(57)【要約】  非一定の重みを使用する信号処理回路によって処理するためのサンプルアナログ信号を発生させるためのセンサシステムは、複数の信号発生素子と、複数の信号発生素子に動作可能に結合された複数のスイッチを有するスイッチングネットワークとを含む。スイッチングネットワークは、複数の異なる構成の間で複数の信号発生素子を切り換えるように構成されている。システムは、２次のダイナミックエレメントマッチング（ＤＥＭ）ローテーション方式を実現するようにスイッチネットワークを制御するためのＤＥＭ制御システムを含み、複数の信号発生素子は、第１の順序で複数の構成内の各構成に切り換えられ、次いで第２の順序で複数の構成内の各構成に切り換えられ、第２の順序は第１の順序の逆である。【選択図】図３
2013526217.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非一定の重みを使用する信号処理回路によって処理するためのアナログ信号を発生させるシステムであって、
複数の信号発生素子と、
Ｍ個の異なる構成の間で前記複数の信号発生素子を切り換えるように、前記複数の信号発生素子に動作可能に結合されたスイッチングネットワークと、
２次のダイナミックエレメントマッチング（ＤＥＭ）ローテーション方式を実現するように前記スイッチネットワークを制御するためのＤＥＭ制御システムであって、前記複数の信号発生素子は、第１の順序で前記Ｍ個の構成のそれぞれに切り換えられ、次いで第２の順序で前記Ｍ個の構成のそれぞれに切り換えられ、前記第２の順序は前記第１の順序の逆である、ＤＥＭ制御システムと
を備える、システム。
【請求項２】
前記ＤＥＭ制御システムは、前記複数の信号発生素子が、システムクロックによって設定されたサンプルレートにて前記２次ＤＥＭローテーション方式に従って構成から構成へと切り換えられるように、前記スイッチネットワークを制御するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記第１および第２の順序の素子の各構成がサンプルアナログ信号を出力する、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記複数の信号発生素子が、互いに対して所定の比率を有する第１の回路デバイスと第２の回路デバイスとを実装するためのものである、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記複数の異なる構成が、前記第１の回路デバイスと前記第２の回路デバイスとを実装するように前記複数の信号発生素子を割り当てることができるいくつかのやり方に対応する、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記サンプルアナログ信号を受け取り、それらをノイズ伝達関数に従って平均化して最終デジタル出力値を生成するインクリメンタルアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）
をさらに備える、請求項３に記載のシステム。
【請求項７】
前記インクリメンタルＡＤＣがｎ次のインクリメンタルＡＤＣであり、ｎは１より大きい、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記インクリメンタルＡＤＣは、デジタル出力値を生成するために第１の数のサンプルを必要とし、前記第１の数は前記第１および第２の順序を合わせた構成の総数以上であり、
前記２次ＤＥＭローテーション方式の間、各構成は、サンプルアナログ信号を発生させるために、前記第１および第２の順序の両方で所定の回数連続して活動化され、前記所定の数に前記第１および第２の順序内の構成の総数を乗じた数は前記第１の数より大きい、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記インクリメンタルＡＤＣは、デジタル出力値を生成するために第１の数のサンプルを必要とし、前記第１の数は前記第１および第２の順序を合わせた構成の総数以上であり、
前記第１の順序および前記第２の順序は所定の回数繰り返され、前記所定の数に前記第１および第２の順序内の構成の総数を乗じた数は前記第１の数より大きい、請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
非一定の重みを使用する信号処理回路によって処理するためのサンプルアナログ信号を発生させるようにセンサシステムを動作させる方法であって、前記センサシステムはセンサ組立体を実装するための複数の信号発生素子を含み、前記複数の信号発生素子は前記センサ組立体を実装するための複数の可能な組み合わせの間で切り換えるように動作可能に結合され、前記方法は、
前記複数の信号発生素子を、第１の順序で可能な構成のそれぞれに切り換え、前記第１の順序の各構成に対するサンプルアナログ信号を出力するように、前記複数の信号発生素子を活動化するステップと、
前記第１の順序の後に前記複数の信号発生素子を、前記第１の順序の逆である第２の順序で可能な構成のそれぞれに切り換え、前記第２の順序の各構成に対するサンプルアナログ信号を出力するように前記複数の信号発生素子を活動化するステップと
を含む、方法。
