DE102018106071B4

DE102018106071B4 - Verstärkerschaltungsanordnung und Verfahren zum Kalibrieren derselben

Info

Publication number: DE102018106071B4
Application number: DE102018106071.8A
Authority: DE
Inventors: Lei Zou; Pia Sho Garbarsch
Original assignee: TDK Electronics AG
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2018-03-15
Filing date: 2018-03-15
Publication date: 2019-12-12
Anticipated expiration: 2038-03-16
Also published as: US10840866B2; DE102018106071A1; CN110350921A; JP2019176459A; US20190288655A1

Abstract

Verstärkerschaltungsanordnung, die umfasst:
einen gewünschten Signalpfad, der einen Differenzverstärker (101) für ein Analogsignal (EINGABE) mit einer Eingangsseite (1010) und einer Ausgangsseite (1011) und einen Analog-Digital-Wandler (103) mit einem Ausgangsanschluss (1031) umfasst;
einen ersten Rückkopplungspfad zum Kalibrieren eines Offsets des gewünschten Signalpfads, der mit Differenzsignalleitungen (1021, 1022) an der Ausgangsseite (1011) des Differenzverstärkers (101) und mit Differenzsignalleitungen (110, 111) an der Eingangsseite (1011) des Differenzverstärkers (101) gekoppelt ist, wobei der erste Rückkopplungspfad einen Komparator (201) und mindestens einen Zähler (202, 203), der durch einen Ausgang des Komparators (201) gesteuert wird, umfasst;
einen zweiten Rückkopplungspfad zum Kalibrieren einer Drift des gewünschten Signalpfads, der mit dem Ausgangsanschluss (1031) des Analog-Digital-Wandlers (103) und mit den Differenzialsignalleitungen (110, 111) an der Eingangsseite (1010) des Differenzverstärkers (101) gekoppelt ist, wobei der zweite Rückkopplungspfad ein Mittelwertfilter (301) umfasst.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Verstärkerschaltungsanordnung. Im Besonderen, betrifft die vorliegende Offenbarung eine Verstärkerschaltungsanordnung, die einen Differenzverstärker und einen Analog-Digital-Wandler und Schaltkreise zum Kalibrieren des gewünschten Signalpfads umfasst. Die vorliegende Offenbarung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Kalibrieren der Verstärkerschaltungsanordnung.
Hintergrund
Differenzverstärker werden weitläufig bei der Audiosignalverarbeitung verwendet, um die Amplitude des gewünschten Signals, das als die Differenz eines Paares von positiven und negativen Signalabschnitten erstellt wird, auffrischt oder erhöht. Eine beispielhafte Anwendung eines Audiosignalverstärkers liegt im Gebiet von Mikrofonen, bei denen das Signal, das von einem mikroelektromechanisches System-(MEMS)-Audiosensor erhalten wird, verstärkt wird und von der analogen zur digitalen Domäne umgewandelt wird, sodass es mit einem Digitalsignalprozessor zusätzlich verarbeitet werden kann. Der Audioverstärker kann von Natur aus einen zeitinvarianten Offset und eine zeitvariante Drift seines Ausgangssignals aufweisen, was einen unerwünschten Fehler am gewünschten Signalpfad einführt.
Der Offset ist ein zeitinvarianter DC-Spannungsfehler, der hauptsächlich durch Herstellungsvariationen verursacht wird. Beispielsweise kann eine Fehlanpassung der Komponenten in den differenziellen Verarbeitungspfaden des Differenzverstärkers einen Offset im Ausgangssignal verursachen. Bei der gegenwärtigen CMOS-Herstellungstechnologie kann der Offset an der Eingangsstufe des Verstärkers in der Ordnung von 5 mV bis 50 mV liegen. Der Eingangsoffset, der durch den Verstärkungsfaktor des Verstärkers verstärkt wird, verursacht einen erheblich großen Offset im differenziellen Ausgangssignal des Verstärkers.
Die Drift ist ein zeitvarianter Spannungsfehler, der durch Fehlerquellen verursacht wird, die sich häufig mit der Temperatur oder Zeit ändern. Eine wesentliche Fehlerquelle ist das Funkelrauschen, das durch die Defekte in der Grenzfläche zwischen dem Gate-Oxid und dem Siliziumsubstrat der Transistoren, die in der CMOS-Herstellungstechnologie gefertigt werden, verursacht wird. Andere Driftfehlerquellen sind auch möglich, wie etwa Rauschen von der Versorgungsspannung oder die Temperaturabhängigkeit von Vorströmen. Der Driftfehler ist gewöhnlich ein Niederfrequenzfehler im Bereich von 0 Hz bis zu etwa 20 Hz, sodass die Drift zu einer niederfrequenten zeitvarianten Spannungsvariation am Ausgang des Differenzverstärkers führt. Die Drift besitzt eine durchschnittliche DC-Spannung, die ungleich null ist.
Die Gleichtakt-Ausgangsspannung eines Differenzverstärkers wird normalerweise zu der Hälfte der Versorgungsspannung (VDD) gesetzt, das heißt VDD/2. Aufgrund des Offsets und der Drift kann sich die Gleichtakt-Ausgangsspannung des Differenzverstärkers von VDD/2 unterscheiden, sodass sie sich näher zu entweder Masse oder der Versorgungsspannung VDD befindet. Dies verringert den Dynamikbereich des zu verarbeitenden Signals und das gewünschte Signal am Ausgang des Differenzverstärkers kann eine Sättigung erreichen, sodass es das Massepotenzial oder die Versorgungsspannung abschneidet oder an diesen festhängt, wenn eine große Signalamplitude am Ausgang des Differenzverstärkers bereitgestellt wird. In diesem Fall werden die Signalinformationen verloren.
In der DE 10 2006 045 184 A1 ist ein Regelkreis zur thermischen Kompensation eines elektronischen Verstärkerpfads beschrieben. Der Regelkreis umfasst eine Differenzverstärkereinheit mit nachgeschaltetem Emitterfolger und eine Regeleinheit, die aus Regelgrößen sowohl der Differenzverstärkereinheit als auch des Emitterfolgers zumindest eine Stellgröße ermittelt, um das Verhalten der Differenzverstärkereinheit und/oder des Emitterfolgers zu bestimmen.
