sampling phase, the first plates 19 of the capacitors C are connected to ground and the second plates 20 of the capacitors C are switched to high impedance (opening of the first switch 28 of the second switching unit 24). Thus, a voltage V x is applied to the non-inverting input of the comparator 14 on the basis of the Ladungsum ¬ distribution which Vj_ n i and n 2 Vi corresponding to the difference of the examples the analog input voltages. At ¬ closing the digital output voltage is ¬ on the conversion phase determined in a known manner using sukzes ¬ sive approximation, as for example in James L. McCreary and Paul R. Gray; "All-MOS Charge Redistribution Analog-to-Digital Conversion Techniques Part I", IEEE Journal of Solid State Circuits, 12/1975, pages 371-379, is described in detail.

Claims

Patentansprüche claims
1. Analog-Digital-Umsetzer (10) zur Umsetzung eines analogen Eingangssignals in ein digitales Ausgangssignal nach dem Prinzip der sukzessiven Approximation mit 1. analog-to-digital converter (10) for converting an analog input signal into a digital output signal according to the principle of successive approximation with
- einem Netzwerk (11) mit gewichteten Referenzelementen  a network (11) with weighted reference elements
(12), welche zumindest teilweise durch Kondensatoren (C) gebildet sind, welche jeweils eine erste Platte (19) und eine zweite Platte (20) aufweisen,  (12) which are at least partially formed by capacitors (C) each having a first plate (19) and a second plate (20),
- einem Komparator (14), dessen erster Eingang mit den zweiten Platten (20) der Kondensatoren des Netzwerkes verbunden ist und an dessen zweiten Eingang eine Referenzspannung (Vref) angelegt ist, a comparator (14) whose first input is connected to the second plates (20) of the capacitors of the network and to whose second input a reference voltage (V re f) is applied,
- einer ersten steuerbaren Schalteinheit (22), welche derart ausgestaltet ist, dass die ersten Platten (19) der Kondensatoren (C) des Netzwerks (11) wahlweise zumindest mit ei¬ ner ersten analogen Eingangsspannung ( Vini ) oder mit Masse beschaltbar sind, - A first controllable switching unit (22), which is designed such that the first plates (19) of the capacitors (C) of the network (11) optionally with at least ei ¬ ner first analog input voltage (Vi n i) or can be connected to ground .
- einer zweiten steuerbaren Schalteinheit (24), welche der- art ausgestaltet ist, dass die zweiten Platten (20) der - A second controllable switching unit (24) which is designed such that the second plates (20) of the
Kondensatoren (C) des Netzwerks (11) wahlweise mit einer zweiten analogen Eingangsspannung (Vj_n2) oder hochohmig be¬ schaltbar sind, und Capacitors (C) of the network (11) optionally with a second analog input voltage (Vj_ n 2) or high impedance can be switched ¬ , and
- einer dem Komparator (14) nachgeschalteten Kontrolleinheit (15), welche zumindest ein Datenregister (26), insbesondere ein sukzessives Approximationsregister, zur Zwischen- speicherung von Ausgangssignalen des Komparators (14) und eine Steuereinheit (27) zur Ansteuerung des Netzwerks (11) sowie der ersten (22) und der zweiten Schalteinheit (24) umfasst.  - a comparator (14) downstream of the control unit (15), which at least one data register (26), in particular a successive approximation register, for temporary storage of output signals of the comparator (14) and a control unit (27) for controlling the network (11) and the first (22) and second switching units (24).
2. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 1, wobei die zweite steuerbare Schalteinheit (24) derart ausgestaltet ist, dass die zweiten Platten (20) der Kondensatoren (C) des Netzwerks (11) wahlweise mit der zweiten analogen Eingangsspannung 2. An analog-to-digital converter according to claim 1, wherein the second controllable switching unit (24) is configured such that the second plates (20) of the capacitors (C) of the network (11) optionally with the second analog input voltage
(Vj_n2) oder mit der Referenzspannung ( Vref) oder hochohmig be¬ schaltbar sind. (Vj_ n 2) or with the reference voltage (V ref ) or high impedance can be switched ¬ .
3. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 2, wobei die zweite steuerbare Schalteinheit (24) abhängig von einem externen durch einen Benutzer vorgebbaren Steuersignal (D) gesteuert wird . 3. Analog-to-digital converter according to claim 2, wherein the second controllable switching unit (24) is controlled in dependence on an external by a user presettable control signal (D).
4. Verfahren zur Umsetzung eines analogen Eingangssignals, welches aus der Differenz einer ersten analogen Eingangsspannung ( Vini ) und einer zweiten analogen Eingangsspannung ( Vj_n2) gebildet ist, in ein digitales Ausgangssignal mit Hilfe eines Netzwerks (11) mit gewichteten Referenzelementen (12), welche zumindest teilweise durch Kondensatoren (C) gebildet sind, welche jeweils eine erste Platte (19) und eine zweite Platte (20) aufweisen, bei dem 4. A method for converting an analog input signal, which is formed from the difference of a first analog input voltage (Vini) and a second analog input voltage (Vj_ n 2), into a digital output signal by means of a network (11) with weighted reference elements (12). which are at least partially formed by capacitors (C) each having a first plate (19) and a second plate (20), in which
- in einer Abtastphase an die ersten Platten (19) der Kon- densatoren (C) die erste analoge Eingangsspannung ( Vj_ni ) und an die zweiten Platten (20) der Kondensatoren (C) die zweite analogen Eingangsspannung ( Vj_n2) angelegt wird und- In a sampling phase to the first plates (19) of the capacitors (C), the first analog input voltage (Vj_ n i) and to the second plates (20) of the capacitors (C), the second analog input voltage (Vj_ n 2) applied will and
- in einer der Abtastphase folgenden Wandlungsphase die ers¬ ten Platten (19) der Kondensatoren (C) mit Masse verbunden werden, die zweiten Platten (20) der Kondensatoren (C) hochohmig geschaltet werden und anschließend eine digitale Ausgangsspannung mit Hilfe sukzessiver Approximation bestimmt wird. - in one of the sampling phase following conversion phase, the ers ¬ th plates (19) of the capacitors (C) are connected to ground, the second plates (20) of the capacitors are switched (C) a high resistance and then a digital output voltage using successive approximation is determined ,
5. Verfahren zum Betrieb eines Analog-Digital-Umsetzers gemäß einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei während einer Abtastphase in einem ersten Betriebsmodus an die zweiten Platten (20) der Kondensatoren die zweite analoge Eingangsspannung ( Vj_n2) und in einem zweiten Betriebsmodus die Referenzspannung (Vref ) an- gelegt wird. 5. A method for operating an analog-to-digital converter according to one of claims 2 or 3, wherein during a sampling phase in a first operating mode to the second plates (20) of the capacitors, the second analog input voltage (Vj_ n 2) and in a second operating mode the reference voltage (V ref ) is applied.
6. Verfahren nach Anspruch 5 in Rückbezug auf Anspruch 3, wobei der Betriebsmodus durch einen Benutzer des Analog- Digital-Umsetzers (10) festlegbar ist. 6. The method of claim 5 in reference to claim 3, wherein the mode of operation by a user of the analog-to-digital converter (10) can be fixed.
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