精密的电流到数字转换器制造技术

提供了精密的电流到数字转换器。公开了一种电流感测系统和三角积分调制器架构，以用于以改进的功率效率对来自高阻抗信号源的电流输入信号进行感测和数字化。三角积分调制器通过利用电容式求和级将信号条件级集成在三角积分调制器反馈环路内。对于给定的增益、分辨率和带宽要求，该三角积分调制器架构通过有利地减小系统中需要高动态范围的节点的数量而实现减小的功率消耗。附加地，三角积分调制器具有非常高的输入阻抗，使得该三角积分调制器的输入可以直接连接到高阻抗信号源，而不需要前端前置放大器级等。

Precision current to digital converter

【技术实现步骤摘要】
精密的电流到数字转换器
在该文献中公开的设备和方法涉及电流感测，并且更具体地涉及电流到数字转换器。
技术介绍
除非在本文中另有指示，否则本章节中所描述的材料不是针对本申请中的权利要求的现有技术，并且并不通过在本章节中包括而被承认是现有技术。电流感测电路被广泛用于许多传感器应用中，以处理模拟电流信号并且将其转换到数字域。对于需要高分辨率和低带宽的电流感测应用而言，三角积分（delta-sigma）调制器（DSM）由于其比其他模数转换器（ADC）架构优越的功率效率而经常被用于执行数字化。然而，在诸如感测高阻抗传感器的电流之类的许多应用中，电流感测电路必须具有高输入阻抗，以便避免汲取电流并且对传感器的性能造成负面影响。因此，当测量来自高阻抗传感器的电流时，常规的基于DSM的电流感测电路必须利用某种前端信号调节电路（诸如，前置放大器级）以将高阻抗传感器电流信号转换为低阻抗输出信号，使得其可以被数字化。图1示出了用于测量和数字化来自高输出阻抗信号源20的电流信号IIN的常规的基于DSM的电流感测系统10。电流信号IIN在由三角积分调制器40数字化以提供数字输出信号DOUT之前被提供给前端信号调节级30。然而，随着所需分辨率变得更高，在前端信号调节级30和三角积分调制器40两者的输入节点处强制的高动态范围仍然导致了相对高功率的实现方式。因此，所需要的是提供高输入阻抗、低功率消耗和高动态范围的电流感测电路。
技术实现思路
公开了一种用于感测电流源的电流输入信号的三角积分调制器。所述三角积分调制器包括：第一节点，其被配置成连接到所述电流源并且接收所述电流输入信号，所述第一节点是所述三角积分调制器的输入；电容式求和电路，其具有连接到所述第一节点的输入和连接到第二节点的输出，所述电容式求和电路被配置成将所述第一节点处的信号放大并且将经放大的信号提供给所述第二节点，所述电容式求和电路包括：（i）第一放大器，其具有连接到所述第一节点的输入和连接到所述第二节点的输出，和（ii）第一电容，其连接在所述第一放大器的输出与所述第一放大器的输入之间；环路滤波器电路，其具有连接到所述第二节点的输入和连接到第三节点的输出，所述环路滤波器被配置成对所述第二节点处的经放大的信号进行滤波，并且将经滤波的信号提供给所述第三节点；量化器电路，其具有连接到所述第三节点的输入和连接到第四节点的输出，所述第四节点是所述三角积分调制器的输出，所述量化器电路被配置成对所述第三节点处的经滤波的信号进行量化，并且将经量化的信号提供给所述第四节点；以及第一反馈路径，其连接在所述第四节点与所述第一节点之间，至少一个第二电容被布置在所述第一反馈路径中，并且被配置成将经量化的信号电容式地耦合到所述第一节点。公开了一种电流感测系统。所述电流感测系统包括：电流源，其被配置成提供电流输入信号；以及三角积分调制器。所述三角积分调制器包括：第一节点，其被配置成连接到所述电流源并且接收所述电流输入信号，所述第一节点是所述三角积分调制器的输入；电容式求和电路，其具有连接到所述第一节点的输入和连接到第二节点的输出，所述电容式求和电路被配置成将所述第一节点处的信号放大并且将经放大的信号提供给所述第二节点，所述电容式求和电路包括：（i）第一放大器，其具有连接到所述第一节点的输入和连接到所述第二节点的输出，和（ii）第一电容，其连接在所述第一放大器的输出与所述第一放大器的输入之间；环路滤波器电路，其具有连接到所述第二节点的输入和连接到第三节点的输出，所述环路滤波器被配置成对所述第二节点处的经放大的信号进行滤波，并且将经滤波的信号提供给所述第三节点；量化器电路，其具有连接到所述第三节点的输入和连接到第四节点的输出，所述第四节点是所述三角积分调制器的输出，所述量化器电路被配置成对所述第三节点处的经滤波的信号进行量化，并且将经量化的信号提供给所述第四节点；以及第一反馈路径，其连接在所述第四节点与所述第一节点之间，至少一个第二电容被布置在所述第一反馈路径中，并且被配置成将经量化的信号电容式地耦合到所述第一节点。