In der US 2008/0157846 A1 ist eine Kalibrierungsanordnung für den DC-Offset eines Verstärkers beschrieben. Eine Kalibrierungsschaltung ist mit dem Ausgangssignal und einer Anpassungsschaltung gekoppelt. Die Anpassungsschaltung wird in Abhängigkeit von einem Offsetkalibrierungssignal gesteuert. Das Offsetkalibrierungssignal wird durch Vergleich des Ausgangssignals mit einem vorbestimmten Schwellwert gewonnen.
Dementsprechend gibt es einen Bedarf zum Kalibrieren eines Differenzverstärkers, um für den Offset und die Drift zu kompensieren, sodass die Gleichtakt-Ausgangsspannung des Verstärkers nahe am gewünschten Wert von VDD/2 liegt. Herkömmliche Kalibrationsverfahren beinhalten eine Kalibration des Verstärkers durch Messen und Trimmen der Verstärkerschaltung während des Herstellungsprozesses. Dies wird gewöhnlich keine zeitvarianten Drifteffekte berücksichtigen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, eine Differenzverstärkerschaltungsanordnung bereitzustellen, bei der die Gleichtakt-Ausgangsspannung näher am gewünschten Pegel liegt.
Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, eine Differenzverstärkerschaltungsanordnung bereitzustellen, die für zeitinvariante Offsetfehler und zeitvariante Driftfehler kalibriert werden kann.
Es ist noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein Verfahren zum Kalibrieren einer Differenzverstärkerschaltungsanordnung bereitzustellen, bei der die Gleichtakt-Ausgangsspannung näher am gewünschten Pegel liegt.
Es ist noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein Verfahren zum Kalibrieren einer Differenzverstärkerschaltungsanordnung für zeitinvariante Offsetfehler und die zeitvarianten Driftfehler bereitzustellen.
Kurzfassung
Eine oder mehrere der oben erwähnten Aufgaben werden durch eine Verstärkerschaltungsanordnung gemäß den Merkmalen des vorliegenden Anspruchs 1 gelöst.
Bei einer Ausführungsform umfasst eine Verstärkerschaltungsanordnung der vorliegenden Offenbarung einen gewünschten Signalpfad, der einen Differenzverstärker für ein differenzielles Analogsignal und einen Analog-Digital-Wandler (ADC), der dem Differenzverstärker nachgeschaltet ist, umfasst. Der Differenzverstärker verarbeitet positive und negative Signalabschnitte auf entsprechenden positiven und negativen Signalleitungen, wobei das gewünschte Signal in der Differenz der positiven und negativen Signale enthalten ist. Der Differenzverstärker kann eine feste Verstärkung oder eine variable Verstärkung aufweisen. Der ADC im gewünschten Signalpfad ist häufig ein Sigma-Delta-Modulator oder ein Sigma-Delta-Wandler, der einen digitalen Bitstrom aus dem verstärkten differenziellen Analogsignal erzeugt. Ein Anti-Aliasing(AAS)-Filter, das mit dem Ausgang des Verstärkers gekoppelt ist, beschränkt die Analogsignalbandbreite, um ein Frequenzspektrum-Aliasing durch die ADC-Umwandlung zu vermeiden. Eine derartige Verstärkeranordnung wird häufig bei der Verarbeitung von Audiosignalen verwendet. Die Audiosignale können durch ein Mikrofon, wie etwa ein MEMS-Mikrofon, geliefert werden.
Ein erster Rückkopplungspfad ist dazu ausgelegt, einen zeitinvarianten Offset zu kalibrieren. Der erste Rückkopplungspfad beinhaltet einen Komparator, der mit den Differenzsignalleitungen nachgeschaltet dem Ausgang des Differenzverstärkers gekoppelt ist. Der Komparatorausgang steuert einen oder mehrere Zähler, die einen Zählwert erzeugen, der eine Korrekturspannung repräsentiert. Die Ausgabe des einen oder der mehreren Zähler wird digital-analog umgewandelt und zu mindestens einer der Differenzsignalleitungen an der Eingangsseite des Differenzverstärkers rückgekoppelt.
Ein zweiter Rückkopplungspfad ist dazu ausgelegt, eine zeitvariante Drift zu kalibrieren. Ein Mittelwertfilter, das mit den Differenzsignalleitungen nachgeschaltet der Ausgangsseite des Differenzverstärkers gekoppelt ist, erzeugt ein Durchschnittssignal, das zu einem entsprechenden Differenzsignal umgewandelt wird, das digital-analog umgewandelt und zu den Differenzsignalleitungen an der Eingangsseite des Differenzverstärkers geliefert wird.
Der erste Rückkopplungspfad wird zuerst betrieben und der zweite Rückkopplungspfad wird danach betrieben, sodass die Drift, die durch den zweiten Rückkopplungspfad kalibriert werden soll, im Wesentlichen kleiner ist als der anfängliche Offset. Der zweite Rückkopplungspfad liefert eine fein abgestimmte Kalibration, um die Ausgabe des Differenzverstärkers so nahe wie möglich an die gewünschte Gleichtaktspannung zu bringen. Die Verstärkerschaltungsanordnung gemäß der beschriebenen Ausführungsform ist besonders für einen Signalpfad nützlich, um ein Audiosignal zu verarbeiten.
Die Rückkopplungspfade empfangen die Eingangssignale von der digitalen Seite des gewünschten Signalpfads, bestimmen einen Korrekturwert und koppeln ihn zur analogen Seite des gewünschten Signalpfads zurück. Mindestens ein Digital-Analog-Wandler ist in den Rückkopplungspfaden bereitgestellt, um den digitalen Korrekturwert in einen analogen Korrekturwert umzuwandeln, der zu den analogen Differenzsignalleitungen am Eingang des Differenzverstärkers geliefert werden können. Mindestens ein Multiplexer ist bereitgestellt, um den ersten und den zweiten Rückkopplungspfad zu kombinieren. Der Multiplexer kann dem Analog-Digital-Wandler vorgeschaltet und den Zählern und dem Mittelwertfilter des ersten bzw. des zweiten Rückkopplungspfads nachgeschaltet bereitgestellt sein. In der Praxis sind ein Multiplexer und ein Digital-Analog-Wandler mit jeder der Differenzsignalleitungen an der analogen Eingangsseite des Differenzverstärkers assoziiert.
