Die Erfindung betrifft eine Strom-Abtast-Halte-Schaltung mit mehreren Teilschaltungen, in denen ein Stromsignal gespeichert wird, wobei wenigstens eine der Teilschaltungen einen Schalter enthält, der auf einem konstanten Potential liegt.
Die Erfindung betrifft ferner einen Analog-Digital-Wandler mit wenigstens einer Strom-Abtast-Halte-Schaltung.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben einer Strom-Abtast-Halte-Schaltung.
Die Genauigkeit von Analog-Digital-Wandlern hängt unter anderem von den verwendeten Abtast-Halte-Schaltungen (Sample & Hold Circuits) ab, die ein analoges Eingangssignal zeitdiskret zu einer anschließenden Quantisierung bereitstellen.
Insbesondere bei Sample & Hold-Schaltungen in CMOS-Technik, deren Informationsübertragung in der Spannungsdomäne erfolgt, ist bekannt, dass zur Erzielung einer hohen Genauigkeit die relevanten Schaltelemente sich zu jedem Abschaltzeitpunkt auf einem virtuellen Massepotential befinden (Zero-Switching-Technik) sollen. Der Abschaltimpuls injiziert so stets die gleiche Fehlerladung in die Abtastkapazität, was vom Eingangssignal abhängige Abtastfehler vermeidet und in einer hohen Abtastgenauigkeit resultiert.
Werden statt Spannungen Ströme zur Informationsübertragung verwendet (current mode), so wird zumeist der Strom auf eine Spannung zurückgeführt, die in einem Kondensator gespeichert werden kann. Da der Kanal des Schalttransistors in den meisten Architekturen ein vom Eingangssignal abhängiges Potential aufweist, verfälscht die beim Abschaltvorgang injizierte Fehlerladung das Abtastergebnis. Durch Verwendung eines Operationsverstärkers kann auch hier eine Zero-switching Technik realisiert werden, was jedoch negative Auswirkungen auf die Bandbreite der Schaltung hat.
In
Eine gattungsgemäße Strom-Abtast-Halte-Schaltung ist aus dem Artikel
Eine weitere gattungsgemäße Strom-Abtast-Halte-Schaltung ist aus dem Buch
Der Einsatz von Schaltelementen, beispielsweise n-MOS-Transistoren, die sich zu jedem Zeitpunkt auf dem gleichen virtuellen Massepotential befinden, wird als Zero-Switching-Technik bezeichnet. Im Gegensatz zur Verwendung von Transmission-Gates, bestehend aus n- und p-MOS-Transistoren, ist hier der Haltezeitpunkt sehr exakt bestimmbar, da mit einem einzigen Signal alle Schalter gleichzeitig geöffnet werden, zumal sich alle Schalttransistoren stets auf gleichem konstanten Potential befinden. Insbesondere bei schnellen Analog-Digital-Wandlern (Analog Digital Converters - ADCs), wie sie beispielsweise zu einer Verarbeitung von Video-Signalen oder anderen hochfrequenten Signalen eingesetzt werden, bestimmt anderenfalls der jitter, also die Abweichungen des Abschaltzeitpunkts, wesentlich die Genauigkeit des Abtastgliedes. Ferner injiziert der Abschaltimpuls bei konstantem Schalterpotential stets die gleiche Fehlerladung in die Abtastkapazität, was vom Eingangssignal abhängige Abtastfehler vermeidet. Die Erfindung umfasst eine einfache Methode zur zeitdiskreten Stromsignalabtastung, bei der die relevanten Schaltelemente stets auf einem virtuellen Massepotential liegen und sich dadurch die oben genannten Vorteile (lowjitter, constant charge-inj ection) ergeben. Wegen ihrer geringen Komplexität eignet sie sich besonders für hohe Signalbandbreiten.
Um die signalabhängigen Abtastfehler, die nicht durch volldifferentielle Bauweise eliminiert werden können, zu reduzieren, werden verschiedene Maßnahmen ergriffen, die unter den Begriffen n-step-principle, Zero-Switching-Technik und Replica-Technik bekannt sind.
Ferner ist in
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strom-Abtast-Halte-Schaltung zu schaffen, bei der signalabhängige Abtastfehler möglichst weitgehend eliminiert werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mittels einer Strom-Abtast-Halte-Schaltung nach Anspruch 1.
Durch eine einfache Struktur der Schaltung und eine einfache Taktfolge der Signale sind nur wenige Abschaltimpulse, vorzugsweise nur ein einziger Abschaltimpuls notwendig. Hierdurch eignet sich die Strom-Abtast-Halte-Schaltung insbesondere auch für hochfrequente Anwendungen, beispielsweise für die Verarbeitung von Videosignalen.
Vorzugsweise beinhaltet die Erfindung einen voll differentiellen Aufbau der Schaltung. Durch einen differentiellen Aufbau ist es möglich, Fehler zu unterdrücken.