【請求項１１】
前記複数の信号発生素子が、サンプルレートにて前記第１および第２の順序の異なる可能な構成に切り換えられる、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記信号処理回路は、デジタル出力値を生成するために第１の数のサンプルを必要とし、前記第１の数は前記第１および第２の順序を合わせた構成の総数以上であり、
前記複数の回路素子は、前記第１および第２の順序の各構成に対して連続してｓ個のサンプルアナログ信号を出力し、ｓに前記第１および第２の順序内の構成の総数を乗じた数は前記第１の数少なくとも同じ大きさである、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記信号処理回路は、デジタル出力値を生成するために第１の数のサンプルを必要とし、前記第１の数は前記第１および第２の順序を合わせた構成の総数以上であり、
前記第１および第２の順序を含む中心の順序はｔ回繰り返され、ｔに前記第１および第２の順序内の構成の総数を乗じた数は前記第１の数少なくとも同じ大きさである、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記複数の信号発生素子が、互いに対して所定の比率を有する第１の回路デバイスと第２の回路デバイスとを実装するためのものである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
複数の信号発生素子と、
複数の異なる構成の間で前記複数の信号発生素子を切り換えるためのスイッチングネットワークと、
２次のダイナミックエレメントマッチング（ＤＥＭ）ローテーション方式を実現するように前記スイッチネットワークを制御するためのＤＥＭ制御システムであって、前記複数の信号発生素子は、第１の順序で前記複数の構成内の各構成に切り換えられ、次いで第２の順序で各構成に切り換えられ、前記第２の順序は前記第１の順序の逆であり、前記複数の信号発生素子は、各構成にて活動化されてサンプルアナログ信号を出力する、ＤＥＭ制御システムと
を含むセンサシステムと、
前記サンプルアナログ信号を受け取るための信号処理回路であって、前記２次ＤＥＭローテーション方式の間に受け取ったサンプルアナログ信号をノイズ整形関数に従って組み合わせて離散出力値を生成するように構成され、前記ノイズ整形関数は、前記サンプルアナログ信号のそれぞれに、前記サンプルアナログ信号が前記離散出力値の生成に寄与する非一定の重みを割り当てる、信号処理回路と
を備える、信号発生および処理システム。
【請求項１６】
前記信号処理回路がｎ次のインクリメンタルＡＤＣであり、ｎは１より大きい、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記信号処理回路は２次インクリメンタルＡＤＣであり、
前記ノイズ整形関数は、前記サンプルアナログ信号のそれぞれに、前記サンプルアナログ信号が前記離散出力値の生成に寄与する線形で非一定の重みを割り当てる、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１８】
前記信号処理回路は３次インクリメンタルＡＤＣであり、
前記ノイズ整形関数は、前記サンプルアナログ信号のそれぞれに、前記サンプルアナログ信号が前記離散出力値の生成に寄与する非線形で非一定の重みを割り当てる、請求項１５に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]本発明は、アナログ信号を２次以上のアナログ−デジタル変換器に供給する回路に用いるためのダイナミックエレメントローテーション方式に関する。
【背景技術】
【０００２】
[0002]集積回路の設計ではしばしば設計の一部として、その特性の一部の固定の比率を有するデバイスを作製することが望ましい。ここで「デバイス」という用語は、トランジスタ、キャパシタなどの回路素子を指す。回路の必要な性能を得るためには、設計値と比較して非常に高い精度にこの比率を製造することがしばしば必要となる。この比率からの偏移はオフセットまたは直線性誤差となり得る。
【０００３】
[0003]この比率が整数または有理数の場合は、通常、デバイスは適当な数の単位素子を用いて構築される。たとえば２／３の比率を有する２つのデバイスを作製するには、５つの等しい単位素子が作製され、３つの単位素子がデバイスの一方に割り振られ、２つの単位素子が他方のデバイスに割り振られる。これにより、面積だけでなく実際のデバイスの幾何学形状に依存する二次的なデバイス影響が除去される。
【０００４】
[0004]しかし、半導体チップの製造プロセスは、公称的に等しいデバイスにおいて人為的な影響をもたらす。これらの人為的な影響は、単一のチップまたはウェハ上の特定のタイプのすべてのデバイスに対する系統的なばらつき、および単一のチップ上の個々のデバイスの間のランダムばらつきの両方を含む。この後者のランダムばらつきは不整合（ミスマッチ）と呼ばれ、デバイスの公称的に等しい性質を乱す。たとえば上述の２／３の比率を有する２つのデバイスを実装するために５つの単位素子を用いる例を参照すると、単位素子の寸法でのランダムばらつきは、結果として所望の２／３の比率から偏移した２つのデバイスの比率を生じ得る。