Der erste Rückkopplungspfad beeinflusst das Signal auf der positiven oder der negativen analogen Differenzsignalleitung an der Eingangsseite des Verstärkers als Reaktion auf den Zustand des Ausgangssignals des Komparators. Falls der Komparator bestimmt, dass das Signal auf der positiven Differenzsignalleitung niedriger ist als das Signal auf der negativen Differenzsignalleitung, beeinflusst oder korrigiert die Rückkopplungsschleife das Signal auf der negativen Differenzsignalleitung an der Eingangsseite des Verstärkers. Im anderen Fall, bei dem das Signal auf der positiven Differenzsignalleitung größer ist als das Signal auf der negativen Differenzsignalleitung, das durch den Komparator bestimmt wird, wird das Signal auf der positiven Differenzsignalleitung an der Eingangsseite des Verstärkers beeinflusst oder korrigiert. Der Zähler wird betrieben, solange der Komparator seinen Zustand umschaltet, das heißt, dass die Signale auf der positiven und negativen Signalleitung die Polarität umschalten. Der Korrekturwert wird erhöht, bis der Komparator eine Polaritätsänderung am Ausgang des Verstärkers bestimmt. Dann werden die Zählerzustände gefroren und die zweite Rückkopplungsschleife wird betrieben.
Eine Stummschaltung ist am Ausgang des Sigma-Delta-ADC bereitgestellt, um zu unterdrücken, dass ein Signal zum Digitalverarbeitungsschaltkreis weitergeleitet wird, wenn der Kalibrationsprozess läuft. Die Stummschaltung ist aktiv, solange der Kalibrationsprozess durch den ersten und den zweiten Rückkopplungspfad läuft und bevor der Kalibrationsprozess beendet wird.
Die Gesamtschaltung für die Offset- und Driftkalibration beinhaltet wenige zusätzliche Komponenten und kann während der Verwendung des Verstärkers betrieben werden. Eine herkömmliche Abstimmung des Verstärkers am Ende des Herstellungsprozesses, der ein Trimmen von Elementen der Schaltung benötigen kann, wird nicht benötigt. Der Prozess arbeitet digital und liefert einen analogen Korrekturwert zur Eingangsseite des Differenzverstärkers.
Eine Schaltungsanordnung gemäß dieser Offenbarung beinhaltet ausführlicher Summierungsknoten in jeder der Differenzsignalleitungen an der Eingangsseite des Differenzverstärkers, um die gewünschten Signalpfade mit dem Korrekturwert zu kombinieren. Der Komparator ist mit den Differenzsignalleitungen an der Ausgangsseite des Differenzverstärkers gekoppelt, die die Ausgangsseite des Anti-Aliasing-Filters sein kann, falls ein AAS-Filter vorhanden ist. Der Betrieb des ersten und des zweiten Zählers wird abwechselnd durch den Ausgang des Komparators gesteuert. Weiterhin ist ein Mittelwertfilter kombiniert mit einer Nachschlagetabelle bereitgestellt. Ein erster und ein zweiter Multiplexer sind zum Kombinieren der Ausgaben der Nachschlagetabelle mit den Ausgaben des ersten und des zweiten Zählers bereitgestellt. Ein erster und ein zweiter Digital-Analog-Wandler sind zum Liefern des digitalen Korrekturwerts von den Multiplexern zu den Summierungsknoten bereitgestellt.
Eine oder mehrere der oben erwähnten Aufgaben werden auch durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des vorliegenden Anspruchs 8 gelöst.
Um den Verstärker zu kalibrieren, sodass Offset- und Driftfehler minimiert werden, werden ein erster und ein zweiter Kalibrationsprozess nacheinander durchgeführt. Gemäß dem ersten Kalibrationsprozess werden die Differenzsignale an der Ausgangsseite des Differenzverstärkers miteinander verglichen und ein Korrekturwert wird mindestens einem der Differenzsignale an der Eingangsseite des Differenzverstärkers bereitgestellt. Das Korrektursignal wird erhöht, bis sich das Ausgangssignal des Komparators ändert. Dann wird der zweite Kalibrationsprozess insofern durchgeführt, dass das Signal am digitalen Abschnitt des Signalpfads, was die Ausgangsseite des Sigma-Delta-ADC ist, während einer vorbestimmten Länge eines Beobachtungsfensters gemittelt wird. Ein Korrektursignal wird an mindestens eines der Differenzsignale an der Eingangsseite des Differenzverstärkers angelegt. In der Praxis wandelt eine Codierung über eine Nachschlagetabelle den Korrekturwert in ein Differenzsignal um, das zu mindestens einer der Differenzsignalleitungen an der Eingangsseite des Differenzverstärkers angelegt werden kann.