Gegenstand der Erfindung ist ferner, ein Verfahren zum Betreiben einer Strom-Abtast-Halte-Schaltung nach Anspruch 1.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Strom-Abtast-Halte-Schaltung und des Verfahrens zu ihrem Betreiben zeichnet sich dadurch aus, dass die Strom-Abtast-Halte-Schaltung einen Verbindungsschalter aufweist, welcher derart angeordnet ist, dass wenigstens zwei Teilschaltungen über den Verbindungsschalter miteinander verbindbar sind.
Hierbei ist es besonders zweckmäßig, dass der Verbindungsschalter so angeordnet ist, dass in einem eingeschalteten Zustand des Verbindungsschalters ein Ladungsstrom von Speicherkondensatoren allein durch das Stromsignal erzeugt wird.
Ferner ist es vorteilhaft, die Strom-Abtast-Halte-Schaltung so zu gestalten, beziehungsweise das Verfahren zum Betreiben der Strom-Abtast-Halte-Schaltung so durchzuführen, dass alle Teilschaltungen Schalter enthalten, die auf jeweils gleichem Potenzial liegen.
Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen.
Eine besonders zweckmäßige Ausführungsform.der Erfindung wird realisiert durch eine Strom-Abtast-Halte-Schaltung, bei der die Schaltelemente stets auf dem gleichen Potential liegen. Eine derartige Strom-Abtast-Halte-Schaltung ist beispielhaft in
Vor dem Halten muss der Ladestrom des Kondensators C von dem kurzgeschlossenen invertierenden Verstärker V geliefert werden, was hohe Ströme erfordern kann. Bei einer volldifferentiellen Bauweise des Abtastgliedes wird dieser Verschiebestrom über den Schalter Sinter vom zweiten Zweig geliefert, so dass die Ausgangsstromanforderungen an die invertierenden Verstärker gering sind.
Der Verstärker V kann beispielsweise durch eine einfache Kaskodenschaltung realisiert werden, wodurch die Gesamtschaltung sehr hohe Bandbreiten zulässt.
Ein wichtiger Vorteil der Erfindung besteht darin, ein Strom-Abtast-Halte-Glied zu realisieren, bei dem die relevanten Schaltelemente auf einem festen Potential liegen, ohne komplizierte (= bandbreitebegrenzende) Operationsverstärkerstrukturen verwenden zu müssen. Durch den volldifferentiellen Aufbau lassen sich die Anforderungen an die Verstärkerschaltung V gering halten.
Vor dem Haltezeitpunkt wird der differentielle Eingangsstrom über die Widerstände nach Masse abgeleitet, was zu einer dem Strom proportionalen Spannung über dem Widerstand führt. Diese Spannung liegt an der einen Platte der Kondensatoren C an, die mit ihrem anderen Anschluss auf einem virtuellen Massepotential liegen, welches durch die von SSH kurzgeschlossenen invertierenden Regelverstärker (gestrichelter Kasten) festgelegt wird.
Zum Haltezeitpunkt werden gleichzeitig die Schalter SSH und Sinter geöffnet und anschließend die Eingangsschalter umgeschaltet. Der invertierende Regelverstärker hat nun die Aufgabe, einen Ausgangsstrom zu erzeugen, der einen Spannungsabfall über dem Widerstand in der ursprünglichen Höhe zur Folge hat. Um den geforderten Ausgangswiderstand der Stromquelle zu erreichen, muss die Regelschleife, bestehend aus dem Speicherkondensator C, dem invertierenden Verstärker und dem Regeltransistor über dem Widerstand, eine ausreichende Verstärkung aufweisen.
Der Schalter Sinter dient dazu, in der volldifferentiellen Ausführung der Schaltung den Ladestrom der Speicherkondensatoren alleine aus dem Signalstrom abzuleiten. Dadurch werden die Anforderungen an die invertierenden Regelverstärker reduziert, die anderenfalls den Ladestrom der Speicherkondensatoren abführen müssten.
Die Widerstände können auch eine nichtlineare Kennlinie aufweisen, zum Beispiel bei Ausführung als MOS-Transistoren im Triodengebiet. Dadurch kompensieren sich die Kapazitätsladeströme der beiden Signalzweige nicht mehr exakt, so dass der Differenzstrom von den kurzgeschlossenen Regelverstärkern geliefert werden muss.
Vorteilhaft bei dieser Lösung ist, dass die relevanten Schaltelemente zum Abschaltzeitpunkt stets das gleiche, konstante Potential aufweisen. Dadurch werden Abtastfehler, die aus jitter und charge-injection resultieren, wesentlich reduziert.
Durch die einfache Struktur und die einfache Taktfolge (ein einziger Abschaltimpuls) der Schaltung ist sie insbesondere für breitbandige Anwendungen geeignet, wobei die implementierte Zero-Switching-Technik gleichzeitig eine hohe Linearität ermöglicht.
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