【０００５】
[0005]この不整合を改善することができる「ダイナミックエレメントマッチング」（ＤＥＭ）と呼ばれる技術がある。ＤＥＭでは所望の比率を有するデバイスを実装するために用いられる異なる素子は、時間と共にシステム内の異なる位置にわたってローテーションされ、それによりデバイス比率の時間平均はほぼ理想値に近くなる。例として、比率２／３を作製するために５つの単位素子を用いる例では、２／３の比率を有する２つのデバイスを実装するためには、素子の１０通りの異なる組み合わせを用いることができる。これらの１０通りの組み合わせの平均は、５つの単位素子内のランダムばらつきに起因する、個々の組み合わせのそれぞれに対して偏移があっても、正確に理想の比率２／３になる。
【０００６】
[0006]動作時には素子は、可能な構成のそれぞれを順々に循環され、各構成の素子はサンプルアナログ信号を発生させるように活動化される。順序内の素子の各組み合わせからのサンプルアナログ信号は、ＡＤＣなどの信号処理システムに出力される。不整合のために、素子の各構成はわずかに異なる値を有するサンプルアナログ信号を発生する。ＡＤＣは、後続のデジタル信号処理で用いるためのデジタル出力値に到達するようにサンプルアナログ信号を平均化する。
【０００７】
[0007]ＤＥＭによってデバイス不整合の影響を軽減できるようにするためには、素子の各構成によって発生するサンプルアナログ信号は、最終出力結果に同じ重みで寄与しなければならない。本明細書ではこのようなシステムは「一定の重みを有するシステム」と呼ばれる。一定の重みを用いる１つのタイプのシステムは、１次のリセット可能なシグマ−デルタＡＤＣであり、１次インクリメンタルＡＤＣと呼ばれることもある。インクリメンタルＡＤＣは、リセット可能なアナログ累算器を用いてアナログ信号の複数のサンプルをデジタルビットストリームに変換するように構成されたオーバーサンプリングＡＤＣであり、したがってＤＥＭを用いて発生したアナログ信号を処理するのに特に適している。
【０００８】
[0008]図１には１次インクリメンタルＡＤＣ１００の一例のブロック図が示される。ＡＤＣ１００の動作中、異なる素子構成によって発生したサンプルアナログ信号は、積分器１０４に入力される。積分器１０４の出力は、ＡＤＣ１０８によってデジタル値に変換される。ＡＤＣ１０８の出力はデジタル積分器１１０に供給され、デジタル積分器１１０はＡＤＣ１００のための出力３０４０を発生するためのデジタルフィルタとして動作する。ＡＤＣ１０８の出力はまた、ＡＤＣ１０８の帰還経路内のデジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）１１４にも供給される。ＤＡＣ１１４は、加算ノード１１８にて入力信号に加えられるアナログ信号を出力する。
【０００９】
[0009]この複合信号に対する積分器１０４による積分により、信号ノイズが積分器１０４の出力の高周波成分内に移動する。積分器の出力のＡＤＣ１０８による変換の後に、デジタルフィルタ１１０はローパスフィルタとして動作し、これはノイズを含む高周波成分を除去する。具体的にはデジタルフィルタ１１０は、本明細書では重み付け関数とも呼ぶ、サンプルを積分すなわち／又は平均化してデジタル出力を発生するための１次伝達関数を実現するように構成される。１次インクリメンタルＡＤＣにおいて実現される平均化では、各サンプルは、最終結果に対して同じ係数すなわち重みで寄与する。したがって複数のサンプル内の各サンプルが最終結果に寄与する重みは、（１／Ｓ）である。図２のグラフに示されるように、出力値を計算するために用いられるサンプルの総数が１０の場合は、各サンプルに割り当てられる重みは１／１０すなわち０．１である。
【００１０】
[0010]１次インクリメンタルＡＤＣなどで従来型の平均化が行われた場合は、素子の可能な組み合わせのそれぞれにわたって循環することにより、単位素子不整合の影響が低減される。システムにおいてＭ個の可能な構成を有する、Ｎ個の単位素子を用いて実装されたシステムの場合は、循環順序はｉとして表され、ただしｉ∈｛１，２，．．．，Ｍ｝である。変換を行うために必要なサンプルの数が組み合わせの数より大きい場合は、必要な数のサンプルが収集されるまで順序ｉが繰り返される。１次インクリメンタルＡＤＣでは、使用されるサンプルの数に関わらず、平均の計算のために各サンプルに対して同じ重みが割り当てられる。各組み合わせによって発生するサンプルには等しい重みが割り当てられるので、組み合わせの間の不整合は平均化される。たとえばＭ通りの組み合わせのそれぞれが、ｉ∈｛１，２，．．．，Ｍ｝に対してランダムばらつきΔｉを有する場合は、最終結果は
【００１１】
【数１】
2013526217.tif 000003
【００１２】
に等しいランダムばらつきを有する。したがって、素子の組み合わせの順序が、これらの単位素子のすべての可能な組み合わせからなる場合は、この平均化によりランダムばらつきは互いに有効に打ち消し合うことになり、それにより最終結果はランダムばらつきをもたないようになる。
【００１３】