Um den Offset zu kalibrieren, wird das Vorzeichen des Differenzsignals auf den Signalleitungen an der Ausgangsseite des Differenzverstärkers insofern bestimmt, dass bestimmt wird, ob die positive Signalleitung ein niedrigeres Signal als die negative Signalleitung führt, oder umgekehrt. In Abhängigkeit von dieser Bestimmung wird das Korrektursignal erhöht, bis sich das Vorzeichen der Signalamplitude ändert. Das Korrektursignal wird an der negativen Signalleitung angewendet, falls das Signal auf der positiven Signalleitung geringer ist als das Signal auf der negativen Signalleitung. Im anderen Fall, wenn das Signal auf der positiven Signalleitung größer ist als das Signal auf der negativen Signalleitung, wird der Korrekturwert an der positiven Signalleitung angewendet. Der Korrekturwert wird schrittweise erhöht, zum Beispiel in einem Zähler, und der Zählwert wird von der digitalen Domäne zu einem Analogsignal umgewandelt, sodass sich der angewendete Korrekturwert schrittweise erhöht, zum Beispiel um 1 mV mit jedem Schritt. Infolgedessen soll die Ausgabe am Ende des Offsetkorrekturprozesses geringer sein als ein Korrekturschrittwert, das heißt geringer als 1 mV. Dann wird der zweite Kalibrationsprozess zum Korrigieren der Verstärkerdrift durchgeführt, der eine Mittelwertbildung des Digitalsignals umfasst, die zu einer entsprechenden Differenzspannung transformiert wird, die an die analogen Differenzsignalleitungen an der Eingangsseite des Verstärkers angelegt werden soll. Dieser differenzielle Korrekturwert bezieht sich auf den bestimmten Mittelwert oder kann die Größe des Mittelwerts sein. Da der Mittelwert unsymmetrisch ist und der Korrekturwert differenziell ist, ist eine entsprechende Codierung notwendig, die zum Beispiel durch die Nachschlagetabelle durchgeführt wird.
Die Kalibration des Offsets und der Drift wird dynamisch während des Betriebs des Verstärkers durchgeführt. Dies bedeutet, dass ein erster und ein zweiter Kalibrationsprozess für den Offset und die Drift nach dem Einschalten nacheinander durchgeführt werden. Während eines Schlafmodus kann die zeitvariante Drift erneut kalibriert werden, um zu berücksichtigen, dass sich die Arbeitsbedingungen des Verstärkers möglicherweise geändert haben, sodass sich die Drift möglicherweise geändert hat. Während des Schlafmodus, auch Standby-Modus genannt, gibt es kein gewünschtes Signal am Eingang des gewünschten Signalpfads. In der Ausführungsform eines Mikrofons gibt es im Wesentlichen kein Signal, das durch den Mikrofonsensor an den Verstärker während der Periode des Schlaf-/Standby-Modus bereitgestellt wird. Der Driftfehler des Verstärkers kann erneut ohne einen Einfluss auf den Mikrofonbetrieb kalibriert werden. Die Stummschaltung kann aktiv sein, sodass die Kalibration keine Fehler im nachgeschalteten Digitalsignalverarbeitungspfad erzeugt. Die Driftkalibration kann jedes Mal wiederholt werden, wenn eine Schlaf-/Standby-Situation auftritt. In einem MEMS-Mikrofonsystem fügt der Driftkalibrationsprozess keinen erkennbaren Leistungsverbrauch hinzu. Es ist anzumerken, dass herkömmliche Systeme, die ein Trimmen zum Kalibrieren des Offsets anwenden, eine derartige dynamische Neukalibration des Driftfehlers nicht durchführen können, da ein Trimmen ein spezielles Prüfgerät benötigt.
Als ein Vorteil kann die Driftkalibration nach dem Ablauf einer vorbestimmten Menge an Zeit während eines Normalbetriebs des Verstärkers z. B. im Mikrofonsystem wiederholt werden. Dies erfordert, dass die Funktion des Mikrofons während der Zeit, zu der der Driftneukalibrationsprozess stattfindet, unterbrochen wird, insofern zum Beispiel, dass die Stummschaltung aktiv ist. Diese Zeit ist relativ kurz, sodass sie nicht durch eine Person, die das Mikrofon verwendet, erkannt wird.
Es versteht sich, dass sowohl die voranstehende allgemeine Beschreibung als auch die folgende ausführliche Beschreibung lediglich beispielhaft sind und beabsichtigt wird, dass sie einen Überblick oder einen Rahmen zum Verständnis des Wesens und Charakters der Ansprüche bereitstellen. Die begleitenden Zeichnungen sind zum Bereitstellen eines zusätzlichen Verständnisses enthalten und sind in dieser Beschreibung integriert und bilden einen Teil von dieser. Die Zeichnungen veranschaulichen eine oder mehrere Ausführungsformen und dienen zusammen mit der Beschreibung zum Erläutern von Prinzipien und dem Betrieb der verschiedenen Ausführungsformen. Die gleichen Elemente in unterschiedlichen Figuren der Zeichnungen werden durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Figurenliste
In den Zeichnungen gilt:

1 stellt einen Schaltplan einer Verstärkerschaltungsanordnung gemäß den Prinzipien dieser Offenbarung dar;
2 stellt ein Flussdiagramm des Prozesses zum Kalibrieren des Offsets dar;
3 stellt ein Beispiel der Drift der Verstärkerschaltungsanordnung dar und
4 stellt ein Diagramm dar, das den Betrieb einer Verstärkerschaltungsanordnung repräsentiert.

Ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen
Die vorliegende Offenbarung wird jetzt nachfolgend ausführlicher unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen, die Ausführungsformen der Offenbarung darstellen, beschrieben. Die Offenbarung kann jedoch in vielen verschiedenen Formen umgesetzt werden und sollte nicht als auf die vorliegend dargelegten Ausführungsformen beschränkt ausgelegt werden. Stattdessen sind diese Ausführungsformen bereitgestellt, sodass die Offenbarung Fachleuten auf dem Gebiet vollständig den Schutzumfang der Offenbarung vermittelt. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstäblich gezeichnet, aber sind dazu ausgelegt, die Offenbarung deutlich zu veranschaulichen.
1 stellt die schematischen Einzelheiten einer Verstärkerschaltungsanordnung gemäß einer Ausführungsform dar. Die Verstärkerschaltung ist dazu ausgelegt, Audiosignale zu verarbeiten, und kann Teil eines MEMS-Mikrofons sein. Der Verstärker 101 ist vollständig differenziell und weist zwei Eingangssignale an Anschlüssen des Paares von Differenzialsignalleitungen am Eingang 1010 des Verstärkers auf. Dementsprechend umfasst der Ausgang 1011 des Verstärkers 101 ein Paar von positiven und negativen Differenzialsignalleitungen. Das Audiosignal vom MEMS-Sensor wird als ein Signal EINGABE zu Differenzialsignalleitungen 110, 111 geliefert. Ein Anti-Aliasing-Filter (AAF) 102 ist am Ausgang des Verstärkers 101 bereitgestellt. Das AAF 102 beschränkt die Analogsignalbandbreite, um ein Frequenzspektrum-Aliasing durch eine Analog-Digital-Umwandlung zu vermeiden, die nachgeschaltet im Signalpfad durchgeführt wird. Die Ausgangssignalleitungen 1021, 1022, die differenzielle positive und negative Ausgangssignale outp, outn führen, werden zu einem Analog-Digital-Wandler 103 geliefert. Der ADC 103 kann ein Sigma-Delta-Wandler oder ein Sigma-Delta-Modulator sein, wie gewöhnlich bei der Audiosignalverarbeitung verwendet. Der Ausgang des ADC 103 ist eine Digitalsignalleitung 1031, die ein digitales Audiosignal führt. Eine Stummschaltung 104 ist dem ADC 103 nachgeschaltet. Der Ausgang 112 der Stummschaltung 104 führt ein digitales Ausgangssignal AUSGABE, das zu einem weiteren Digitalsignalverarbeitungsschaltkreis geliefert werden kann, wie etwa einem Digitalsignalprozessor (nicht dargestellt). Der beschriebene Signalpfad von den Signalen EINGABE zu AUSGABE von den differenziellen Eingangssignalleitungen 110, 111 zu der digitalen Ausgangsleitung 112 verarbeitet das gewünschte Signal, das in der vorliegenden Ausführungsform ein Audiosignal sein kann. Der Verstärker 101 kann ein Verstärker mit fester Verstärkung oder ein Verstärker (VGA) mit variabler Verstärkung sein, der einen variablen Verstärkungsfaktor aufweist, wie häufig bei der Audiosignalverarbeitung verwendet.
Der Verstärker 101 weist einen Offset auf, sodass sich das Ausgangssignal vom Gleichtakt-Signalpegel unterscheidet, selbst wenn es kein Eingangssignal EINGABE gibt. Der Offset wird durch Herstellungsvariationen und Prozessfehlanpassung verursacht. Für ein vollständig differenzielles Schaltungskonzept führen zum Beispiel Variationen im Herstellungsprozess zu einer Fehlanpassung der Transistoren in unterschiedlichen differenziellen Pfaden. Ein Offset an der Eingangsseite des Verstärkers 101 kann im Bereich von 5 mV bis 50 mV liegen, sodass der Ausgangsoffset aufgrund der Verstärkung des Verstärkers erheblich höher ist. Die Offsetausgangsspannung ist ein zeitinvarianter DC-Spannungsfehler.
Gewöhnlich gibt es einen zeitvarianten Spannungsfehler, der Drift genannt wird, der durch die Querempfindlichkeit mancher Fehlerquellen aufgrund von Temperatur oder Zeit verursacht wird. Eine Fehlerquelle kann ein Funkelrauschen von Defekten in der Grenzfläche zwischen dem Gate-Oxid und dem Siliziumsubstrat der CMOS-Transistoren sein. Andere mögliche Driftfehlerquellen können die Temperaturabhängigkeit von Vorströmen oder Rauschen der Versorgungsspannung sein. Der Driftspannungsfehler ist gewöhnlich ein niederfrequenter Fehler im Bereich von 0 bis 20 Hz, der eine erhebliche DC-Komponente repräsentiert. Der Offset und die Drift verursachen eine Verschiebung des Verstärkerausgangssignals von der definierten Gleichtakt-Ausgangsspannung von zum Beispiel VDD/2, sodass die Amplitude des differenziellen gewünschten Signals beschränkt wird. Falls die Amplitude zu groß ist, kann das Signal am Massepotenzial oder an der Versorgungsspannung VDD festhängen, sodass die Informationen im Signal verloren gehen.
Die Schaltung von 1 stellt den ersten Rückkopplungspfad 201, 202, 203, 412, 413, 402, 403, 408, 407 dar, der den Offset des Verstärkers korrigiert. Die Schaltung beinhaltet den zweiten Rückkopplungspfad 301, 302, 412, 413, 402, 403, 408, 407, der den Driftfehler korrigiert. Multiplexer 412, 413 kombinieren beide Schaltungspfade miteinander. Im Zustand „0“ schalten die Multiplexer den ersten Rückkopplungspfad frei, im Zustand „1“ schalten die Multiplexer den zweiten Rückkopplungspfad frei.
Jetzt mit Bezug auf den Offsetrückkopplungspfad, ist ein Komparator 201 mit Signalleitungen 1021, 1022 verbunden, die differenzielle Ausgangssignale outp, outn führen. Der Komparator 201 bestimmt das Vorzeichen des Differenzsignals outp, outn, ob outp größer ist als outn oder outp kleiner ist als outn. Falls der Komparatorausgang „0“ ist, das heißt outp < outn, wird ein Zähler 202 betrieben. Die Ausgabe des Zählers 202 wird zu einem Digital-Analog-Wandler (DAC) 402 weitergeleitet, der ein Korrektursignal refp erzeugt, das zu einem Summierungsknoten 408 weitergeleitet wird, um das Eingangssignal an der positiven (+) Leitung des Eingangs 1010 des Verstärkers 101 zu erhöhen. Falls die Differenzsignale outp, outn das andere Vorzeichen aufweisen, das heißt outp > outn, ist der Ausgang des Komparators 201 „1“, sodass ein Zähler 203 betrieben wird. Der Zählwert vom Zähler 203 wird zum DAC 403 weitergeleitet, um ein Korrektursignal refn zu erzeugen, das zum Summierungsknoten 407 weitergeleitet wird, um das Signal an der negativen (-) Leitung des Eingangs 1010 des Verstärkers 101 zu erhöhen.
Jetzt mit Bezug auf 2 wird der Betrieb der Offsetkalibrationsschleife ausführlicher erläutert. Bei Schritt 250 werden die Signale outp, outn an der Ausgangsseite des Verstärkers 101 durch den Komparator 201 verglichen. Falls outp < outn (Schritt 251), wird der Zähler 202 um 1 inkrementiert (Schritt 252). Die Ausgabe des DAC 402 wird um einen Spannungsschritt, z. B. 1 mV, inkrementiert (Schritt 253), sodass das Korrektursignal refp um einen entsprechenden Spannungsschritt, z. B. 1 mV, inkrementiert wird und das Ausgangssignal des Verstärkers outp um einen entsprechenden Spannungsschritt, z. B. 1 mV, erhöht wird (Schritt 254). Der nach oben zählende Prozess wird fortgesetzt und das Signal outn wird weiterhin verringert, bis sich das Vorzeichen des Differenzsignals auf den Leitungen 1021, 1022 insofern ändert, dass outp > outn ist (Schritt 255). In diesem Fall wird der Kalibrationsprozess stoppen und es wird angenommen, dass der absolute Offset outp - outn etwa oder geringer als 1 mV ist.
Im anderen Fall, bei dem outp > outn (Schritt 251), wird der Zähler 203 durch den Komparator 201 freigeschaltet und um 1 nach oben gezählt (Schritt 262). Dies erhöht das Korrektursignal refn am DAC 403 um einen Spannungsschritt, z. B. 1 mV (Schritt 263). Das Ausgangssignal outn des Verstärkers 101 wird um einen entsprechenden Spannungsschritt, z. B. 1 mV, erhöht (Schritt 264). Dieser Prozess wird fortgeführt, solange outp > outn, und der Zähler 203 wird nach oben gezählt und das Signal outn wird um Inkremente von 1 mV erhöht. Falls das differenzielle Ausgangssignal des Verstärkers 101 sein Vorzeichen ändert, das heißt outp < outn, wird der Kalibrationsprozess gestoppt, sodass angenommen werden kann, dass der absolute Offset am Ausgang des Verstärkers 101 etwa oder weniger als 1 mV ist. Im vorliegenden Beispiel entsprechen die Inkremente der Zähler 202, 203 einer Schrittgröße von 1 mV. Andere Werte sind auch möglich. Am Ende des Kalibrationsprozesses wird der Wert der Zähler 202, 203 gefroren, sodass sie während des Betriebs des Verstärkers gelten, bis die nächste Offsetkalibration stattfindet.
Bezüglich der Driftkalibrationsrückkopplungsschleife wird Bezug auf die 1 und 3 genommen. 3 bildet den Driftfehler an der Signalleitung 1031 am Ausgangsanschluss des Sigma-Delta-Modulators 103 als ein Digitalsignal 350 ab. Das Signal 350 wird durch mehrere Abtastwerte 351a, 351b in digitaler Dezimalform repräsentiert. Die Schaltung 301 führt eine Mittelwertbildung des Driftsignals innerhalb eines vorbestimmten Zeitfensters, wie etwa eines Beobachtungsfensters 352, durch. Die Schaltung 301 berechnet den Mittelwert, der das arithmetische Mittel oder ein anderes Mittel der Driftsignal-Abtastwerte ist, die im Beobachtungsfenster 352 auftreten. Im vorliegenden Beispiel berechnet das Mittelwertfilter 301 den Mittelwert für acht aufeinanderfolgende Abtastwerte. Der Mittelwert wird zu einem differenziellen Wert umgewandelt, der zum Eingang „1“ der Multiplexer 412, 413 weitergeleitet werden soll, sodass die DACs 402, 403 einen differenziellen Korrekturwert refp, refn erzeugen, der den durch die Schaltung 301 erzeugten Mittelwert repräsentiert. Um einen derartigen differenziellen Wert aus dem einzelnen Mittelwert der Mittelungsschaltung 301 zu erzeugen, wird eine Nachschlagetabelle 302 bereitgestellt, die eine entsprechende Beziehung zwischen dem Mittelwert und dem differenziellen Korrekturwert bereitstellt, der in einem Nurlesespeicher (ROM) gespeichert ist.
Es ist möglich, den Korrekturwert zu beiden Korrektursignalen refp, refn oder nur zu einem der Korrektursignale refp, refn zu liefern. Die Fenstergröße 352 kann in Abhängigkeit von der gewünschten Genauigkeit variiert werden. Eine Zunahme des Beobachtungsfensters 352 erfordert die Mittelwertbildung über eine größere Anzahl von Abtastungen, sodass die Genauigkeit der Driftkorrektur erhöht wird. Das Mittelungsfilter 301 kann anpassbare Filterkoeffizienten aufweisen, die von der gewünschten Genauigkeit abhängen. Die Fenstergröße und die Anzahl von Abtastpunkten, die durch das Mittelwertfilter 301 verwendet werden, können durch anpassbare Filterkoeffizienten in Abhängigkeit von den Systemanforderungen und der benötigten Driftkorrekturgenauigkeit angepasst werden.
Die Offsetkorrektur führt zu einem Restfehler von zum Beispiel weniger als 1 mV. Die danach durchgeführte Driftkorrektur verringert diesen Fehler weiter, sodass der Restfehler nach der Offset- und Driftkalibration nahe an Null liegt oder im Wesentlichen null ist. In diesem Fall ist die Gleichtakt-Ausgangsspannung des Verstärkers 101 im Wesentlichen die Hälfte der Versorgungsspannung, d. h. VDD/2.
Während der Offsetkalibration und der Driftkalibration ist die Stummschaltung 104 insofern aktiv, dass das Ausgangssignal AUSGABE null ist, sodass kein hörbarer Glitch zu den nachgeschalteten DSP-Schaltungen weitergeleitet wird.
Die beschriebenen Schaltungen für die Offsetkorrekturrückkopplungsschleife und die Driftkorrekturrückkopplungsschleife arbeiten in der digitalen Domäne, wie etwa dem Komparator 201, den Zählern 202, 203, der Mittelungsschaltung 301 und der Nachschlagetabelle 302. Die erzeugten Korrekturwerte am Ausgang der Zähler 202, 203 und der Nachschlagetabelle 302 werden zu den DACs 402, 403 weitergeleitet, sodass sie zur Eingangsseite des Verstärkers 101 geliefert werden können. Diese Schaltungen können während eines Normalbetriebs des Verstärkersystems arbeiten und erfassen jegliche Fehler, die selbst während eines Betriebs des Systems auftreten. Im Vergleich zu herkömmlichen Trimmlösungen gibt es keine Notwendigkeit zum Durchführen eines Trimmens der Schaltung nach der Herstellung, sodass die teuren Kalibrations- und Prüfprozeduren während des Herstellungsprozesses eingespart werden.