附图说明在结合附图考虑的以下描述中解释了三角积分调制器和电流感测系统的前述方面和其他特征。图1示出了用于测量和数字化来自高阻抗信号源的电流信号的常规的基于DSM的电流感测系统。图2示出了利用功率高效架构进行电流到数字转换的电流感测系统。图3示出了图2的电流感测系统的示例性实现。图4为了进行比较示出了具有前端电容式调节级的示例性替换电流感测系统。图5示出了具有开关的另外的电流感测系统，该开关被配置成选择性地将信号源连接到三角积分调制器。图6示出了另外的电流感测系统，该电流感测系统除了FIRDAC之外还具有被布置在至少主反馈路径中的动态元件匹配电路。图7示出了另外的电流感测系统，该电流感测系统具有被布置在至少主反馈中的动态元件匹配电路而没有FIRDAC。具体实施方式出于促进对本公开原理的理解的目的，现在将参考在附图中图示并在以下书面说明书中描述的实施例。应理解的是，并不由此意图限制本公开的范围。应进一步理解的是，本公开包括对所图示的实施例的任何更改和修改，并且包括如本公开所涉及领域的技术人员通常将会想到的本公开原理的另外的应用。图2示出了利用功率高效架构来进行电流到数字转换的电流感测系统100。电流感测系统100通过有利地减小系统中需要高动态范围的节点的数量，以大幅减小的功率消耗实现大于15位的分辨率和亚MHz带宽。通过将电容式调节级包括在三角积分调制器（DSM）110的主反馈环路内，来完成系统中需要高动态范围的节点的数量的减小，使得仅需要在三角积分调制器110的单个节点处强制高动态范围。附加地，电容式调节级有助于在三角积分调制器110的输入112处建立非常高的输入阻抗。以此方式，三角积分调制器110的输入112可以直接连接到高阻抗信号源120，而不需要前端前置放大器级等。电流感测系统100包括三角积分调制器110，该三角积分调制器110被配置成在输入112处直接从高阻抗信号源120接收模拟电流输入信号IIN，并且在输出114处提供数字输出信号DOUT。三角积分调制器110在前向路径中包括求和块130、环路滤波器140和量化器150。三角积分调制器110包括由具有有限脉冲响应数模转换器（FIRDAC）170的主反馈路径160形成的负反馈环路（在本文中也称为“DSM环路”）。此外，在至少一些实施例中，三角积分调制器110进一步包括由具有偏移校正电路190的次反馈路径180形成的偏移校正环路。高阻抗信号源120是具有非常高的阻抗的时变电流信号源，诸如时变电容、电容式地耦合的时变电压源等。在许多实施例中，高阻抗信号源120是被配置成测量某个物理量或参数的高阻抗传感器。在一些实施例中，高阻抗传感器可以包括电容式传感器（诸如麦克风），该电容式传感器由高阻抗源（诸如，反向偏置的二极管）所偏置。在一个实施例中，高阻抗信号源120具有例如至少千兆欧或更高的数量级的阻抗。以此方式，可以认为高阻本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于感测电流源的电流输入信号的三角积分调制器，所述三角积分调制器包括：/n第一节点，其被配置成连接到所述电流源并且接收所述电流输入信号，所述第一节点是所述三角积分调制器的输入；/n电容式求和电路，其具有连接到所述第一节点的输入和连接到第二节点的输出，所述电容式求和电路被配置成将所述第一节点处的信号放大并且将经放大的信号提供给所述第二节点，所述电容式求和电路包括：（i）第一放大器，其具有连接到所述第一节点的输入和连接到所述第二节点的输出，和（ii）第一电容，其连接在所述第一放大器的输出与所述第一放大器的输入之间；/n环路滤波器电路，其具有连接到所述第二节点的输入和连接到第三节点的输出，所述环路滤波器被配置成对所述第二节点处的经放大的信号进行滤波，并且将经滤波的信号提供给所述第三节点；/n量化器电路，其具有连接到所述第三节点的输入和连接到第四节点的输出，所述第四节点是所述三角积分调制器的输出，所述量化器电路被配置成对所述第三节点处的经滤波的信号进行量化，并且将经量化的信号提供给所述第四节点；以及/n第一反馈路径，其连接在所述第四节点与所述第一节点之间，至少一个第二电容被布置在所述第一反馈路径中，并且被配置成将经量化的信号电容式地耦合到所述第一节点。/n...