[0011]しかし、アナログ信号処理のために１次インクリメンタルＡＤＣを用いることの１つの不利な点は、比較的遅い変換時間である。たとえばｎビットの分解能の場合、ＡＤＣは、各変換サイクルのために２ｎの積分、すなわちクロック周期を必要とし、結果としてＡＤＣのクロック周波数に対して非常に遅い変換レートとなる。変換時間は、インクリメンタルＡＤＣの次数を増すことによって速くすることができる。ＡＤＣの次数レベルは、ＡＤＣ内の積分器の総数を指す。たとえば図１に示される１次インクリメンタルＡＤＣの場合は、単一の積分器１０４が設けられ、２次インクリメンタルＡＤＣは２つの積分器を有し、３次インクリメンタルＡＤＣは３つの積分器を有し、以下同様である。
【００１４】
[0012]しかし、２次以上のインクリメンタルＡＤＣでは、サンプルに割り当てられる重みは等しくない。同じＤＥＭ循環方式ｉ∈｛１，２，．．．，Ｍ｝が用いられる場合は、ＡＤＣの出力での各サンプルのランダムばらつきΔｉは、
【００１５】
【数２】
2013526217.tif 000004
【００１６】
で与えられる。その結果として各サンプルのランダムばらつきは、平均に対して等しく寄与せず、出力は１次インクリメンタルＡＤＣと比べてずっと大きな残留ばらつきを有する。残留ばらつきは、インクリメンタルＡＤＣの次数と共に増加する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
[0013]したがってセンサによって出力されるサンプルアナログ信号が、２次以上のインクリメンタルＡＤＣなどの非一定の重みを有するシステムによって処理するのに適した、センサおよび／またはセンサを動作させる方法が必要である。具体的には２次以上のインクリメンタルＡＤＣを、サンプル信号を積分し、これまでに知られている方式と比べて低い残留ばらつきを有するデジタル出力に変換するために使用することを可能にするセンサのための、２次のダイナミックエレメントローテーション方式が必要である。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
[0014]一実施形態によれば、非一定の重みを使用する信号処理回路によって処理するためのサンプルアナログ信号を発生させるためのセンサシステムであって、複数の信号発生素子と、複数の信号発生素子に動作可能に結合された複数のスイッチを有するスイッチングネットワークとを含む、センサシステムが提供される。スイッチングネットワークは、複数の異なる構成の間で複数の信号発生素子を切り換えるように構成されている。システムは、２次のダイナミックエレメントマッチング（ＤＥＭ）ローテーション方式を実現するようにスイッチネットワークを制御するためのＤＥＭ制御システムを含み、この２次のＤＥＭローテーション方式では、複数の信号発生素子は、第１の順序で複数の構成内の各構成に切り換えられ、次いで第２の順序で複数の構成内の各構成に切り換えられ、第２の順序は第１の順序の逆である。
【００１９】
[0015]他の実施形態によれば、非一定の重みを使用する信号処理回路による処理のためのサンプルアナログ信号を発生させるようにセンサシステムを動作させる方法が提供される。センサシステムはセンサ組立体を実装するための複数の信号発生素子を含み、複数の信号発生素子はセンサ組立体を実装するための複数の可能な組み合わせの間で切り換えるように動作可能に結合される。方法は、複数の信号発生素子を、第１の順序で可能な構成のそれぞれに切り換え、第１の順序の各構成に対するサンプルアナログ信号を出力するように、複数の回路素子を活動化するステップを含む。第１の順序の後に、複数の信号発生素子は、第２の順序で可能な構成のそれぞれに切り換えられ、第２の順序の各構成に対するサンプルアナログ信号を出力するように活動化され、第２の順序は第１の順序の逆である。
【００２０】
[0016]他の実施形態によれば、信号発生および処理システムが提供される。システムは、複数の信号発生素子と、複数の信号発生素子に動作可能に結合された複数のスイッチを有するスイッチングネットワークとを備える。スイッチングネットワークは、複数の異なる構成の間で、複数の信号発生素子を切り換えるように構成されている。システムは、２次のダイナミックエレメントマッチング（ＤＥＭ）ローテーション方式を実現するようにスイッチネットワークを制御するためのＤＥＭ制御システムを含み、この２次のＤＥＭローテーション方式では、複数の信号発生素子は、第１の順序で複数の構成内の各構成に切り換えられ、次いで第２の順序で複数の構成内の各構成に切り換えられ、第２の順序は第１の順序の逆である。信号発生素子は、第１および第２の順序の各構成にて活動化されてサンプルアナログ信号を出力する。システムは、サンプルアナログ信号を受け取るための信号処理回路を含む。信号処理回路は、２次ＤＥＭローテーション方式の間に受け取ったサンプルアナログ信号をノイズ整形関数に従って組み合わせて、離散出力値を生成させるように構成されている。ノイズ整形関数は、サンプルアナログ信号のそれぞれに、サンプルアナログ信号が離散出力値の生成に寄与する非一定の重みを割り当てる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】[0017]１次インクリメンタルＡＤＣのブロック図である。
【図２】[0018]１０個のサンプルを用いた１次インクリメンタルＡＤＣの場合のサンプル重みのグラフである。
【図３】[0019]本発明の一実施形態による、アナログ信号発生および処理システムのブロック図である。
【図４】[0020]図３のシステムと共に用いるための２次インクリメンタルＡＤＣのブロック図である。
【図５】[0021]２０個のサンプルを用いた２次インクリメンタルＡＤＣの場合のサンプル重みのグラフである。
【図６】[0022]２０個のサンプルを用いた３次インクリメンタルＡＤＣの場合のサンプル重みのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
[0023]次に本発明の原理の理解を深めるために、図面に示され、本明細書で以下に述べられる実施形態を参照する。それによって本発明の範囲に対して限定がなされるものではないことを理解されたい。さらに本発明は、図示の実施形態へのいかなる変形形態および変更形態を含み、本発明が関係する当業者なら普通に思い付くであろう、本発明の原理の他の応用例を含むことを理解されたい。
【００２３】
[0024]図３は、アナログ信号発生および処理システム３００のブロック図を示し、システム３００はダイナミックエレメントマッチング（ＤＥＭ）センサ３０４と、アナログ信号処理回路すなわちインクリメンタルＡＤＣ３０８と、システムクロック３１０とを含む。一実施形態では、ＤＥＭセンサ３０４、インクリメンタルＡＤＣ３０８、およびクロック３１０は、すべて同じ半導体基板に配置される。代替実施形態では構成要素の様々な組み合わせは、異なる半導体デバイスに配置される。以下で説明するようにＤＥＭセンサ３０４は、２次ＤＥＭローテーション方式に従って選択的にサンプルアナログ信号をインクリメンタルＡＤＣ３０８に出力するように構成される。システムクロック３１０は、サンプルアナログ信号がインクリメンタルＡＤＣ３０８に出力されるサンプルレートを設定する。
【００２４】
[0025]インクリメンタルＡＤＣ３０８は、２次ＤＥＭローテーション方式に従って発生したサンプルアナログ信号を累算し、それらを積分して、サンプルアナログ信号の加重平均に対応する離散値を有する出力を発生するように構成されている。アナログサンプルを累算し、それらをデジタル出力に積分するプロセスを、本明細書では変換サイクルと呼ぶ。インクリメンタルＡＤＣ３０８は、積分のために、変換サイクル当たり所定の数Ｓ個のサンプルを累算するように構成されている。本明細書で用いられる「加重平均」とは、各サンプルに、各サンプルがデジタル出力値に寄与する重みすなわち係数が割り当てられたサンプルアナログ信号の値の平均を指す。加重平均を発生するために一定の重みを用いるシステムとは異なり、図３のインクリメンタルＡＤＣ３０８は、加重平均の計算においてサンプルに非一定の重みを割り当てるように構成されている（以下でより詳細に説明する）。
【００２５】
[0026]ＤＥＭセンサ３０４、アナログ信号処理回路３０８、およびシステムクロック３０１は、それぞれコントローラ３１４に動作可能に接続することができる。コントローラ３１４は、様々なデバイスパラメータがシステム内に設定またはプログラムされることを可能にする。コントローラ３１４は、ソフトウェア、ハードウェア、またはその両方で実施することができ、操作者がシステムに対するパラメータを指定することを可能にするアプリケーションプログラミングインターフェース（ＡＰＩ）を提供する。このようなパラメータの例には、変換当たりに必要なサンプル数、サンプルレート、クロック周波数、デジタル出力に対する分解能のビット数などが含まれる。さらに制御システム（コントローラ３１４）は、変換サイクルを開始し、各変換サイクルの始まりにて積分器およびカウント値をリセットするのにシステムにとって適切な信号（たとえばリセット）を発生させることができる。
【００２６】
[0027]上述のようにインクリメンタルＡＤＣ３０８は、加重平均の計算においてサンプルに非一定の重みを割り当てる。図４には、ＤＥＭセンサ３０４によって発生したサンプルアナログ信号を非一定の重みを使用して処理するインクリメンタルＡＤＣ３０８の一実施形態が示される。図４のインクリメンタルＡＤＣは、２次インクリメンタルＡＤＣ４００を備える。２次インクリメンタルＡＤＣ４００の動作は、１次インクリメンタルＡＤＣの動作と似ている。しかし、第２のアナログ積分器を追加することにより、サンプルアナログ信号を２ｎ／２個のサンプルを用いてｎビットに分解することが可能になる。したがって２次インクリメンタルＡＤＣの場合の変換時間は、１次インクリメンタルＡＤＣの場合の変換時間のほぼ平方根となる。
【００２７】
[0028]図４に示されるように２次インクリメンタルＡＤＣ４００は、２つのアナログ積分器４０４、４０８と、デジタルフィルタを形成する２つのデジタル積分器４２４、４２８とを含む。サンプルアナログ入力信号はアナログ積分器４０４、４０６によって積分され、次いでＡＤＣ４１０に供給され、ＡＤＣ４１０は積分されたサンプル信号を量子化する。ＤＡＣ４１４はＡＤＣ４１０の量子化された出力を、アナログ信号に変換して、加算ノード４１８および４２０を通じて積分器４０４、４０８の両方に帰還する。ＡＤＣ４１０の量子化された出力は２つのデジタル積分器４２４、４２８に供給され、デジタル積分器４２４、４２８はサンプル信号を積分して、サンプル信号の加重平均である離散値を有するデジタル出力を端子４３０に発生させる。
【００２８】
[0029]デジタル積分器４２４、４２８によって実施されたデジタルフィルタは、２次伝達関数に従って複数のサンプルを積分してデジタル出力値を生成するように構成される。本明細書で用いられる２次伝達関数すなわち重み付け関数は、線形の非一定重み付け関数である。重み付け関数の線形および非線形という側面は、サンプル位置による重みの変化を指す。線形の非一定重み付け関数では、連続するサンプルに割り当てられる重みの差は、連続するサンプルごとに同じである。Ｓ個のサンプルに割り当てられた重みのプロットは、（１／Ｓ）／（Ｓ＋１）、すなわち１／（Ｓ（Ｓ＋１））の傾きを有する直線である。たとえば図５は、ＡＤＣ４００内に実装された線形の非一定重み付け関数の一実施形態による、Ｓ＝２０個のサンプルに割り当てられた重みのグラフを示す。
【００２９】
[0030]変換サイクル内では、所定の数のサンプルがＡＤＣ４００に供給されてデジタル出力値を生成する。変換当たりに用いられるサンプル数は、コントローラ３１４（図３）を通じてＡＤＣに設定される。２次ＤＥＭローテーション方式によって発生した信号を処理するためには、変換サイクル当たりのサンプル数は、２次ＤＥＭローテーション方式に従ってＤＥＭセンサ３０４によって発生するサンプルの総数Ｓの倍数に設定される。ＤＥＭセンサ３０４からのアナログサンプル信号は、システムクロック３１０によって設定されるサンプルレートにて、ＡＤＣ３０８に供給される。
【００３０】
[0031]図３を再度参照するとＤＥＭセンサ３０４は、２次ＤＥＭローテーション方式に従ってアナログサンプル信号を発生させるための複数のアナログ信号発生素子３２４を含む。一実施形態ではＤＥＭセンサ３０４の信号発生素子３２４は、温度、圧力、流量など、物体または環境の物理的特性またはパラメータを検出または測定するためのセンサ組立体を実装するように構成されている。具体的には複数の信号発生素子３２４は、検知されたパラメータの変化に比例して変化する電圧または電流レベルなどの特性を有するアナログ出力信号を発生させるためのトランジスタ、抵抗器、キャパシタなどの１つまたは複数の回路デバイスを実装する。信号発生素子３２４はそれぞれ、製造プロセス時に導入され得るランダムばらつきを除いてはほぼ同じ単位サイズおよび形状、または単位サイズの倍数を有するように設計することができる。
【００３１】
[0032]信号発生素子３２４は、センサ組立体の回路デバイスを実装するために、Ｍ個の構成で構成することができる。信号発生素子３２４のＭ個の構成は、信号発生素子３２４の数、および実装されるデバイスの数およびタイプに依存する。さらにセンサ設計の一部として信号発生素子３２４は、互いに対して所定の比率を有する回路デバイスを実装することが必要になり得る。図３の例示的実施形態では複数の信号発生素子３２４は、たとえば互いに対して２／３の比率を有する２つのデバイスを実装するために、５つの信号発生素子Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、およびＥを備える。デバイス比率は、５つのうちの３つの信号発生素子を第１のデバイスに、５つのうちの２つの信号発生素子を第２のデバイスに割り振るまたは割り当てることによって実現することができる。２つのデバイスを実装するために５つの信号発生素子Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、およびＥは、２／３の比率を有する１０通りの異なる組み合わせにて第１および第２のデバイスに割り振ることができ、組み合わせは構成とも呼ばれ、たとえば、Ｍ１＝｛（１）ＡＢＣ，（２）ＤＥ｝、Ｍ２＝｛（１）ＡＢＤ，（２）ＣＥ｝、Ｍ３＝｛（１）ＡＢＥ，（２）ＣＤ｝、Ｍ４＝｛（１）ＡＣＤ，（２）ＢＥ｝、Ｍ５＝｛（１）ＡＣＥ，（２）ＢＤ｝、Ｍ６＝｛（１）ＡＤＥ，（２）ＢＣ｝、Ｍ７＝｛（１）ＢＣＤ，（２）ＡＥ｝、Ｍ８＝｛（１）ＢＣＥ，（２）ＡＤ｝、Ｍ９＝｛（１）ＢＤＥ，（２）ＡＣ｝、およびＭ１０＝｛（１）ＣＤＥ，（２）ＡＢ｝である。
【００３２】
[0033]複数の信号発生素子３２４はスイッチングネットワーク３２０によって相互接続され、スイッチングネットワーク３２０は、インクリメンタルＡＤＣ３０８にサンプルアナログ信号を出力するために、アナログ信号発生素子３２４が、可能な構成すなわち組み合わせのそれぞれに選択的に切り換えられるようにする。複数の組み合わせすなわち構成の間で回路素子を切り換えるためのスイッチネットワークは知られており、信号素子の数、素子が実装する回路デバイスの数、およびセンサのタイプに対して回路デバイスがどのように接続されるかに依存する。スイッチネットワーク３２０はさらにＤＥＭロジック３１８によって制御される。ＤＥＭロジック３１８は、ローテーション方式に従って素子の様々な組み合わせの間で複数の信号発生素子３２４を切り換えるように、知られているやり方でスイッチネットワーク３２０を制御するように構成されている。
【００３３】
[0034]上述のように信号発生素子の特性のランダムばらつきにより、信号発生素子３２４の各組み合わせによって出力されるサンプル信号は異なる値をもち得る。１次ＤＥＭローテーション方式では信号発生素子は、ある順序の素子の各可能な組み合わせにわたって循環される。たとえば上述の信号発生素子３２４の１０通りの組み合わせの場合は、このような順序はｉ∈｛Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，．．．，Ｍ１０｝と表すことができる。順序ｉは、変換サイクルに対して、必要な数のサンプルがＡＤＣによって累算されるまで繰り返され、その時点でサンプルは積分され、出力値が生成される。加重平均を計算するために変換サイクル内の各サンプルに、１次インクリメンタルＡＤＣの場合のように同じ重み（すなわち１／Ｓ、ただしＳはサンプルの総数）が割り当てられた場合は、サンプルを発生させるために用いられた素子の各組み合わせのランダムばらつきは互いに平均化され、それによりそれらは互いに有効に打ち消し合う。しかし、平均を計算するために、組み合わせ順序ｉ∈｛Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，．．．，Ｍ１０｝によって発生したサンプルに非一定の重みが割り当てられた場合は、各組み合わせのランダムばらつきは出力に対して等しく寄与しない。したがってランダムばらつきは互いに平均化されず、結果として１次インクリメンタルＡＤＣなどの一定の重みを用いたシステムと比べて、より大きな残留ばらつきを有する出力を生じる。
【００３４】
[0035]図４の２次インクリメンタルＡＤＣ４００などの、非一定の重みを有するシステムの場合に、サンプルの加重平均におけるランダムばらつきすなわち残留ばらつきを低減または除去するためには、ＤＥＭセンサ３０４は、インクリメンタルＡＤＣ３０８のためのサンプルアナログ信号を発生させるために２次ＤＥＭローテーション方式を使用するように構成される。２次ＤＥＭローテーション方式ではＤＥＭ制御システムは、図４に示される２次インクリメンタルＡＤＣなどで使用される、線形の非一定重み付け関数に従って信号が処理される場合でも、１次インクリメンタルＡＤＣなど、可能な組み合わせのそれぞれにおけるランダムばらつきが互いに平均化されることを可能にする所定の順序のＭ通りの可能な組み合わせの間で、信号発生素子を切り換えるようにスイッチネットワークを制御する。
【００３５】
[0036]一実施形態では、図４の２次インクリメンタルＡＤＣ４００などの線形で非一定の重みを用いるシステムと共に用いるための２次ＤＥＭローテーション方式は、信号発生素子３２４を第１の順序で素子の可能な組み合わせのそれぞれに切り換え、次いで素子を第１の順序とは反対の第２の順序で可能な構成のそれぞれに切り換えることを含む。たとえば、所望のセンサを実装するために５つの素子３２４を１０通りの組み合わせＭにて構成することができる図３のＤＥＭセンサ３０４の場合の２次ＤＥＭローテーション方式は、順序ｊ１、ただしｊ１∈｛Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，．．．，Ｍ１０｝で１０個の可能な構成のそれぞれに素子３２４を切り換え、次いで第１の順序と反対の第２の順序ｊ２、ただしｊ２∈｛Ｍ１０，Ｍ９，Ｍ８，．．．，Ｍ１｝で可能な構成のそれぞれに素子を切り換えることを含む。したがって一実施形態では２次ＤＥＭローテーション方式は、順序ｊ、ただしｊ∈｛Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，．．．，Ｍ１０，Ｍ１０，Ｍ９，Ｍ８，．．．，Ｍ１｝と表すことができる。
【００３６】
[0037]信号発生素子３２４は、２次ＤＥＭローテーション方式によって指示される順序ｊで各組み合わせに対して活動化されて、サンプルアナログ信号をＡＤＣ３０８に出力する。したがって２次ＤＥＭローテーション方式の間では、素子のＭ通りの可能な組み合わせのそれぞれが、２つのサンプル信号を発生し、合計で２×Ｍ個のサンプルを発生する。信号発生素子３２４が、２次ＤＥＭローテーション方式に従って異なる組み合わせにわたって循環され、２×Ｍ個のサンプルがＡＤＣに出力された後に、ＡＤＣ３０８は、出力値を生成するために上述のように２次のノイズ整形関数に従ってサンプルを積分する。たとえばサンプル重みは各サンプルに、ＤＥＭセンサ３０４からサンプルを受け取った順に基づいて割り当てられる。図５に示されるように１番目のサンプルと２０番目のサンプルはそれぞれ組み合わせＭ１によって発生し、２番目のサンプルと１９番目のサンプルはそれぞれ組み合わせＭ２によって発生し、３番目のサンプルと１８番目のサンプルはそれぞれ組み合わせＭ３によって発生し、以下同様である。したがって最も高い重みと最も低い重みは組み合わせＭ１によって発生した２つのサンプルに割り当てられ、２番目に高い重みと２番目に低い重みは組み合わせＭ２によって発生した２つのサンプルに割り当てられ、以下同様である。その結果として各組み合わせＭ１からＭ１０に割り当てられるサンプル重みの平均はほぼ同じとなる。
【００３７】
[0038]したがって２次ＤＥＭローテーション方式を用いることにより、各組み合わせＭ１からＭ１０は、出力値のための加重平均の計算に、同じ係数すなわち重みで寄与する。各組み合わせＭ１からＭ１０は等しく寄与するので、各組み合わせＭ１からＭ１０のランダムばらつきは互いに平均化され、それにより互いに有効に打ち消し合う。より具体的には、図５のサンプル重みを有する２次インクリメンタルＡＤＣなどの、非一定であるが線形の重みを有するシステムの場合は、２次ＤＥＭローテーション方式を用いることにより次式のランダムばらつきを有する最終結果となる。
【００３８】
【数３】
2013526217.tif 000005
【００３９】
したがって１次のＡＤＣと同様に、素子の組み合わせの順序が、これらの単位素子のすべての可能な組み合わせからなる場合は、この平均化によりランダムばらつきは互いに有効に打ち消し合うことになり、それにより最終結果はランダムばらつきをもたなくなる。
【００４０】
[0039]２次ＤＥＭローテーション方式はまた、３次以上のインクリメンタルＡＤＣのためのサンプル信号を発生させるのに使用することができる。３次インクリメンタルＡＤＣは、サンプルの積分のために３次のノイズ整形関数を使用して、出力を発生させるシステムである。図６には、３次のノイズ整形関数に従って２０個のサンプルに割り振られるサンプル重みの例が示される。図６に示されるように３次のノイズ整形関数は、非線形の非一定重み付け関数である。したがって２次ＤＥＭローテーション方式を使用して２０個のサンプルを発生させ、それらが図６に従って重み付けされた場合は、各組み合わせに割り当てられたサンプル重みの平均は等しくならない。たとえば１番目と２０番目のサンプルに割り当てられた重みの平均は、２番目と１９番目のサンプルに割り当てられたサンプル重みの平均と等しくなく、以下同様である。したがって各組み合わせは出力に対して同じ重みの合計で寄与しない。しかし、２次ＤＥＭローテーション方式は、組み合わせがほぼ互いに平均化されることを可能にし、これは最新技術のダイナミックエレメントマッチングと比べて依然として改善となる。
【００４１】
[0040]前述のようにインクリメンタルＡＤＣは、２次ＤＥＭローテーション方式ではＭ通りの素子の組み合わせがあるのに対して、デジタル出力値を生成するのにより多くのサンプル、すなわち２×Ｍ個が必要となり得る。オーバーサンプリングを適応させるためには、出力値を生成するためにＡＤＣによって使用されるサンプルの数は、ＡＤＣのために必要なサンプル数より多い、２×Ｍの任意の倍数に設定することができる。オーバーサンプリングのために用いることができるオーバーサンプリングローテーション方式の一実施形態は、順序｛Ｍ１，Ｍ１,．．．，Ｍ２，Ｍ２,．．．，．．．，ＭＭ−１，ＭＭ−１,．．．，ＭＭ，ＭＭ,．．．，ＭＭ，ＭＭ,．．．，ＭＭ−１，ＭＭ−１,．．．，Ｍ２，Ｍ２,．．．，．．．，Ｍ１，Ｍ１,．．．｝で与えられ、ただし組み合わせＭ１からＭＭまでのそれぞれは、サンプルの総数を適応させるために、その順序の次の組み合わせに移る前に等しい回数連続して繰り返される。オーバーサンプリングに必要なサンプルの総数がたとえば３２２０個で、構成の総数が１０の場合は、その順序の各組み合わせは、各組み合わせが合計で１４個のサンプルを発生するように連続して７回繰り返される。順序のために発生するサンプルの総数は１４０となり、これは必要な数３０４８より多い。さらに対称性は維持され、すなわち各組み合わせは出力に対して等しい回数寄与し、各組み合わせによって発生するサンプルに割り当てられる重みの合計は同じとなる。
【００４２】
[0041]他の実施形態では中心の順序｛Ｍ１，Ｍ２,．．．，ＭＭ−１，ＭＭ，ＭＭ，ＭＭ−１,．．．，Ｍ２，Ｍ１｝は、必要なサンプルの総数が発生するまで繰り返される。上記と同様にオーバーサンプリングに必要なサンプルの総数がたとえば３０４８であり、構成の総数が１０である場合は中心の順序｛Ｍ１，Ｍ２,．．．，ＭＭ−１，ＭＭ，ＭＭ，ＭＭ−１,．．．，Ｍ２，Ｍ１｝は、各組み合わせが順序の間に合計で１４０サンプルに対して、合計で１４サンプルを発生させるように、７回連続して繰り返すことができる。各組み合わせは依然として出力に対して等しい回数寄与し、各組み合わせによって発生するサンプルに割り当てられる重みの合計は同じとなる。
【００４３】
[0042]上記の両方のオーバーサンプリング循環順序は、２次インクリメンタルＡＤＣなどの非一定であるが線形の重みを有するシステムに対して等しく正しく動作する。第２のオーバーサンプリング循環順序は、３次インクリメンタルＡＤＣなどの非一定で非線形の重みを有するシステムに対して、より正確な近似をもたらすことができる。
【００４４】
[0043]本発明について図面に示し上記の説明で詳しく述べてきたが、これらは例示であって、限定する性質のものではないと見なされるべきである。好ましい実施形態のみが示され、本発明の趣旨に含まれるすべての変更形態、変形形態、および他の応用例は、保護されることが望ましいことを理解されたい。
【図１】
2013526217.tif 000006
【図２】
2013526217.tif 000007
【図３】
2013526217.tif 000008
【図４】
2013526217.tif 000009
【図５】
2013526217.tif 000010
【図６】
2013526217.tif 000011
【国際調査報告】
2013526217.tif 000012
2013526217.tif 000013
2013526217.tif 000014