Jetzt mit Bezug auf 4 wird nach dem Einschalten der Schaltung eine Offsetkalibration durchgeführt, wie in den Schritten 450, 451 dargestellt. Danach wird eine Driftkalibration durchgeführt, wie im Schritt 452 dargestellt. Wann auch immer die Verstärkerschaltung in einen Schlafmodus eintritt, wie in den Schritten 453, 455 dargestellt, das heißt, dass das Eingangssignal EINGABE an den Anschlüssen 110, 111 des gewünschten Signalpfads null ist, wird eine Driftkalibration durchgeführt, wie in den Schritten 454, 456 dargestellt. Dies verringert die zeitvariante Drift, die sich möglicherweise über die vorangegangene Betriebsperiode geändert hat. Der Leistungsverbrauch zum Durchführen der Driftkalibration ist relativ niedrig. Im Fall eines MEMS-Mikrofons, das die Schaltung von 1 beinhaltet, kann die Driftkalkulation mehr Leistungsverbrauch zum Schlafmodus der Audioschaltung hinzufügen, dies wird jedoch durch eine höhere Genauigkeit der Schaltung gerechtfertigt, insofern, dass die Restdrift durch die repetitive Durchführung einer Driftkalibration, wie etwa der Schritte 454, 456, zu jeder Schlafperiode, wie etwa 453, 455, verringert wird.
Fachleuten auf dem Gebiet wird ersichtlich werden, dass verschiedene Modifikationen und Variationen vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken oder Schutzumfang der Offenbarung, wie in den angehängten Ansprüchen dargelegt, abzuweichen. Da Modifikationen, Kombinationen, Teilkombinationen und Variationen der offenbarten Ausführungsformen, die den Gedanken und den Inhalt der Offenbarung beinhalten, Fachleuten auf dem Gebiet in den Sinn kommen können, sollte die Offenbarung so aufgefasst werden, dass sie alles innerhalb des Schutzumfangs der angehängten Ansprüche beinhaltet.

Claims

Verstärkerschaltungsanordnung, die umfasst: einen gewünschten Signalpfad, der einen Differenzverstärker (101) für ein Analogsignal (EINGABE) mit einer Eingangsseite (1010) und einer Ausgangsseite (1011) und einen Analog-Digital-Wandler (103) mit einem Ausgangsanschluss (1031) umfasst; einen ersten Rückkopplungspfad zum Kalibrieren eines Offsets des gewünschten Signalpfads, der mit Differenzsignalleitungen (1021, 1022) an der Ausgangsseite (1011) des Differenzverstärkers (101) und mit Differenzsignalleitungen (110, 111) an der Eingangsseite (1011) des Differenzverstärkers (101) gekoppelt ist, wobei der erste Rückkopplungspfad einen Komparator (201) und mindestens einen Zähler (202, 203), der durch einen Ausgang des Komparators (201) gesteuert wird, umfasst; einen zweiten Rückkopplungspfad zum Kalibrieren einer Drift des gewünschten Signalpfads, der mit dem Ausgangsanschluss (1031) des Analog-Digital-Wandlers (103) und mit den Differenzialsignalleitungen (110, 111) an der Eingangsseite (1010) des Differenzverstärkers (101) gekoppelt ist, wobei der zweite Rückkopplungspfad ein Mittelwertfilter (301) umfasst.
Verstärkerschaltungsanordnung nach Anspruch 1, die ferner mindestens einen Digital-Analog-Wandler (402, 403) umfasst, der dem mindestens einen Zähler (202, 203) und dem Mittelwertfilter (301) nachgeschaltet ist.
Verstärkerschaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, die ferner einen Codierer oder eine Nachschlagetabelle (302) umfasst, der bzw. die dem Mittelwertfilter (301) nachgeschaltet ist.
Verstärkerschaltungsanordnung nach Anspruch 2, die ferner mindestens einen Multiplexer (412, 413) umfasst, der einen Eingangsanschluss (0), der mit dem Ausgang des mindestens einen Zählers (202, 203) gekoppelt ist, und einen anderen Eingangsanschluss (1), der dem Mittelwertfilter (101) nachgeschaltet gekoppelt ist, aufweist und einen Ausgangsanschluss aufweist, der mit dem mindestens einen Digital-Analog-Wandler (402, 403) gekoppelt ist.
Verstärkerschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der erste Rückkopplungspfad ausgelegt ist zum Beeinflussen des Signals auf einer der Differenzsignalleitungen (110) an der Eingangsseite (1010) des Differenzverstärkers (101) als Reaktion auf einen Zustand eines Ausgangssignals des Komparators (201) und zum Beeinflussen des Signals auf der anderen der Differenzsignalleitungen (111) an der Eingangsseite (1010) des Differenzverstärkers (101) als Reaktion auf einen anderen Zustand eines Ausgangssignals des Komparators (201).
Verstärkerschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die ferner eine Stummschaltung (104) mit einem Ausgangsanschluss (112) und einem Eingangsanschluss umfasst, wobei der Eingangsanschluss mit dem Ausgangsanschluss (1031) des Analog-Digital-Wandlers (103) gekoppelt ist, die Stummschaltung (104) dazu ausgelegt ist, ein Ausgangssignal (AUSGABE) am Ausgangsanschluss (112) zu unterdrücken, bevor eine Kalibration durch den ersten und/oder den zweiten Rückkopplungspfad beendet ist.
Verstärkerschaltungsanordnung nach Anspruch 1, die umfasst: einen Summierungsknoten (407, 408) in jeder der Differenzsignalleitungen (110, 111) an der Eingangsseite (1010) des Differenzverstärkers; Eingangsanschlüsse des Komparators (201), die mit den Differenzsignalleitungen (1021, 1022) an der Ausgangsseite (1011) des Differenzverstärkers (101) gekoppelt sind; einen weiteren Zähler (203, 202), der durch den Ausgangsanschluss des Komparators (201) gesteuert wird; einen ersten und einen zweiten Multiplexer (412, 413), wobei Ausgangsanschlüsse des mindestens einen und des weiteren Zählers (202, 203) mit einem jeweiligen Eingangsanschluss (0) der Multiplexer (412, 413) verbunden sind; einen ersten und einen zweiten Digital-Analog-Wandler (402, 403), wobei Ausgangsanschlüsse des ersten und des zweiten Multiplexers (412, 413) mit Eingangsanschlüssen des ersten und des zweiten Digital-Analog-Wandlers (402, 403) verbunden sind und wobei Ausgangsanschlüsse des ersten und des zweiten Digital-Analog-Wandlers (402, 403) mit einem jeweiligen der Summierungsknoten (407, 408) verbunden sind; eine Nachschlagetabelle (302), wobei ein Ausgangsanschluss des Mittelwertfilters (301) mit einem Eingangsanschluss der Nachschlagetabelle (302) verbunden ist, und Ausgangsanschlüsse der Nachschlagetabelle mit anderen Eingangsanschlüssen (1) des ersten und des zweiten Multiplexers (412, 413) verbunden sind.
Verfahren zum Kalibrieren einer Verstärkerschaltungsanordnung, wobei die Verstärkerschaltungsanordnung einen gewünschten Signalpfad umfasst, der einen Differenzverstärker (101) für ein Analogsignal (EINGABE) mit einer Eingangsseite (1010) und einer Ausgangsseite (1011) und einen Analog-Digital-Wandler (103) mit einem Ausgangsanschluss (1031) umfasst, wobei das Verfahren umfasst: Durchführen eines ersten Kalibrationsprozesses, umfassend Vergleichen (251) von Differenzsignalen (outp, outn) an der Ausgangsseite (1011) des Differenzverstärkers (101), Anlegen (253) eines Korrektursignals (refp, refn) an mindestens eines der Differenzsignale an der Eingangsseite (1010) des Differenzverstärkers (101), Ändern des Korrektursignals, bis sich das Ausgangssignal des Komparators ändert (255); Durchführen eines zweiten Kalibrationsprozesses, umfassend Mittelwertbilden eines Signals am Ausgangsanschluss (1031) des Analog-Digital-Wandlers (103) und Anlegen eines Korrektursignals (refp, refn) an mindestens eines der Differenzsignale an der Eingangsseite (1010) des Differenzverstärkers (101).
Verfahren nach Anspruch 8, umfassend, während des ersten Kalibrationsprozesses, wenn eines der Differenzsignale (outp, outn) an der Ausgangsseite (1011) des Differenzverstärkers (101) eine niedrigere Amplitude als das andere der Differenzsignale an der Ausgangsseite des Differenzverstärkers aufweist, dann Erhöhen (253) des Korrektursignals, bis bestimmt wird (255), dass das eine der Differenzsignale eine größere Amplitude als das andere der Differenzsignale aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Verstärkerschaltungsanordnung positive und negative Differenzsignalleitungen (110, 111) an der Eingangsseite (1010) des Differenzverstärkers (101) und positive und negative Signalleitungen (1021, 1022) an der Ausgangsseite (1011) des Differenzverstärkers (101) umfasst, wobei der erste Kalibrationsprozess umfasst: wenn das Signal (outp) an der positiven Differenzsignalleitung (1021) an der Ausgangsseite des Differenzverstärkers eine niedrigere Amplitude als das Signal (outn) an der negativen Differenzsignalleitung (1022) an der Ausgangsseite des Differenzverstärkers aufweist, dann Erhöhen (253) des Korrektursignals und Anlegen des Korrektursignals (refp) an die positive Signalleitung (111) an der Eingangsseite des Differenzverstärkers, um das Signal auf der positiven Signalleitung in der Eingangsseite zu erhöhen, bis das Signal (outp) auf der positiven Signalleitung an der Ausgangsseite eine größere Amplitude als das Signal (outn) an der negativen Signalleitung an der Ausgangsseite aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Verstärkerschaltungsanordnung positive und negative Differenzsignalleitungen (110, 111) an der Eingangsseite (1010) des Differenzverstärkers (101) und positive und negative Signalleitungen (1021, 1022) an der Ausgangsseite (1011) des Differenzverstärkers (101) umfasst, wobei der erste Kalibrationsprozess Folgendes umfasst: wenn das Signal (outp) an der positiven Differenzsignalleitung (1021) an der Ausgangsseite des Differenzverstärkers eine größere Amplitude als das Signal (outn) an der negativen Differenzsignalleitung (1022) an der Ausgangsseite des Differenzverstärkers aufweist, dann Erhöhen (263) des Korrektursignals und Anlegen des Korrektursignals (refn) an die negative Signalleitung (110) an der Eingangsseite des Differenzverstärkers, um das Signal auf der negativen Signalleitung an der Eingangsseite zu erhöhen, bis das Signal (outp) auf der positiven Signalleitung an der Ausgangsseite eine niedrigere Amplitude als das Signal (outn) an der negativen Signalleitung an der Ausgangsseite aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei der zweite Kalibrationsprozess ein Umwandeln des Signalpegels, der durch eine Mittelwertbildung eines Signals am Ausgangsanschluss (1031) des Analog-Digital-Wandlers (103) erhalten wird, zu einem differenziellen Korrektursignal mit dem Signalpegel und ein Anlegen des differenziellen Korrektursignals an die Differenzsignale an der Eingangsseite (1010) des Differenzverstärkers (101) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, umfassend Unterdrücken eines Ausgangssignals des Analog-Digital-Wandlers (103) während einer Durchführung des ersten und/oder des zweiten Kalibrationsprozesses.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, das den zweiten Kalibrationsprozess (454, 456) während einer Betriebsperiode der Differenzverstärkeranordnung wiederholt, wenn der gewünschte Signalpfad kein gewünschtes Signal empfängt oder wenn sich der Differenzverstärker in einem Standby-Modus oder einem Schlafmodus befindet (453, 455).