【技术特征摘要】
20181218 US 16/2231781.一种用于感测电流源的电流输入信号的三角积分调制器，所述三角积分调制器包括：
第一节点，其被配置成连接到所述电流源并且接收所述电流输入信号，所述第一节点是所述三角积分调制器的输入；
电容式求和电路，其具有连接到所述第一节点的输入和连接到第二节点的输出，所述电容式求和电路被配置成将所述第一节点处的信号放大并且将经放大的信号提供给所述第二节点，所述电容式求和电路包括：（i）第一放大器，其具有连接到所述第一节点的输入和连接到所述第二节点的输出，和（ii）第一电容，其连接在所述第一放大器的输出与所述第一放大器的输入之间；
环路滤波器电路，其具有连接到所述第二节点的输入和连接到第三节点的输出，所述环路滤波器被配置成对所述第二节点处的经放大的信号进行滤波，并且将经滤波的信号提供给所述第三节点；
量化器电路，其具有连接到所述第三节点的输入和连接到第四节点的输出，所述第四节点是所述三角积分调制器的输出，所述量化器电路被配置成对所述第三节点处的经滤波的信号进行量化，并且将经量化的信号提供给所述第四节点；以及
第一反馈路径，其连接在所述第四节点与所述第一节点之间，至少一个第二电容被布置在所述第一反馈路径中，并且被配置成将经量化的信号电容式地耦合到所述第一节点。


2.根据权利要求1所述的三角积分调制器，所述第一反馈路径包括：
在所述第一负反馈路径中布置的有限脉冲响应数模转换器，所述有限脉冲响应数模转换器被配置成将所述第四节点处的经量化的信号转换为模拟反馈信号，并且将所述模拟反馈信号提供给所述第一节点。


3.根据权利要求2所述的三角积分调制器，所述有限脉冲响应数模转换器包括：
多个第二电容，每个第二电容具有第一端子和第二端子，每个第二电容的第一端子连接到所述第一节点；
多个开关，其被配置成将每个第二电容的第二端子选择性地连接到第一电压和第二电压；以及
处理器，其被配置成操作所述多个开关以在所述第一节点处提供所述模拟反馈信号。


4.根据权利要求1所述的三角积分调制器，进一步包括：
连接在所述第四节点与所述第一节点之间的第二反馈路径，所述第二反馈路径包括：
在所述第二反馈路径中布置的偏移校正电路，所述偏移校正电路被配置成通过将所述第一节点处的DC偏移调整为具有预定的DC偏移量值来校正所述三角积分调制器中的DC偏移。


5.根据权利要求1所述的三角积分调制器，其中与所述至少一个第二电容相组合的所述电容式求和电路提供平坦的频率响应。


6.根据权利要求1所述的三角积分调制器，所述环路滤波器包括：
至少一个噪声成型滤波器。


7.根据权利要求6所述的三角积分调制器，所述环路滤波器包括：
至少一个积分器电路。


8.根据权利要求7所述的三角积分调制器，所述至少一个积分器电路包括：
第二放大器；
第三电容，其连接在所述第二放大器的输出与所述第二放大器的输入之间；以及
电阻，其连接在所述第二节点与所述第二放大器的输入之间。


9.根据权利要求1所述的三角积分调制器，进一步包括：
连接在所述电流源和所述第一节点之间的开关；以及
至少一个处理器，其被配置成操作所述开关以：（i）在所述第四节点处的经量化的信号的值中的每个改变之前断开第一预定量的时间，以及...

【专利技术属性】
技术研发人员：S甘塔，陈曼嘉，C埃泽克韦，
申请(专利权)人：罗伯特·博世有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE